считать не только распределение по раскрыву, но и конфигурацию самой антенны, т. е. решить задачу синтеза антенны практически до конца.

В задачу синтеза входит прежде всего определение классов реализуемых диаграмм направленности для антенн различных конфигураций.

Поскольку диаграммы направленности, задаваемые на практике, зачастую не являются точно реализуемыми, возникает задача получения распределения источников, диаграмма которых в том или ином смысле близка к заданной. Это может быть сделано, например, при помощи некоторой аппроксимации заданной реализуемой диаграммы, после чего распределение можно найти, в случае линейных и плоских раскрывов, простым преобразованием Фурье. В ряде случаев можно сразу получить распределение источников, реализующих диаграмму, близкую к заданной. Так, продолжая диаграмму нулем в область мнимых углов и преобразуя ее по Фурье, получим распределение источников, обеспечивающее наилучшее приближение к заданной диаграмме в смысле среднеквадратичного.

Диаграмма, принадлежащая к классу реализуемых, определяет не только распределение источников, но также форму и размер излучающего раскрыва. Однако приближенно можно реализовать любую непрерывную диаграмму при помощи раскрыва произвольной величины. При решении задачи синтеза диаграмма может оказаться весьма критичной по отношению к распределению источников. Такая, сверхнаправленная, антенна оказывается чрезмерно узкополосной и обладает большими потерями. В случае реализуемых диаграмм это имеет место, когда нормированная диаграмма принимает большие значения вне интервала вещественных углов. Аналогичный эффект возникает и в ряде других случаев, в частности, при попытках сузить главный лепесток при заданных размерах раскры-вт и упо"не пкых лепесткп"; снизить уоорень боковых лепестков в янтеннепри заданных pacKpH-e и ширине диаграммы; создать диаграмму, приближающуюся к всенаправленной в антенне заданных размеров н фиксированной поляризации; улучшить аппроксимацию нереализуемой диаграммы реализуемой и т. п.

При синтезировании антенн по заданной, обычно нереализуемой диаграмме, предварительно определяют размер антенны (например, по известным дифракционным формулам, учитывая форму заданной диаграммы - ширину главного лепестка, крутизну скатов и т. п.), а затем решают задачу синтеза, т. е. находят распределение источников на выбранном раскрыве, аппроксимирующее заданную диаграмму. Для того чтобы при этом, увеличивая точность аппроксимации, не прийти к сверхнаправленности, необходимо с самого начала ввести определенные ограничения, задаваясь допустимыми потерями диапазонностью антенны и т. п.

Однако методы оптимального приближения к заданным диаграммам еще не разработаны в должной мере.

Большинство работ по синтезу относится к антеннам с линейными и плоскими раскрывами. В настоящее время актуально решение задач синтеза для антенн с раскрывом произвольной формы, поскольку последняя представляет собой дополнительную степень «свободы», которую можно использовать для придания антенне каких-либо новых свойств. В частности, очевидно, что для антенн с качанием луча в широком секторе, в том числе на 360°, наиболее подходящими являются антенны с раскрывом в виде поверхности вращения.

Представляют практический интерес и более частные задачи, как, например, получение амплитудных и фазовых диаграмм различной специальной формы.

Для антенных решеток задача синтеза имеет свою специфику в связи с тем, что помимо распределения токов, необходимо, в общем случае, синтезировать и расположение источников. В настоящее время опубликовано большое число работ, посвященных методам построения таких, неэквидистантных решеток. Однако в этих работах рассматриваются лишь отдельные математические приемы; в результате распределение источников получается не оптимальное, а навязанное используемым методом. Поэтому общая задача оптимального синтеза неэквйдистантных решеток еще ждет своего решения.

4. Задачи теории антенных решеток

До последнего времени на практике применялись лишь эквидистантные антенные решетки (линейные, плоские и кольцевые) с различными распределениями тока, в том числе оптимальными нли квазиоптимальными (обеспечивающими минимальный уровень боковых лепестков при заданной ширине maBHoi-o лепестка).

Бь1ли изучены также различные методы управления лучом, в том числе за счет изменения частоты (антенны с частотным качанием луча) и при помощи управления фазой токов в излучателях решетки (фазированные решетки). В последнем случае требования к фазовращателям существенно упрощаются при переходе к дискретно-коммутационному способу фазирования.

Охарактеризуем основные направления, по которым в настоящее время развивается теория антенных решеток.

