|
| |
|
Слаботочка Книги троники в уменьшении массы и габаритов бортовой антенной аппаратуры в настоящее время еще мало реализуются. Обычно при проектировании антенных устройств геометрические размеры определяются характеристиками направленности и усиления, однако уменьшение этих размеров встречает принципиальные трудности. Размещение антенны на носителе диктуется требуемыми ее характеристиками, а защита от внешних воздействий приводит к необходимости применения укрытий, обтекателей, защитных покрытий и т. д. Такие антенны становятся громоздкими в сравнении с аппаратурой в микроэлектронном исполнении. Отказ от традиционных типов антенн, создание новой элементной базы - твердотельных микроэлектронных модулей СВЧ антенных решеток - позволяет отказаться от обтекателей и строить выпуклые электрически сканирующие антенные решетки, размещаемые на наружной поверхности носителя. Подобные антенны с печатными или щелевыми излучателями позволяют получить наибольший эффект при миниатюризации аппаратуры. Одной из важнейших проблем современной радиоэлектроники является обеспечение электромагнитной совместимости радиоэлектронных систем, так как все шире используется различная радиоэлектронная аппаратура, растет число одновременно излучающих и принимающих антенн. На современном тяжелом самолете работают десятки антенн, а на авианосцах 3Начительно больше. Астрономическими цифрами измеряется число действующих в армии связной, локационной и другой специальной радиоаппаратуры. Для обеспечения требуемых характеристик систем, сохранения их работоспособности в сложной помеховой непреднамеренной обстановке и при мощных импульсных воздействиях значительный вклад вносит поляризационная пространственная временная фильтрация антенной системы. Как уже отмечалось, антенные устройства относительно дороги. Естественно, высока стоимость уникальных радиотелескопов и больших (порядка 100 м) полноповоротных зеркальных. антенн. Относительно высока стоимость современных штатных зеркальных антенн диаметром 10-30 м, например в станциях связи типа Орбита - до 30% стоимости системы. Многоэлеменгные ФАР также весьма дороги. Стоимость одного элемента активных ФАР - так называемого активного модуля при серийном изготовлении, по данным зарубежной печати может составлять от сотен до тысяч долларов. Если учесть возможное число элементов в одной ФАР, их необходимое число, то можно представить порядок затрат на перспективные антенны. Этим объясняется большое внимание широкого круга специалистов к решению проблем теории и техники антенн для отыскания путей их оптимального построения, снижения стоимости, более эффективного использования уже созданных радиооистем. 8 Особую роль в современной радиоэлектронике играют антенные решетки, теория и техника которых за последние 15-20 лет наиболее интенсивно развивается [2-8]. Современная радиолокация, радиосвязь, радиоастрономия предъявляют постоянно растущие требования к сканирующим антеннам с большими апертурами. Стремление увеличить скорость сканирования, улучшить характеристики антенн, обеспечить возможность многофункциональной работы привело к широкому использованию ФАР, которые и явились центром внимания, развития антенной техники в последние годы. Значительное число научных работ в области антенных решеток с различными подходами, методами анализа, понятий и определений, а также огромная роль антенных решеток в современной технике привели к стандартизации терминов и определений в этой области [4]. Следует подчеркнуть, что такая стандартнааци!я была впервые сделана для антенных решеток. Указанная роль решеток в современной антенной технике нашла отражение в настоящей книге. Хотя многие применяемые антенны и не являются решетка;ми, однако использование совре-меннной теории и техники решеток .позволяет улучшить их характеристики. Примером являются зеркальные антенны, которые используются как элементы больших решеток, и большое фокусирующее устройство для малоэлементной облучающей решетки (гибридные антенны). В заключение следует отметить еще одну особенность антенной техники в радиоэлектронике за последний период - реакое расширение круга специалистов, работающих в данной области. Существенное улучшение параметров радиотехнических систем или создание новых систем для перспективных летательных аппаратов, областей использования радиоэлектроники часто диктует требования к антенным характеристикам, невыполнимые при традиционном подходе к решению задач. Возникает необходимость изыскания новых путей построения антенны, обработки сигнала в решетках, применения антенной техники