|
| |
|
Слаботочка Книги проводников 2. в ферритовой пластине просверлены отверстия, разделяющие рабочие области, благодаря чему уменьшается распределенная связь между ними. Такая ферритовая пластина по своим характеристикам близка к управляемой среде в виде периодической решетки из азимутально намагниченных ферритовых стержней. При соответствующем соотношении токов в проводниках системы намагничивания обеспечивается периодическое изменение показателя преломления, соответствующее пилообразному (со сбросом) фазовому распределению поля в раскрыве антенны. Отличительной особенностью конструкции является высокая степень интеграции и технологичность, что делает ее перспективной для использования в миллиметровом диапазоне волн. Антенна с управляемой линзой, выполненной в виде периодической системы из поперечно-намагниченных стержней, показана на рис. 12.8. Образующие управляемую среду ферритовые стержни закреплены непосредственно на стенке Я-секториального рупора (эта стенка на рис. 12.8 приподнята). Проводники системы управления намагниченностью ферритовых стержней расположены в пазах, прорезанных в стенке рупора под ферритовыми стержнями вдоль их осей. Стенка рупора является частью магнитопро-вода и обеспечивает замыкание магнитных потоков, пронизывающих стержни. Выводы проводников системы управления через отверстия в стенке рупора соединены с системой разводки, выполненной в виде размещенной на внешней поверхности стенки рупора печатной платы с установленными на ней микросхемами. Согласование линзы обеспечивается скосами, которыми с двух сторон снабжены ферритовые стержни. В Я-секторнальном рупоре установлена металловоздушная линза, выполненная в виде свертки с параболическим фазовым корректором. , Намагниченность ферритовых стержней и, следовательно, создаваемых ими фазовых сдвигов регулируют дискретно. Возможность такой регулировки создается благодаря разделению проводников, расположенных под ферритовыми стержнями, на три отли-    Piic. 12.8 Рис. 12.9 чающиеся длиной секции. Наиболее длинная секция (длина которой составляет около \,Ъ%) намагничивает до насыщения участок ферритового стержня такой же длины и позволяет получить дифференциальный фазовый сдвиг Ail3i=n. Две другие секции меньшей длины позволяют получить фазовые сдвиги Ail32 = 0,5n и Ait)3 = = 0,25л;. Таким образом, максимальный фазовый сдвиг, создаваемый стержнем при полном намагничивании, составляет 1,75я. Секции, создающие Ail3i=n, расположены со стороны возбуждающего линзу устройства. Фазовое распределение поля в раскрыве такой линзы регулируют со сбросом фазы на величину, кратную 2л;. Сектор сканирования ДН составляет ±40°. Уровень первых боковых лепестков при излучении по нормали к раскрыву не превышает - 11 дБ, а на краю сектора сканирования 8,5 дБ; потери в ферритовой Л1инзе и на рассеяние излучаемой мощности по боковым лепесткам не превышали -2,4 дБ. Линза удовлетворительно работает в диапазоне частот более 25% от /ср. Эффективный отвод тепла от ферритовых стержней, обеспечиваемый за счет их контакта со стенкой рупора, позволяет использовать такую линзу в излучателях с высоким уровнем средней мощности. Еще одно существенное преимущество рассмотренной линзы по сравнению с линзами с градиентным законом изменения показателя преломления, обусловленное периодичностью закона изменения показателя преломления, заключается в отсутствии каких-либо принципиальных ограничений на размеры излучающего раскрыва [9]. В [4] описана антенна с двойной управляемой линзой, выполненной в виде системы параллельных проводников, часть из которых нагружена последовательно включенными коммутационными диодами (рис. 12.9). Антенна состоит из облучателя линзы 2, с помощью которой осуществляется сканирование лучом в горизонтальной плоскости, преобразователя поляризации 3, на выходе которого волна поляризована в горизонтальной плоскости, и линзы 4, с помощью которой происходит сканирование, лучом в вертикальной плоскости. Линзы со свободным пространством согласуются соответствующим подбором расстояний между проводниками, коммутационными диодами и их слоями. Экспериментальные исследования в сантиметровом диапазоне волн (А.= 10 см) показали, что каждая из линз позволяет отклонить луч в секторе ±45° от оси антенны и при излучении вдоль оси потери не превышают 1,5 дБ. 12.5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Изучение управляемых линз пока еще находится на стадии научно-исследовательских работ, однако полученные практические результаты позволяют рассматривать их как серьезную альтернативу фазированным антенным решеткам в миллиметровом диапазоне волн. Они достаточно просты по конструкции, техиологич- ны и допускают высокую степень иитеграции. По основным электрическим характеристикам управляемые линзы практически не уступают ФАР, а ио ширине рабочего диапазона частот превосходят их. Управляемые линзы пригодны для создания остронаправленных антенн в коротковолновой части миллиметрового