Антенная решётка

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 14:18, 27 июня 2016.
Статья по учебной дисциплине
Название дисциплины:

Обнаружение и распознавание сигналов

Раздел:

2. Анализ регулярных сигналов

Глава:

2.4 Классификация подсистем КПС по назначению и характеру преобразования сигналов.

Преподаватель:

Чичварин Н. В.

Антенная решетка (АР) — это система вибраторов, применяющаяся для увеличения направленности действия по сравнению с одиночной антенной.

Введение

Направленность действия простейшей антенны — симметричного вибратора — невысокая. Для увеличения направленности действия уже на первых этапах развития антенной техники стали применять систему вибраторов — антенные решётки. В настоящее время антенные решётки — наиболее распространённый класс антенн, элементами в которых могут быть как слабонаправленные излучатели (металлические и щелевые вибраторы, волноводы, диэлектрические стержни, спирали и др.), так и узконаправленные излучатели.

Применение антенных решёток обусловлено следующими причинами. Решётка из N элементов позволяет увеличить приблизительно в N раз: коэффициент направленного действия (и соответственно усиление) антенны по сравнению с одиночным излучателем, а так же сузить луч для повышения точности определения угловых координат источника излучения в навигации и радиолокации. С помощью решётки удаётся поднять электрическую прочность антенны и увеличить уровень излучаемой (принимаемой) мощности путём размещения в каналах решётки независимых усилителей высокочастотной энергии.

Одной из важных преимуществ решётки является возможность быстрого (безынерционного) обзора пространства за счёт качания луча антенны электрическими методами (электрического сканирования).

Помехозащищённость системы зависит от уровня боковых лепестков антенны и возможности подстройки (адаптации) его по помеховой обстановке. Антенная решётка — необходимое звено для создания такого динамического пространственно-временного фильтра, или просто для уменьшения уровня боковых лепестков (УБЛ). Одной из важнейших задач современной бортовой радиоэлектроники является создание комплексированной системы, совмещающей несколько функций, например, радионавигации, радиолинейной системы (РЛС), связи и т. д. Возникает необходимость создания антенной решётки с электрическим сканированием с несколькими лучами (многолучевой, моноимпульсной и т. д.), работающей на различных частотах (совмещённой) и имеющей различные характеристики.

Классификация АР

Рис. 1. Антенные решетки:
а - линейная решетка; б - дуговая решетка;
в - кольцевая решетка; г - плоская решетка;
д - цилиндрическая решетка; е - коническая решетка;
ж - сферическая решетка; з - неэквидистантная решетка

Антенные решётки могут быть классифицированы по следующим основным признакам:

  • геометрия расположения излучателей в пространстве:
  1. линейные;
  2. дуговые;
  3. кольцевые;
  4. плоские;
  5. с прямоугольной сеткой размещения;
  6. с косоугольной сеткой размещения;
  7. выпуклые;
  8. цилиндрические;
  9. конические;
  10. сферические;
  11. пространственные;
  • способ возбуждения:
  1. с последовательным питанием;
  2. с параллельным питанием;
  3. с комбинированным (последовательно-параллельным);
  4. с пространственным (оптическим, «эфирным») способом возбуждения;
  • закономерность размещения излучающих элементов в самой решётке:
  1. эквидистантное размещение (расстояние между излучателями, шаг, - величина постоянная);
  2. неэквидистантное размещение (шаг меняется по определенному закону или случайным образом);
  • способ обработки сигнала;
  • амплитудо-фазовое распределение токов (поля) по решётке;
  • тип излучателей:
  1. в питающем антенную решётку тракте (фидере) возможна различная пространственно-временная обработка сигнала. Изменение фазового распеделения в решётке с помощью системы фазовращателей в питающем тракте позволяет управлять максимумом диаграммы направленности (ДН). Такие решётки и называют фазированными антенными решётками;
  2. если к каждому излучателю ФАР, или к группе подключается усилитель мощности, генератор, или преобразователь частоты, то такие решётки называются активными фазированными антенными решётками (АФАР);
  3. адаптивные антенные решетки - антенные решётки с саморегулируемым амплитудно-фазовым распределением в зависимости от помеховой обстановки:
    1. приёмные антенные решётки с обработкой сигнала методами когерентной оптики - радиооптические;
    2. приёмные антенные решётки, в которых обработка ведётся цифровыми процессорами - цифровые антенные решётки;
  4. совмещённые антенные решётки имеют в своём раскрыве два или более типа излучателей, каждый из которых работает в своём частотном диапазоне;
  5. многолучёвые антенные решётки формируют с одного излучающего раскрыва несколько независимых (ортогональных) лучей и имеют соответствующее число входов;
  • вид амплитудного распределения:
  1. с равномерным амплитудным распределением;
  2. с экспоненциальным амплитудным распределением;
  3. с симметрично спадающим относительно центра амплитудным распределением.

