Слаботочка Книги

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

f2

Рис. 6.1

Рис. 6.2

излучатели расположены в одном раскрыве, причем излучатели одного диапазона расположены между излучателями других диапазонов. В качестве излучателей различных диапазонов могут использоваться щелевые или вибраторные излучатели, открытые концы волноводов различного типа и размера, а также сочетание указанных или иных типов излучателей. Типичный вариант таких совмещенных АР показан на рис. 6.2.

Число совмещенных по данному способу АР зависит от размеров излучателей. И если для совмещенных АР с линейными резонансными излучателями (щелевыми или вибраторными) ограничения габаритов не являются определяющими и конструктивно возможна повыщенная плотность размещения таких излучателей, то для волноводных АР соседнее размещение волноводных излучателей различных диапазонов в рамках одной апертуры без принятия специальных мер приводит к вынужденному увеличению расстояния между ними, что недопустимо из-за появления побочных главных максимумов в ДН антенной рещетки. Поэтому с целью получения однолучевого режима приходится для уменьще-ния поперечных размеров волноводных излучателей заполнять их диэлектриком.

Довольно жесткие ограничения на структуру и число совмещаемых волноводных АР вызваны тем обстоятельством, что в данном случае в одном раскрыве совмещаются Q различных ре-щеток с неперекрывающимися довольно значительными апертурами излучателей. Эти ограничения можно ослабить в схемах совмещения с перекрывающимися апертурами излучателей, которые выделим в отдельную группу.

3. Совмещенные в одном раскрыве многочастотные АР с перекрывающимися апертурами излучателей, у которых одна и та же часть поверхности излучающего раскрыва одновременно используется разночастотными апертурными излучателями. Перекрытие апертур излучателей может быть частичным или полным. В последнем случае раскрыв антенны используется наиболее эффективно на каждой частоте.

Возможная реализация этого принципа представлена на рис. 6.3[11]. Сдвоенный волноводный излучатель с расположенными в нем четырьмя диэлектрическими пластинами концентрирует 110

Рис. 6.3

поле более высокой частоты fi около пластин. Поэтому на этой частоте волновод эквивалентен четырем слабо связанным волноводам. На более низкой частоте f2 волновод, возбуждаемый в центре вибратором, работает в одномодовом режиме. Эта схема является одной из разновидностей использования многомодово-го волноводного излучателя в многочастотном режиме, когда в низкочастотном (НЧ) диапазоне возбуждается основная мода, а в более высокочастотных (ВЧ) диапазонах возбуждаются несколько мод с электрически управляемыми амплитудами и фазами.

4. Многочастотные зеркальные и линзовые антенны составляют достаточно щирокий класс совмещенных многочастотных антенн. Принципы построения таких антенн базируются на использовании совмещенных многочастотных облучателей в сочетании с щирокополосными линзами и зеркалами или частотно-избирательных поверхностей и разнесенных в пространстве разночастот-ных облучателей.

Использование указанных принципов совместно с известными способами и схемами сканирования лучом в зеркальных и линзовых антеннах позволяет реализовать многочастотные сканирующие зеркальные и линзовые антенны. Один из вариантов двухча-стотной линзовой антенны показан на рис. 6.4,а. Двухчастотный облучатель может перемещаться по фокальной поверхности широкополосной линзы, обеспечивая формирование и уйравление остронаправленных ДН на двух частотах.

На рис. 6.4,6 показана схема зеркальной антенны с двухчас-тотным облучателем, в которой возможно электрическое сканирование лучом в более высокочастотном диапазоне /ь Зеркало ъи-полнено в виде частотно-избирательной поверхности, нагруженной на короткозамкнутые отрезки линий, в которых размещены фазо-

PiiC. 6.4

1111411

вращатели высокочастотного диапазона. Поле более низкой частоты /2 отражается от поверхности зеркала, не взаимодействуя с фазовращателями, а поле частоты fi при отражении от зеркала дважды проходит через фазовращатели и фазируется им.и в нужном направлении. Частотно-избирательпая поверхность зеркала может быть выполнена, например, в виде открытых концов волноводов, докритичных для частоты /1 и закритичных для /2.

