Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Антенные решетки (АР), использовавшиеся в первых образцах РЛС, представляли собой комбинацию отдельных излучающих элементов (вибраторов).

Параметры антенн определяются геометрическим расположением излучающих элементов, а также амплитудой и фазой сигналов возбуждения. По мере освоения радиолокацией более коротких волн решетки были вытеснены менее сложными антеннами, например с параболическими зеркалами. В современной радиолокации появление электронно-управляемых фазовращателей и переключателей побудило конструкторов вновь вернуться к антенным решеткам. Возбуждение по апертуре теперь можно менять, управляя параметрами отдельных элементов. В результате обеспечивается электронное сканирование ДН.

Способность быстро и с высокой точностью менять диаграмму направленности позволяет РЛС с ФАР решать многие тактические задачи с разделением (или частичным совпадением) их во времени или даже одновременно. Например, РЛС с ФАР может сопровождать большое количество целей, подсвечивать цели высокочастотными сигналами и наводить на них управляемые ракеты, выполнять обзор пространства с автоматическим выбором целей и переходом в режим сопровождения. Она может также выполнять функции системы связи, наводя узкие ДН на удаленные приемники и передатчики. При этом обеспечивается абсолютная гибкость управления, для которой скорость поиска и сопровождения регулируются в зависимости от конкретной обстановки и в пределах отведенного для этого времени.

С увеличением скорости обзора определенного пространства можно изменять ширину луча антенны. Возможна также перестройка по частоте, при которой произвольно изменяется частота излучения от импульса к импульсу или в пределах одного импульса (при исполь-зовании кодирования). Применение множества отдельных генераторов, распределенных по апертуре антенны, позволяет получать высокие мощности излучения. Антенные решетки с электронным управлением могут обеспечить в РЛС такую гибкость управления, которая наилучшим образом отвечает требованиям кокретной ситуации.

При решении задач по эффективному автоматическому управлению и контролю выполянемые функции можно программировать с учетом конкретных условий и возможностей РЛС.

1. Зеркальные и линзовые антенны

Зеркальные и линзовые антенны широко применяются в настоящее время и являются наиболее известными типами радиолокационных антенн. Простота конструкции, малая масса, отсутствие хроматической аберрации - достоинства зеркальных антенн. Хотя линзовые антенны сложнее зеркальных, они имеют некоторые преимущества. Например, в них отсутствует затенение апертуры, так как облучатель обычно находится не на пути распространения радиоволн. В некоторых линзовых антеннах можно осуществлять сканирование луча в пределах широкого спектра углов.

В радиолокационных антеннах обычно требуется формировать определенный вид ДН, обусловленный типом РЛС. Диаграммы направленности могут быть иглообразные, плоские или иметь специальную форму. Все эти виды ДН можно получить с помощью как зеркальных, так и линзовых антенн. Хотя требования, определяющие уровень боковых лепестков ДН, изменяются от системы к системе, в общем случае уровень боковых лепестков должен быть, по крайней мере, на 20 дБ ниже уровня главного максимума.

Обычно ДН имеет несколько лепестков, причем наибольший называется главным, другие боковыми.

Ширина главного лепестка ДН определяется как угол в градусах или радианах между двумя направлениями, соответствующими заданному уровню мощности.

Например, 0,5 или 3 дБ соответствует уровню 0,707 по полю и обозначается 20,5Р = 23дБ = 20,707.

Иногда используют ширину ДН по нулям 20,0 или по уровню -10 дБ (0,1 по мощности или 0,56 по полю).

Уровень боковых лепестков (УБЛ) характеризуется уровнем наибольшего лепестка по отношению к главному и обычно задаётся в дБ:

2. Параболические зеркальные и линзовые антенны

Параболическая зеркальная антенна или антенна с параболическим зеркалом - одна из наиболее часто применяемых в радиолокации антенн. При равномерном облучении зеркала ДН параболической антенны является иглообразной. При облучении только части зеркала можно получить плоскую ДН. Параболические зеркальные антенны используются в РЛС как для поиска и сопровождения целей, так и для решения большинства задач радиолокации.

