Фазированные антенные решетки.Схемы построения.Элементная база

Сочетание линзы с ФАР расширяет сектор сканирования плоской ФАР. Одновременно с этим происходит ухудшение других характеристик антенной системы.

Цилиндрическая решетка излучателей, подключаемая коммутаторами (с фазовращателями или без них) к возбуждающей системе полосковых линий, волноводов, радиальных волноводов и других элементов, позволяет сканировать в широком секторе углов.

Возможно применение многолучевых антенн, формирующих с одного излучающего раскрыва несколько ДН, каждой из которых соответствует входной тракт антенны.

Многоканальный коммутатор, подключенный к входам многолучевой антенны, позволяет дискретно перемещать луч в пространстве в соответствии с характеристиками многолучевой антенны.

Необходимость использования многолучевого режима в радиотехнических системах приводит к созданию ФАР с несколькими независимыми сканирующими лучами. Возможный путь решения таких задач состоит в совмещении многолучевых антенн с системой управляемых фазовращателей и возбуждаемых через направленные ответвители магистральных волноводов.

Каждая из приведенных схем построения ФАР имеет свои преимущества и недостатки, и выбор той или иной схемы определяется поставленными требованиями к радиотехнической системе, последующей обработкой СВЧ-сигнала, а также элементной базой.

Элементная база ФАР включает: излучатели, фазовращатели, коммутаторы, сумматоры (делители) мощности и линии передач СВЧ.

Центральным элементом - "кирпичиком", из которого строится ФАР. служит фазовращатель. Его важнейшими характеристиками являются мощности потерь, управления и предельно допустимая рабочая полоса частот, быстродействие, зависимость фазового сдвига от управляющего воздействия, габариты и стоимость. Волноводное, коаксиальное, полосковое, микрополосковое исполнение фазовращателя определяет выбор не только тракта СВЧ, но и тип излучателя. В диапазоне СВЧ нашли широкое применение полупроводниковые (p-i-n-диодные) и ферритовые фазовращатели, которые принято разделять на проходные или отражательные, взаимные и невзаимные, дискретные или плавные, с памятью фазового сдвига и без запоминания. Проходной фазовращатель - это четырехполюсное согласованное устройство СВЧ, вносящее дополнительный фазовый сдвиг от 0 до 360° - в зависимости от управляющего сигнала. Отражательный фазовращатель - это двухполюсное устройство (короткозамкнутый отрезок лини СВЧ), у которого фаза отраженной волны также управляется. Короткое замыкание выходных клемм в проходном фазовращателе преобразует его в отражательный.

Отражательный фазовращатель может быть преобразован в проходной за счет применения мостового устройства. Взаимный фазовращатель обладает одинаковым вносимым фазовым сдвигом при прямом и обратном направлении распространения волны, невзаимный этим свойством не обладает. Невзаимный фазовращатель, как правило, использует в электрически управляемой среде невзаимный аффект, например эффект Фарадея в феррите. Взаимный отражательный фазовращатель с Y-циркулятором образует проходной невзаимный фазовращатель.

Дискретный фазовращатель изменяет фазу выходного сигнала дискретно (скачками) на . Величину М для удобства управления ЭВМ выбирают равной двум в целой степени, т. е. , где p= 1,2,3 - разряд фазовращателя. Дискретный фазовращатель вносит максимальную величину фазовой ошибки . Нашли применение фазовращатели с =90 - двухразрядные, =45 - трехразрядные, =22.5 - четырехразрядные и с меньшими дискретами. Серийно выпускаются (как готовые изделия) полупроводниковые и ферритовые дискретные фазовращатели с использованием прямоугольной петли гистерезиса (ППГ). Они обладают элементом памяти, т. е. сохраняют внесенный фазовый сдвиг после снятия управляющего воздействия. Аналоговые фазовращатели - с плавным изменением фазы от управляющего тока (напряжения) - могут иметь дискретность фазирования при сопряжении с системой управления лучом антенны ЭВМ. Нашли широкое применение ферритовые взаимные и невзаимные фазовращатели, проходные и отражательного типа для различных поляризаций волны.

