Материал: 736

140

Рис. 5.15. Плоская ФАР с куполообразной линзой

Схемы возбуждения ФАР

Система распределения мощности ФАР обеспечивает подведение к каждому элементу требуемой доли общей мощности (при работе на передачу) и суммирование в общем фидерном тракте сигналов, поступивших в каждый элемент (при работе на прием). По способам возбуждения или схемам распределения мощности различают пространственный способ возбуждения, при котором ФАР, также как зеркальная или линзовая антенны, возбуждается облучателем. В этом случае возможны два варианта ФАР: отражательный (рис. 5.16, а) и проходной (рис. 5.16, б). Оба варианта конструктивно просты и позволяют обеспечить требуемое амплитудное распределение соответствующим выбором облучателя.

Рис. 5.16. Пространственный способ возбуждения ФАР

Проходной вариант несколько лучше отражательного благодаря отсутствию затенения раскрыва, но конструкция проходного излучающего элемента сложнее отражательного. Недостатками пространственных систем распределения мощности являются значительные продольные размеры (глубина) системы и потери мощности из-за её неполного перехвата поверхностью ФАР.

Второй способ возбуждения — фидерный, при котором решётку возбуждают посредством СВЧ распределительной системы. При этом возмож-

141

ны схемы питания излучателей ФАР: последовательная (рис. 5.17), параллельная (рис. 5.18) и смешанная (рис. 5.19). Последовательная схема является наиболее простой и компактной. Её недостатки – неравномерный энергетический режим фазовращателей, ограничивающий мощность излучения и накапливание фазовых ошибок к концу решётки, что делает к концу решётки,

Рис. 5.17. Последовательная схема питания

Рис. 5.18. Параллельная схема питания

Рис. 5.19. Смешанная схема питания

что делает систему узкополосной. Параллельная схема обеспечивает более равномерное распределение мощности между фазовращателями (более легкий энергетический режим) и более широкую полосу пропускания. Недостатки – сложность схемы многоступенчатого деления мощности, трудность ее согласования и более сложное управление фазовым распределением. Смешанные схемы занимают промежуточное положение.

Система питания активных ФАР предполагает использование в каждом её элементе электронного прибора, работающего в качестве синхронизи-

142

руемого генератора или усилителя. Активные ФАР позволяют увеличить мощность излучения, уменьшить потери при приёме, создавать требуемое амплитудное распределение путем включения и выключения отдельных элементов, что особенно важно для конформных решёток с круговым или полусферическим сканированием. Недостатками активных ФАР являются – их сложность, необходимость решения проблемы теплоотвода и высокая стоимость.

Для сканирующих остронаправленных систем решётку можно делать из отдельных модулей или подрешёток. Выбор способа возбуждения составляет одну из задач проектирования решёток.

Выбор геометрии ФАР. Устранение дифракционных максимумов

Размещение элементов в решётке описывают с помощью координатных систем, в узлах сетки которых располагаются отдельные элементы. Так как размещение элементов в плоских и выпуклых решётках может быть эквидистантным, неэквидистантным, разрежённым по определенному закону или случайным, то для его описания используют различные ортогональные и неортогональные системы координат. На практике размещение элементов в решётке ограничивается следующими основными факторами: возникновением дифракционных максимумов, допустимым УБЛ и падением КУ антенны, конструкцией отдельных элементов и всего полотна, устройствами возбуждения элементов и управления лучом. Наиболее распространены эквидистантные решётки, у которых все элементы размещаются с постоянным шагом по каждой координате плоского раскрыва или в отдельных её частях — модулях. Наряду с эквидистантными применяются неэквидистантные решётки, у которых подбором расстояний между элементами удается расширить сектор сканирования и полосу рабочих частот, сократить число элементов по сравнению с эквидистантными решётками.

Выбор схемы построения АР определяется общими требованиями к РТС, включая способ обработки СВЧ сигнала. Размеры ФАР определяются заданными значениями КНД или ширины ДН, длиной волны и выбранным амплитудным распределением поля в раскрыве решётки, которое зависит от требуемого уровня боковых лепестков.

Наибольшее распространение получили линейные и плоские ФАР. Большинство плоских ФАР состоит из идентичных элементов, расположенных в узлах плоской координатной сетки. На рис. 5.20 показаны прямоугольная и треугольная (гексагональная) сетки.

143

Рис. 5.20. Схемы размещения элементов в плоской ФАР

При размещении элементов в узлах плоской координатной сетки синфазное сложение полей отдельных элементов решетки возможно не только в направлении главного максимума ДН, но и в других направлениях. В этом случае помимо главного максимума существуют еще и дифракционные максимумы, пространственная ориентация которых зависит от расстояния между элементами. При уменьшении этого расстояния число дифракционных максимумов, находящихся в области действительных углов, уменьшается. Для нормальной работы решетки необходимо, чтобы в области действительных углов находился лишь один главный максимум, а дифракционные отсутствовали.

Первый способ устранения дифракционных максимумов заключается, в ограничении шага решётки. При использовании прямоугольной сетки дифракционные максимумы отсутствуют, если расстояния между элементами в направлении координатных осей удовлетворяют условиям

где θmax – максимальное отклонение луча от нормали к решётке. Например, если θmax= 45°, то для прямоугольной и треугольной сеток получаем dx= dу= 0,58λ и d = 0,68λ. Таким образом, использование треугольной сетки позволяет увеличить расстояние между излучателями и уменьшить их число примерно на 13% по сравнению с числом элементов в решётке с прямоугольной сеткой.

Условия (5.32), (5.33) не учитывают направленных свойств элементов и определяют предельные расстояния в решётке изотропных излучателей. При ограниченном секторе сканирования использование направленных элементов позволяет увеличить расстояние между ними по сравнению с определяемым

144

по формулам (5.32), (5.33) и тем самым уменьшить их общее число. Действительно, если вне сектора сканирования ДН элемента равна нулю или близка к нему (рис. 5.21), то можно допустить существование дифракционных максимумов в области действительных углов, увеличив расстояние между элементами по сравнению с (5.32), (5.33) и потребовав при этом, чтобы при всех перемещениях луча дифракционные максимумы не попадали в сектор сканировани5. Поскольку характеристика направленности решетки получается перемножением ДН излучателя и множителя решетки, то дифракционные максимумы окажутся подавленными, так как они умножатся на малые или нулевые значения ДН излучателя. В этом заключается второй способ устранения дифракционных максимумов.

Рис. 5.21. Диаграммы направленности идеального (1), реального (2)

излучателей и максимумы множителя направленности решётки (3)

С целью подавления дифракционных максимумов используют и третий способ – неэквидистантное расположение излучателей по раскрыву ФАР. Этот способ для больших ФАР является самым предпочтительным, поскольку для его реализации требуется относительно небольшое число слабонаправленных излучателей, которые размещают в узлах сетки по случайному закону. Расстояние между узлами обычно не превышает

Если число узлов в квадратной решётке N × N = N 2 , а число элементов M , то её КНД будет

Для КНД плоского синфазного раскрыва той же площади с постоянным амплитудным распределением в излучателях имеем