Основные требования к антенным системам СВЧ и возможности применения антенных решеток

Основные требования, предъявляемые к антенне, определяются объемом обрабатываемой (или извлекаемой) информации и связаны с дальностью действия, разреша­ющей способностью, точностью определения координат, быстродействием, надежностью, помехозащищенностью и другими характеристиками радиотехнической системы. Установление взаимосвязи между характеристиками различных радиотехнических систем и характеристиками антенно-фидерного устройства приводится в соответствующих курсах по радиолокации, радиоуправлению и т. д. Не вдаваясь в подробности работы этих систем и установления отмеченной выше, взаимосвязи, можем считать, что в конечном счете антенно-фидерные устрой­ства должны обеспечить соответствующие: направлен­ность действия, энергетические, частотные, пеленгационные характеристики, характеристики управления, а так­же другие общетехнические, эксплуатационные и экономические характеристики.

Требования к направленности действия антенны оп­ределяют форму и ширину пространственной диаграммы направленности (в двух главных плоскостях), допусти­мый уровень боковых лепестков, коэффициент направ­ленного действия (к. н. д.) и поляризационную характе­ристику антенны. В диапазоне СВЧ антенны имеют игольчатые, косекансные, веерные, воронкообразные и другие виды диаграмм направленности. Поляризацион­ная характеристика определяет: поляризацию излучае­мых и принимаемых волн, допустимый коэффициент равномерности поляризационного эллипса при использо­вании волн с вращающейся поляризацией и допустимый уровень кросс-поляризационного Излучения при линей­ной поляризации поля излучения. При проектировании антенны вид диаграммы направленности, ее ширина, уро­вень боковых лепестков, к. н. д. и поляризационная характеристика могут быть заданными. Следует отметить, что между этими величинами, характеризующими направленность действия. существует связь [ЛО 5], и при проектировании часто бывают заданы только некоторые из этих величин. Так, например, при электрическом ра­счете исходными величинами, характеризующими направ­ленность действия, могут быть ширина диаграммы на­правленности (ширина луча) и к. н. д. При этом может оговариваться, что уровень боковых лепестков и кросс-поляризационное излучение при данных относительных размерах антенны желательно иметь минимальными.

Энергетические характеристики передающих и при­емных антенн позволяют определить: мощность сигнала на входе приемного устройства, максимально допусти­мую мощность излучения, при которой обеспечиваются электрическая прочность и допустимый тепловой режим, мощность, требуемую для управления положением луча в пространстве, мощность СВЧ потерь в антенно-фидерном тракте и мощность шумов в приемной антенне. Величины этих мощностей характеризуются, как известно [ЛО1, ЛО2, ЛОЗ, ЛО4, ЛО5, ЛО9, ЛО11], следующими параметрами: коэффициентом усиления антенны, коэф­фициентом полезного действия антенны и используемых устройств СВЧ, температурой шума антенны, входным сопротивлением антенны (степенью согласования в питающем тракте), добротностью антенны [Л 5] и допусти­мой величиной напряженности электрического поля. В отличие от механически сканирующих антенн, в кото­рых мощность, потребляемая для управления положе­нием луча в пространстве, связана с ра'счетом электропривода, в антеннах с электрическим сканированием эта мощность связана с потерями в управляемых СВЧ уст­ройствах и поэтому может влиять на тепловой режим антенны. При расчете сканирующих антенн СВЧ бывают заданы только отдельные величины, характеризующие энергетику антенны. Так, например, бывают заданы мощность (импульсная и средняя) радиопередающего устройства или чувствительность радиоприемного уст­ройства. Одной из задач проектирования является опти­мизация энергетических, характеристик разрабатывае­мой антенны с учетом располагаемых возможностей и конкретных требований. Оптимизация сводится к при­ближению реализуемых характеристик к предельно-достижимым теоретическим характеристикам, найденным для заданных критериев оптимальности. Такими крите­риями могут быть, например, максимальный коэффици­ент усиления или минимальная шумовая температура при заданных относительных размерах, потерях в ис­пользуемых элементах СВЧ т. д.

