Линейная решетка вибраторных антенн

Одной из актуальных задач антенной техники является создание антенн с управляемыми диаграммами направленности. Свойство сканирования позволяет осуществлять сопровождение движущихся объектов и определение их угловых координат. При этом в большинстве практических случаев необходимо, чтобы острая направленность антенны сочеталась с высокой скоростью перемещения антенного луча в пространстве, движением его по любой заданной программе, обзором весьма широкого сектора пространства, автоматическим управлением и т.д. Перечисленным требованиям удовлетворяют многоэлементные решетки излучателей с электрически управляемыми диаграммами направленности.

В общем случае сканирование бывает трех типов: механическое, электромеханическое и электрическое. Электрический способ управления положением диаграммой направленности обладает наибольшим быстродействием и применяется в тех ситуациях, когда скорости слежения, обеспечиваемой двумя другими способами, бывает недостаточно, например при управлении воздушным транспортом в современных аэропортах.

При электрическом управлении перемещением луча амплитудно-фазовое распределение возбуждения в раскрыве регулируется с помощью электронно-управляемых устройств, например полупроводниковых или ферритовых фазовращателей и коммутаторов. Быстродействие сканирования здесь ограничивается инерционностью, обусловленной постоянными времени электрических цепей, причем эта инерция на несколько порядков меньше механической инерции в двух первых способах.

Рис.1 Структурная схема ФАР

Переход от механического сканирования к электрическому приводит к усложнению конструкции антенны, связанному с применением ФАР. Наличие большого числа фазовращателей, увеличение протяженности тракта, использование делителей мощности и других элементов увеличивают тепловые потери в антенне и фазовые ошибки в ее раскрыве, что приводит к уменьшению коэффициента антенны и росту стоимости. Поэтому переход к АР с электрическим сканированием целесообразен только в тех строго аргументированных случаях, когда механический способ не обеспечивает требуемых характеристик управления, при выполнении задачи одновременного сопровождения нескольких целей в пространстве или при необходимости адаптации к помеховой обстановке при наличии нескольких прицельных помех.

На рис. 1 показана структурная схема электрически управляемой ФАР. Мощность с выхода передатчика поступает в распределительно-управляющее устройство. Здесь осуществляется деление этой мощности в нужной пропорции между излучателями решетки, а также обеспечивается создание требуемых фазовых сдвигов между токами в них. Для решения этих задач в распределительно-управляющих устройствах применяются делители мощности, фазовращатели, коммутаторы, аттенюаторы и другие элементы фидерного тракта.

Для формирования диаграммы направленности в одной плоскости применяются линейные антенные решетки из антенных элементов, расположенных вдоль прямой линии. Управление положением антенного луча такой решетки, как правило, осуществляется путем изменения фазового сдвига между токами в соседних излучателях на одну и ту же величину.

Формируемая решеткой диаграмма направленности зависит от диаграмм направленности отдельных излучателей, их взаимного расположения и числа, а также от амплитудно-фазового распределения поля между излучателями. Данная работа предполагает использование симметричных вибраторов в качестве элементов ФАР (см. рис.2).

Рис.2 Плоская решетка вибраторных антенн

Вибраторные излучатели широко применяются в фазированных антенных решетках в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах волн. Широкое применение вибраторных ФАР обусловлено рядом их достоинств: относительно малой массой, устойчивостью к атмосферным внешним воздействиям, возможностями складывания и быстрого разворачивания в мобильных радиотехнических системах, получения произвольной поляризации и управления поляризационной характеристикой излученного поля, управления ДН отдельных излучателей, благодаря включению управляемых нагрузок.

1. Анализ технического задания

Проектирование антенны в данной работе предполагается осуществить методом неполного математического моделирования. Неполнота метода заключается в приближенном характере применяемых в расчетах формул, в использовании при расчете различных допущений, позволяющих упростить математические выражения, а также в нерассмотрении некоторых факторов, влияющих на режим работы реальной антенны. В целом, использование математических моделей при проектировании реальных антенн существенно сокращает объём экспериментальных исследований, связанных с разработкой излучателей, а в ряде случаев и исключает их.

В техническом задании предложено спроектировать линейную ФАР из вибраторных излучателей, настроенную на длину волны  при максимально допустимой мощности в антенне , а также с заданным уровнем боковых лепестков . Длине волны  соответствует частота . Сектор сканирования и ширина диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях не заданы, их следует определить в расчете. Конструктивная часть должна учитывать заданную длину решетки  и требование к сканированию в H-плоскости . Также в работе необходимо показать конструкцию одного излучателя, который при определении предельно допустимой мощности должен быть исследован на пробой. Антенну предполагается использовать не только в настроенном режиме, поэтому нужно определить полосу частот, в которой параметры антенны будут удовлетворять поставленной задаче, а также условиям эксплуатации.

