Читать онлайн «Антенные решётки»

УДК(б21 396 &W А-Ч-ъ Сборник «Антенные решетки» представляет собой реферативный обзор зарубежных работ по современным методам расчета и проектирования антенных решеток Книга предназначена для специалистов, занимающихся проектированием антенн различного назначения, она будет также полезна широкому кругу инженеров, научных работников и студентов старших курсоз радиотехнических специальностей 3-4—3 60а—66 ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА Многоэлементные антенные решетки были предложены давно, но из-за сложности фидерной системы и трудностей настройки применялись значительно реже, чем, например, зеркальные антенны Однако в последнее время интерес к антенным решеткам значительно возрос, так как благодаря разработке ряда новых высокочастотных элементов появились возможности реализовать на практике новые способы формирования и управления диаграммой направленности, обусловленные многоэле- ментностью решеток 1 Диаграмма направленности антенной решетки определяется амплитудами и фазами возбуждения излучателей, поэтому 'путем независимого регулирования этих величин (при помощи фазовращателей, переключателей, аттенюаторов и других элементов, помещаемых в трактах излучателей) можно получить любую требуемую (принципиально реализуемую) диаграмму направленности и управлять ее параметрами без изменения конструкции или механического перемещения антенны 2 Применение схем построения антенных решеток с повышенной частотной чувствительностью положения максимума излучения позволяет создать антенны с качанием луча (как в одной, так и в двух плоскостях) за счет изменения частоты Частотное качание луча является простейшим способом немеханического управления диаграммой направленности 3 Задача повышения излучаемой мощности в случае антенных решеток довольно просто решается при размещении в каналах излучателей независимых усилителей ВЧ мощности (в частности, выполняемых в виде единого блока с управляемыми фазовращателями) При этом 3 мощность, передаваемая по отдельным каналам, сохраняется невысокой и не возникает проблемы повышения электрической прочности фидерного тракта 4 Весьма актуальная задача снижения общего числа излучателей (а следовательно, и управляющих элементов) фазированных решеток без существенного ухудшения параметров антенны (уровня боковых лепестков и ширины диаграммы направленности, сектора качания луча) успешно решается применением решеток с неэквидистантным (разреженным) расположением излучателей 5 Расположение излучателей решетки по криволинейным поверхностям открывает дополнительные возможности формирования диаграммы направленности, в том числе неизменной по форме при широкоугольном качании луча. I 6 Если величина коэффициента усиления антенны не очень существенна и более важно обеспечить требуемую форму диаграммы направленности или высокую разрешающую способность при относительно небольших антеннах, то можно применять антенные решетки с обработкой сигнала, отличающейся от обычного сложения сигналов, принятых отдельными излучателями (нелинейная обработка, логический синтез и т п ) 7 Можно увеличить достижимые коэффициенты усиления антенн и ослабить требования к излучателям и управляющим элементам, -применяя так называемые самофокусирующиеся антенные решетки, в которых методы автоматического регулирования используются для обеспечения Синфазного сложения сигналов, принятых излучателями Не менее перспективны направленные многоканальные ретрансляционные решетки, обеспечивающие непосредственное (или после усиления в каждом канале) переизлучение принимаемого сигнала в обратном направлении, можно считать, что эти решетки фокусируются самим принимаемым СВЧ сигналом Из сказанного ясно, как важны и актуальны задачи, решаемые при помощи антенных решеток Неудивительно, что количество работ, посвященных антеннам этого типа, неуклонно растет и достигает многих сотен наименований Настоящий сборник ставит своей целью дать систематизированный обзор основных результатов зарубежных работ по теории решеток Следует отметить, что по рассмотренным в обзоре вопросам имеется боль- 4 шое число отечественных работ Однако их обобщение не входило в задачу составителей сборника Материал сборника разбит на 9 глав, посвященных различным направлениям исследований, причем изложение в пределах каждой главы ведется по возможности последовательно Для облегчения понимания результатов сохранены выводы наиболее важных формул там, где они не занимают много места, приведены также рисунки и графики, содержащие важнейшие расчетные данные или поясняющие текст Обзор составлен коллективом авторов гл 1, б и 8 написаны Постновым Г А , гл 2, 3 и 9—Поповым С В, гл 4 и 5—Бененсоном Л С , гл 7—Журавлевым В А 1 ВОПРОСЫ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК Антенная решетка представляет собой в общем случае систему идентичных дискретных излучающих элементов, расположенных по определенному