Частотные свойства антенн определяются наиболь­шим изменением частоты, при котором основные пара­метры антенны, зависящие от частоты, не выходят за до­пустимые пределы. Частотные свойства зависят от тре­бования к радиосистеме,' в которой используется проектируемая антенна, и определяются по изменению направленности действия или энергетических характе­ристик. При расчете частотных свойств рассматриваемых ниже антенн целесообразно различать требования к ра­бочему диапазону и полосе частот. Требуемая полоса частот - определяется спектром передаваемого антенной сигнала, т. е. условием одновременного излучения или приема антенной заданного спектра частот. Диапазон частот определяется условием работы антенны последовательно во времени на различных участках этого диа­пазона, т.е. допускает в принципе при изменении рабо­чей частоты радиосистемы синхронное изменение неко­торых параметров антенны. Так, например, в электрически сканирующей антенне типа фазируемой решетки при изменении рабочей частоты передатчика изменяется фазовое распределение вдоль решетки для сохранения направления луча в пространстве.

В антенно-фидерных устройствах предъявляется ряд требований к характеристикам сканирования в простран­стве (таким, как сектор обзора, время обзора и др.), изменению направленных свойств в процессе работы и переключению антенны с передачи на прием. Эти требо­вания и определяют необходимые характеристики уп­равления антенно-фидерного устройства. Исходными при выборе того или иного способа, механического, электромеханического или электрического сканирования и проведении расчетов электрически сканирующих антенн являются следующие требования: пространственный сектор обзор луча, период (темп) обзора или время установки луча в заданную точку пространства, метод обзор пространства, точность установки луча в задан­ную точку пространства и др. К характеристикам управ­ления следует также отнести время переключения антенны с передачи на прием, и возникающие в ряде случаев требования к изменению при работе поляриза­ции поля излучения или формы диаграммы направлен­ности (например, с игольчатой на косекансную). В ан­теннах с механическим сканированием характеристики управления луча не связаны с электрическим расчетом антенны и являются определяющими при (проектирова­нии механизмов вращения.

Для получения заданной точности определения угло­вых координат в радиолокации, радиопеленгации, радио­астрономии и- т. д. предъявляют ряд требований к ха­рактеристикам антенн, называемым пеленгационными. Эти требования существенно зависят от используемого способа пеленгации (моноимпульсный, равносигнальный, амплитудный, фазовый и др.). В последнее время широ­кое распространение в радиолокации получили антенны с моноимпульсным способом (моноимпульсные антен­ны), пеленгационными характеристиками которых явля­ются крутизна и линейность характеристики, глубина «нуля» разностной диаграммы и точность его установки в заданную, точку пространства. Эти требования, за ис­ключением последнего, сводятся к требованиям специальной формы и симметрии диаграмм направленности, а также получению максимального усиления антенны в режиме приема (см. гл.11). Требуемая точность установки "нуля" разностной диаграммы в заданное направление в пределах сектора сканирования определяется выбором способа сканирования и характеристиками устройств, управляющих (положением луча антен­ны. Реализадия требуемых пеленгационных характерис­тик для многих антенных устройств является наиболее важной и трудной задачей.

К антенне, как и к любому радиотехническому уст­ройству, предъявляется ряд общетехнических и экономи­ческих требований, таких, как: заданные габариты, малый вес; минимальная стоимость, надежноеть работы, приспособленность к заданным условиям. Удобство контроля, ремонта и т. д. 3адание требований общего характера разрабатываемой антенне; не менее важно чем электрических требований, и выполнение их достигается не только соответствующими конструктивными решениями, технологией изготовления, применением не­обходимых материалов, но и выбором соответствующего способа сканирования, электрической схемы 'построения, режима работы системы и применяемых устройств СВЧ, например фазовращателей.

С развитием различных радиотехнических систем и усложнением решаемых ими тактико-технических задач возрастают требования к антенным характеристикам и в ряде случаев они становятся противоречивыми и вовсе неразрешимыми новые ан­тенны по аналогии с разработанными ранее и находя­щимися в эксплуатации. Так, например, стремление увеличить дальность и точность определения угловых координат в радиолокации приводит к требо­ванию увеличения направленности антенн, что вызывает увеличение их размеров и веса. Рост скоростей полета летательных аппаратов приводит к необходимости уве­личения скорости движения луча в пространстве. Сов­мещение требований увеличения направленности ско­рости движения луча в широко используемых антеннах с механическим сканированием не представляется воз­можным из-за инерционности последних. Подобные про­тиворечия возникают и при попытках одновременно обеспечить высокие направленные свойства и заданные частотные, энергетические, пеленгационные характери­стики. Эти обстоятельства заставляют отказываться от «традиционного» типа антенн для данного класса радио- систем и переходить к антенным решеткам.