Если фазы токов излучателей изменяются вдоль линии их размещения по линейному закону, то такие решётки называют решётками с линейным фазовым распределением. Частным случаем таких решёток являются синфазные решётки, у которых фазы тока всех элементов одинаковы.

Расчет характеристик АР

Методы модельного представления антенных решёток основаны на рассмотрении общих методов расчёта характеристик антенных решеток. Рассматривают обычно систему полуволновых вибраторов. В строгой электродинамической постановке задача об излучении системы тонких полуволновых вибраторов аналогична задаче об излучении одиночного вибратора. Различие стостоит в замене одного вибратора системой вибраторов, каждый из которых возбуждается своим сторонним источником. Поступая так при строгом решении задачи излучения симметричного вибратора, можно установить связи между сторонними источниками и параметрами антенной решётки. Токи в излучателях антенной решётки могут быть найдены из совместного решения системы интегральных уравнений. Такое решение оказывается на порядок сложнее, чем для одиночного излучателя, и весьма затрудняет выявление основных закономерностей антенной решётки. С этой целью в теории антенн используют приближенные методы, в которых общую задачу расчёта антенной решётки условно разделяют на две задачи:

Внутренняя задача

Решение внутренней задачи состоит в определении амплитудно-фазового распределения в антенной решётке при заданных сторонних источниках, что необходимо для возбуждения (питания) антенной решетки.

Внешняя задача

Решение внешней задачи состоит в нахождении характеристик направленности антенны при известном амплитудо-фазовом распределении токов (полей) по элементам антенной решетки. Это распределение считается известным из решения внутренней задачи и достигнуто соответствующим подбором сторонних источников возбуждения. Решение внешней задачи можно провести в общем виде для различных антенных решёток и затем установить характеристики направленности. Следует заметить, что методы решения внутренней задачи оказываются различными для разных типов излучателей антенной решетки. Поле излучения антенной решётки представляет собой результат интерференции полей отдельных излучателей. Поэтому надо найти отдельно поле от каждого излучателя в данной точке пространства, а затем сумму полей всех излучателей при учёте амплитудных и фазовых соотношений, а также поляризации полей.

Расчёт диаграммы направленности АР

Расчёт диаграмм направленности таких систем проводится следующим образом:

  1. Определяют амплитудную и фазовую диаграммы излучения отдельных элементов, составляющих антенную решётку.
  2. Определяют фазовый центр каждого излучателя и заменяют излучатели точечными излучателями, расположив их в фазовых центрах реальных излучателей антенной решётки. Каждому точечному излучателю приписывают равномерную фазовую и амплитудную диаграммы направленности реального излучателя. Тогда точечный излучатель по внешнему действию будет полностью эквивалентен реальному излучателю.
  3. Определяют амплитуды и фазы полей, создаваемые эквивалентными точечными излучателями в произвольной точке пространства (каждым в отдельности). При этом надо рассматривать поле на большом расстоянии от точки наблюдения до всех излучателей. Расчёт фаз следует вести с учётом разницы в расстоянии до каждого излучателя. При определении разницы в расстояниях в целях упрощения необходимо считать направления на точку наблюдения параллельными для всех излучателей. При вычислении фаз надо определять фазы по отношению к фазе поля какого-либо одного излучателя, принимаемого за начальную.
  4. Определяют амплитуду и фазу поля всей антенны путём суммирования полей всех составляющих её излучателей, учитывая амплитудные и фазовые соотношения, а также поляризацию полей.

Излучение линейной синфазной антенны

Рис. 2. Векторная диаграмма суммирования полей.

