|
| |
|
Слаботочка Книги  Рис. 10.7 Рис. 10.8 быстро сканирующих БЗА с расширенным сектором обзора. Для ПА также стоят задачи экономичного достижения еще более высоких энергетических показателей при освоении новых участков сантиметрового и миллиметрового диапазонов, а также дальнейшего развития многоканальных высокоэффективных режимов работы, создание приемопередающих СВЧ трактов со сверхмалыми потерями, совершенствования оборудования зеркальных антенных систем путем структурной и параметрической оптимизации. 10.2. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ Широкоугольное сканирование и многолучевой режим. Как известно, возможности сканирования в обычных ПА ограничиваются сектором в несколько единиц ширины луча. За пределами этого сектора возникают существенные потери формы ДН и эффективности антенны, пропорциональные примерно четвертой степени относительного отклонения луча. Большие зеркальные антенны с увеличенным сектором сканирования луча позволяют, сохраняя преимущества зеркальных антенн такие как высокая эффективность и простота, получить новые качества - быстрый обзор и многолучевую работу в секторе, в десятки и сотни раз превышающем ширину луча. Конечно, по возможностям сканирования зеркальные антенны не могут конкурировать с ФАР. Однако в тех случаях, когда указанного рас- ширения сектора достаточно, сканирующая БЗА я>вляется опти мальным вариантом. При использовании в качестве облучателей зеркальных антенн относительно небольших и не слишком сложных ФАР такие антенны приобретают гибридные свойства и поэтому называются гибридными зеркальными антеннами (ГЗА). Для эффективного расширения сектора быстрого и независимого сканирования ряда лучей в БЗА необходимо выполнение двух условий: получение малых аберраций или фазовых искажений в ЗС для заданного сектора сканирования и динамичное управление центрами излучения, направлением максимумов ДН облучателя, а при необходимости и его фазовой характеристикой или формой поверхности, на которой расположены излучатели. Для снижения уровня суммарных аберраций в заданном двумерном секторе сканирования используется подбор количества, формы и расположения зеркал, а при необходимости и линз, а также реализация необходимого амплитудно-фазового распределения (АФР) поля в облучателе. При этом граничными условиями являются допустимые размеры каустики, определяющей габариты облучателя, допустимое затенение зеркал и снижение коэффициента использования габаритных размеров ЗС. Предельные характеристики таких зеркальных антенн [электрические размеры апертуры, ширина сектора сканирования, снижение коэффициента усиления (КУ), повышение уровня боковых лепестков (УБЛ), другие искажения формы ДН], особенно с двумерным сканированием, исследованы еще недостаточно. Не выработались эффективные инженерные методы синтеза схем ЗС и расчета таких антенн с наперед заданными радиотехническими и конструктивными характеристиками. В настоящее время основной путь построения формы ЗС сканирующих БЗА связан с численными методами на основе многопараметрического перебора на ЭВМ в пределах указанных выше степеней свободы в виде варьируемых параметров зеркальной и облучающей систем [15]. Первым шагом на этом пути является выбор прототипа антенны требуемых размеров с определенным первоначальным числом степеней свободы. Достаточность числа степеней свободы для решения задачи проверяется в процессе расчета. Построение прототипа наиболее целесообразно с использованием различных средств, хотя бы частично снижающих и стабилизирующих аберрации в ЗС в секторе сканирования: в частности, это построение бифокальных, полифокальных, апланатиче-ских, сферических форм и сечений ЗС. Затем по алгоритмам динамического программирования прототип оптимизируется по критериям минимума и равномерности потерь КУ или увеличения УБЛ в заданном секторе сканирования, либо по критерию максимума ширины сектора сканирования при заданном допустимом снижении КУ или увеличении УБЛ. Расширение сектора сканирования БЗА неизбежно ведет к увеличению габаритов облучателя и промежуточных зеркал. По-8-178 225 этому возникает задача ограничения затенения в таких антеннах. Наиболее эффективным средством для этого является использование несимметричных ЗС, в частности с решетчатыми промежуточными зеркалами и главным зеркалом с преобразованием поляризации. Однако зеркальные антенны с решётчатыми промежуточными зеркалами эффективны лишь при работе только на одной неизменной поляризации. Одним из возможных вариантов несимметричной антенны со сплошными зеркалами является антенна типа раковина ![16]. Для малошумящих приемных сканирующих БЗА с облучателями ввиде ФАР важно сохранить достаточно низкое значение шумовой температуры СВЧ, тракта антенны на уровне, соизмеримом с составляющими Гш антенны и малошумящего усилителя (МШУ). Наиболее эффективный путь решения этой задачи - использование ФАР с активными элементами решетки. Подавление рассеянных полей. Для многих типов БЗА приобретает возрастающее значение их