Антенны с электрическим сканированием

Остановимся на особенностях построения и расчета электрических сканирующих антенн, которые необходи­мо учитывать при проектировании. Следует заметить, что к настоящему времени единой общепринятой терминологии в области электрически сканирующих антенн не выработано, так как пока еще отсутствуют завер­шенные инженерные ме­тоды их расчета. Даже в названии рассматри­ваемого класса антенн нет единообразия: антен­ны с электрическим ска­нированием называют также антеннами с немеханическим движением луча [Л 2] или антеннами с электронным сканиро­ванием [Л 1]. Ниже бу­дет использована наибо­лее широко распростра­ненная терминология, со­ответствующая физике протекающих процессов, которая поясняется в про­цессе изложения.

Антенны с электрическим сканированием в общем случае могут рассматриваться как решетки с управляе­мым фазовым или амплитудно-фазовым распреде- лени­ем. В таких антенных решетках применяют различные типы излучателей и канализирующих систем, а также используют разнооб- разные способы возбуждения излу­чателей и управления амплитудно - фазовым распреде- лением при сканировании. При этом сканирующие антен­ны имеют самые различные конструктивные решения. Однако направленные свойства этих антенн при правиль­ном их построении могут определяться как для острона­правленных антенн с излучающим раскрывом (аперту­рой), в которых направленные свойства зависят от относительных (к длине волны) размеров - раскрыва и распределения поля в нём. В линейных и плоских ан­тенных решётках при электрическом сканировании меня­ется эквивалентный излучающий раскрыв, т.е. проекция раскрыва на плоскость нормальную к направлению луча, и, следовательно, меняются направленные свойства. Эти изменения ширины луча решетки при сканировании доджны -быть учтены при электрическом расчете антен­ны. На рис. 1.1 приведены графики, иллюстрирующие изменение ширины диаграммы направленности 2θ_0.5 в зависимости от относительного размера антенны L/λ и направления луча в пространстве.

Остронаправленное излучение в рассматриваемых ан­теннах создает система излучателей, которые образуют решетку. Находят применение линейные, плоские или осесимметричные решетки (кольцевые, конические, ци­линдрические, сферические), а также, и другие решетки более сложной формы. Решетки могут быть как эквидистантными (с постоянным расстоянием между излуча­телями), так и неэквидистантными. Ширина диаграммы направленности излучателей, их число и расположение в решетке определяются требованиями к направленности антенны, пространственному сектору сканирования, условиям размещения и эксплуатации антенны. Ниже излагаются только вопросы проектирования линейных и плоских эквидистантных решеток как наиболее прос­тых по конструкции, расчёту и устройству управления луча, и имеющих максимальный сектор сканирования 100—120°. Линейные решетки представляют интерес не только как самостоятельные антенны, но и как элементы более сложных плоских, цилиндрических, конических и других решеток.

Обеспечение заданных требований к электрически сканирующей антенне при проектировании может быть достигнуто при различных типах излучателей, форме решеток, расстоянии между. излучателями и т.д. Одной из главных задач проектирования рассматриваемых ан­тенн является нахождение оптимального варианта ре­шетки для заданных требований с учетом имеющихся возможностей возбуждения, размещения, изготовления и работы.

Возбуждение излучателей, число которых в антенне может достигать десятки тысяч, возможно с .помощью волноводов, коаксиальных и полосковых - линий и других типов канализирующих систем и осуществимо по па­раллельной, последовательной, ветвистой и др. схемам питания. Возможен также оптический способ возбуж­дения, аналогичный возбуждению линз и зеркал, при котором один первичный облучатель возбуждает одно­временно все излучатели решетки. Выбор схемы возбуж­дения при проектировании определяется используемым способом сканирования, величиной допустимых потерь в антенне, а также габаритами и весом.

Качание луча антенны при частотном способе дости­гается изменением частоты генератора (в передающей) и приемного устройства (в приемной) антенне. С изме­нением частоты меняется электрическое расстояние между излучателями, возбуждаемыми канализирующи­ми системами с бегущей волной, и, следовательно, меня­ется фазовое распределение в решетке. К определению характеристик, этих канализирующих систем и сводится в основном расчет частотного способа сканирования. Частотно-сканирующие антенны оказываются конструк­тивно значительно проще других электрически сканиру­ющих антенн, так как в них кроме канализирующих и излучающих устройств нет никаких других элементов. Наличие генератора и приёмного устройства СВЧ с ма­лоинерционной, например, электрической перестройкой частоты, является необходимым условием для создания радиосистем с электрическим сканированием. Однако реализация частотного метода сканирования при широкоугольном и двумерном сканировании встречает зна­чительные трудности. Кроме того, применение частот­ного метода допускают не все радиосистемы.

При неизменной рабочей частоте радиосистемы уп­равление фазовым распределением в электрически ска­нирующей антенне возможно с помощью фазовращате­лей, в которых применяются электровакуумные или полупроводниковые приборы, а также электрически управляемые среды: феррит, газоразрядная плазма и сегнетоэлектрики.

В настоящее время разработаны ферритовые, полу­проводниковые, сегнетоэлектрические и другие фазовра­щатели, в которых фаза выходящей электромагнитной волны дискретно или непрерывно меняется в пределах 360° в зависимости от управляющего напряжения или тока. Включение системы фазовращателей в возбужда­ющее антенну устройство позволяет осуществить электричеокое сканирование, причем управление фазовым распределением в большинстве случаев оказывается дискретным. Это получаетсяиз-за дискретного изменения фазового сдвига в дискретном фазовращателе или из-за дискретного изменения управляющего тока или напряжения, обусловленного спецификой работы электронного устройства, управляющего, положением луча. Такой способ злектрического сканирования, получивший название коммутационного (или дискретно-коммутационного), является в настоящее время наиболее перспективным. При коммутационном Способе в результате дискретности изменения фазы изменяются направленные свойства фазированной решетки излучателей. Эти изменения должны быть учтены при проектировании коммутационных антенн.

Управление, фазовым распределением сканирующей антенной решетки может быть получено также с помощью механических фазовращателей, в которых изменение фазы происходит путем механического перемещения или вращения специальных отдельных элементов или частей канализирующей системы фазовращателя [Л 1,Л 6]. При таком способе, сканирования, получившем название электромеханического, максимальная скорость перемещения луча определяется быстродействием фазовращателя, и она из-за малой инерционности перемещаемых устройств может быть значительно большей, чем в механически сканирующих антеннах. Расчет характеристик направленности антенных решеток с электромеханическим сканированием такой же, как и электрически сканирующих.

Выбор того или иного способа сканирования при проектировании антенн определяется не только требуемыми характеристиками, но и располагаемыми возможностями: наличием соответствующих элект-ронных приборов, характеристиками разработанных, фазовращателей и канализирующих систем, располагаемой энергетикой и т. д.

Переход от механического к электрическому способу сканирования привел к усложнению конструкции антенны, обусловленному применением, например, вместо одной зеркальной антенны, решетки излучателей с фазовращателями, и резкому увеличению стоимости антенного устройства. Применение фазовращателей, канализирующих систем и других дополнительных устройств в решетке увеличивает тепловые обтери в антенне и фазовые ошибки и уменьшает усиление. Поэтому переход к электрически сканирующим антенным решеткам целе­сообразен только в тех случаях, когда механический способ не дает требуемых характеристик управления луча, и допустимо соответствующее ухудшение энерге­тических характеристик и увеличений стоимости.