а) Исследование новых конфигураций решеток как с целью реализации новых качеств (например, качание луча в широком секторе и т. п.), так и в связи с необходимостью размещения антенн на криволинейных поверхностях летающих объектов. Расположение излучателя на криволинейной поверхности специального профиля может быть использовано также для упрощения амплитудно-фазового распределения при создании диаграмм сложной формы-

б) Исследование характеристик неэквидистантных решеток и разработка методов их расчета. Актуальность этой задачи связана

с тем, что современные остронаправленные решетки с управляемым лучом должны состоять, при обычном эквидистантном расположении, из весьма большого числа излучателей и управляющих устройств. Применение неэквидистантного размещения излучателей позволяет резко сократить их число при сохранении почти неизменным главного лепестка (естественно, что йри этом возрастает общий фон боковых лепестков). Отметим, что неэквидистантное размещение излучателей целесообразно применять главным образом в приемных антеннах, когда боковые лепестки не должны превосходить определенного уровня, а главный лепесток желательно сузить (не увеличивая число излучателей) для повышения разрешающей способности системы. Поскольку для передающих антенн наиболее важным параметром является коэффициент усиления (а он пропорционален числу излучателей), применение неэквидистантного размещения излучателей не дает в этом случае существенного эффекта.

Большинство известных методов расчета неэквидистантных решеток являются численными и требуют применения машинной вычислительной техники. В связи с этим заслуживает внимания более простой, статистический метод, когда решетка рассматривается как эквидистантная, часть элементов которой изъята по случайному закону. Поскольку получаемые при этом характеристики являются ожидаемыми с определенной вероятностью, такой метод дает практически полезный результат, если вероятность достаточно велика.

Отметим, что в случае широкополосных сигналов оказывается возможным более разреженное (по сравнению с обычным) размещение излучателей (вследствие возрастания эффективного раскрыва отдельных излучателей решетки).

Практически важны также работы по изысканию простых и легко реализуемых распределений, хорошо аппроксимирующих различ-"ные оптимальные диаграммы. Так, например, диаграмма, соответствующая чебышевскому распределению в линейной решетке, может быть приближенно получена путем изменения амплитуд токов в одной - двух крайних парах излучателей.

в) Оптимальные методы управления диаграммами направленности решеток. Наиболее простым методом является частотное качание луча, т. е. качание луча за счет изменения частоты в антеннах, выполняемых на базе частотно-чувствительных элементов. Теоретически показана возможность осуществления одномерного качания в широком секторе углов, а также двумерного строчного обзора полусферы. Однако системы такого типа, особенно для двумерного качания, оказываются громоздкими и имеют довольно высокие потери (в этих системах должны применяться замедляющие структуры резонансного типа с высокой дисперсией или структуры с высоким эквивалентным коэффициентом замедления, обусловленным большой длиной фидера между излучателями). Кроме того, частотная чувствительность диаграмм направленности и прием с каждого

направления сигналов лишь определенной частоты не всегда приемлемы, так как резко снижают помехозащищенность станции.

За последние годы предложены схемы построения приемных антенн с частотным качанием луча, в которых в результате применения преобразования частоты удается существенно снизить потери, поскольку частотно-чувствительные элементы выполняются на промежуточной частоте (в некоторых схемах - на частоте местного гетеродина); при двукратном преобразовании частоты удается устранить также частотную чувствительность диаграммы направленности.

Практическое применение этих схем построения антенн требует достаточной идентичности и стабильности фаз во всех адементах схемы. Поэтому исследование высокочастотных частотно-чувстви-.тельных элементов остается актуальной задачей. Необходимо теоретически исследовать связьмежду замедлением, дисперсией и потерями, установить предельные соотношения между этими параметрами, изыскать методы снижения потерь.

Управление решеткой методом фазирования излучателей требует разработки фазовращателей, достаточно быстродействующих, с малыми потерями, стабильными характеристиками, необходимой пропускаемой мощностью и т. п. Кроме того, при быстром перебросе луча в произвольное направление осложняется управление фазовращателями. В настоящее время вопрос создания элементов управления, полностью отвечающих всем перечисленным выше требованиям, еще далек от окончательного решения.

Наиболее простой способ фазирования - так называемый дискретно-коммутационный способ, суть которого заключается, с одной стороны, в дискретности установки фазы при минимальном числе градаций (например. О, л/2, я, Зя/2), а с другой стороны, в применении таких конструкций фазовращателей, в которых фаза может принимать только необходимые дискретные значения, а переход от одного значения к другому происходит путем коммутации.

Особенно перспективен и прост этот способ в случае осесиммет-ричных антенн, когда неизменное распределение фаз должно просто переноситься вдоль (кольцевого) раскрыва. Этот метод euje недостаточно разработан и должен совершенствоваться (в сочетании с поисками оптимальных распределений).

Необходимо найти оптимальные приближения к заданным диаграммам при различных величинах дискретов на основании критериев, соответствующих каким-либо выходным характеристикам антенны. Эти критерии, в частности, должны учитывать возрастание уровня боковых лепестков, имеющее место при ступенчатом распределении фазы.