Схема параболической зеркальной антенны показана на рис. 86 (где а геометрические соотношения в антенне с параболическим зеркалом; б - принцип формирования плоского фронта волны параболической антенны). Предполагается, что поверхность зеркала является идеально проводящей. В фокусе F зеркала расположен точечный облучатель. Из геометрических соотношений следует, что сферическая волна, исходящая из фокуса F и попадающая на зеркало, преобразуется после отражения в плоскую волну, распространяющуюся в направлении положительной оси параболоида.

Уравнение поверхности параболоида имеет вид:

х2 + у2 = 4fz,

где f = 0F - фокусное расстояние параболоида. Уравнение поверхности в системе сферических координат , , с центром в точке F имеет вид:

.

Выражение для поля в дальней зоне обычно дается в системе сферических координат R, c началом в точке F.

Плоскость z = z0 определяется как плоскость апертуры, иногда она определяется как плоскость z = f. Угловой размер апертуры 20 и диаметр зеркала D связаны следующей формулой:

.

Проектирование зеркальных антенн и состоит в выборе параметров f, D и 0.

Линзовые антенны.

С позиций электродинамики СВЧ линзовые антенны аналогичны по своим возможностям зеркальным. Линзовые антенны применяются для формирования иглообразных и плоских ДН, а также и других видов. Основная функция линзы состоит в преобразовании сферического или цилиндрического фазового фронта волны в плоский. В зависимости от типа облучателя, а также от того, имеет ли материал линзы показатель преломления больший или меньший единицы, выбирается профиль линзы, при котором волна, прошедшая через нее, оказывается плоской (рис. 88 для собирающих линз).

В таких линзах сферическая волна преобразуется в плоскую при условии:

R = f(n 1)/(n cos f),

где f - фокусное расстояние, n = (r)0,5 показатель преломления.

Форма поверхности линзы выбирается исходя из соотношений геометрической оптики. Диаграмма направленности линзовой антенны определяется методами теории дифракции. Диаграмму направленности в дальней зоне проще определить по распределению поля на апертуре, чем по соотношениям геометрической оптики. Существуют различные технологические методы получения материалов для линзовых антенн, имеющих необходимый показатель преломления.

Сплошные линзы изготавливают обычно из диэлектрических материалов, обладающих малыми потерями.

Поскольку n не зависит от частоты, диэлектрические линзовые антенны с гладким профилем имеют неограниченную полосу частот. Обычно только небольшие линзы СВЧ делаются из сплошного диэлектрика. Из-за весовых соображений линзы больших размеров чаще выполняются из искусственных диэлектриков.

В зависимости от способа построения антенны, при котором обеспечивается получение необходимого показателя преломления линз, можно классифицировать линзовые антенны на диэлектрические, металлопластинчатые, металлодиэлектрические.

3. Общие характеристики и типы облучателей

Наиболее широко в качестве излучающих элементов в ФАР используются диполи, щели, открытый конец волновода (или небольшой рупор) и спирали. Основное требование к элементам решетки: достаточно малые размеры для размещения в пределах габаритов решетки; площадь каждого элемента должна быть не более величины 2/4, кроме того, так как излучающих элементов требуется много, они должны быть дешевыми, надежными в работе и одинаковыми по своим параметрам. Поскольку сопротивление и ДН излучающего элемента в решетке определяются в основном структурой решетки, то тип излучающего элемента можно выбирать с учетом системы питания и требований к физическим параметрам антенны. Например, если излучающий элемент питается через полосковый фазовращатель, то вполне логичен выбор полоскового диполя. При использовании волноводного фазовращателя наиболее подходящими могут быть открытый конец волновода или щелевой излучатель. На более низких частотах, где в основном применяются коаксиальные элементы, при выборе типа излучающего элемента предпочтение отдается диполям. Заземляющая плоскость размещается обычно с зазором около /4 за решеткой параллельно ориентированных диполей, так что антенна формирует ДН лишь в одной полусфере. На более высоких частотах чаще применяются открытые концы волноводов или щелевые излучатели.

При сканировании в ограниченном секторе (например, менее 10О) можно использовать направленные излучающие элементы, имеющие эффективную площадь апертуры, равную нескольким значениям длины волны в квадрате. При разносе направленных излучающих элементов на величину, равную нескольким длинам волн, эффект взаимной связи невелик, так что ДН и полное сопротивление элемента в решетке остаются по существу такими же, как и у отдельного элемента.