Значение мощности в антенне говорит о том, что ее предполагается использовать в режиме передачи, следовательно, следует учесть специфику этого режима как при проектировании фидерного устройства, так и всего устройства в целом.

Конструктивно решетка выполняется в виде линейки симметричных вибраторов, ориентированных в пространстве определенным образом. Положение элементов антенны относительно всей решетки зависит от плоскости, в которой должно осуществляться сканирование. По заданию луч должен перемещаться в H-плоскости, соответственно, излучатели должны быть ориентированы таким образом, чтобы ось антенны лежала в H-плоскости каждого из излучателей.

С целью обеспечения однонаправленного излучения вибраторы устанавливаются над металлическим экраном. При высотах установки симметричного вибратора над экраном около  и более влияние экрана на сопротивление излучения может быть учтено приближенно, если сделать предположение об идеальной проводимости металла, из которого выполнен экран. При расчете диаграммы направленности излучателя следует учесть влияние высоты подвеса вибратора над экраном на его направленные свойства. Расстояния между элементами решетки выбираются одинаковыми. Поскольку длина решетки задана, то это расстояние определяется выбором числа излучателей.

Примерный вид решетки изображен на рис. 3.

Исходя из доступности теоретического материала элементом антенной решетки выберу полуволновый () вибратор. Чтобы упростить последующий расчет вибратор буду считать тонким, то есть его диаметр .

Поскольку в реальных вибраторах ток по плечам протекает несимметрично, то во избежание искажений диаграммы направленности, падения КНД и ухудшения согласования (из-за изменения входного сопротивления излучателя) важно выбрать симметрирующее устройство, которым может служить четвертьволновая щель, U-колено и др.

Следует отметить, что необходимый уровень боковых лепестков не может быть обеспечен при равноамплитудном распределении токов, питающих излучатели, так как оно дает уровень не ниже . Для снижения уровня боковых лепестков (необходим ), и, соответственно, повышения КНД требуется применить неравномерное распределение амплитуд. При этом зависимость коэффициента усиления антенны от выбранного распределения учитывается при помощи коэффициента использования поверхности раскрыва.

Амплитудное распределение токов, питающих излучатели, определяет распределение подводимых к излучателям мощностей. Тот вибратор, на который будет подана максимальная мощность, исследуется на пробой, и если при определенной подводимой мощности условие возникновения пробоя не выполняется, то и вся решетка способна функционировать при заданном значении мощности антенны. Необходимо также указать, что значение предельно допустимой мощности вибратора при фиксированной подводимой к антенне мощности не позволяет выбирать число излучателей ниже определенного порогового значения.

Рабочей называется та полоса частот, в пределах которой параметры антенны не выходят за пределы допусков установленных заданием. Обычно границы рабочего диапазона определяются наиболее зависящим от частоты параметром.

Основываясь на приведенном анализе, можно приближенно определить последовательность действий при расчете:

– расчет и построение диаграмм направленности одиночного излучателя в E- и H- плоскостях;

– выбор амплитудного распределения, обеспечивающего заданный уровень БЛ, определение количества элементов антенны;

– предельно допустимая мощность, анализ излучателя на пробой;

– расчет и построение диаграмм направленности множителя решетки и всей решетки в E- и H- плоскостях, оценка ширины ДН и уровня боковых лепестков;

– поиск коэффициента усиления антенны;

– режим сканирования, влияние сдвига фаз между токами соседних излучателей на ДН ФАР в плоскости H, угол сканирования, уровень БЛ;

– оценка широкополосности антенны.

После выполнения расчета будет приведена схема питания устройства и конструкция излучателя с описанием.

2. Расчетная часть

2.1 Расчет диаграммы направленности одиночного излучателя

В соответствии с анализом технического задания длина вибратора

При условии, что в антенне используются тонкие вибраторы, конкретная толщина вибратора не влияет на расчет диаграмм направленности, поэтому диаметр плеча вибратора предполагается уточнить при анализе излучателя на пробой. Высоту крепления вибратора выберу следующей:

Такая высота позволяет заменить экран в расчетах зеркальным изображением вибратора. При этом взаимное влияние реального вибратора и зеркального недостаточно велико, чтобы повлиять на расчет. Влияние зеркального изображения на диаграмму направленности симметричного вибратора, установленного над экраном, выражается в том, что расчетные формулы для диаграмм направленности в плоскостях E- и H- должны быть изменены с учетом множителя  и с учетом того, что излучение не может распространяться в направлении за экраном. Выражения для диаграмм направленности вибратора, расположенного в свободном пространстве, в E- и H- плоскостях имеют вид:

,

,

При элементарном рассмотрении предполагается, что ДН излучателя, находящегося в решетке, не отличается от ДН изолированного излучателя. С учетом влияния экрана формулы принимают вид:

, где ,

, где ,

Дополнительное условие  учитывает односторонний характер излучения.