максимальная пространственная избирательность в условиях воздействия внешних шумов и индустриальных помех, как один из элементов электромагнитной совместимости и помехоустойчивости наряду с частотной избирательностью и другими видами защиты. Уровень боковых лепестков ДН может ограничиваться до необходимых пределов во всех направлениях, в заданных секторах пространства либо в отдельных направлениях. Характерно, что для практических целей обычно не требуется детальный расчет всей мелкомасштабной многолепестковой пространственной структуры бокового излучения, да и достоверность такого расчета для многих конкретных конструкций оказывается невысокой. Так, для оценки помехозащищенности антенны и расчета их шумовой температуры достаточно ограничиться средне- и крупномасштабными данными об огибающей или среднем уровне КНД бокового излучения. При этом допустимо просуммировать некоррелированные парциальные диаграммы рассеяния от различных факторов по их среднему уровню мощности. Для БЗА известны и широко используются общие принципы подавления рассеянных полей, связанные с вызывающими их двумя группами конкретных факторов: векторное апертурное распределение поля и дифракционное рассеяние зеркал, затеняющих конструкций и облучателя. Кроме того, для создания провалов в результирующей ДН антенны специально в направлениях помех используются методы адаптации ![17], которые сводятся к автоматическому управлению амплитудой и фазой возбуждения элементов сложных облучателей и дополнительных элементов БЗА. Оптимальная функция апертурного распределения для задан- ных требований наиболее рационально определяется методами синтеза [18]. При этом характерно, что в многозеркальных БЗА сантиметрового и милли.метрового диапазонов профиль вторичных и главного зеркал при необходимости учитывает их расположение в промежуточной зоне первичного направленного облучателя. 226 Для количественной оценки рассеянных полей, связанных с конечным значением допусков в апертурном амплитудно-фазовом распределении, используют методы статистической теории антенн [19]. Задачу подавления кроссполяризационного рассеяния в осе-симметричных БЗА до уровня парциального коэффициента рассеяния около 1% успешно решает применение так называемых ска-ляризованных облучателей, обладающих достаточным постоянством поляризационной характеристики в пределах сектора облучения. Задача глубокого подавления кроссполяризационного излучения особенно актуальна при поляризационном разделении двух каналов в БЗА спутниковой связи с требуемой развязкой до 25 ... 35 дБ или при высокоточных поляризационных радиофизических и радиоастрономических измерениях. Дифракционное рассеяние на зеркалах обусловлено излучением их возбужденной кромочной зоны и в значительной мере сосредоточено в довольно узких воронкообразных кромочных лепестках, сориентированных в направлении границ света и тени в ДН облучения зеркал. В настоящее время расчеты ДН рассеянных полей больших радиозеркал на основе методов физической оптики и краевых волн достаточно развиты для решения практических задач [20, 21] и обеспечивают необходимую точность, часто уже в первом приближении. Основное средство подавления рассеянных полей зеркал состоит в снижении уровня облучения их кромочных зон, в том числе использованием дополнительных экранов на кромках зеркал (бленд), отодвигающих кромку в слабо освещенную зону. Такие экраны могут быть достаточно легкими, поскольку к ним не предъявляются те же требования по точности, что и к основным зеркалам. Уменьшение рассеяния облучателя связано с более полным использованием главного лепестка его ДН и подавлением в ней боковых и задних лепестков. Первая задача требует симметричной, гладкой и стабильной амплитудно-фазовой и поляризационной характеристик излучения практически в пределах всего главного лепестка. При этом более полное использование главного лепестка ДН облучателя увеличивает перепад амплитуд в пределах сектора облучения н, как следствие, увеличивает коррекцию профиля зеркал ПА, необходимую для получения заданного амплитудного распределения в апертуре. В частности, рупорные облу-чатели с импедансными стенками имеют определенные преимущества в отношении указанных характеристик излучения и способны обеспечить парциальный коэффициент рассеяния приблизительно 2... 