При непрерывном способе фаза в каждом фазовращателе изменяется плавно и в раскрыве антенны принципиально не возникает фазовых ошибок. Этот способ дает наиболее чистую диаграмму направленности. Однако он сложен в осуществлении, так как на фазовращатели нужно подавать плавно меняющиеся управляюище сигналы. При дискретном способе плавное изменение фазы заменяется скачкообразным через определенное число градусов. В этом случае упрощается управление фазовращателями, таккак управляющее устройство вместо плавно меняющегося сигнала должно вырабатывать импульсы. Однако при этом в раскрыве антенны возникает фазовая ошибка, достигающая половины фазового скачка в отдельных излучателях. Это ограничивает пределы уменьшения числа значений фазы при заданном уровне боковых лепестков, коэффициенте направленного действия и плавности движения диаграммы направленности. В то же время дискретный способ не дает преимуществ по сравнению с плавным, с точки зрения влияния на диаграмму направленности нестабильности характеристик фазовращателей, потому что он использует ряд отдельных точек характеристики плавного фазовращателя. При коммутационном способе, предложенным Л. И. Дерюгиным [6], фазовращатели заменяются коммутаторами, которые из набора излучателей с заданными фазами включают те, которые формируют диаграмму направленности в нужном направлении. Поскольку коммутатор не использует промежуточные точки характеристики фазовращателя, а либо включает либо выключает его, то принципиально при этом способе уменьшается влияние нестабильности характеристики фазовращателя на диаграмму направленности.

Так как заданный набор фаз излучателей не может обеспечить гладкое линейное изменение фазы вдоль антенны, то приходится включать излучатели, фазы которых отличаются от требуемой на допустимую величину AtJ). При этом луч в пространстве перемещается скачкообразно и минимальная величина скачка зависит от Аг).

При коммутационном способе сканирования расстояние между излучателями должно быть достаточно мало для уменьшения фазовой ошибки в раскрыве антенны и для получения достаточно высокого коэффициента направленного действия и плавности движения диаграммы направленности.

Максимальное уменьшение коэффициента направленного действия коммутационной антенны g по сравнению с коэффициентом направленного действия go идеальной антенны при расстоянии между излучателями, равном половине длины волны, зависит от величины фазовой ошибки AiJ; [6] следуюшдм образом:

g / sin Дг) \2

Например, при фазовой ошибке Агз = я/4 коэффициент направленного действия коммутационной антенны по сравнению с идеальной составит 0,81. Это значит, что на длине в полволны в решетке излучателей должно помещаться или четыре излучателя с фазами через я/4, или должен быть один излучатель с набором четырех фаз через я/4. Коммутационный способ сканирования существенно упрощает управляющее устройство и позволяет уменьшить требования к фазовращателям. Однако для получения хороших характеристик антенны необходимо иметь достаточно большой набор фаз. В настоящее время широко исследуются возможности реализации коммутационного способа.

Все схемы и способы сканирования с фазовращателями и коммутаторами требуют применения счетно-решающего устройства для выработки управляюшцх сигналов для каждого фазовращателя или коммутатора в зависимости от направления луча. Это устройство должно учитывать программу обзора пространства и характеристики фазовращателей, а в случае коммутационного способа - допустимую фазовую ошибку. Если учесть, что современные электрические фазовращатели имеют характеристики, зависящие от температуры и мощности, то требования к счетно-решающему устройству становятся очень серьезными. Поэтому возникает проблема разработки счетно-решающих устройств для управления антеннами решетками с электрическим сканированием.

Для осуществления рассмотренных способов сканирования фазовращатели и коммутаторы должны удовлетворять целому комплекту требований. Фазовращатель должен обеспечивать поворот фазы не менее чем на 360, а коммутаторы иметь набор фаз в пределах 360° с заданным фазовым скачком Агз.

В этом случае, если фазовращатель или коммутатор совмещен с излучателем, его размеры должны быть невелики для обеспечения достаточно малого расстояния между соседними излучателями. Фазовращатели и коммутаторы должны иметь минимальные потери, достаточно большую пропускаемую мощность, минимальную инерцию и высокую степень надежности, потреблять минимальную мощность для управления.

В настоящее время нет электрических фазовращателей, которые бы полностью удовлетворяли всем этим требованиям.

Фазовращатели различаются на ф е р р и т о в ы е, газовые и полупроводниковые.