в разрабатываемых системах для решения новых задач. Решение этих задач требует так называемого системного подхода и совместной работы специалистов в областях прикладной электродинамики, системотехники, радиотехнических устройств, электроники, автоматики, метрологии, конструирования и технологии производства. Так, в передающей или приемной (или приемопередающей) АФАР передатчик или приемник (или оба) перестают быть отдельным устройством и становятся составной частью сложной антенной системы. Построение модуля - кирпичика такой АФАР в твердотельном исполнении - требует совместной работы указанных специалистов. Широкое использование цифровых методов обработки сигналов нашло свое отражение и в антенной технике - возникли цифровые антенные решетки. Большие потенциальные возможности и достоинства планарной волноводной (интегральной) оптики (аналоговой обработки) привели к возникновению радиооптиче- ских антенных решеток, что еще больше увеличило круг специалистов, работающих в антенной техаике. Стремление сократить время разработки новой техники, увеличить производительность труда, оптимизировать параметры создаваемых устройств привело к автоматизации проектирования. Однако автоматизация проектирования в антеннах и СВЧ устройствах существенно отличается от таковой в микроэлектронике, системотехнике и т. д. Автоматизация проектирования в антенной технике направлена на разработку: адекватных реальным устройствам математических моделей разного уровня сложности, численных методов решения краевых задач электродинамики, алгоритмов и программ решения систем интегральных или операторных уравнений с векторными или тензорными функциями Грина. Поэтому круг специалистов, работающих в антенной технике, существенно пополнился крупными специалистами по прикладной и вычислительной математике, радиофизиками, работающими в данной области. Характерной особенностью антенн в современной радиоэлектронике является многообразие применяемых классов, типов, видов. В соответствии с решаемыми радиотехническими задачами эти антенны работают в различных диапазонах волн, имеютприн-ципиально различные характеристики, отличаются конструктивно-технологическими, экономичеоними и общетехничеокими параметрами. Так, в технике применяются антенны, начиная от малогабаритных невыступающих бортовых щелевых излучателей устройств разового действия до антенных систем РЛС противоракетной обороны, представляющих собой большие многоэлементные ФАР [26]. Быстрое развитие антенной техники, появление новых идей в этой области часто сопровождается односторонними сведениями, носящими рекламный характер. Отсутствие единой терминологии, достаточных теоретических обоснований затрудняет знакомство широкого круга специалистов с последни.ми достижениями. Возникла необходимость рассмотрения существующих и развивающихся направлений с единых позиций. 1.2. АНТЕННЫ С ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛА - КАК ОСНОВНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ РАЗВИТИЯ Практически используемые антенны было принято разделять по диапазонам волн, направленности действия (остронаправленные, слабонаправленные, ненаправленные), частотным свойствам (резонансные, широкополосные, диапазонные, частотно-независимые). Такая классификация является достаточно односторонней и может быть дополнена. В существующих классификациях деление происходит по отдельным чисто антенным характеристикам или конструктивным возможностям реализации заданных требований в рабочем диапазоне и не затрагивает функциональных возможностей антенн. Превращение антенны из устройства в систему с отмеченной выше спецификой позволяет изменить подход к их делению. Представляется целесообразным подойти к развитию антенн как к развитию некоторой радиосистемы и рассматривать различные существующие, разрабатываемые и предлагаемые антенны с единых позиций происходящих в них процессов. Критерием развития и соответственно деления антенн можно считать происходящие изменения в антенном тракте полей (токов) по амплитуде, фазе, частоте или изменение их во времени, т. е. в качестве критерия принять обработку сигнала в антенне. На рис. 1.1 приведена такая классификация антенн, причем обработка сигнала может происходить на частотах принимаемого (излучаемого) сигнала на более высоких частотах или более низких (промежуточных). Данная классификация допускает одновременно применение двух или нескольких способов обработки сигнала в одной антенне. Так, существуют моноимпульсные АФАР с фазовым сканированием и адаптацией. Возможны приемные цифровые многолучевые антенны