|
| |
|
Слаботочка Книги ев после второго шага. На каждом шаге итерационной процедуры решается задача о возбуждении бесконечной решетки, которая существенно проще исходной задачи. Необходимо отметить, что в настоящее время разра-ботано значительное число программ для моделирования характеристик различных излучателей в составе бесконечной решетки. Использование алгоритма (3.39) - (3.45) позволяет создать универсальную программу, включающую относительно простой модуль, реализующий итерационную процедуру (3.43), (3.44), и сменный модуль, представляющий собой незначительно видоизмененную программу расчета характеристик бесконечной АР с излучателями того или иного типа. Уравнение краевой волны может быть решено приближенно с использованием асимптотических методов. Исследование свойств краевых волн показало, что эти волны обладают устойчивыми характеристиками. Например, в линейных решетках при скайировании изменяется только амплитуда краевой волны и практически не меняется характер ее изменения вдоль решетки. Краевая волна достаточно быстро затухает при распространении от края в глубь решетки,. и при отсутствии диэлектрических покрытий, а также других элементов, способных поддерживать поверхностные волны, фазовая скорость этой волны равна скорости плоской волны в среде над решеткой. Убывание амплитуды волны по мере распространения ее в глубь решетки соответствует закону убывания коэффициентов взаимной связи. При сканировании фаза регулярной части тока изменяется как в волне, распространяющейся либо к краю решетки, т. е. навстречу краевой волне, либо от края решетки, т. е. в направлении распространения краевой волны. Поэтому осцилляции тока у края решетки, являющиеся следствием интерференции регулярной части тока и краевой волны, имеют различные амплитуды и период. Если луч отклонен к краю решетки, то поле фиктивных источников и период осцилляции тока в краевой зоне уменьшаются. При отклонении луча от края решетки период осцилляции и их глубина увеличиваются, так как возрастает напряженность поля фиктивных источников и разность фаз регулярной части тока и краевой волны вдоль решетки изменяется медленно. При наличии диэлектрического покрытия краевая волна является суммой вытекающей волны и волны с непрерывным пространственным спектром. Поэтому общая картина краевых эффектов становится сложнее. При приближении луча к границам сектора однолучевого сканирования, совпадающим с направлениями ослепления бесконечной решетки, регулярная часть тока стремится к нулю и на границах сектора в решетке возбуждаются лишь краевые волны. Направление максимумов диаграмм направленности краевых волн в решетках без диэлектрического покрытия совпадает с направлением дифракционных максимумов при фазировании решетки вдоль плоскости излучающего полотна. Краевые волны дифракционных АР имеют дополнительный максимум, направленный вдоль плоскости экрана. Направление максимумов диаграммы направленности краевых волн в линейных решетках не зависит от направления сканирования. Искажения диаграммы направленности, обусловленные излучением краевых волн, возникают при приближении луча к направлениям ослепления соответствующей бесконечной решетки. 3.4. ВЫПУКЛЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ Наряду с линейными и плоскими ФАР применяются выпуклые (конформные) АР, излучающие элементы которых размещаются на поверхности той или иной формы. Выпуклые АР обладают рядом свойств, отсутствующих у линейных и плоских антенн. Например, осесимметричные АР позволяют реализовать широкоугольное сканирование луча без изменения характеристик решетки в секторе сканирования, расширить рабочую полосу частот, совместить излучающее полотно ФАР с поверхностью различных объектов и т. д. Наиболее детально исследованы характеристики круговых цилиндрических и кольцевых АР, представляющих собой периодические системы излучающих элементов. Исследование их характеристик сводится к определению токов излучателя в периодической ячейке при парциальном возбуждении. Если цилиндрическая решетка образована конечным числом кольцевых решеток, излучатели которых в общем случае расположены в узлах косоугольной координатной сетки, то периодическая ячейка содержит