диапазона волн, где реализация излучающих устройств по принципу ФАР наталкивается на практически непреодолимые трудности. В целом управляемые линзы обладают тем большими преимуществами по сравнению с ФАР, чем короче волна и больше размеры раскрыва антенны. В дециметровом диапазоне и на более длинных волнах при современной технологии и элементной базе преимущество остается за ФАР в основном из-за меньших продольных размеров при волноводной системе возбуждения. Фазированные антенные решетки имеют преимущества и во всех тех случаях, когда необходимо формировать сложные управляемые диаграммы при малых размерах излучающего раскрыва. Выполненные к настоящему времени исследования являются лишь первым шагом на пути создания антенных систем нового типа. Еще предстоит решить ряд сложных проблем в части разработки технологии производства управляемых сред и линз, снижения потерь в управляемых средах и повышения их электрической прочности. Наиболее важными направлениями дальнейших исследований являются: разработка эффективных управляемых сред на основе жидких диэлектриков и полупроводников; исследование и разработка линз с неплоскими преломляющими поверхностями; разработка способов создания необходимых законов изменения показателя преломления и совершенствование систем управления лучом линз. Вероятно, что с помощью управляемых линз удастся осуществить электрическое широкоугольное сканирование лучом антенн субмиллиметрового диапазона волн. список ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛ. 12 1. Зелкии Е. Г., Петрова Р. Л. Линзовые антенны. - М.: Сов. оадно, 1974.- 280 с. 2. Балакший В. И., Парыгин В. И., Чирков Л. Е. Физические основы акусто-оптики. - М.: Радио н связь, 1985. - 280 с. 3. Stern е., Tsandulas g. n. Ferroscar: Toward Continuos Aperture Scanning IEEE Trans. - 1975. -Vol. AP-23, N 1. -P. 15-20. 4. Michel Y., Paushard R., Vidal P. Le radant: Nouvean procede do balayage electronique antennas Londe electroque. - 1979.-Vol 59, N 12. - P. 87- 94. 5. Busclier H. T. Electrically controllable liquid artifical dielectric media lEEE Trans. - 1979. -Vol. MTT-27, N 5. - P. 540-545. 6. Антенны и устройства диапазона миллиметровых волн. Обзор/Д. И. Воскресенский, В. М. Максимов, С. В. Рудь, И. Г. Сухарев Изв. вузов СССР. Сер. Радиоэлектроника. - 1985.- № 2. - С. 4-23. 7. Авдеев С. М., Бей Н. А., Мазаник С. М. Собственные волиы многоступенчатой периодической решетки продольно-намагниченных ферритовых стерж-ней Радиотехника и электроника. - 1982. - Т. 27, № 1. -С. 46-51. 8. Бей И. А., Богомолов А. А., Хаидамиров В. Л. Собственные волны гексагональной решетки гиромагнитных волноводов Изв. вузов MB и ССО СССР. Сер. Радиоэлектроника. - 1983. - Т. 26, № 2. - С. 68-72. 9. Линзовые антенны с электрически управляемыми диаграммами направленности/С. М. Авдеев, Н. А. Бей, А. Н. Морозов; Под ред. Н. А. Бея. - М.: Радно и связь, 1987.-128 с. 10. Авдеев С. М., Бей Н. А., Токарев Б. Е. Линза с управляемым коэффициентом преломления для аитеня миллиметрового диапазона волн Радиотех-ника. - 1987. - № 5. с. 58-60. ГЛАВА 13. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ АНТЕНН Л. Г. КОРНИЕНКО, Я. С. ШИФРИН Усложнение и расширение круга задач, решаемых современными РЭС, повышение требований к их тактико-техническим характеристикам привели к необходимости исследования возможностей существенного улучшения их качественных показателей. Важное место в этих исследованиях занимают вопросы влияния случайных ошибок в амплитудно-фазовом распределении (АФР) источников в антенне на параметры и потенциальные возможности антенного устройства и РЭС в целом. Данное обстоятельство способствовало возникновению и развитию статистической теории антенн (СТА) - теории антенн со случайными источниками. Актуальность статистического подхода к изучению антенных систем непрерывно повышается, что обусловлено усилением роли различных факторов, порождающих случайный разброс параметров антенн по мере увеличения их электрических размеров, усложнения конструкции, схем возбуждения и обработки сигналов. По вопросам СТА опубликовано большое число работ как в отечественной, так и зарубежной литературе. Наиболее полное изложение основ СТА проведено в монографии [I], опубликованной в 1970 г. В этой работе изучаются прямые задачи или задачи статистического анализа, в которых по заданным статистическим характеристикам поля в раскрыве определяется статистика поля излучения антенны. За время, прошедшее с опубликования работы [I], СТА продолжала быстро развиваться. Анализ наиболее важных результатов, полученных после 1970 г., содержится в [2]. Характерным для этого периода является то, что наряду с развитием изложенной в [1] теории прямых задач СТА (в частности, распространении ее на зону Френеля [3]) значительное внимание уделялось также рассмотрению обратных задач СТА, в частности задачам статистического синтеза антенн. Общая характеристика обратных задач приведена в [2, 4J. Внимание, уделяемое