При расчёте поля излучения синфазной антенны с равномерным амплитудным распределением приходится иметь дело со сложением некоторого числа одинаково поляризованных гармонических колебаний с равными амплитудам и фазами, отличающимися друг от друга на одинаковый угол. Сумма таких колебаний определяется как сумма (ряд таких колебаний) членов геометрической прогрессии или геометрическим путём. Пусть имеется:

Векторная диаграмма суммирования полей может быть получена, если представить каждое слагаемое вектором, имеющим модуль, равный амплитуде поля излучения, и расположенным соответственно фазе колебания При суммировании векторов образуется правильный многоугольник (рис. 2). Опишем вокруг него окружность радиуса с центром в точке О. Тогда А так как из треугольника Таким образом, амплитуда результирующего колебания:

Рис. 3. Линейные антенные решётки:
а) решётка вертикальных вибраторов;
б) решётка горизонтальных вибраторов;
в) к расчёту ДН линейных АР

Фаза результирующего колебания по отношению к фазе начального колебания определяется величиной и равна Сумма всех колебаний:

где - разность фаз между соседними колебаниями.

Фаза результирующего колебания опережает фазу исходного на угол

Получили распространение антенные решетки, составленные из вертикальных или горизонтальных полуволновых вибраторов (рис. 3). Такие антенны состоят из питаемых синфазно полуволновых вибраторов, одинаково ориентированных и расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Направление расположения образует прямую линию.

Для расчёта диаграмм направленности заменим каждый вибратор эквивалентным точечным излучателем, расположив его в фазовом центре, то есть в середине вибратора. Поле такой антенны — результат интерференции полей вибраторов. Будем считать, что все излучатели в решетке имеют одинаковые диаграммы направленности. Так как вибраторы параллельны, то поля одинаково поляризованы, а следовательно, можно пользоваться полученной выше формулой для суммарного поля. Рассматривая поле далеко от антенны, можно считать, что Пусть мгновенное значение тока в пучности каждого вибратора описывается уравнением Тогда суммарное поле в точке наблюдения от всей антенны определяется:

Суммарное поле антенны

где - диаграмма направленности эквивалентного излучателя в решетке, которую примем в рамках приближенной теории, одинаковой для всех излучателей;
постоянный (амплитудный) множитель, не зависящий от углов
расстояние от n-го излучателя до точки наблюдения.

Примем фазу поля от наиболее удаленного излучателя (в рассматриваемом случае 1-го) за начальную. Тогда для определения фазы поля n-го излучателя необходимо предварительно выразить расстояние от этого излучателя до точки наблюдения через расстояние :

Подставляя в формулу для напряженности поля, получаем:

где разность фаз между полями соседних излучателей,
волновое число.

Амплитудная диаграмма направленности

Проведем анализ полученного выражения. Амплитудная диаграмма направленности согласно формуле определяется как

представляет собой произведение диаграммы составляющего излучателя на множитель антенны

Из формулы следует, что фаза поля изменяется при изменении угла Таким образом, при расчёте расстояния от наиболее удаленного излучателя синфазная антенна не имеет равномерной фазовой диаграммы, а выбранная точка начала отсчёта расстояний не является фазовым центром.

Фазовая диаграмма направленности

Фазовой диаграммой будем называть в дальнейшем ту часть выражения, определяющего фазу поля, которая не зависит от времени (см. формулу ):

Фазовый центр антенны

Предположим, что фазовый центр имеется и находится на линии расположения излучателей на расстоянии от 1-го излучателя. Обозначим расстояние от фазового центра до точки наблюдения через и выразим расстояние через . Тогда:

.

Если - координата фазового центра, то это выражение при не должно зависеть от . Требуя выполнения этого условия, получаем , откуда .