конечное число излучателей, равное числу кольцевых решеток. В качестве модели многокольцевых цилиндрических ФАР с большим числом кольцевых решеток, как и в случае больших плоских ФАР, используется модель бесконечной цилиндрической решетки с периодическим распределением излучателей вдоль образующей [8]. В такой модели периодическая ячейка излучающего полотна содержит один излучающий элемент, и задача определения токов излучателей решается так же, как задача о парциальном возбуждении плоской решетки. Исследования характеристик цилиндрических АР показали [9], что неплоская форма излучающего полотна существенно влияет на характеристики излучателя в составе решетки. Из асимптотической оценки поля излучения цилиндрической решетки при возбуждении одного излучателя, в то время как остальные нагружены на согласованные нагрузки, следует, что в цилиндрической решетке действует ряд факторов, отсутствующих в бесконечной плоской ФАР. Например, в результате периодичности распределения излучателей по направляющей цилиндрической поверхности помимо пространственной волны, возбуждаемой излучателем в освещенной области, возникают быстрые ползущие волны с обратным излучением, интерферирующие с пространственной волной. В ре- зуЛьтате этой интерференции наблюдаются осцилляции диаграммы Направленности (ДН) в рабочем секторе углов. Провалы в ДН излучателя цилиндрической решетки имеют конечную глубину, которая увеличивается с ростом радиуса решетки. В области тени ДН изменяется экспоненциально и определяется вкладом медленных ползуших волн. Характерной особенностью фазовых ДН излучателей является отсутствие фазового центра, что необходимо учитывать при фазировании АР. В общем случае, когда форма поверхности, на которой располагаются излучающие элементы, не является поверхностью кругового цилиндра, исследование характеристик выпуклых АР существенно усложняется. Даже в простейшем случае цилиндрической эквидистантной решетки с произвольной направляющей использование методов теории периодических структур невозможно из-за непериодичности поля решетки при парциальных возбуждениях. Поэтому при строгом решении подобных задач возможен лишь поэлементный подход. Специфические трудности исследования характеристик выпуклых антенных решеток обусловлены необходимостью построения тензорных функций Грина для области, ограниченной изнутри произвольной выпуклой поверхностью. В [10] предложены приближенные методы многократного рассеяния и локально-периодической структуры для цилиндрических решеток, образованных узкими щелями, прорезанными в идеально проводящей поверхности параболического цилиндра. Метод многократного рассеяния эквивалентен поэлементному подходу с использованием матрицы проводимости, элементы которой определяются на основе асимптотического представления двумерной функции Грина для цилиндрических поверхностей с большими по сравнению с длиной волны радиусами кривизны. Подход к решению задачи с позиций многократного рассеяния волн излучающими элементами решетки дает один из возможных вариантов трактовки явлений, происходящих в выпуклых цилиндрических решетках с произвольным расположением излучателей, но встречает трудности при проявлении резонансных эффектов, обусловленных периодичностью больших антенных решеток и резонансом ползущих волн. Кроме того, этому методу,присущи все недостатки поэлементного подхода, связанного с обращением матриц высокого порядка для решеток с большим числом излучателей. Метод локально-периодических структур в значительной мере лишен недостатков поэлементного подхода и состоит, в определении токов в решетке при возбуждении одноголемента как токов ползущих волн, распространяющихся вдоль нагруженной цилиндрической поверхности. При решении используются две модельные задачи, одна из которых состоит в определении нагрузочных реактивностей, а другая - в определении характеристик волн, распространяющихся вдоль нагруженной цилиндрической поверхности. В качестве первой модельной задачи рассматривается задача о плоской решетке с шагом, соответствующим локаль- ным характеристикам цилиндрической решетки, а в качестве второй - распространение волны вдоль кругового цилиндра с найденными при решении первой задачи