В ферритовых фазовращателях используется для поворота фазы поля изменение магнитной проницаемости феррита под действием управляющего магнитного поля. Они позволяют получить как плавное, так и дискретное изменение фазы в пределах 360°. Их характеристики сильно зависят от температуры, частоты и в меньшей степени от величины пропускаемой мощности. Постоянная времени ферритового фазовращателя имеет порядок 10""-10"се/с. Размеры фазовращателей близки к нескольким длинам волн в продольном

направлении и к половине длины волн в поперечном. Затухание в них составляет примерно 1 дб в трехсантиметровом диапазоне волн при большой пропускаемой мощности. Ферритовые фазовращатели к настоящему времени разработаны лучше других типов и находят наибольшее применение, несмотря на ряд отмеченных недостатков, в частности на сравнительно большую мощность управления.

В газовых фазовращателях для переключения фазы используются газовые разрядники, которым свойственны значительные потери. Они непригодны для приемных антенн из-за большого уровня шумов, а для передающих - из-за малой пропускаемой мощности (находят ограниченное применение).

Полупроводниковые элементы находят применение в дискретных фазовращателях и коммутаторах. Для коммутации используется изменение параметров полупроводникового элемента под действием приложенного напряжения. Полупроводниковые коммутаторы имеют потери, близкие к потерям в ферритовых фазовращателях, а их постоянная времени близка к 10", т. е. они обеспечивают большую скорость сканирования по сравнению с ферритовыми. Полупроводниковые коммутаторы имеют значительно меньшие размеры, чем ферритовые, и поэтому имеют лучшие перспективы, чем ферритовые. Однако к настоящему времени еще не созданы достаточно надежные полупроводниковые коммутаторы и пропускаемая ими мощность невелика.

В связи с трудностями создания хороших управляемых фазовращателей получили распространение антенные решетки с переключением луча. В этих решетках каждому входному устройству соответствует свое положение в пространстве. Неуправляемые фазовращатели обеспечивают это соответствие. Сканирование осуществляется скачками луча, соответствующими переключению входных устройств антенны. Благодаря неуправляемым фазовращателям достигается высокая точность установки луча в пространстве. Если в этой решетке к каждому входу подключить свой приемник, то получится многолучевая приемная антенна.

Сравнительно широко применяются смешанные способы сканирования, когда все излучатели антенны разбиваются на группы, причем управление фазами излучателей в каждой группе осуществляется одним способом, а фазировка групп между собой - другим. При двумерном сканировании часто используется фазовочастот-ный способ, при котором сканирование в одной плоскости осуществляется путем изменения частоты, а в другой - с помощью фазовращателей. Смешанные способы позволяют легче удовлетворить различным требованиям, предъявляемым к системам в целом.

Одна из таких антенн с частотно-фазовым сканированием была разработана для трехкоординатной радиолокационной системы. Антенна представляет собой двумерную плоскую решетку, в которой электрическое сканирование по азимуту осуществляется из-

менением частоты, а по углу места - изменением магнитного поля ферритовых фазовращателей. Передатчик, приемник, счетно-решающее устройство и индикатор размещаются в фургоне. Антенна вмонтирована в одну из сторон фургона.

4. Перспективы развития антенн с электрическим сканированием и возникающие проблемы

Современное развитие радиотехники, требующее неуклонного увеличения скорости сканирования и увеличения размеров антенны, делает в настоящее время электрическое сканирование наиболее перспективным. Плоские антенные решетки излучателей обладают рядом недостатков, и в настоящее время ведутся интенсивные исследования, направленные на решение проблем, вызванных этими недостатками. Отметим наиболее важные проблемы и намечающиеся пути их решения.

Ширина диаграммы направленности плоских антенных решеток в процессе сканирования изменяется, что ограничивает расширение сектора сканирования. Одним из возможных путей решения возникающей проблемы является использование криволинейных антенных решеток, которые в настоящее время интенсивно исследуются.

Антенные решетки с высоким коэффициентом усиления состоят из очень большого числа излучателей, что вызывает трудности изготовления и управления такими решетками. Возникает проблема уменьшения числа излучателей при сохранении достаточно высокого коэффициента усиления.

Развиваются два подхода к решению этой проблемы. Первый - это неэквидистатное размещение излучателей, при котором расстояние между соседними излучателями в разных местах решетки различное и изменяется по определенному закону. Помимо уменьшения числа излучателей, в таких решетках появляется возможность расширения пропускаемой полосы частот и уменьшения уровня боковых лепестков. Второй подход, наиболее удобный для антенны очень больших размеров, заключается в следующем. Задается ограниченное число излучателей и ищется такое их расположение, при котором с наибольшей вероятностью обеспечивается заданная диаграмма направленности. При этом удается значительно уменьшить число излучателей при достаточно большой вероятности сохранения хороших направленных свойств антенны.