задачам статистического синтеза антенн (ССА), связано с тем, что в ряде важных случаев реальные характеристики антенн, построенных на основе теории детерминированного синтеза их, заметно отличаются от теоретически предсказанных. Такое несоответствие возникает из-за неучета при псхтановке задачи синтеза наличия случайных ошибок в АФР источников и антенне. Между тем из-за высокой стоимости современных крупных антенн остро встает вопрос повышения их эффективности, тщательной оценки их потенциальных возможностей. Этого можно достичь, если при оптимизации характеристик антенны учитывать с самого начала неизбежно присутствующие в ней случайные погрешности того или иного происхождения. Отмеченное обстоятельство объясняет большую практическую значимость задач ССА, быстрый рост числа публикаций по этим вопросам в последние годы. Целью настоящего обзора является рассмотрение современного состояния теории обратных задач СТА, в основном задач статистического синтеза антенн. Основное внимание уделено постановке задач ССА, методике их решения, обсуждению результатов, выявлению отличий от теории детерминированного синтеза антенн. В обзоре рассматриваются лишь задачи синтеза амплитудно-фазового распределения источников в АР по их интегральным параметрам и по их ДН. Излагается также задача о предельном уровне боковых лепестков. По ходу изложения указывается и ряд других интересных (в том числе и нерешенных еще) задач теории ССА, важных в свете перспектив развития современной теории и техники антенн. Наряду с задачами синтеза кратко обсуждаются типичные задачи восстановления (второй класс обратных задач СТА). В заключение отметим, что приведенная в конце главы библиография не претендует на исчерпывающий охват литературы по обратным задачам СТА. Цель ее - скорее подтвердить литературными ссылками те или иные положения обзора. 13.1. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ АНТЕНН ПО ИХ ИНТЕГРАЛЬНЫМ ПАРАМЕТРАМ Исходные соотношения. Чувствительность и добротность антенны. Средние ДН антенной решетки кз излучателей по полю и по мощности в дальней зоне в направлении орта и определяются следующими соотношениями: FTU)= 2апЛ 7п(и), (13.1а F( )I= 2,ana;Qn.Yn(u)v;(u), п, m=I (13.16) где Gn = I Яп I ехр/ф - регулярное АФР источников в раскрыве решетки (АФР в отсутствие ошибок); Vn(и) =п) ехр/ur - векторная комплексная ДН п-го излучателя в общей системе координат; fn(u) - ДН его в местной, связанной с излучателем, системе координат; Д = (1 + ба )ехр;(6ф + кибг ), Q = A д;, (13.2) где ба , бфп - относительные амплитудные и фазовые случайные ошибки; г , бг - регулярная и случайная составляющие радиуса-вектора, определяющего положение п-го излучателя в решетке. Черта сверху означает усреднение случайной функции по ансамблю ее реализаций, полученных в результате изучения либо семейства однотипных антенн, либо одной антенны, характеристики которой изменяются во времени из-за тех или иных причин внутреннего либо внешнего происхождения [1]. Для нахождения Д и Qnm проще всего использовать аппарат характеристических функций [1, 5]. Рассмотрим выражение для-средней ДН по мощности для двух практически важных частных случаев: малых ошибок и ошибок в разных излучателях, независимых друг от друга. При малых ошибках, разлагая экспоненты в выражениях для Anm в ряд и ограничиваясь членами второго порядка малости величину Qnm можно представить в виде Qnm=i+eqnm, где е - максимальное значение дисперсии ошибок ба или бфп, или йибг , а величина qnm состоит из суммы нормированных к е средних, значений, дисперсий и корреляционных функций случайных ошибок. Средняя ДН по мощности WW\ = IFo(и)И + е2 а, а;7 (и) у (и) (13.3)- п, т представляет сумму ДН по мощности в отсутствие ошибок. Fo (и) I = [SflnVn (и) Р и зависящего от статистики ошибок нага правленного фона, определяющего искажение формы средней ДН. Как отмечено в [1], наличие ошибок приводит к сглаживанию ДН, степень которого зависит от соотношения радиуса корреляции ошибок и размеров антенны. С увеличением радиуса корреляции ошибок искажения формы средней ДН уменьшаются. В том случае, когда ошибки излучателях независимы, Qnm = = Дп при п = т или Qnm = AnA*m прн пфт. При этом средняя ДН для однородных вдоль раскрыва антенны ошибок принимает вид F№= Al4Fo(u) + o 2 )a Vn(u)l (13.4) где од = IД-Д2 - дисперсия Д . Следует подчеркнуть, что вывод соотношения (13.4) предполагает лишь независимость ошибок в излучателях и их однородность. Величины (дисперсии) ошибок и закон распределения их могут быть произвольными. Допускается также корреляция различных видов ошибок в отдельных излучателях, характер которой одинаков для всех излучателей. Первое слагаемое в (13.4) представляет собой квадрат модуля среднего поля F(u)2 и характеризует когерентную составляющую средней ДН. Второе слагаемое определяет дисперсию поля F(u)-F(u)2 и характеризует рассеянную, некогерентную- 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 |