Диаграмма направленности излучателя в H-плоскости

 – ширина ДН в H-плоскости на уровне 0.5 мощности.

Диаграмма направленности излучателя в E-плоскости

 – ширина ДН в E-плоскости на уровне 0.5 мощности.

2.2 Выбор амплитудного распределения и числа элементов ФАР

Длина всей решетки

Как было сказано ранее, для обеспечения уровня боковых лепестков  следует использовать неравномерное распределение питающих токов. Такому условию соответствует симметричное относительно центрального излучателя амплитудное распределение типа "косинус на пьедестале". При величине "пьедестала" 0.4 нормированное распределение амплитуд токов по элементам решетки будет иметь вид:

, где N – число излучателей решетки.

Такое амплитудное распределение способно обеспечить уровень боковых лепестков около  в режиме нормального излучения.

Поскольку сектор сканирования и ширина диаграммы направленности в техническом задании не указаны, то для выбора числа излучателей достаточно выполнения условий, при которых диаграмма направленности множителя решетки позволяет осуществлять качание луча в заметном диапазоне. Эти условия формулируются следующим образом:

– Диаграммы направленности излучателей, примененных в решетке наклонного излучения, должны быть значительно шире, чем главный лепесток ДН-ти множителя решетки.

– Расстояние между излучателями решетки должно быть меньше оптимального.

Выберу , тогда расстояние между излучателями будет , что автоматически означает выполнение второго условия. В относительных единицах .

Распределение амплитуд токов при выбранном числе излучателей показано на рис. 8

2.3 Предельно допустимая мощность в излучателе, его анализ на пробой

Определенные в предыдущем пункте амплитудное распределение и число элементов решетки с учетом известной мощности поля в антенне позволяют найти максимальный мощность, приходящуюся на один излучатель. Поскольку было выбрано симметричное распределение, то максимум мощности будет в центральном вибраторе.

Нормированное распределение мощности по излучателям при их одинаковом входном сопротивлении определяется, как

Из допущения, что подводимая к антенне мощность не рассеивается на элементах фидерного тракта и делится между излучателями в соответствии с заданным законом, можно сделать вывод о доле мощности, приходящейся на центральный излучатель линейной антенной решетки:

Отсюда

Во избежание возникновения факельного истечения эффективная напряженность электрического поля вблизи плеч вибратора должна быть не более . Антенна же должна эксплуатироваться в таком режиме, в котором эффективная напряженность поля вблизи вибратора в 1.5–2 раза меньше критической, т.е. .

Пусть радиус вибратора  (при этом  и вибратор можно считать тонким). Максимальное значение напряженности поля имеет место на концах вибратора, его эффективная величина рассчитывается по формуле , где , . Сопротивление излучения симметричного полуволнового вибратора без учета влияния экрана .

,

сл., пробоя вибратора не наступает и возможна эксплуатация антенны в нормальном режиме при заданной мощности.

2.4 Расчет диаграммы направленности решетки в режиме нормального излучения

Характеристика направленности множителя решетки в плоскости (H-плоскость) определяется в соответствии с формулой , где и  – амплитуды и фазы токов, подводимых к элементам решетки, причем в случае излучения, нормального к оси решетки . Направление на максимум диаграммы направленности . Здесь , сл.,  и . Нормированная диаграмма направленности множителя решетки в H-плоскости

В плоскости (E-плоскость) направленные свойства у множителя решетки отсутствуют и ДН постоянна по уровню.

 – ширина ДН множителя решетки в H-плоскости излучателя () на уровне 0.5 мощности.

 и , следовательно, , что говорит о потенциально широком секторе сканирования.

Таким образом, можно утверждать, что выбранное число излучателей  приемлемо для дальнейших расчетов.

Диаграмма направленности всей антенны определяется по теореме перемножения диаграмм .

Диаграмма направленности решетки в H-плоскости

, где

 – диаграмма направленности множителя решетки

 – диаграмма направленности 1-го излучателя

 – диаграмма направленности всей антенны

– ширина диаграммы направленности антенны в H-плоскости по уровню 0.5 мощности.