закону Обычно принимается также, что диаграммы направленности элементов ориентированы одинаковым образом, в дальнейшем будем принимать это везде, где не оговорено противное Элементами решетки могут служить любые излучатели При расчете характеристик излучения они заменяются квазиточечными источниками, имеющими такую же диаграмму Для упрощения расчетов в некоторых случаях, рассмотренных ниже, элементы решетки будут предполагаться ненаправленными Тогда расчетная диаграмма решетки зависит только от ее конфигурации и закона возбуждения и называется множителем решетки Если элементы имеют одинаково ориентированные направленные диаграммы, то диаграмма решетки равна произведению множителя решетки на диаграмму элемента Антенные решетки могут классифицироваться по расположению излучающих элементов в пространстве Наиболее распространены плоские и линейные решетки, иногда излучатели располагаются также на криволинейных поверхностях Простейшей является эквидистантная линейная решетка, в которой излучающие элементы расположены вдоль прямой на равных расстояниях d друг от друга Если излучатели ненаправленные, то, обозначив через 7 /„ комплексные амплитуды возбуждения, получим для диагра)ммы решетки N излучателей формулу Ф(6) = У Jnelkdnsm\ (1 1) где б — угол, отсчитываемый от нормали к оси решетки § 1 1 ОБ ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ ДИАГРАММ РЕШЕТКИ И ЛИНЕЙНОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ [1] «. Обычно при возбуждении антенных решеток амплитуды возбуждения элементов выбираются таким образом, чтобы их огибающая совпадала с распределением возбуждения соответствующего непрерывного раскрыва Можно показать, что получающиеся при этом диаграммы направленности весьма близки Рассмотрим принципиальную возможность совпадения диаграмм этих систем и необходимые для этого условия Пусть F(u)—диаграмма направленности линейного излучателя (где и = я&тЬ) а Ф(ы)—диаграмма направленности линейной решетки точечных источников Пусть 1) F(u) имеет ограниченную вариацию, 2) F(u)=0 при |и|>я (2х Р = -г пространственная координата, выраженная в долях волны)—непрерывное распределение, создающее F(u)t то F(u) = ^f(p)e'P"dp, —00 (12) 00 —00 или с учетом второго условия 1С fW = -k \F(»)z-ipudu. (1. 3) 8 Диаграмма направленности дискретной решетки, образованной 2N-\-l точечными источниками, отстоящими на X -р- друг от друга, имеет вид N Ф{и)=^Апе™ (14) —N Поскольку функции езпи ортогональны на интервале (—я, t). ^=i J*(«)e-^»d« (15) Это выражение совпадает с (13), если заменить р на п Отсюда следует, что при F(u) =Ф(ы) на интервале (—л, я) АпЧ(п) (1 6) Таким образозд, равенство F{u)=0(u) [ПРИ указанных ограничениях для F(u)] будет иметь место, если преобразование Фурье от F(u) является огибающей коэффициентов Фурье функции Ф(ы) ' Условие /(/?) = О при \р\ > М является также необходимым, чтобы F (и) = Ф (и) Пусть на интервале — т!<и<г определена ортонормированная система функций {/«(")} и F(u) удовлетворяет условиям (1) и (2) Тогда сумма Еу«/п(и) сходится к F(u), если у„ определяется соотношением Т„ = [F(u)f*n(u)du (17) 1 Из теории синтеза антенн следует, что условие F(u) = 0 при ц>я может быть точно выполнено, если }(р)—целая функция экспоненциального типа степени я, таким образом, f(p), убывая ча пределами интервала —я<и<я, не обращается в нуль вплоть до р=±оо, и непрерывная антенна с указанной диаграммой должна иметь бесконечную протяженность Однако вследствие быстрого убывания f(p) можно приближенно положить f(p)=0 при |р|>Л1, где М — некоторое число волн Соответствующая решетка также должна иметь длину MX, т е состоять из 2Л1+1 элементов (Прим ред ) 9 Поскольку функции е+/яи I 2гё кую полную ортонормированную систему, то + 00 F(u)=YiA^nu' где Л«= Г" при /г—>оо образуют та- /271 (18) Так как Ап = 0 при |/г] > М, м F (и) = V Ап&пи =■ Ф (и) Равенством (19) F{u) определено лишь для (19) < я и дискретная решетка 2М+\ элементов воспроизводит диаграмму F(и) лишь в этом интервале За пределами интервала реальных углов равенство функций F(u) и Ф(ы) нарушается, что связано с различием между рядом и интегралом Фурье Более того, нельзя даже добиться, чтобы вне интервала реальных углов F и Ф убывали одинаковым образом Действительно, диаграмма решетки из-за своей периодичности вообще не убывает На практике вследствие направленности излучателей решетки эта разница между F и Ф уменьшается Расхождение между заданными и реализуемыми диаграммами в случае, когда раскрыв имеет длину NX, меньшую величины MX, необходимой для реализации заданной диаграммы, оценивается формулами Ed=~ ^\F(u)-ap(u)\°du = — тс it N = i ^\F{ufdu-Yi\A-\2 = -it -ЛГ —N M =Y]An]2+lj]An]2' ^(110) —M N it M £c==i \\F(")-Fm(u)\'du= ^\f(p)\adp- —я —M N - \\f(P)?dp ~N 10 Здесь N N -Л' -Л' й использовано равенство Парсеваля в предположении, что F-ap (и) пренебрежимо мало при |tt| > и В этом случае ошибки Фар и Fttp весьма близки друг к другу.