АНТЕННЫ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СКАНИРОВАНИЕМ

А. И. АРДАБЬЕВСКИЙ. М. Т. НОВОСАРТОВ

Введение

Развитие радиолокационных, навигационных систем, систем связи и телеуправления ставит новые требования к антеннам.

Увеличение дальности действия систем, связанное, в частности, с изучением космоса, требует увеличения коэффициента усиления антенн. Увеличение требуемой разрешающей способности вызывает необходимость сужения луча, формируемого антенной. Для выполнения этих требований необходимо увеличивать размеры антенны по сравнению с длиной волны. Так как уменьшение длины волны ограничено падением мощности высокочастотных генераторов и увеличением затухания в атмосфере, то наметилась тенденция к неуклонному увеличению размеров антенн.

В то же время во многих случаях от системы требуется обзор значительного сектора пространства, для чего необходимо управление положением луча - сканирование. Требование обзора заданного сектора пространства в заданное время находится в противоречии с требованиями увеличения коэффициента усиления антенны и сужения луча. Чем выше коэффициент усиления и чем уже луч, тем с большей скоростью необходимо осуществлять сканирование для обзора заданного сектора пространства в заданное время. В связи с увеличением скорости пеленгуемых объектов и необходимостью расширения сектора обзора требования к увеличению скорости сканирования усиливаются. Кроме высокой скорости сканирования, в ряде случаев требуется обзор пространства по определенному закону или программе с практически мгновенной переброской луча из одного положения в другое.

Наряду с этими требованиями к антеннам предъявляется требование достаточно высокого коэффициента полезного действия. В случае передающих антенн это необходимо для достижения высокого коэффициента усиления, а в случае приемных - для уменьшения уровня шумов. В зависимости от назначения антенн к ним

предъявляются различные требования. Например, антенны, предназначенные для систем с большой дальностью действия, должны пропускать большую мощность, а антенны, предназначенные для установки на летательных аппаратах, должны иметь небольшие размеры, малый вес и вписываться в форму этих аппаратов.

В ряде случаев требования к сканирующим антеннам взаимно противоречивы, что значительно усложняет проблему управления лучом. К таким, в частности, требованиям и относится требование сужения луча и расширения сектора сканирования при заданном времени обзора пространства. Существует и реализовано в настоящее время несколько способов решения этой проблемы. Основными являются механический, электромеханический и электрический.

Наиболее простым и распространенным способом является механический способ сканирования. При этом способе направление луча в пространстве изменяется путем поворота всей антенны. При своей простоте и надежности механическое, сканирование огра: нцчено по скорости и по возможности увеличения размеров антенны, так как инерция системы приводит к чрезмерным перегрузкам и деформациям антенны. Поэтому механическое сканирова,-ние неперспективно в остронаправленных антеннах с быстрым сканированием.

Луч, сформированный антенной, всегда перпендикулярен к плоскости одинаковых фаз поля антенны. Поэтому для изменения направления луча необязателен механический поворот дсей антенны, а достаточен поворот плоскости одинаковых фаз поля или изменрние фаз поля в раскрыве антенн. На этом основаны электромеханический и электрический способы сканирования.

При электромеханическом способе механически управляются отдельные элементы антенны, изменяющие фазу поля. Так как эти элементы имеют значительно меньшие размеры, чем антенна, то увеличивается быстродействие системы, а значит, и скорость сканирования.

Примером широко используемой на летательных аппаратах антенны с электромеханическим сканированием является двухзеркальная антенна с поворотом плоскости поляризации (см. статью Л. Д. Бахраха в настоящем сборнике). Эта антенна имеет хорошие характеристики при ограниченной скорости сканирования. Таким образом, возможности электромеханического сканирования также ограничены, особенно если учитывать все еще сравнительно низкую скорость сканирования, не превышающую величину порядка 5 мсек на перемещение луча, равное ширине диаграммы направленности.

