диаграммы направленности 1 *, то необходимо вращать фазу концевого излучателя на 360°-15° = 5400°. Осуществление такого поворота фазы представляет серьезную техническую проблему.

Для удобства управления фазами излучателей и упрощения антенны число излучателей должно быть минимальным при максимальном коэффициенте усиления.

Неуправляемая диаграмма направленности каждого излучателя должна иметь ширину, равную сектору сканирования, и столообразную форму с тем, чтобы за пределами сектора сканирования не возникало максимумов излучения, вызванных большим расстоянием между излучателями. Из этих условий, как показано М. И. Конторовичем и В. Ю. Петрунькиным [2], минимальное число излучателей в антенне с двумерным сканированием определяется формулой.

4it АвДа

где Q - телесный угол сканирования, D - коэффициент направленного действия антенны (при КПД, равном единице, он равен коэффициенту усиления), А9, Да - ширина диаграммы направленности в двух взаимно ортогональных плоскостях.

Чем больше коэффициент направленного действия и чем шире сектор сканирования, тем больше должно быть число излучателей решетки.

Ширина диаграммы направленности тем больше, чем меньше размер антенны. Поэтому при отклонении луча от нормали к поверхности решетки диаграмма расширяется за счет уменьшения эквивалентного размера решетки, равного ее проекции на плоскость, перпендикулярную к направлению излучения. Это является существенным недостатком плоских решеток с электрическим сканированием.

При сканировании в широком секторе расстояние между излучателями в эквидистантной плоской решетке всюду одинаково и не может превышать половину длины волны из условий отсутствия дополнительных направлений излучения. Поэтому между излучателями возникает через внешнее пространство взаимная связь, которая меняется при изменении положения луча и влияет на фазу поля излучателей. Это усложняет управление положением луча.

Таким образом, решеткам с электрическим сканированием присущи недостатки, которых нет в антеннах с механическим сканированием, и возникают проблемы, связанные с устранением этих недостатков. Однако благодаря тому, что постоянные времени цепей управления при электрическом сканировании на много порядков меньше, чем при механическом, и составляют 10"" - 10"" сек вместо 10~ - 10" сек, решетки с электрическим сканированием являются единственно возможными для быстрого сканирования и мгновенного переброса луча из одного положения в другое.

Изменение относительных фаз излучателей в решетке для получения линейного изменения фазы поля вдоль ее поверхности может быть осуществлено различными электрическими способами. В настоящее время определились два основных способа: излучение относительных фаз излучателей путем изменения частоты и с помощью фазовращателей, включенных в цепи питания излучателей или совмещенных с излучателями.

2. Частотное сканирование

Для решетки, состоящей из отдельных излучателей с расстоянием Г между ними, угол наклона луча относительно оси х или у (рис. 1) определяется следующим соотношением:

cos 9 =

где т - сдвиг по фазе между соседними излучателями, п - любое целое число (номер луча).

Частным случаем этого соотношения является формула (1). Соотношение (5) показывает, что направление излучения зависит от частоты, во-первых, за счет множителя Х/Т и, во-вторых за счет возможной зависимости от частоты сдвига по фазе между соседними излучателями i5r- На этих зависимостях основан частотный способ сканирования.

Достоинством частотного способа сканирования является его чрезвычайная принципиальная простота. Управление направлением луча осуществляется с помощью изменения управляющего параметра - частоты генератора. В самой же антенне, построенной определенным образом, нет никаких элементов, которыми нужно управлять в процессе сканирования. Это делает частотный способ сканирования весьма заманчивым. Однако необходимость изменения частоты генератора, а следовательно перестройки и приемного устройства, существенно усложняет радиосистему в целом. Кроме того, частота используется как управляющий параметр, и ее независимое изменение для других целей невозможно. Это ограничивает возможности частотного способа сканирования.

Существуют две основных схемы антенн с частотным сканированием: последовательная и параллельная. При последовательной схеме линейная система излучателей (рис. 2) возбуждается, бегущей волной и уравнение качания (5) принимает вид

cos 9 = у - п

где V - замедление фазовой скорости V бегущей волны.