Для решетки с круговой поляризацией можно использовать спираль с согласованным резонатором. Поскольку при однократном отражении от цели круговая поляризация сигнала меняется на обратную, то требуются раздельные излучающая и приемная решетки спиральных элементов (с противоположным направлением витков спиралей).

Если необходимо иметь РЛС, работающую с разносом по поляризации, или если требуется изменить направление поляризации на противоположное при передаче и приеме, то можно использовать скрещенные диполи или круглые волноводы. При соответствующей системе питания оба эти типа излучающих элементов обеспечивают формирование излучения как с вертикальной, так и с горизонтальной поляризацией. Они применимы и для получения любой другой поляризации.

До сих пор считалось, что облучатель представляет собой точечный источник, расположенный в фокусе, и имеет идеальную ДН. Диаграмма направленности реального облучателя отличается от идеальной. Выбор и проектирование облучателей в общем случае определяются следующими соображениями.

1. Диаграмма направленности облучателя должна обеспечивать соответствующее распределение поля по апертуре с необходимым уменьшением поля на краях зеркала. Изменение поля в плоскости апертуры, описываемого формулой при изотропной ДН облучателя, определяется (в децибелах) как:

.

При выборе ДН облучателя необходимо учитывать изменение ДН, обусловленное влиянием зеркала с данным апертурным углом 20. Боковые лепестки в одной главной плоскости зависят от облучения края зеркала в этой плоскости, однако и облучение края зеркала в другой плоскости влияет на уровень боковых лепестков. На рис. 89 приведены значения уровней боковых лепестков, вычисленные для фактически измеренной ДН. Можно видеть, что в плоскости Н боковой лепесток уменьшается при ослаблении поля на краю, в плоскости Е боковой лепесток при этом несколько увеличивается.

Для большинства простых облучателей ДН можно аппроксимировать квадратичной функцией, таким образом для зеркала с данным отношением f/D ширина основного лепестка по уровню половинной мощности вычисляется приближенно, если известно требуемое ослабление поля на краю зеркала. На рис. 90 приведены значения ширины ДН рупорного облучателя по точкам половинной мощности как функция f/D для параболоида при уменьшении амплитуды поля облучения на краю зеркала на 10 и 20 дБ.

2. Облучатель должен создавать минимальное затенение апертуры. Вообще говоря, затенение апертуры увеличивает уровень боковых лепестков, уменьшает КНД и обостряет главный лепесток. Уровень первого бокового лепестка увеличивается примерно на величину 2, где площадь апертуры облучателя, А - площадь апертуры зеркала. Для многих практических случаев, когда мало, уменьшение КНД и искажение основного лепестка ДН пренебрежимо малы.

3. Облучатель следует выбирать так, чтобы кросс-поляризационные характеристики антенны были удовлетворительными. Необходимо отметить, что при правильном выборе облучателя кросс-поляризационную составляющую поля можно значительно уменьшить.

В параболических зеркальных антеннах используются различные типы облучателей.

Дипольные облучатели, применяемые в параболических зеркальных антеннах, рассматривались в работах. Одиночные диполи редко используются в качестве облучателей, так как имеют неприемлемое ДН и поляризационные характеристики. Двойной диполь или система “диполь-диск” представляют собой два наиболее часто используемых типа дипольных облучателей. Двойной диполь состоит из возбуждаемого активного короткого диполя (вибратора), за которым на расстоянии /8 расположен пассивный вибратор, имеющий несколько большую длину, чем активный диполь. Система “диполь диск” состоит из активного диполя, за которым на расстоянии /4 помещен круглый отражательный металлический диск. Эти облучатели можно использовать как с коаксиальной линией передачи, так и с волноводами. Максимальные теоретические значения коэффициента , которые можно получить с облучателями типа “двойной диполь или диполь с дисковым контротражателем”, примерно равны 0,77 и 0,69 соответственно.

Волноводный облучатель.

