Антенные решетки с фазовым сканированием

Различают фазированные антенные решетки (ФАР) с фидерным питанием и с пространственным (оптическим) питанием, а также с плавным изменением фазы и с дискретным (коммутационным) изменением фазы.

1. Фидерное питание может осуществляться по последовательной (рис. 20.2, а) или параллельной (ветвящейся) (рис. 20.2, б) схемам. Применяются также смешанные схемы.

Наименьший сдвиг фаз между токами в соседних излучателях соответствует главному лепестку нулевого порядка и может быть определен по формуле (20.1), которую запишем в виде

                                                     (20.8)

Пусть сканирование происходит в пределах всей области действительных углов -p/2 £J_гл£ p/2. Тогда J_с =±p/2, а условие единственности главного лепестка (20.2) примет вид d£l/2. Для обеспечения сканирования величина y должна изменяться в пределах -p£y£p.

При последовательной схеме питания нарастающее вдоль АР запаздывание фаз токов излучателей обеспечивается благодаря тому, что сигнал к каждому излучателю поступает после прохождения через все предыдущие фазовращетели. При этом фазовый сдвиг в каждом фазовращателе согласно (20.8) должен быть одинаковыми изменяться в пределах ±p, т е. интервал изменения фаз должен составлять 2p.

При параллельной схеме питания нарастающее вдоль антенной решетки запаздывание фаз токов излучателей обеспечивается благодаря тому, что в каждом последующем (считая от середины) фазовращателе фазовый сдвиг изменяется в больших (на ±p) пределах, чем в предыдущем фазовращателе. Следовательно, в крайних фазовращателях фаза должна изменяться в пределах ±0,5(N-1) p, т. е. в 0.5(N-1) раз больше, чем при последовательной схеме.

ДН антенны не изменится, если в любом излучателе фазу тока изменить на целое число раз по 2p. Поэтому и при параллельной схеме питания пределы изменения фаз в каждом фазовращателе могут составлять ±p, если применить фазовращатели со сбросом фазы на целое число раз по 2л.

Недостаток параллельной схемы - неидентичность фазовращателей и вытекающая из нее сложность системы управления. Недостатки последовательной схемы - пониженная электрическая прочность, так как вся мощность должна проходить через первый фазовращатель, и малая надежность, так как выход из строя одного фазовращателя может нарушить работу всей антенны.

При большом числе излучателей фидерные схемы питания отличаются сложностью и громоздкостью и в основном находят применение на дециметровых и более длинных волнах. В сантиметровом диапазоне волн отдают предпочтение пространственной схеме питания.

2. Пространственное питание состоит в том, что энергия АР поступает от облучателя, например рупора. Различают ФАР проходного (линзового) и отражательного (рефлекторного) типа. В первом случае (рис. 20 3, а) применяются две АР: собирающая и излучающая (рассматривается режим передачи). Излучатели обеих решеток попарно соединены линиями передачи через проходной фазовращатель. Две решетки и фазовращатель образуют аналог линзы с принудительным ходом лучей. Наклонный луч от облучателя до линзы проходит больший путь, чем центральный луч, и потому отстает по фазе на величину

                                                                                           (20.9)

где x и y - прямоугольные координаты излучателя (начало координат О - в середине линзы; ось Оу направлена на читателя); f - фокусное расстояние

линзы (от облучателя до точки О); k=2p/l. Для компенсации этой несинфазности, т. е. для формирования плоского фронта волны, нужно предусмотреть соответствующие запаздывания по фазе в фазовращателях либо применить специальные линии задержки. Кроме того, для сканирования луча фазовращатели должны обеспечить сдвиг фаз между соседними элементами излучающей АР в соответствии с формулой (20.8).

В линзе отражательного типа (рис. 20.3, б) сигнал через фазовращатели проходит дважды благодаря отражению от короткозамкнутых концов, а функции приема и излучения волн выполняются одной и той же решеткой.