При электрическом способе сканирования, развивающемся в настоящее время, элементы, изменяющие фазу поля антенны, управляются электрически, путем изменения напряжения или тока в них. Этот способ обладает наибольшим быстродействием, так как в нем проявляется только инерция, связанная с постоянными времени электрических цепей, а она значительно меньше механической.

Поэтому скорость сканирования при электрическом способе может достигать менее 1 мксек на перемещение луча, равное ширине диаграммы направленности. При электрическом способе сканирования упрощается механическая схема антенны и появляется возможность увеличения размеров антенны. Поэтому несмотря на ряд недостатков, о которых будет сказано ниже, электрическое сканирование представляется в настоящее время перспективным.

Электрическое сканирование применяется в антеннах различных типов. В зеркальных антеннах электрически изменяется распределение фаз поля в раскрыве облучателя или в дополнительном элементе, что позволяет осуществить быстрое электрическое сканирование в ограниченном угловом секторе. Для получения широкого сектора сканирования зеркальные антенны мало пригодны. Значительно большими возможностями обладают антенны в виде сфа-зированной решетки излучателей (рис. 1). В этих антеннах луч формируется как сумма полей, излучаемых каждым излучателем в отдельности. Достоинством таких решеток является распределение всей излучаемой мощности на большое число излучателей, благодаря чему каждый излучатель может иметь небольшую электрическую прочность в отличие от зеркальных антенн, где через облучатель проходит вся мощность.

Поэтому антенные решетки могут излучать очень большие мощности. Кроме того, благодаря большому числу излучателей антенная решетка обладает повышенной надежностью. Выход из строя отдельных излучателей мало влияет на работу всей антенны.

К*одному из достоинств решетки относится возможность быстрого электрического сканирования в широком секторе углов путем соответствующей фазировки излучателей. Другим достоинством решетки является возможность размещения излучателей на поверхности заданной формы, что облегчает размещение антенны на объектах и возможности сканирования. Естественно, что сфазированным решеткам присущи и недостатки, из которых следует отметить сложность фидерной системы, подводящей высокочастотную энергию к излучателям; трудности расширения полосы пропускания; большое количество отдельных элементов; необходимость управляющей системы.

В настоящее время антенны в виде сфазированных решеток излучателей представляются наиболее перспективными для получения быстрого широкоугольного электрического сканирования острым лучом.

Способы сканирования в антенных решетках могут быть различными. Наиболее эффективным, с точки зрения простоты антенны и скорости сканирования, является частотный способ [1]. При этом способе управление положением луча осуществляется путем изменения частоты генератора, а на самой антенне не производится никаких манипуляций.

Вторым способом, не требующим изменения частоты, является использование для сканирования различных типов управляемых фазовращателей и схем с переключением. Ниже будут рассмотрены оба способа сканирования.

1. Принцип электрического сканирования в решетках

Электрическое сканирование в решетках излучателей осущест-ляется путем изменения относительных фаз поля, излучаемого с поверхности решетки. Направление максимума излучения перпендикулярно к плоскости равных фаз поля. Если эта плоскость совпадает с поверхностью решетки, то луч направлен перпендикулярно к этой поверхности.

Для наклона луча необходимо наклонить поверхность равных фаз относительно поверхности решетки. Это осуществляется путем изменения фазы поля по линейному закону вдоль взаимно перпендикулярных осей х

Рис. 1. Эскиз решетки излучателей с координатной сеткой и обозначениями

Я у на поверхности решетки (рис. 1). Угол наклона луча 0 относительно любой из этих осей определяется соотношением

COS0 =

где X - длина волны, гр1 - изменение фазы на единицу длины вдоль оси X или оси у.

Ширина диаграммы направленности решетки связана с ее размером L следующим образом:

AQo,bPo-. (2)

Требуемое изменение фазы крайних излучателей i) вдоль оси х или оси у решетки, относительно фазы среднего, с учетом соотношений (1) и (2) определяется приближенно формулой

гр = я

0,6 РО

где ф - угол наклона луча относительно нормали к антенне.