Величина наибольшего из боковых лепестков – 0.1

Уровень боковых лепестков

,

что удовлетворяет требованию технического задания .

Диаграмма направленности решетки в E-плоскости

, где

– ширина диаграммы направленности антенны в E-плоскости по уровню 0.5 мощности.

2.5 Коэффициент усиления антенны

Коэффициент усиления ФАР в направлении максимального излучения при знании коэффициента усиления одиночного излучателя можно определить по формуле , где N – число элементов решетки, а  – коэффициент использования поверхности раскрыва, который определяет влияние амплитудного распределения на усилительное свойство антенны. Для распределения "косинус на пьедестале" КИП определяется из выражения

,

где  – "высота пьедестала".

В моем случае

, отсюда

Коэффициент усиления одиночного излучателя найду по графику, изображенному на рис. 14

Рис.14 Зависимости коэффициентов усиления и направленного действия от , построенные в предположении бесконечной проводимости экрана

 при

Тогда коэффициент усиления всей антенны в направлении максимального излучения

2.6 Расчет диаграммы направленности решетки в режиме сканирования

Управление отклонением главного лепестка диаграммы направленности будет осуществляться электрическим, а точнее – фазовым методом. При этом изменяемым параметром будут фазовые сдвиги на входах отдельных излучателей решетки.

Для обеспечения заданного направления на главный максимум ДН множителя решетки  разность фаз между соседними элементами ФАР должна быть вычислена в соответствии с выражением: .

Углом сканирования  буду называть отклонение главного максимума ДН от первоначального положения при  и , т.е. .

Сектором сканирования буду считать тот диапазон углов, в пределах которого уровень главного лепестка не меньше уровня 0.707 нормированной ДН одиночного излучателя. При этом недопустимо проникновение производных дифракционных лепестков, если их уровень превышает УБЛ.

При  и, соответственно,  диаграмма направленности антенны выглядит, как показано на рис. 15.

Рис. 15 ДН решетки в декартовой СК. H-плоскость. Сдвиг фаз

 – диаграмма направленности множителя решетки

 – диаграмма направленности 1-го излучателя

 – диаграмма направленности всей антенны

Сектор сканирования

Вид диаграммы в полярной системе координат изображен на рис. 16

Ширина диаграммы направленности по уровню 0.5 мощности

()

По диаграмме направленности на рис.15 оценю уровень боковых лепестков. Высота наибольшего из боковых лепестков – 0.09, при этом .

,

что удовлетворяет требованию технического задания . Для осуществления сканирования в полученном секторе необходима регулировка фазы между токами соседних излучателей в достаточно широких пределах  или  рад.

2.7 Оценка широкополосности антенны

На частотные свойства ФАР в основном влияют диапазонные свойства излучающего раскрыва, способ управления фазой, тип делителя мощности, а также характер излучаемого сигнала. Предположу, что рабочая полоса частот фазовращателей и направленных ответвителей не меньше полосы частот решетки.

Рабочая полоса частот вибраторной ФАР зависит от электрической толщины вибраторов, периода и размеров решетки, а также от сектора сканирования. Поскольку учет всех факторов чрезвычайно трудоемок, то ограничусь оценкой полосы по уровню снижения усиления до 0.9 максимума. В этом случае относительная рабочая полоса частот вибраторной ФАР составляет около  от центральной частоты (в случае проектируемой антенны – ). С учетом толщины вибратора (тонкий вибратор) полосу частот можно уточнить: в этом случае она составляет  от центральной частоты. Если для защиты узла возбуждения излучателя от неблагоприятных воздействий внеш. среды использовать герметизирующий кожух длиной , то рабочую полосу частот можно расширить до значений  (1.7..2.3 ГГц).

Следует упомянуть, что поскольку сектор сканирования, рассмотренный ранее, рассчитывался в предельном случае (появление дифракционных лепестков уже было заметно), то говорить о работе в ненастроенном режиме при таком отклонении луча от нормали не приходится. Для работы в диапазоне частот следует задаваться более узким сектором сканирования, в пределах которого остальные параметры антенны будут оставаться приемлемыми.

3.Схема питания

Техническое задание не содержит конкретных требований к схеме питания и согласованию, поэтому ограничусь общими соображениями.

Питание антенны можно выполнить с помощью распределителя закрытого тракта. Из различных типов решений наиболее подходящим является комбинированная схема питания. В этой схеме разделение мощности производится с помощью направленных ответвителей последовательно, а управляемые фазовращатели включены по параллельной схеме (см рис. 17).