Большое количество излучателей в антенных решетках и необходимость размещения их достаточно близко друг к другу вызывают проблему миниатюризации фазовращателей и коммутаторов. Основным путем решения этой проблемы, наметившимся в настоящее время, является использование полупроводниковых элементов в сочетании с щелевыми излучателями различных видов.

Существующие в настоящее время коммутаторы и фазовращатели вносят заметное затухание и ограничивают пропускаемую мощность. Одним из возможных путей проблемы повышения коэффициента полезного действия системы и увеличения пропускаемой и излучаемой мощности является создание антенной решетки, состоящей из активных излучателей (генераторов). Фазирование генераторов с независимым возбуждением, необходимое для сканирования, осуществляется не по излучаемому полю, а по вспомогательному сигналу.

Отсутствие в настоящее время достаточно стабильных элементов вызывает к жизни проблему создания решеток с автоматической коррекцией фазы. Методами автоматической регулировки предполагается осуществить в процессе сканирования такую коррекцию фаз полей отдельных излучателей, которая позволит сохранить хорошие характеристики антенны. Этот метод развивается применительно к передающим и приемным антеннам.

Для подвода излучаемой мощности от генератора к отдельным излучателям, составляющим решетку, используются сложные схемы разветвления фидеров. Эти разветвления, осуществляемые на частоте излучения, приводят в конечном счете к значительным трудностям в сохранении необходимой фазировки излучателей и хорошего согласования антенны с генератором в процессе сканирования. Сочетание этих трудностей с трудностями создания хороших фазовращателей на частоте излучения вызвало к жизни проблему сканирования путем управления фазами ка промежуточной, более низкой, частоте. Этот способ рассматривается применительно к при емным антеннам. Ввиду большой сложности способа он применим к решеткам, состоящим или из небольшого числа излучателей, или к решеткам, в которых излучатели объединены в группы, управляемые по промежуточной частоте.

Близкое взаимное расположение излучателей в антенной решетке приводит к сильной взаимной связи между излучателями, которая принципиально полностью неустранима Поэтому возникает проблема такого построения схемы антенны, при котором это взаимное влияние мало сказывается на точности сканирования и согласовании антенны с генератором.

Использование решеток излучателей в качестве антенн, размещаемых на борту объектов, приводит к проблеме создания криволинейных сканирующих антенных решеток, размещенных на поверхности объектов.

При решении этой проблемы возникает целый ряд вопросов, связанных как с исследованием поля излучения таких решеток, так и с их построением и управлением лучом.

В антенных решетках положение луча зависит от частоты; при изменении частоты в системе, питающей излучатели, возникают нежелательные фазовые сдвиги. Это ограничивает полосу пропускания антенны, и возникают проблемы диапазонности антенных ре-

шеток. Одним Из возможных путей решения этой проблемы, наметившимся в настоящее время, является применение в качестве фазосдвигающих элементов широкополосных линий задержки.

Наиболее важным вопросом при решении проблем создания фазированных антенных решеток является создание хороших фазосдвигающих устройств и миниатюрных твердотельных генераторов.

ЛИТ ЕРАТ УРА

1. Ардабьевский А. И., БахрахЛ. Д., Дерюгин Л. Н. Способ электрического качания луча с использованием дисперсионных структур. Авторское свидетельство № 110610 от 5.Х 1956 г.

2. Ардабьевский А. И., БахрахЛ. Д., Дерюгин Л. Н. Способ качания луча линейной антенны. Авторское свидетельство № 110198 от 5.x 1956 г.

3. КоиторовичМ. И., ПетруиькинВ. Ю. О наименьшем числе управляемых элементов в антенные с электрическим качанием луча. Радиотехника и электроника, 1961, 6, 12.

4. Д е р ю г и н Л. И. Способ электрического развертывания луча антенны по двум угловым координатам. Авторское свидетельство № 117427 от 21.1 1958 г.

5. Дерюгин Л. Н., В и т к о А. В. Устройство для немехаиического качания диаграммы направленности многовибрациониых антенн. Авторское сви-дегельство № 154301 от 9.III 1962 г.

6. Дерюгин Л. Н., 3 и м и и Д. Б. Коммутационный метод управления лучом. Радиотехника и электроника, 1964, 19, 3.