Приведенный результат показывает, что чем уже диаграмма направленности по сравнению с сектором сканирования, тем большее изменение фазы требуется у всех и в особенности у концевых излучателей. Если сектор сканирования составляет 30°, а ширина

Поэтому скорость сканирования при электрическом способе может достигать менее 1 мксек на перемещение луча, равное ширине диаграммы направленности. При электрическом способе сканирования упрощается механическая схема антенны и появляется возможность увеличения размеров антенны. Поэтому несмотря на ряд недостатков, о которых будет сказано ниже, электрическое сканирование представляется в настоящее время перспективным.

Электрическое сканирование применяется в антеннах различных типов. В зеркальных антеннах электрически изменяется распределение фаз поля в раскрыве облучателя или в дополнительном элементе, что позволяет осуществить быстрое электрическое сканирование в ограниченном угловом секторе. Для получения широкого сектора сканирования зеркальные антенны мало пригодны. Значительно большими возможностями обладают антенны в виде сфа-зированной решетки излучателей (рис. 1). В этих антеннах луч формируется как сумма полей, излучаемых каждым излучателем в отдельности. Достоинством таких решеток является распределение всей излучаемой мощности на большое число излучателей, благодаря чему каждый излучатель может иметь небольшую электрическую прочность в отличие от зеркальных антенн, где через облучатель проходит вся мощность.

Поэтому антенные решетки могут излучать очень большие мощности. Кроме того, благодаря большому числу излучателей антенная решетка обладает повышенной надежностью. Выход из строя отдельных излучателей мало влияет на работу всей антенны.

Кардному из достоинств решетки относится возможность быстрогоэлектрического сканирования в широком секторе углов путем соответствующей фазировки излучателей. Другим достоинством решетки является возможность размещения излучателей на поверхности заданной формы, что облегчает размещение антенны на объектах и возможности сканирования. Естественно, что сфазированным решеткам присущи и недостатки, из которых следует отметить сложность фидерной системы, подводящей высокочастотную энергию к излучателям; трудности расширения полосы пропускания;большое количество отдельных элементов; необходимость управляющей системы.

В настоящее время антенны в виде сфазированных решеток излучателей представляются наиболее перспективными для получения быстрого широкоугольного электрического сканирования острым лучом.

Способы сканирования в антенных решетках могут быть различными. Наиболее эффективным, с точки зрения простоты антенны и скорости сканирования, является частотный способ [1]. При этом способе управление положением луча осуществляется путем изменения частоты генератора, а на самой антенне не производится никаких манипуляций.

Вторым способом, не требующим изменения частоты, является использование для сканирования различных типов управляемых фазовращателей и схем с переключением. Ниже будут рассмотрены оба способа сканирования.

1. Принцип электрического сканирования в решетках

Электрическое сканирование в решетках излучателей осущест-ляется путем изменения относительных фаз поля, излучаемого с поверхности решетки. Направление максимума излучения перпендикулярно к плоскости равных фаз поля. Если эта плоскость совпадает с поверхностью решетки, то луч направлен перпендикулярно к этой поверхности.

Для наклона луча необходимо наклонить поверхность равных фаз относительно поверхности решетки. Это осуществляется путем изменения фазы поля по линейному закону вдоль взаимно перпендикулярных осей х

я у т поверхности решетки (рис. 1). Угол наклона луча 0 относительно любой из этих осей определяется соотношением

Рис. 1. Эскиз решетки излучателей с координатной сеткой и обозначениями

COS0 =

где Я, - длина волны, tpi - изменение фазы на единицу длины вдоль оси X или оси у.

Ширина диаграммы направленности решетки связана с ее размером L следующим образом:

А0О,5 РО ~ •

Требуемое изменение фазы крайних излучателей i) вдоль оси х или оси у решетки, относительно фазы среднего, с учетом соотношений (1) и (2) определяется приближенно формулой

гр = я

0,6 РО

где ф - угол наклона луча относительно нормали к антенне.

Приведенный результат показывает, что чем уже диаграмма направленности по сравнению с сектором сканирования, тем большее изменение фазы требуется у всех и в особенности у концевых излучателей. Если сектор сканирования составляет 30°, а ширина