Таким образом, рассматриваемая антенна имеет фазовый центр, который совпадает с её геометрическим центром. Этот вывод справедлив в общем случае для любой синфазной антенны. При отсчёте расстояния от фазового центра с учётом того, что амплитуда поля практически не меняется при перемене начала отсчёта в пределах антенны, поле

Так как вибраторы, образующие решетку, обладают слабой направленностью, ДН решетки в основном определяется множителем решетки . Множитель решетки зависит от числа излучателей и расстояния между ними, выраженного в длинах волн . Этот множитель не зависит от угла, а значит, что в плоскости, перпендикулярной линии расположения излучателей (при ), ДН решетки совпадает с диаграммой одиночного излучателя, а поле возрастает пропорционально числу излучателей:

Это действительно при . В плоскости, проходящей через линию расположению излучателей , ДН решетки отличается от ДН одиночного излучателя. Пусть в этой плоскости ДН одиночного излучателя - ненапрвленная. Тогда ДН решетки будет определяться только множителем решетки, который в нормированном виде записывается как

Множитель решетки

Рис. 4. Зависимость множителя решётки от обобщённой координаты ψ.

Множитель решётки является периодической функцией с периодом и при изменении угла проходит через свои максимальные и минимальные значения. Поэтому ДН решётки имеет многолепестковый характер. На рис. 4 заштрихованная ДН реальной антенны отражает эту картину.

Боковые лепестки ДН

В каждом из периодов этой функции имеется один главный лепесток и несколько боковых. График функции симметричен относительно точек , а сама функция при этих значениях максимальна. Между соседними и главным лепестками имеется направление нулевого излучения и боковых лепестков. Максимумы боковых лепестков убывают при удалении от каждого главного лепестка. Наименьшими при этом являются те лепестки ДН, которые находятся в середине интервала между соседними главными максимумами. Относительная величина боковых лепестков , где . В решетках с большим числом излучателей уровень первых боковых лепестков может быть найден по упрощенной формуле:

и при величина первого бокового лепестка равна 0,217 (или -13,2 дБ) относительно главного.

Главный лепесток ДН антенны

На практике обычно требуется получить ДН решетки с одним главным максимумом излучения. Для этого необходимо, чтобы в интервал изменения обобщённой координаты , определяемый неравенством и соответствующий реальной ДН решетки , попадал лишь один главный максимум функции . Это будет в том случае, если ширина интервала изменения , равная , меньше , то есть или . Таким образом, расстояние между соседними излучателями в решетке должно быть меньше длины волны генератора. Угловые границы главного лепестка по уровню излучения могут быть найдены путём приравнивания нулю числителя множителя решетки или так как множитель решетки с изменением угла изменяется значительно быстрее, чем первый множитель, и определяет в основном ДН решетки. Из последнего соотношения следует . При большом числе излучателей можно принять . Отсюда угловая ширина главного лепестка ДН или .

Таким образом, для получения узких ДН необходимо увеличивать длину антенны . Но так как расстояние между излучателями должно быть меньше длины волны генератора (для получения одного главного максимума излучения), повышения направленности добиваются увеличением числа излучателей решётки .

Ширина главного лепестка ДН

Ширину ДН по уровню 0,7 поля можно определить по приближенной формуле:

Это выражение тем точнее, чем больше число вибраторов в решетке при заданной величине отношения. Практически им можно пользоваться, если .

Если излучатели, образующие линейную синфазную антенну, обладают направленными свойствами в плоскости, проходящей через линию их расположения, то расстояние между излучателями можно взять больше длины волны генератора . В этом случае в интервале изменения обобщённой координаты , соответствующей реальной ДН решетки.

Коэффициент направленного действия (КНД) решётки

Если расстояние между излучателями выбрано таким, что можно пренебречь влиянием их полей друг на друга, то КНД решетки можно подсчитать по приближенной формуле , где - коэффициент направленного действия одиночного излучателя в свободном пространстве. Рассмотренные линейные решетки обладают направленностью только в одной плоскости: в плоскости расположения излучателей.

Примечания

См. также

Литература

  1. Воскресенский Д. И., Гостюхин В. Л., Максимов В. М., Пономарёв Л. И. Антенны и устройства СВЧ / Под ред. Д. И. Воскресенского. Учебник. — 2-е изд. — Москва: МАИ, 1993. — 528 с.
  2. Сазонов Д. М., Гридин А. М., Мишустин Б. А. Устройства СВЧ — М: Высш. школа, 1981.
  3. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решёток. Учебное пособие / Под ред. Д. И. Воскресенского. — Москва: Радио и связь, 1994. — 592 с.
  4. Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ. Учебник. — Москва: Высшая школа, 1988. — 432 с.