Применение сложных антенн в виде решеток, состо­ящих из систем слабонаправленных или направленных излучателей, значительно расширяет возможности реа­лизации требуемых характеристик.

Система излучателей с электрически управляемым фазовым распределением - фазируемая антенная решет­ка (ФАР) осуществляет электрическое сканирование луча в пространстве со скоростью, которая может быть на не­сколько порядков выше скорости механически сканиру­ющих антенн. Время установки в заданную точку про­странства луча фазируемых решеток практически определяется быстродействием электрического фазовра­щателя или перестройкой частоты при частотном сканировании и не связано с весом и размерами антенны. При таком «безынерционном» сканировании возможны но­вые, ранее не применявшиеся методы обзорa пространства и многоцелевая работа (одновременное сопровож­дение нескольких целей в пространстве).

Решетки из остронаправленных антенн позволяют увеличить предельно-реализуемую разрешающую спо­собность, усиление и максимальную мощность антенны. Созданы и строятся решетки из больших зеркал для ан­тенн радиотелескопов и космической связи, имеющие разрешающую способность до единиц минут в сантимет­ровом диапазоне [JI 1]. Решетки позволяют создать многофункциональные антенны, в которых с помощью электрически управляемых устройств СВЧ меняется форма и ширина диаграммы направленности в зависи­мости от выполняемых радиосистемой функций.

Реализация различных видов амплитудно - фазовых распределений в антенной решетке значительно проще, чем в зеркальных, рупорных, линзовых и других антен­нах СВЧ, так как в возбуждающее излучатели устрой­ство можно включать различные делители, направлен­ные ответвители, фазовращатели, коммутаторы и другие элементы, обеспечивающие требуемое распределение или управление. Практические возможности выполнения различных видов амплитудно-фазовых распределений позволяют применять антенные решётки для минимизации бокового излучения, т.е. для построения так называ­емых антенн с оптимальными диаграммами направленности.

В конструктивном отношении применение решеток создает возможности уменьшить предельные размеры (в направлении нормали к плоскости решетки) острона­правленных антенн, а следовательно, и занимаемые ими объемы, и использовать для излучения наружную про­водящую поверхность объекта. Остронаправленная рещетка из рупоров или зеркал имеет меньший продоль­ный размер, чем одна рупорная или зеркальная антенна той же направленности. Щелевая решетка излучателей на выпуклой (конической, цилиндрической, сферической и др.) наружной поверхности летательного аппарата [JIO 7], не увеличивая аэродинамического сопротивле­ния, позволяет существенно сократить занимаемый объ­ем по сравнению с соответствующей апертурной антен­ной, расположенной в обтекателе.

В последнее время радиоспециалистами уделяется значительное внимание так называемым активным ре­шёткам, в которых к каждому излучателю или группе их подключаются активные элементы: автогенератор, усилитель, преобразователь, смеситель и т.д. Такой но­вый подход на основе антенной решетки к построению всей радиосистемы, в случае, когда нельзя выделить, как отдельные устройства, приемник, передатчик и т.д., позволяет существенно расширить возможности системы в обработке поступающей информации, построить адап­тирующиеся (самонастраивающиеся) антенны и достиг­нуть лучшего сопряжения радиосистемы с ЭВМ.

Вышеприведенные соображения отчетливо показыва­ют роль антенных решеток в современных радиотехни­ческих системах, их возможности в обеспечении требу­емых характеристик антенн и всей радиосистемы. Поэто­му в настоящей книге основное внимание уделяется различным антенным решеткам и их элементам. Ниже приводятся инженерные методы расчета щелевых, ви­браторных и рупорных решеток, а также одиночных спиральных, диэлектрических стержневых и других антенн, которые используются как элементы решеток СВЧ. В работе излагаются также расчеты электрических ска­нирующих антенных решеток, разработке теории и техники которых в последний период развития антенно-фидерных устройств уделяется основное внимание специ­алистов.