3. Плавное изменение сдвига фаз между соседними излучателями можно осуществить с помощью плавных (аналоговых) механических или электрических фазовращателей. Первые обеспечивают высокую точность установки фазы, но могут применяться лишь при сравнительно небольшой скорости сканирования. При большой скорости сканирования применяют плавные электрические фазовращатели, например, ферритовые. Недостатками ФАР с плавным электрическим изменением фазы являются большие потери в ферритовых фазовращателях, сложность управляющих схем, трудность обеспечения высокой идентичности и стабильности работы ферритовых фазовращателей, особенно при изменении температуры.

4. Дискретное изменение сдвига фаз между соседними излучателями можно осуществить с помощью коммутационных фазовращателей. Простейший коммутационный фазовращатель на М позиций состоит из М постоянных фазовращателей и M коммутаторов, при поочередном включении которых фаза напряжения на выходе фазовращателя изменяется скачками через дискреты, равные Dy_и=2p/M. Например, при М=4 фаза может принимать значения 0, p/2, p, Зp/2.

Предложен ряд вариантов коммутационных антенн [38, 39]. Для пояснения принципа коммутационного сканирования обратимся к рис. 20.4, на котором изображена схема одного варианта коммутационной антенны с фидерным питанием.

По линии питания (волноводу) распространяется бегущая волна с замедлением x=l/L, где L - длина волны в волноводе. На каждый излучатель прямолинейной решетки сигнал поступает через одну из четырех ветвей коммутационного фазовращателя. Распределение фаз по антенне зависит от того, какие из коммутаторов находятся во включенном состоянии.

На рис. 20.5, а на оси абсцисс изображена решетка из N излучателей, а на оси ординат фазовое распределение. Линейный набег фазы питания равен yл(х)=xkx, а возможные значения фаз излучателей располагаются на прямых, параллельных yл(х) и образующих сетку допустимых фазовых уровней (Dy_и, 2Dy_и, 3Dy_и …). Расстояние между соседними уровнями равно дискрету фазы Dy_и.

Согласно формуле (20.8) прямая y₀(x)=kx sinJ_гл соответствует требуемому фазовому распределению, обеспечивающему отклонение лепестка от нормали на угол J_гл. Для наилучшего приближения к требуемому распределению фаз каждый фазовращатель должен быть включен так, чтобы фазовая ошибка Dy не превышала 0,5Dy_и. Распределение фаз по антенне при идеализированном (с ошибкой 0,5Dy_и) непрерывном расположении излучателей описывается при этом ступенчатой кривой (рис. 20.5, а), а распределение фазовых ошибок представляет собой пилообразную функцию (рис. 20.5, б).

Наличие фазовых ошибок приводит к искажению ДН антенны, уменьшению ее КНД и росту уровня боковых лепестков. Следует отметить, что при коммутационном сканировании главный лепесток перемещается скачками. Величина скачка и фазовые ошибки тем меньше, чем меньше дискрет фазы Dy_и. Однако, уменьшение дискрета фазы ведет к росту числа фазовращателей и усложняет антенну.

В варианте антенны, изображенной на рис. 20.4, число фазовращателей в цепи одного излучателя равно числу фазовых состояний этого излучателя, в данном случае четырем. Общее число фазовращателей в N раз больше. Его можно значительно уменьшить, применяя каскадное включение фазовращателей.

Двухразрядный каскадный фазовращатель схематически изображен на рис. 20.6. Каждый каскад может находиться в двух состояниях, при этом один каскад может обеспечивать сдвиги фаз 0 и p/2, а другой — 0 и p. Нетрудно видеть, что, управляя каскадами с помощью двоичного кода, можно получить фазовые сдвиги 0, p/2, p, Зp/2. При трех каскадах дискрет фазы равен p/4, а число фазовых сдвигов 8 и т. д.

Двоичное управление осуществляют с помощью коммутаторов на pin-диодах или ферритовых коммутаторов с внутренней магнитной памятью.

Достоинством коммутационной антенны по сравнению с ФАР, в которых применяются фазовращатели с плавным изменением фазы, является более простое управляющее устройство, которое при необходимости относительно легко сопрягается с цифровой вычислительной машиной. Кроме того, коммутационная антенна отличается большей стабильностью электрических параметров.