5. Выпуклые многочастотные совмещенные ФАР, базирующиеся на вышеизложенных принципах построения совмещенных АР в сочетании с размещением разночастотных излучателей на выпуклых криволинейных поверхностях (сферической, цилиндрической, конической и т. д.) (рис. 6.5). Как известно [4], размещение излучателей на выпуклой поверхности упрощает решение задачи расширения рабочей полосы частот АР и, кроме того, приводит к менее отрицательным эффектам при расстояний между излучателями, превышающем длину волны.

6. Многочастотные ФАР, построенные на основе использования многочастотных (или широкополосных) излучателей и частотно-разделительных фильтров..Упрощенная схема указанных решеток представлена на рис. 6.6. При выборе в данной схеме расстояния между излучателями, обеспечивающего однолучевой режим работы в наиболее высокочастотном диапазоне, возможно объединение излучателей в группы, каждая из которых обслуживается одним фазовращателем и фильтром более низкочастотных диапазонов.

7. Многочастотные совмещенные АР, которые в более высокочастотном диапазоне работают как обычные решетки, а на более низкой частоте раскрыв решетки образует импедансную структуру, возбуждаемую от облучателей, расположенных на периферии раскрыва.

Возможны также схемы многочастотных АР, в которых одновременно используются два или более перечисленных выше принципа построения.

Совмещение разночастотных АР в одной апертуре приводит к существенным пассивному и активному взаимодействиям между ними. Первое проявляется в изменении характеристик направ-

Периодическая ячейка

Мтачас/пд.пмый делитель маетности

ленности совмещаемых АР из-за дифракционных явлений на их поверхности. Активное взаимодействие приводит к взаимным перекрестным помехам из-за просачивания энергии одного частотного канала на активные элементы (приемные или передающие) другого. Эффекты взаимосвязи минимальны при развязке совмещаемых антенн по поляризации. Однако это не всегда возможно по тактико-техническим требованиям. Перейдем к рассмотрению эффектов взаимовлияния совмещаемых АР на их характеристики направленности в каждом частотном диапазоне.

6.3. ХАРАКТЕРИСТИКИ НАПРАВЛЕННОСТИ МНОГОЧАСТОТНЫХ СОВМЕЩЕННЫХ АР

Проанализируем основные закономерности в поведении характеристик направленности многочастотных совмещенных антенн на примере двух основных типов МСАР с резонансными и нерезонансными излучателями: периодических вибраторно-вибра-торной и волноводно-волноводной. Предположение о периодичности МСАР позволяет свести решение соответствующих электродинамических задач к анализу процессов, происходящих в одной периодической МСАР. Кроме того, эффекты, возникающие из-за совмещения решеток, наиболее наглядно проявляются на модели бесконечной периодической МСАР. Учет краевых явлений в конечных МСАР дает качественно такие же результаты, как и в обычных (несовмещенных) ФАР.

Волноводно-волноБодные периодические МСАР. Рассмотрим структуру периодической МСАР, изображенной на рис. 6.7,а,б. Периодическая я1ейка МСАР состоит из открытых концов / полубесконечных регулярных волноводов различных диапазонов частот (=1, 2, Q). В общем случае для лучшего использования поверхности ячейки 5я волноводы могут иметь любое поперечное сечение. На каждой частоте f, из / волноводов ячейки возбуждаются IqJ волноводов. Отдельные волноводы могут одновременно возбуждаться на нескольких частотах. В соответ-

ствии с условиями периодичности возбуждение от ячейки к ячейке на каждой частоте равноамплитудное с линейным фазовым набегом. В пределах ячейки на частоте fq амплитудно-фазовое возбуждение падающими на раскрывы волноводов волнами может быть произвольным. Плоскость Z=0 вне поперечных сечений волноводов считается идеально проводящей, а сами волноводы могут быть заполнены диэлектриком с относительной проницаемостью ej(/ - порядковый номер волновода в ячейке; иметь согласующие диэлектрические вставки толщиной с про-

ницаемостью е- (область -d2z<0) и вставки с (область -dhz<:.-dh), а вся решетка - диэлектрическое покрытие толщиной dij с проницаемостью еп(область Ozdn).