Разработаны фазовращатели на различные уровни мощности, рабочие диапазоны и разрядности. Ферритовые фазовращатели на длинах волн короче 5 см могут обладать меньшими потерями, чем полупроводниковые. Полупроводниковые фазовращатели имеют большее быстродействие и меньшие массу и габариты, но стоимость их выше. Увеличение разрядности приводит к дополнительным потерям, большей стоимости и увеличению мощности управления.

Размещение в плоской решетке с шагом (0,5...0,7) излучателей с фазовращателями, элементами крепления и управляющими цепями, накладывает жесткие ограничения на их размеры. Эти трудности растут с уменьшением рабочей длины волны, и в миллиметровом диапазоне волн (особенно в коротковолновой части) приводят к новым конструктивным решениям электрически сканирующих антенн: электрически управляемым линзам, голографическим управляемым транспарантам и др. Одним из важнейших критерием выбора фазовращателя является его стоимость, в значительной степени определяющая стоимость всей ФАР.

В диапазонах KB и УКВ нашли применение в качестве устройств фазирования управляемые линии задержки - коммутируемые отрезки линии с волной Т длиной порядка половины раскрыва ФАР. Такие фазовращатели, называемые "тромбонными", обеспечивают работу в широком диапазоне частот. Известны СВЧ-фазовращатели, использующие сегнетоэлектрики и газоразрядную плазму, но ненашедшие практического использования из-за низкой температурной стабильности и других неудовлетворительных характеристик. Вторым важнейшим элементом ФАР СВЧ-диапазона является излучатель, в качестве которого используют вибраторы, открытые концы волноводов, диэлектрические стержневые, спиральные, щелевые и печатные излучатели и другие слабонаправленные антенны. Выбор типа излучателя определяется рабочим диапазоном и полосой частот, излучаемой мощностью, требуемой поляризацией, сектором сканирования луча и конструктивным исполнением фазовращателя и тракта СВЧ. В рабочей полосе частот и секторе сканирования излучатель должен иметь ДН в системе без провалов и быть согласован. Оптимальная ДН излучателя плоской решетки, при которой излучатель будет во время сканирования согласован, а КНД - максимальным, представляется как , где - угол, отсчитываемый от нормали к раскрыву для произвольной плоскости. Это легко показать следующим образом. Допустим, что излучатели в секторе сканирования согласованы, т. е. входные сопротивления неизменны. Следовательно, излучаемая мощность у при отклонении луча неизменна. Из теории решеток и излучающих апертур известно, что при отклонении луча КНД падает по закону т.е. Так как ,где ,и поле антенны есть сумма полей элементов, т. е. . Это справедливо для эквидистантных больших решеток, в которых можно не учитывать краевые эффекты. Отличие ДН излучателя от идеальной, приводит к падению КНД и соответствующему рассогласованию тракта .

ДН элемента в решетке зависит от параметров излучателя, шага и конфигурации решетки, наличия конструктивных элементов крепления, укрытия и т. д. Улучшение ДН элемента и, следовательно, согласование можно достигать благодаря применению дополнительных элементов: многослойных диэлектрических покрытий, направляющих элементов (директоров, рефлекторов), диэлектрических заполнении, импедансных поверхностей и т. д.

В последние годы были проведены обширные теоретические и экспериментальные исследования перечисленных излучателей ФАР с целью поиска наилучших результатов. В теории были разработаны физические и математические модели для численных методов решения соответствующих краевых электродинамических задач. Созданы программы расчета характеристик и их оптимизации, которые позволяют по заданным требованиям к ФАР выбрать излучатели различных типов.

К элементной базе ФАР относятся система распределения мощности СВЧ на различных линиях передачи: мостовые устройства, направленные ответвители, двухканальные и многоканальные системы распределения мощности, поляризаторы и другие элементы трактов СВЧ антенн. Потребность в этой элементной базе зависит от выбранной схемы построения поляризационных характеристик. При пространственном способе возбуждения моноимпульсной ФАР используется несколько мостов СВЧ, с помощью которых формируются суммарно-разностные ДН. Фидерный способ возбуждения или создание ФАР с управляемой поляризацией резко усложняет систему распределения мощности СВЧ.

Широкоугольное сканирование в выпуклых ФАР или управление поляризацией поля дополняет элементарную базу коммутаторами СВЧ.