|
| |
|
Слаботочка Книги чающих элементов, частотно-зависимое положение лучей в пространстве, наличие пересечений линий передачи. Последний недостаток может быть устранен за счет использования делителей мощности с полной связью в качестве пересечений линий передачи. Электрическая схема такой MAP представлена на рис. 7.4,6. Дополнительно в схему включены статические фазовращатели на 180°, компенсирующие фазовый сдвиг волны, проходящей через делитель мощности с полной овязью, по сравнению с фазовым сдвигом волны, проходящей по линии передачи одинаковой с мостом длины. Некоторые недостатки таких антенн не свойственны MAP на основе матрицы Бласса (рис. 7.4,б), которая позволяет в принципе формировать веер ортогональных оптимальных в каком-либо смысле ДН при произвольном числе излучателей и входных каналов антенны. Направление лучей, формируемых MAP этого типа, могут быть независимы от частоты. В ДОС таких антенн предусмотрены потери энергии СВЧ, определяющие КПД антенны для каждого канала. Наличие дисси-пативных потерь позволяет обеспечить развязку входных каналов MAP для неортогональных ДН за счет уменьшения КПД соответствующих каналов. Если число излучателей MAP последовательного типа совпадает с числом ее входов, то можно исключить из схемы поглощающие нагрузки (рис. 7.4,г). В этом случае ДОС такой MAP называют модифицированной матрицей Бласса. Вопросы автоматизации проектирования ДОС последовательного типа рассмотрены в [9]. Общим недостатком MAP на основе матричных ДОС является наличие большого числа мостовых устройств, статических фазовращателей и сложной разветвленной фидерной схемы. Число мостовых устройств Мм в зависимости от числа формируемых лучей определяется выражениями для полной и модифицированной матрицы Бласса f = Л/ Л1 = (Л?2-Л/)/2; для матрицы Батлера M = (A?/2)log,A/. Для матрицы Батлера число статических фазовращателей M = N{]ogN-\)l2. Отсюда следует, что ДОС параллельного типа при одинаковом числе входных каналов имеет наименьшее число элементов по сравнению с ДОС последовательного типа. Этот известный факт является преимуществом матрицы Батлера по сравнению с матрицей Бласса. Недостатки перечиспенных МА препятствуют нх реализации в миллиметровом диапазоне волн. Это связано с тем, что непосредственное применение метода масштабного копирования к вопросам построения М.4 матричного и оптУ!-ческого тин01! в миллиметровом диапазоне ограничено коиструкторско-техноло-146 гическими трудностями flO] и большими погонными потерями в одноволновых линиях передачи [П]. В связи с этим возникает задача создания высокоэффективных, компактных и простых в изготовлении МА, реализуемых в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн. Одно из возможных решений этой задачи состоит в использовании в качестве ДОС линий передачи СВЧ с несколькими распростра-ниющимися типами волн, в частности многоволновых волноводов. Это открывает принципиальные возможности для управления формой и положением ДН антенны, а также формирования веера ортогональных ДН за счет изменения амплитуд и фаз волн, распространяющихся по многоволновой линии передачи. Известны многомодовые антенны, построенные на основе многоволновых линий передачи [12, 13]. Они состоят из отрезка многоволнового волновода и устройства возбуждения волн в нем, причем излучающая часть выполнена в виде открытого конца многоволнового волновода. Такие антенны применяются как облучатели моноимпульсных антенн, которые также относятся к классу многолучевых. Трудности построения и расчета многомодовых МА связаны со сложностью электромагнитных процессов, происходящих в электрически длинной линии передачи с числом распространяющихся волн более двух. В [14] установлены общие закономерности изменения результирующей структуры поля, образованного большим числом распространяющихся волн, на продольной оси таких линий передачи. В частности, показано, что электромагнитные процессы в многоволновых линиях передачи без учета тепловых потерь имеют почти периодический характер, т. е. наблюдается повторяемость поперечных амплитудно-фазовых распределений поля на продольной оси многоволновой линии передачи с определенной степенью точности. Кроме того, в многоволновых линиях передачи наблюдается фокусировка полей, т. е. синфазное сложение полей отдельных распространяющихся волн. Использование этих закономерностей позволило создать многолучевые антенны на основе прямоугольного многоволпового волновода с волнами Нпа [13]. На рис. 7.5,а, б соответственно представлены упрощенные конструкции трех и четырехлучевых антенн такого типа. Размеры апертуры выбираются из условия распространения волн типа Я о, п= 1,2,..., Wq. Расстояние zo от апертуры до первого разделения многоволнового волновода металлическими перегородками определяется нз решения системы неравенств [12] (7.2) где ftn -продольная постоянная распределения волны Я о; Хо - одинаковый для всех волн фазовый сдвиг: 0 =1 N. г (7.3) р-фазовая ошибка, определяющая точность решения системы неравенств и развязку Ro, дБ, входных каналов: /?o<10Ig (tgP). Знак в (7.2) ч (7.3) выбирается из соображений получения минимального значения 2о. Зходы  Миоговолновый волновод длиной 2о, определяемой из (7.2), преобразовывает последовательность ортогональных АФР поля в раскрыве, соответствующую вееру ортогональных лучей, в последовательность ортогональных сфокусированных распределений поля. Каждое сфокусированное распределение из это* последовательности определяет амплитуду волны Яю на соответствующем этому распределению входе антенны. В четырехлучевой антенне после первого разделения многоволнового волновода следуют два параллельно расположенных волноводно-щелевых делителя мощности с полной связью, выходы которых образуют входные каналы антенны. Аналогично могут быть построены многомодовые МА с большим числом-каналов. Основным недостатком таких антенн является их большой продольный электрический размер. Однако при малом числе лучей они получаются-весьма компактными, реализуемыми в сантиметровом и миллиметровом диапазонах, и пригодными для использования в многофункцнональны.х системах. 7.2. ФАЗИРОВАННЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ С МНОГОЛУЧЕВЫМИ ИЗЛУЧАТЕЛЯМИ Одним нз основных требований, предъявляемых к современный ФАР, является достижение максимального усиления от антенны в максимально широком секторе углов сканирования. Обеспечение широкоугольного сканирования приводит к необходимости применения близко расположенных друг к другу слабонаправленных излучателей. При этом значительными становятся трудности конкретных конструкторских решений, связанных с размещением большого числа различных устройств СВЧ в малом объеме. Один из возможных лутей преодоления этих трудностей ~ увеличение направленности излучающих элементов с одновременным обеспечением управления положением их ДН. При этом эффективность сканирования достигается синхронным смещением ДН одиночного излучателя и решетки. Очевидно, что функцию излучателя ФАР с управляемой ДН может выполнять МА в совокупности с пе-переключателем каналов [4]. На рис. 7.6 представлена схема такой линейной АР. Она состоит из решетки излучателей /, объеме Y Y-Y Y Y-iil. ,Y Y-Y  диненных ДОС 2. Входы ДОС коммутируются переключателями каналов 5, которые соединяются с проходными фазовращателями 4. Мощность СВЧ разделяется направленными ответвителями 5, в одно из плеч которых включены согласованные нагрузки 6. Мощность возбуждения подается на вход магистрального волновода 7. В [4] опубликованы результаты экспериментального исследования коммутационной сканирующей АР с трехлучевыми излучателями. Такая ФАР имеет треугольное расположение излучателей. В ее состав входят проходные восьмипозиционные фазовращатели [15]. Вместо рупорных излучателей с размерами апертуры 2А,Х0,ЗХ используются трехлучевые антенны с теми же размерами апертуры, выполненные на основе трехволнового прямоугольного волновода (см. рис. 7.5,а). Апертурой трехлучевой антенны является открытый конец прямоугольного трехволнового волновода; устройство возбуждения мод и входные волноводные каналы излучателя образукутся в результате разделения этого волновода двумя тонкими металлическими перегородками. Направления максимумов ДН этой антенны 9т определяются соотношением sin 9 = 2nm/to, m = 0, ±1, где ka - электрический размер апертуры излучателя в плоскости Я; т - номер канала. Это соотношение соответствует вееру ДН с лучом по нормали к апертуре антенны. На рис. 7.7 представлены типичные экспериментальные ДН излучателя в горизонтальной плоскости, соответствующие различным входным каналам. Здесь же приведена ДН ранее использованного рупорного излучателя. На рис. 7.8 даны экспериментальные зависимости  Рнс. 7.7 .развязки по мощности между входными каналами излучателя в полосе частот; где Рп - мощность, подводимая к л-му каналу; Рт. - мощность, прошедшая в т-й канал при условии, что остальные каналы под-клкучены к согласованным нагрузкам. На рис. 7.9 приведены экспериментальные зависимости КСВ входных каналов излучателя в полосе частот. На рис. 7.10 представлена зависимость КУ от угла сканирования. Этот график соответствует огибающей веера ДН одиночного трехлучевого излучателя. Начальные потери -2,5 дБ при 6 = 0 складываются в основном из потерь в переключателе каналов и фазовращателях. Для уменьшения провалов КУ в областях пере-.сечения соседних лучей излучателя (штриховая линия на рис. 7.10) используется их одновременное включение. Эксперименталь- Рис. 7.8 Рис. 7.9
Рис. 7.10
ные ДН ФАР имеют обычный вид (ширина луча по нормали на уровне половинной мощности 2°), причем в секторе углов ЧгбО их форма изменяется незначительно. Уровень боковых лепестков при этом не превышает -12 дБ. Таким образом, в результате замены в рассматриваемой ФАР обычных рупорных излучателей компактными трехлучевыми антеннами увеличивается сектор сканирования АР в плоскости Я с ±10 до ±40° и сохраняется при этом большое значение КУ. Необходимость использования многолучевого режима радиотехнических комплексов приводит к задаче создания ФАР с несколькими независимыми сканирующими лучами. Возможный путь решения этой задачи состоит в совмещении достоинства МА и ФАР. На рис. 7.11 представлена схема ФАР с несколькими управляемыми лучами [3]. Она состоит из решетки излучателей /, объединенных ДОС 2. Одноименные входы ДОС через фазовращатели 3 и направленные ответвители 4 подключены к магистральным волноводам 5, число независимых лучей ФАР должно быть равно числу магистральных волноводов и числу входов ДОС. В такой ФАР в качестве излучателей и ДОС могут быть использованы компактные МА на основе многоволновых волноводов. В описанной ФАР достигается возможность сканирования несколькими независимыми остронаправленными лучами, причем сектор сканирования каждого луча ФАР ограничивается парциальной ДН, отвечающей соответствующему входу ДОС (рис. 7.12). Одним Из недостатков антенн РЛС бокового обзора является малое значение КИП раскрыва. Устранение этого недостатка могло бы значительно увеличить дальность действия РЛС или снизить мощность передатчика при сохранении ширины осматриваемой зоны. Для улучшения использования раскрыва антенн таких РЛС могут быть использованы МА. Возбуждая одновременно все входы МА волнами с определенными амплитудами и фазами, можно сформировать результирующую ДН на передачу достаточно сложной формы, в том числе и косекансную. При этом точность реализации требуемой диаграммы тем выше, чем больше независимых лучей МА участвуют в ее формировании. Учитывая различие наклонных дальностей отдельных участков осматривае- 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 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||