В соответствии с линейностью задачи ее решение на каждой частоте fq можно проводить независимо. Поэтому все дальнейшие рассуждения будут относиться к возбуждению МСАР на произвольной частоте fq. Причем для упрощения записи индекс q опустим.

Каждый /-Й волновод ячейки в режиме передачи возбуждается системой р-х падающих волноводных волн с комплексной амплитудой на раскрыве ар. Обозначим через Ьр, Л соответственно комплексные амплитуды отраженной волны и излучаемой п-й гармоники Флоке. Представляя поле в волноводах ячейки в виде разложения по системе ортонормированных волноводных волн {ёр, hp}, а поле излучения МСАР по системе ортонормированных гармоник Флоке № } и используя проекционный метод сшивания полей на раскрыве ячейки, можно получить линейную систему алгебраичерких уравнений, связывающих между собой коэффициенты ар, Ыр, An- В простейшем варианте,

л л.

когда все ej, е, ец равны единице, эта система имеет следующий вид:

/=1 8=1

/=11=\

(6.1)

= 2 2 {Н + ар) alpn\

Ci; = 2 а/п /Pi. Ti;=pi 6, б,.,;

Н = ] Ых лП di, р = I re X Ud

- нормы волноводных гармоник и гармоник Флоке;

6sp, 6jr -символы Кронекера; i, - максимальные числа учи-

тываемых в расчетах волноводных волн и гармоник Флоке. В вышеприведенных соотношениях все типы волн занумерованы одним индексом.

Зная амплитуды Ьр и Л , можно определить все электродинамические характеристики МСАР. В частности, диаграмма направленности МСАР F(0, ф) представляется в виде

f (0, ф) = 7я (0, ф 0 ф) 2 2 6 (sin 0 cos ф -

оя т п

- sin 0 cos ф, ) б (Sin 0 sin ф - sin 0 , sin ф , ), (6.2) где Fa(0, фЭо, фо) ДН периодической ячейки:

? я(в, ф0;. ф;)= Щ[А1о{е, ф0;, ф;)кщрёо-

- Лоо (0, Ф100, ф) KPJT Фо] (6.3)

Лоо(0, ф0офо). Лм.оо(0, ф10о, фо) - коэффициенты возбуждения электрической и магнитной нулевых гармоник Флоке. Эти гармоники определяются при неизменном относительном возбуждении (падающими волнами) раскрывов волноводов, находящихся внутри ячейки соответствующем некоторому оптимально вы-браннЬму возбуждению ячейки для направления Эо, фо основного лепестка ДН МСАР, и меняющемся фазовом возбуждении между ячейками, формирующим основной лепесток множителя направленности МСАР в произвольном направлении Э, ф (здесь и далее перешли к двойным индексам тп в обозначении тп-й гармоники Флоке); Этп, фтп - углы, определяемые из рещения системы уравнений:

--k sin 00 cos (po + k sin 0, cos ф, = 0;

(6.4)

ill ь

00, фо - сферические координаты направления основного лепестка ДН МСАР; U?o - волновое сопротивление свободного пространства.

Знание полной диаграммы направленности ячейки Fh(0, ф0о, фо) для периодических МСАР, вообще говоря, является избыточным по двум причинам. Во-первых, в соответствии с (6.2) ДН МСАР отлична от нуля только в конечном числе направлений 0mn, фтп- Во-вторых, ДН ячсйки МСАР В отличис от обычных одночастотмых АР, не остается неизменной при сканировании, так как в процессе сканирования меняется не только фазовое возбуждение между ячейками, но меняется и амплитудно-фазовое возбуждение внутри ячейки.

Однако знание Fs(0, ф0о, фо) может оказаться полезным для конечных МСАР, в которых краевыми эффектами можно пренебречь. В этом случае ДН конечной решетки представляет-

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