Для получения широкого сектора сканирования необходимо применение замедляющих систем. Для уменьшения требуемой девиации

частоты замедление в этих системах должно зависеть от частоты [1, 3], т. е. системы должны быть дисперсионными. Тогда угол наклона луча будет определяться как изменением относительных фаз полей излучателей во внешнем пространстве (второе слагаемое), так и дисперсией систем (первое слагаемое). Использование стандартных волноводов в последовательной схеме малоэффективно ввиду сравнительно малого изменения замедления при большом изменении частоты. При двукратном изменении частоты удается

Рис. 2. Линейная система излучателей с последовательным питанием

Рис. 3. Линейная система излучателей с параллельным питанием

получить сектор сканирования порядка 30°. Поэтому в антеннах с последовательной схемой используют специальные замедляющие системы типа ребристых замедляющих систем, спиральных и змейковых волноводов, В таких системах удается получать при 4-5-процентном изменении частоты сектор сканирования, близкий к 90°. Принципиально возможно и дальнейшее уменьшение девиации частоты при расширении сектора сканирования, однако при этом резко увеличивается затухание в системе и падает пропускаемая мощность. Достоинством последовательной схемы является ее простота. Кроме того, внешняя связь между излучателями не нарушает нормальной работы антенны, так как она влияет только на дисперсию системы, что может быть учтено при ее проектировании.

Недостатками схемы являются сравнительно большое затухание и ограниченная пропускаемая мощность, так как вся энергия идет по одному каналу ко всем излучателям. Например, в трехсантиметровом диапазоне коэффициент полезного действия антенны с шириной луча 1°, сектором сканирования ±45° при 10% девиации частоты составляет величину порядка 50%. Кроме того, в последовательной схеме велико влияние ошибок в системе, так они в ней складываются.

При параллельной схеме питание излучателей производится через отдельные фидеры, причем длина этих фидеров от генератора до излучателя различна и линейно увеличивается при переходе от одного излучателя к другому (рис. 3).

Параллельная схема имеет меньшие потери, позволяет пропустить большую мощность, чем последовательная, и в ней меньше сказывается влияние ошибок в системе. Однако она более сложна,

Рис. 4. Фото антенны с частотно-механическим качанием

требует применения диапазонных делителей мощности и в ней труднее учитывать взаимную связь между излучателями. Этими различиями определяется выбор первой или второй схемы.

Конструктивно антенны с частотным сканированием выполняются чаще всего в виде ребристых, спиральных или змейковых волноводов с щелевьщи излучателями. Эти волноводы образуют или антенное полотно или являются облучателями в сложной антенне.

Частотное сканирование позволяет успешно осуществлять сканирование в одной плоскости. Для сканирования в двух плоскостях в широком секторе углов необходимо сочетание частотного способа с другими. Двумерное сканирование в ограниченном секторе можно осуществить чисто частотным способом. Для этого излучатели, расположенные вдоль одной оси, питаются фидерами с небольшой углочастотной зависимостью, которые обеспечивают медленное движение луча в одной плоскости. Эти фидеры возбуждаются от фидера с большой углочастотной зависимостью и большим замедлением (например, волноводной спирали), обеспечивающего быстрое движение луча в другой плоскости. При изменении частоты в этой системе луч совершает строчное движение в пространстве [4].

Проведенное рассмотрение показывает, что для успешного применения частотного сканирования необходимо дальнейшее решение следующих основных проблем: создание высокоча с-тотных генераторов с управляемой частотой; разработка радиотехнических систем, работающих при изменяющейся частоте; мгновенное измерение частоты для определения текущего положения луча в пространстве; разработка широкополосных излучателей, возбуждающих устройств и других элементов системы; согласование антенны с питающим фидером по диапазону. Эти проблемы постепенно решаются, многие из них преодолены, и в настоящее время системы с частотным сканированием являются одними из немногих реализованных систем с электрическим сканированием.