с коммутационным сканированием. Подобное разделение антенн оказывается удобным теоретически по следующим соображениям. Общую задачу их построения можно разделить на внешнюю и внутреннюю. Внешняя задача может в большинстве случаев решаться по заданным требова-нияхм без учета способа обработки сигнала, и применимы общие методы анализа для различного класса антенн. Исключение составляют лишь отдельные типы антенн, например антенны апер-турного синтеза и антенны с нелинейной обработкой. Решение внутренней задачи включает обеспечение необходимого возбуждения антенны, найденного из внешней задачи и требуемой обработки сигнала. В зависимости от способа обработки сигнала центр тяжести внутренней задачи перемещается с одних устройств всей системы на другие. Так, в моноимпульсных, многоэлементных, многолучевых антеннах получение требуемых точностных характеристик достигается применением соответствующих мостовых устройств, элементов линий передач, согласованием других уст-poficiB антенного тракта, а в цифровых решетках - применением аналого-цифровых преобразователей, устройств памяти, а также быстродействием ЭВМ. Приведем необ.чодимые пояснения к приведенной выше классификации. Для увеличения направленности антенных систем на первых этапах развития радиотехники возникли многоэлементные антенны - антенные решетки из вибраторных антенн, в которых арифметически суммировались сигналы в фидере от отдельных элементов при заданном направлении прихода волн. Появился простейший вид антенных решеток - синфазные остронаправленные антенны. Дальнейшее развитие, связанное с освоением более коротких волн, привело к развитию остронаправленных антенн, в которых пространственная фильтрация падающих волн основывалась на том же эффекте суммирования полей от отдельных элементов (частей) антенны. Вторым одновременно развива-юшимся и широко применяемым видом простейших антенных pell  шеток стали антенны бегущей волны с линейным фазовым распределением излучающих токов в элементах, в которых суммирование происходит с учетом определенных фазовых сдвигов. Третьим видом антенн, состоящих из многих излучателей, являются ненаправленные бортовые антенны, в которых для устранения явления дифракции, затенения (экранировки) носителя и излучения во все пространство применяется система слабонаправленных излучателей [24]. Четвертый вид - совмещенные антенны - возник в последний период и обусловлен стремлением использовать одну апертуру для работы нескольких антенн на различных диапазонах волн. Это достигается встраиванием одной антенны (решетки, облучателя) в другую. Система излучателей, настраиваемых на различные частоты и возбуждаемых одной линией, образует, как из:вестно, вид широкополосных антенн [3]. Все эти виды можно объединить в один класс многоэлементных антенн. Плоская (линейная) решетка из N излучателей или эквивалентная ей апертурная антенна позволяет сформировать N независимых ортогональных лучей, осуществить одновременный обзор пространственного сектора, т. е. лостроить многолучевую антенну с независимыми каналами обработки сигналов. С принятой точки зрения - классификации по обработке сигнала - такие антенны образуют класс многолучевых (рис. 1.1, поз. 2), в -апертуре которых одновременно создается набор фазовых распределений. Стремление повысить точность измерения угловых координат в РЛС привело к широкому использованию класса моноимпульсных антенн, в которых с одного раокрыва вместо одного луча (и соответственно одного входа) одновременно формируются три диаграммы, так называемые суммарно-разностные. В таких антеннах три канала обработки сигнала (суммарный, разностный угломестнын и азимутальный) позволяют увеличить по сравнению с одноканальной системой точность определения угловых координат при прочих равных условиях. Многолучевые антенны строят с помощью так называемых диаграммообразующих схем (ДОС) по параллельной схеме (Батлера) или последовательных (Бласса), а также неоднородных сред. Класс переизлучающих антенн (рис. 1.1, щоз. 3) включает различные виды приемопередающих антенн, осуществляющих прием в заданно.м секторе пространства и излучающих в режиме передачи в направлении прихода падающей волны. Последнее достигается конструкцией антенны (уголковые отражатели), с помощью ДОС или обработкой сигнала. Увеличение скоростей летательных аппаратов потребовало от антенн РЛС быстрого безынерционного сканирования луча в пространстве при сохранении направленных свойств, достигнутых в механически сканирующих антеннах. Это вновь привело к ис- 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 |