3%. Уровень рассеянных полей, вызванных затенением, зависит от эффективного поперечника рассеяния затеняющих конструкций, т. е. от их поперечных размеров и степени радиопрозрачности. Наименьшее затенение реализуется при использовании ажурных ферменных или стержневых металлических опор либо диэлектрических опор в виде стержней или конических оболочек, сечение 8* 227 которых предельно ограничивается допустимой нежесткостью опор в условиях эксплуатации. Для уменьшения рассеяния от затенения апертуры контррефлектором применяют главное зеркало с кольцевым фокусом, имеющее мертвую необлучаемую зону в центре апертуры по диаметру не меньше контррефлектора [22]. При облучении контррефлектора облучателями с относительно большой апертурой может возникнуть затенение центральной зоны апертуры не только контррефлектором, но и облучателем. Устранить его можно, применяя обращенный ход лучей, когда центральные лучи облучателя отбрасываются на периферию главного зеркала, а периферические - на его центральную часть [22]. Парциальный коэффициент рассеяния в больших осесимметрич-ных ПА с учетом всех факторов затенения может составлять приблизительно 4... Ъ\. Диапазонность БЗА и многоканальные антенно-фидерные устройства (АФУ). Диапазонность антенны ограничивается двумя основными ее элементами: ЗС и облучающей системой (ОС). Для ЗС ограничения со стороны длинных волн определяются размером наименьшего из зеркал D , исходя из соотношения Лтах - ?а/) /(10... 20), а со стороны коротких волн-суммарным средне-квадратическим отклонением (СКО) а формы ЗС от теоретической исходя из соотношения Xmin~ (25 ... 50)о. При указанных критериях ЗС широко применяемых ПА имеют перекрытие по частоте ~5-10, а их уникальные высокоточные крупные образцы до 100. Более жесткие ограничения на диапазонность БЗА накладывают облучатели, частотное перекрытие которых в одноканаль-ном режиме при высокоэффективной работе составляет в среднем не более 1,5 ... 2. Для оценки предельно короткой длины волны БЗА используются два основных критерия. Один из них определяется допустимым снижением КНД антенны на 0,5 ... 2 дБ под влиянием суммарных фазовых искажений в антенне. Другой - таким же снижением КНД в направлении на объект вследствие отклонения луча антенны на величину максимальной (условно с вероятностью приблизительно 0,95) ошибки системы наведения АЭтах = = к Aacosp-l-AP, где Аа и Др - азимутальная и угломестная составляющие погрешности, ар - угол места. Комплексный критерий соответствует одновременному и примерно равному вкладу обоих критериев, соответствующих Япред-(26 ... 13)6-(50 ... 25)о. При этом между фазовыми искажениями и погрешностями системы наведения выполняется соотношение 8а )~АЭтах-(0,18 ... ...0,35)203,5. Для БЗА со сверхбольшими размерами (более 50... 100 м) при работе в зоне низких углов места приблизительно <10° в сантиметровом и миллиметровом диапазонах возникают дополнительные частотные ограничения, обусловленные турбулентностью при-228 земного слоя атмосферы, которая проявляется в виде фазовых искажений и перекоса волнового фронта в апертуре антенны. Так, для средних атмосферных условий при эффективной длине трассы около 90 км и дисперсии коэффициента преломления, приблизительно равной 0,15-10 - среднеквадратическая геометрическая погрешность достигает приблизительно 1 мм при радиусе корреляции 50 ... 60 м [3]. Экономическая необходимость наиболее полного универсального использования дорогостоящих образцов БЗА требует в ряде случаев одновременной или поочередной работы в одной антенне нескольких приемных и передающих каналов, разделенных по частоте, а также по поляризации. Один из путей решения этой задачи состоит в расширении полосы частот облучателей, соединяемых с многоканальными приемопередатчиками через мультиплексоры. Другой путь связан с конструктивным совмещением развязанных облучателей различных частотных каналов. Еще один вариант сводится к применению схем и конструкций БЗА, обеспечивающих оперативную многократную смену облучателей различных диапазонов. Основой для построения облучателей в составе высокоэффективных БЗА являются скаляризованные облучатели рупорного типа. Расширение диапазона частот таких облучателей связано прежде всего с оптимизацией частотной характеристики устройств, обеспечивающих скаляризованную ДН, в частности неоднородной импедансной структуры на всей внутренней поверхности рупоров от раскрыва до горла, канавкам которой может быть придана специальная форма. Для эффективного совмещения облучателей различных диапазонов, как это следует из теории фокального синтеза, должно обеспечиваться достаточно хорошее соответствие между размерами п заполнением фокального пятна и апертурным распределением поля в облучателях каждого диапазона. Необходимая частотная зависимость размера апертуры в комбинированном облучателе при соосном размещении облучателей отдельиы.х диапазонов может быть получена введением пространственной или трактовой связи между ними с требуемой частотной зависимостью. Для работы облучателя самого высокочастотного диапазона такой связи практически не требуется, и паразитного возникновения связи нетрудно избежать в обычном рупорном облучателе. В то же время для эффективной работы низкочастотных каналов необходимо ввести частотно-избирательную связь с высокочастотным облучателем, заполняющим центральную часть апертуры. Прн четырех-пяти и более кратных разносах частот ценой некоторых потерь можно отказаться от связи между такими облучателями. Типичными вариантами реализации совмещенных облучателей являются: соосные рупоры, которые при необходимости имеют между собой частотно-избирательную связь через стенки 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 |