периодическими нагрузками. Характеристики кругового цилиндра выбираются согласованно с локальными характеристиками цилиндрической решетки. Найденные значения напряжения в щелевых излучателях используются для определения внешнего поля и поля в фидерных линиях излучателей. Поле во внешнем пространстве определяется методами геометрической теории дифракции. При произвольном возбуждении решетки результирующее поле во внешнем пространстве и фидерных линиях находится как суперпозиция полей отдельных излучателей. Локальность проявляется в области, содержащей относительно небольшое число излучателей, и метод локальной периодичности может быть использован и для исследования относительно малых решеток. Однако перечисленные выше методы разработаны только для двумерных задач с одномодовой аппроксимацией поля в щелевых излучателях. Численные результаты получены для узких бесконечных щелей на идеально проводящем параболическом цилиндре. Более эффективным является метод пограничного слоя, использованный в [11] для исследования характеристик выпуклых решеток, геометрическая структура излучающего полотна которых имеет выраженную локальную периодичность, а радиусы, кривизны существенно превышают длину волиы. Поле пограничного слоя выпуклых ФАР может быть представлено в виде суперпозиции пространственных гармоник, аналогичных гармоникам Флоке плоских и круговых цилиндрических периодических структур. Для этого используется волно-водное представление функции Грина (3.31), в котором тензор построен с учетом формы неплоского экрана, над которым располагаются излучающие элементы. Для построения функции Грина (3.31) используется метод параболического уравнения. С помощью асимптотических оценок показано, что пространственные гармоники (3.31), для которых grad{2n[(p-l-)M-l-(7+т1)]} I определяются соотношениями геометрической оптики. Для пространственных гармоник \gTad{2n[ip-hl)u+ (q+r\)v]}\k получены более точные асимптотические оценки. Для цилиндрических решеток с произвольной направляющей и периодическим размещением излучателей сформулированы условия локальной периодичности поля, накладывающие ограничения на скорость изменения радиуса кривизны цилиндрической поверхности. При выполнении этих условий задача о возбуждении цилиндрической решетки с произвольной направляющей сводится к последовательному определению токов излучателей в периодических ячейках излучающего полотна. При произвольной форме выпуклой поверхности метод пограничного слоя позволяет выделить области локальной периодичности, в которых токи излучателей определяются как в периодической структуре, и области скользящих лучей, где принцип локальной периодичности ие выполняется и необходимо определять токи излучателей методом поэлементного учета взаимодействия. Однако эти области содержат небольшую часть от общего числа излучателей, что 3-178 65 упрощает решение задачи. Поле во внешнем пространстве определяется как поле эквивалентных токов геометрической поверхности, охватывающей решетку и расположенной в пограничном слое. Таким образом, в настоящее время известен широкий класс численных методов электродинамики, обеспечивающих возможность моделирования на ЭВМ ФАР различных типов, что существенно повышает эффективность и качество разработок. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛ.З 1. Ильинский А. С. Свешников А. Г. Численные методы и задачах дифракции иа периодических структурах; Сб.: иаучно-методичеоких статей попри-кладной электродинамике. - М.: Высшая школа, 1977, вып. I С 51-65 I. Вычислительные методы в электродинамике/Под ред. Р Митры - м Мир, 1977.- 485 с. v 3. Филиппов В. С, Сапожников А. А. Метод заряда в задаче математического моделирования печатных излучателей. Автоматизнроваиное проектн-?л°ЛпАд У Р°й в н систем СВЧ/Под ред. В. В. Никольского. - М-МИРЭА, 1982. - 13 с. 4. Амитей Н., Галиндо В., By Ч. Теория и анализ фазнронанных антенных решеток. - М.: Мир, 1974.-455 с. 5. Чаплин А. Ф. Анализ н снвтез антенных решеток. - Льнов- Изд-во при Львовском гос. ун.-те издательского объединения Вища школа 1987 - 178 с. 6. Паичеико Б. А. Влияиие взаимной связи между излучателями иа распределение тока и характеристики излучения линейных антенных решеток Ра-днотехника и электроинка. - 1972. - № 11. - С. 66-69. 