Курсовая работа (т): Теория антенных решёток

В антенных решетках сверхнаправленность получается путем более тесного расположения излучателей на расстояниях, меньших . Достигаемое таким образом увеличение направленных свойств антенны приводит к уменьшению ее КПД, т.к. растет число фидерных линий, передающих энергию с потерями, сужению рабочих частот, невозможности электрического управления пространственным положением луча и т.д.

6. Входное сопротивление излучающего элемента АР

Знание входного сопротивления излучающего элемента в АР необходимо при проектировании системы питания, обеспечивающей амплитудно-фазовое распределение (АФР). Входное сопротивление каждого излучающего элемента определяется не только его собственной конструкцией, но и взаимным влиянием соседних элементов, которое, в свою очередь, зависит от АФР возбуждающих токов и положения элемента в АР.

Входное сопротивление антенны является важным параметром, характеризующим ее как нагрузку для генератора или фидера. Входным сопротивлением называется отношение напряжения между точками питания антенны (зажимы антенны) к току в этих точках. Если антенна питается волноводом, то входное сопротивление определяется отражениями, возникающими в волноводном тракте. В общем случае входное сопротивление величина комплексна. Оно должно быть согласовано с волновым сопротивлением фидерного тракта (или с выходным сопротивлением генератора) так, чтобы обеспечить в последнем режим, близкий к режиму бегущей волны.

,

где  - собственное входное сопротивление n-го излучателя,  - наведенное сопротивление, отнесенное к току на входе n-го излучателя. В качестве  обычно используются значения наведенных сопротивлений, обусловленные взаимодействием излучателей только с номерами n и m, без учета всех остальных элементов. Для АР конечных размеров входное сопротивление одного излучателя зависит от его положения в решетке, поскольку взаимные связи проявляются по-разному.

7. Мощность, излучаемая АР

Мощность, излучаемая АР связана с током в точках питания антенны соотношением, где активная составляющая входного сопротивления антенны; при отсутствии потерь в ней это сопротивление излучения. Полная мощность излучения АР может быть в отсутствие потерь найдена как сумма мощностей, излучаемых каждым излучателем, по формуле:

8. Плоские антенные решетки

Плоская АР - плоская антенна, представляющая собой систему из большого количества излучателей (простейших полуволновых вибраторов), расположенных во много рядов и этажей, соединенных между собой фидерными линиями. Точки питания вибраторов в этажах и рядах соединены таким образом, что принятые каждым вибратором сигналы складываются в фазе. В точках питания АР мощность сигнала равна сумме мощностей, принятых всеми вибраторами. В этих же точках находятся входные клеммы приемной части устройства (конвертера), куда поступает принятый решеткой суммарный по мощности сигнал.

Плоские АР дают возможность сконцентрировать излучение в узкий пучок в двух плоскостях. Форма плоской АР (форма раскрыва решетки) может быть прямоугольной, круглой, шестиугольной т.д. и определяется как требованиями, предъявляемыми к форме ДН, так и конструктивными особенностями системы. Излучатели плоских АР располагаются в узлах прямоугольной или треугольной (гексагональной) сетки (рис. 5).

Плоские антенны очень технологичны в производстве, а синфазная решетка имеет дополнительные преимущества по сравнению с зональной антенной Френеля, так как не нуждается в облучателе и ее выходные клеммы можно расположить в плоскости самой антенны. Сложность использования синфазной решетки заключается в необходимости такого соединения вибраторов с клеммами антенны, чтобы принятые всеми вибраторами сигналы поступали к выходу антенны с одинаковой фазой.

При соответствующих размерах синфазной АР и количестве вибраторов коэффициент усиления такой плоской решетки может быть не ниже, чем у антенны с параболическим отражателем. Это связано с тем, что у синфазной решетки узкая диаграмма направленности, так как в фазе складываются только сигналы, поступающие к решетке перпендикулярно ее плоскости.

Рис. 5 Плоские антенные решётки

Кроме того, достоинствами плоских антенных решеток являются возможность их изготовления методами печатного монтажа, что обеспечивает высокую воспроизводимость параметров; снижение на 10...30% ветровой нагрузки по сравнению с параболическими антеннами; простота перевозки, хранения и установки.

Если фазы всех излучателей плоской АР равны, то суммарный луч диаграммы направленности расположен перпендикулярно плоскости антенны (рис. 6).

Рис. 6 Синфазная антенная решётка

Однако если ввести в фидерные линии синфазной АР фазовращатели (ФВ) и менять фазу сигнала в каждом излучателе, то в определенном (заданном) направлении сигналы придут в фазе и усилят друг друга. Такая антенная решетка называется фазированной (ФАР). Диагональ антенны расположена перпендикулярно поверхности земли (рис. 7).

Рис. 7 Фазированная антенная решётка

В технологии решетки заложена возможность установки управляемых ФВ одновременно с излучающими элементами. В устройстве фазовращателя используются полупроводниковые диоды, или варакторы, интегральные микросхемы (ИМС).

Для синфазно возбужденных плоских АР, как и для линейных, КНД максимален при амплитудном возбуждении; если амплитуда спадает к краям, КНД уменьшается. При несинфазном возбуждении элементов, когда фаза изменяется по линейному закону и максимум ДН отклоняется от нормали, основной лепесток расширяется только в вертикальной плоскости. Ширина лепестка в другой, перпендикулярной плоскости не меняется. Уменьшение КНД при отклонении ДН объясняется уменьшением эквивалентной поверхности, перпендикулярной направлению максимума.

При квадратичных и кубических фазовых искажениях кроме расширения основного лепестка ДН происходят увеличение УБЛ и исчезновение («заплывание») нулей ДН. Оба вида искажений приводят к снижению КНД.

9. Неэквидистантные АР

Неэквидистантными АР - решетки, представляющие собой линейную решетку с неодинаковым расстоянием между соседними излучающими элементами. Применение неэквидистантных антенных решеток позволяет придать решеткам ряд новых свойств, таких как устранение дополнительных максимумов при увеличении расстояния между элементами и уменьшение уровня бокового излучения в решетках с равноамплитудным возбуждение, уменьшить число антенных элементов и, соответственно, число приемных канал. Применение неэквидистантных решеток требует большего энергетического запаса, поэтому следует ожидать того, что их разрешающая способность будет хуже, чем у кольцевых решеток той же апертуры.

В общем случае неэквидистантная антенная решетка (АР) относится к классу антенн, лишенных фазового центра. Особенность таких АР заключается в том, что формируемые ими диаграммы направленности (ДН) не могут описываться действительными функциями. Это необходимо учитывать в задачах синтеза при выборе заданной ДН, так как игнорирование особенностей геометрии антенны может привести к выбору в качестве заданной нереализуемой ДН, а, следовательно, заметным отличиям от синтезированной ДН АР. Неэквидистантная АР имеет практически такие же характеристики, особенно в области основного и первых боковых лепестков, как и исходная неравноамплитудная антенна, но более проста в отношении способа реализации амплитудного распределения.

Литература

15. Ерохин Г.А., Чернышев О.В., Козырев Н.Д., Кочержевский В.Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. - М. Радио и связь. 1996.-486с.

. Зелкин Е.Г., Соколов В.Г., Методы синтеза антенн: Фазированные антенные решетки и антенны с непрерывным раскрывом. - М.: Советское Радио, 1980.

. Воскресенский Д.И., Канащенков А.И. Активные фазированные антенные решетки. - М. Радиотехника, 2004.

. Филиппов В. С., Пономарев Л. И., Гринев А. Ю. и др. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток. - Радио и связь, 1994.