Необходимо создать высокочастотные фазовращатели коммутационного типа. Следует отметить, что хотя принципиально фаза в таких фазовращателях должна устанавливаться в соответствии с выбранным дискретом, при недостаточной развязке между каналами

коммутатора фазовращателя, соответствующими разным дискретным значениям фазы, будут иметь место заметные отклонения от номиналов.

Существенные трудности при разработке фазированных решеток вызывает отличие фаз, реально устанавливающихся в излучателях, от значений, указанных на фазовращателях. Действительно, фазовращатели определяют лишь фазы падающих волн в фидерах, тогда как фазы излучающих токов или полей, вследствие взаимной связи между излучателями, будут иными. Лишь для кольцевых решеток, возбуждаемых на своих нормальных модах, т. е. со сдвигом фаз 2лп/М {N - число излучателей, п - номер моды), отличие фаз между соседними излучателями будет одинаковым для всех излучателей и, таким образом, окажется несущественным. Во всех остальных случаях взаимное влияние излучателей приводит к отклонению закона распределения фаз в излучателях от требуемого, т. е. к фазовым опшбкам, а стало быть, к искажениям диаграммы направленности.

В случае фазированных решеток с управляемым лучом положение усугубляется тем, что фазовые ошибки будут изменяться при качании луча. Введение корректировки фазы- представляет трудную задачу уже хотя бы потому, что весьма нелегко произвести расчет взаимодействий при сколько-нибудь существенном числе излучателей. Кроме того, подобная коррекция, видимо, должна быть индивидуальной для антенны каждого типа.

В больших решетках можно оценить взаимное влияние при качании луча, принимая число излучателей бесконечным.

Учет краевых эффектов (связанных с конечным числом излучателей) остается наиболее трудным и нерешенным до сих пор вопросом. Мыслимы два пути преодоления трудностей, вызываемых взаимным влиянием излучателей: 1) увеличение развязки между излучателями; 2) решение задачи нахождения фаз падающих волн, обеспечивающих требуемое распределение фаз вдоль решетки. Последнее позволило бы, при наличии соответствующих программ управления фазовращателями, осуществить неискаженное качание луча.

Большой интерес представляют также схемы построения фазовых решеток, позволяющие осуществить направленную ретрансляцию и самонастройку.

Направленный ретранслятор представляет собой приемно-пере-дающую решетку, переизлучающую приходящий сигнал в обратном направлении, причем необходимая для этого фазировка излучателей осуществляется автоматически. При этом обеспечивается мгновенность ответа.

Если при падении сигнала на решетку в ее излучателях устанавливается фазовое распределение, описываемое функцией ехр (mtp) (л - номер излучателя), то для переизлучеиия сигнала в том же направлении необходимо сопряженное распределение ехр (-intf).

Очевидно, требуемый закон будет устанавливаться автоматически самим высокочастотным сигналом, если, в случае линейных решеток, соединить между собой излучатели, расположенные симметрично относительно центра решетки, трактами равной длины (аналогичные переотражатели можно выполнить также на базе плоских, двумерных кольцевых и сферических решеток). Схема такого ретранслятора, весьма простая принципиально, требует для своей реализации идентичности трактов отдельных каналов (по фазовым характеристикам) и уменьшения взаимодействия излучателей, приводящего к искажению фазового распределения, самовозбуждению и т. п.

Известны также схемы, не требующие соединения излучателей; в них изменение распределения фазы на сопряженное осуществляется при помощи гетеродинирования сигналов в тракте каждого излучателя (например, при смешивании приходящего сигнала частоты о)о с сигналом местного гетеродина частоты 2о)о сигнал первой разностной гармоники будет иметь требуемые частоту и фазу). Однако высокие требования к идентичности электрических длин отдельных трактов при этом по-прежнему сохраняются.

Теория подобных ретрансляторов разработана недостаточно. В частности, необходимо установить требования к идентичности элементов ретранслятора (расчет допусков и ошибок). Весьма актуально также проведение расчетов взаимного влияния излучателей и вызываемых им искажений.

Самонастраивающиеся системы представляют собой приемные фазируемые решетки, в которых установка фазовращателей происходит автоматически при помощи элементов обратной связи так, чтобы сигнал на выходе антенны был максимален: это соответствует, очевидно, ориентации главного максимума диаграммы в направлении на источник излучения. Конечно, при этом не фиксируются соответствующие угловые координаты цели, да и время, затрачиваемое на самонастройку, должно быть довольно значительным.

Вопросы практической реализации самонастройки в решетках нуждаются в дальнейшей детальной проработке.

5. Динамические антенны

Поскольку в антеннах с управлением лучом происходит изменение управляющего параметра (частоты, фазы и т. п.) во времени, то излучаемый антенной сигнал уже не является строго монохроматическим.

Однако если эти изменения достаточно медленны, то спектр излучаемого сигнала будет весьма узким, и в каждый момент времени антенна имеет такие же характеристики, как если бы она работала в чисто монохроматическом режиме. При этом все характеристики