7. Филиппов В. С. Краеные волны и конечных антенных решетках Изв. ну-зов СССР. Сер. Радиоэлектроника. - 1985. - № 2 - С. 61-72 8. Borguty G. V. and Balzano, Q. Mutial Coupling Analysis of a Conformal Array of Elements on a Cylindrical Surface IEEE. Trans - 1970 - Vol AP-18, N 1, -P. 55-63. 9. Sureau J C. and Hessel, A. Element Patternfor Curcular of Waveguide Red Axial shts on large Conducting Cylinder 1EEE Trans. - 1971 - Vol AP-19 N I. - P. 64-74. 10. Shapira J Felsen L. В and Hessel A. Ray Analysis of Conformal Antenna Arrays 1EEE Trans. - 1974. - Vol. AP-22, N 1. -P 49-63 11. Иидеибом M. В., Филиппов В. С. Асимптотическое решение задачи о взаимной связи излучателей выпуклой цилиндрической антенной решетки Ра-днотехника и электроинка. - 1978. - № 8. - С. 1614-1616. ГЛАВА 4. ШИРОКОПОЛОСНОСТЬ ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК И. Я. ИММОРЕЕВ 4.1. ВВЕДЕНИЕ У большинства используемых на практике антенных решеток изменение частоты излучаемого сигнала приводит к смещению максимума ДН в пространстве. Эта так называемая углочастот-ная чувствительность решеток становится важнейшей характеристикой радиотехнических систем в тех случаях, когда они работают с широкополосным сигналом. Проблема широкополосности АР не является новой. Ее исследование началось практически одновременно с внедрением этого типа антенн в радиолокацию, радионавигацию, гидроакустику, в системы связи и телеуправления. Частотное отклонение луча в ФАР при ее апгГроксимации непрерывным линейным раскрывом было рассмотрено еще в 1962 г. [1]. В [2] углочастотная чувствительность определена для решетки излучателей, фазируемых со сбросом фазы, когда управление фазой в каждом канале производится в пределах 2л. Подобные результаты в том или ином виде приводились позднее в [3-5]. Теория показала, что относительно небольшие изменения частоты сигнала могут приводить к заметным отклонениям луча и, как следствие, к потерям усиления антенны в заданном направлении, особенно при значительных размерах апертур и больших секторах электрического сканирования. Так, для АР с параллельным питанием известно простое соотношение, при выполнении которого частотное отклонение луча, находящегося под углом сканирования 60° от нормали, составляет половину его ширины: ширина полосы в процентах равна ширине луча в градусах. i Чтобы избежать потерь усиления антенны, возникающих при отклонении луча, разработчики широкополосных систем с ФАР были вынуждены отказаться от одновременного излучения всей полосы частот и перешли к поочередному излучению узких участков спектра сигнала. При переходе от одного участка спектра к другому луч возвращался в прежнее положение с помощью системы управления. Этот метод ограничивал возможности использования широкополосных сигналов и был пригоден только для режима передачи, так как в режиме приема время прихода сигнала, а следовательно, и время переключения антенны было неопределенно. Тем не менее применение метода позволяло с достаточной для практики точностью рассчитывать характеристики излучения антеин, придерживаясь допущения о монохроматичности сигнала, и пользоваться классическим определением диаграммы направленности, основанным на формуле Кирхгофа. При этом предполагалось, что процессы, происходящие в антенне, не влияют на структуру излучаемого сигнала. Однако проектировать АР таким образом можно было до тех пор, пока для решения задач, стоящих перед радиотехническими и радиолокационными системами, не потребовалось использование сигналов с широкой мгновенной полосой частот. К таким задачам можно отнести повышение разрешающей способности систем, улучшение их помехозащищенности, распознавание образа обнаруженного объекта, повышение скрытности работы и др. Мгновенная полоса частот сигнала при этом расширилась до десятков процентов от значения несущей частоты. В результате внимание специалистов вновь было привлечено к проблеме широкополосности антенн. Стало ясно, что старый подход, позволяющий независимо определять характеристики антен-3* 67 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 [11] 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 |