В качестве облучателей параболического зеркала также используются прямоугольный и круглый волноводы с волнами типа ТЕ01 и ТЕ11. Часто применяется волновод с открытым концом или волновод, нагруженный на соответствующий рупор. Круглый волновод имеет преимущество по сравнению с прямоугольным потому, что позволяет создать более равномерное облучение зеркала и поэтому обеспечивает формирование одинаковых ДН в плоскостях Е и Н. Кроме того, кросс-поляризационные составляющие поля уменьшаются, если антенна облучателя круглым волноводом.

Когда волновод соединен с небольшим рупором, фазовый центр облучателя расположен в вершине рупора. Характеристики параболической антенны с рупорным облучателем можно найти в работах.

Широко используется облучатель 2-щелевого типа с обратным излучением. Главный волновод разветвляется на две волноводноподобные ветки, которые изгибаются назад и открытые концы которых направлены к параболоиду. Антенная система с этим облучателем оказывается очень компактной. Облучатель создает сравнительно малое затенение апертуры и имеет фазовый фронт волны близкий к сферическому.

Антенна с зеркалом типа “параболический цилиндр”.

Для получения плоских ДН с большим углом охвата применяются антенны с зеркалом типа параболического цилиндра с облучателем в виде линейного источника, расположенного вдоль зеркальной линии.

Такая антенна имеет ряд преимуществ по сравнению с антенной с зеркалом в виде симметрично усеченного параболоида. Облучатель в виде линейного источника можно получить различными способами, например используя линейную решетку диполей или волноводные щелевые излучатели.

Если цилиндрическое зеркало облучается точечным облучателем, то отраженная от зеркала волна имеет форму цилиндрической волны с осью, параллельной плоскости апертуры и перпендикулярной фокальной линии.

Подобную конструкцию эффективно используют в качестве линейного облучателя.

Двухзеркальная антенна Кассегрена.

Двухзеркальные антенны, построенные аналогично оптическому телескопу Кассегрена, в настоящее время широко применяют в радиолокации для формирования иглообразных ДН, а также для формирования многолучевых (моноимпульсных) ДН. Антенны этого типа имеют малые осевые размеры и позволяют создавать многообразные конструкции облучателей и линий передачи. В некоторых случаях всю волноводную систему, связанную с облучателем, можно разместить позади основного зеркала.

Антенна состоит из параболического основного зеркала и гиперболического дополнительного зеркала. Один фокус гиперболического зеркала совпадает с фокусом основного зеркала. Облучатель располагается в другом фокусе дополнительного зеркала, параметры которого определяют также фокальное расстояние для всей антенной системы. Предполагается, что дополнительное зеркало расположено в дальней зоне облучателя. Сферические волны, излучаемые облучателем, после отражения от дополнительного зеркала поступают на основное зеркало.

Волны, падающие на основное зеркало, также являются сферическими, излученными как бы из мнимого фокуса гиперболического зеркала. Основное параболическое зеркало трансформирует сферические волны в плоские, распространяющиеся в направлении оси антенны.

4. Антенные решетки

Антенно-фидерное устройство (АФУ), обеспечивающее излучение и прием радиоволн, является неотъемлемой частью любой РТС. Применявшиеся ранее АФУ, вращающиеся параболические отражательные антенны с рупорными излучателями в настоящее время все чаще заменяются ФАР.

В пределах апертуры АР находится множество одинаковых излучающих элементов таких, как щели, диполи, причем каждый элемент возбуждается раздельно сигналами с управляемыми фазой и амплитудой. При точных расчете ДН и установке луча достигается высокая эффективность антенны.

Основные параметры плоской АР определяются рядом простых соотношений, приводимых ниже. Чтобы избежать при разносе элементов решетки на /2 образования многолепестковой ДН с так называемыми «дифракционными лепестками», число излучающих элементов N, необходимое для формирования узкой ДН, связано с шириной луча следующим соотношением:

N = 10 000/ или 100/,

антенный зеркальный волновой облучатель

где ширина луча антенны (в град) на уровне половинной мощности (3 дБ). Соответствующий КНД при направлении максимума ДН нормально к плоскости апертуры (осевое направление) определяется уравнением:

.

При отклонении максимума ДН на угол относительно осевого направления КНД плоской решетки снижается до значения, соответствующего проекции площади апертуры:

.

Аналогично ширина отклоненного от оси АР луча возрастает от линии значения в осевом направлении до значения (за исключением направления, близкого к углу =90 ОС), определяемого формулой:

.