в частности, можно указать на антенную систему «Ргезсапаг», которая находит широкое применение в корабельных трехкоорди-натных РЛС для обнаружения воздушных целей. Антенна (рис. 4) представляет собой цилиндрическое зеркало, облучаемое линейным источником. Движение луча по углу места осуществляется за счет изменения частоты, а вращение луча по азимуту - механическим поворотом всей антенны.

3. Электрическое сканирование без изменения частоты

Так как в ряде радиотехнических систем не допускается изменение частоты для сканирования, то параллельно с разработкой частотных методов широко исследуются другие способы электрического сканирования.

Наиболее распространены антенные решетки, в которых фазовый сдвиг между излучателями осуществляется либо отдельными

i-Llf f i tJ

Рис. 5. Схема включения фазовращателей в линейную систему излучателей

фазовращателями, включенными в цепи питания излучателей, либо фазовращателями, <:овмещенными с излучателями.

Существует несколько основных схем антенн с управляемыми фазовращателями: последовательная, параллельная, смешанная.

В последовательной схеме одинаковые фазовращатели включаются последовательно между всеми соседними излучателями в линию, питающую излучатели (рис. 5,а). Такая схема упрощает управление фазовращателями. Они все управляются по одинаковому закону и должны обеспечивать изменение фазы в небольших пределах с частотой, равной частоте сканирования. Однако эта схема обладает всеми недостатками последовательных схем, рассмотренных выше.

Практически, в трех сантиметровом диапазоне волн, из-за потерь можно включить последовательно не более 10 фазовращателей, т. е. создать антенны длиной не более 5-10 длин волн.

В параллельной схеме фазовращатели включаются в отрезок фидера, подводящий питание к каждому излучателю в отдельности (рис. 5,6). Эта схема имеет все преимущества параллельных схем, однако в ней каждый фазовращатель должен управляться по своему закону, чтобы обеспечить линейное нарастание фазы поля вдоль антенны. Согласно формуле (3) фазовращатель у последнего излучателя должен обеспечить вращение фазы поля на очень большой угол за время сканирования, в то время как первые излучатели требуют малого изменения фазы.

Для обеспечения управления фазовращателями вращение фазы производят не непрерывно на полный угол, а от О до 360° со сбросом фазы до 0° и дальнейшим поворотом до 360°. Это можно делать, так как через 360° фаза поля повторяется.

Благодаря такому пилообразному изменению фазы можно использовать фазовращатели с поворотом фазы до 360°. Большая скорость изменения фазы у последних фазовращателей ограничивает скорость сканирования и пределы сужения луча в параллельной схеме. Практически реализованы параллельные схемы с 50-100 излучателями в линейной антенне.

Сочетание последовательной схемы с параллельной позволяет ослабить влияние недостатков обеих схем (рис. 5, в). Путем правильного выбора схемы удается уменьшить число последовательно и параллельно включенных фазовращателей. Это позволяет уменьшить количество разных управляющих сигналов и скорость управления фазой по сравнению с параллельной схемой и уменьшить потери и влияние ошибок по сравнению с последовательной.

Системой питания, позволяющей обслужить максимальное число излучателей при заданном числе последовательно включенных фазовращателей и минимальном количестве управляющих сигналов, является схема питания типа «елочка» [5], рис. 5,г.

Решетку с последовательной схемой целесообразно применять, когда требуются компактность антенны и малое число излучателей при невысоком коэффициенте полезного действия, решетку с параллельной схемой - для получения максимального коэффициента полезного действия, а смешанную схему - в случае разнородных требований, как наиболее гибкую при проектировании.-

Обе схемы, как последовательная, так и параллельная, позволяют создать решетку с двухмерным сканированием и требуют наличия управляющего устройства, которое вырабатывает сигналы, управляющие фазовращателями по требуемому закону.

В настоящее время можно выделить три способа управления фазовращателями: непрерывный, дискретный и коммутационный.