Общее число лучей М (с шириной, равной ширине луча в осевом направлении), которое можно установить в пространстве, равно примерно КНД и связано с N следующим соотношением:

M N.

Для плоской решетки, в которой ширина луча является функцией угла отклонения, число лучей, которые можно реально сформировать в пределах сферы, определяются как:

.

В решетке с параллельным питанием элементов со сканированием за счет фазового сдвига по 2 (по модулю) ширина полосы рабочих частот ограничена, т.к. для работы с широкой полосой требуется скорее постоянство не фаз, а длин путей прохождения сигналов при питании элементов. Максимальная ширина полосы рабочих частот определяется как:

Ширина полосы [%] Ширина луча [град],

что эквивалентно ограничению ширины полосы частот, определяемому выражением:

Длительность импульса 2 (ширина апертуры).

С учетом этих критериев сканирующий луч, находящийся под углом 60О к осевому направлению, при изменении частоты в пределах всей полосы меняет свое положение на 1/4 ширины луча, которую он имеет в данном направлении. Для угла отклонения 60О положение луча изменяется в зависимости от частоты в пределах , так что на граничной частоте величина равна:

[град] = Ширина полосы частот [%].

Введение схемы временной задержки дополнительно к фазовращателям увеличивает ширину полосы рабочих частот.

Для пространственного трехмерного обзора луч АР должен сканировать по азимуту и углу места. В РЛС с АР и электронным сканированием допустимо применение приемников с высокой чувствительностью. При этом повышается частота ложных тревог, но повторно легко проверить достоверность выделения истинных целей.

В ряде случаев можно специально расширять луч для обзора в пределах больших углов места, где требуется меньшая дальность обнаружения, и поэтому допустим более низкий КНД. В результате уменьшается время обзора.

Поляризация.

С точки зрения конструирования антенных систем плоскость поляризации плоской решетки является произвольным параметром. Например, круговая поляризация вполне реализуема, хотя при этом возникает ряд трудностей с обеспечением больших углов скани-рования. При сканировании появляется составляющая нежелательной ортогональной поляризации. Необходимо принимать специальные меры для ее подавления. В обычной антенне (например, в парабо-лической антенне с облучателем круговой поляризации) чисто круговая поляризация достигается лишь в некоторой части главного лепестка ДН, а в остальной части существенно искажается. В плоской АР поля-ризационная структура относится скорее к одному элементу, чем к решетке в целом. Поскольку ширина ДН элемента велика, то чисто круговая поляризация достигается в широком угле сканирования.

Системы с круговой поляризацией можно использовать для подавления отражений от дождевых осадков. В идеальных условиях подавление достигает величины 20log[(е2 + 1)/(е2 1)] дБ, где е - коэффициент эллиптичности составлял менее 1,5 дБ при угле сканирования до 4o, что соответствует теоретическому значению величины подавления дождевых осадков не менее 15 дБ.

Сопровождение целей моноимпульсным методом.

Создание РЛС с фазированной антенной решеткой для сопровождения целей моноимпульсным методом не представляет собой сложности.

Элементы АР соединены таким образом, что формируются как суммарная, так и две разностные ДН (по азимуту и углу места). При определении оптимального распределения амплитуд по апертуре существуют, как и в обычных антеннах, противоречивые требования к формированию суммарной и разностных ДН, однако эти распределения могут выбираться независимо. Суммарная и разностные ДН отклоняются в пространстве одновременно. АР можно выполнить также и для осуществления сопровождения целей, применяя переключения ДН или коническое сканирование. Нулевое направление разностной ДН ФАР позволяет получить достаточно высокую точность наведения луча. При сравнении с расчетными данными абсолютная измеренная ошибка отклонения луча при сканировании в пределах до 60О составляет менее 0,02 ширины луча. Ошибка обусловлена неточностью управления фазой и амплитудой сигналов. Поскольку задержка по времени отсутствует, одновременно с изменением частоты меняется направление нуля сканирующей диаграммы, и с увеличением частоты луч смещается к осевому положению. При этом амплитуда сигнала, соответствующего разностной ДН, нарастает линейно с увеличением частоты. При угле сканирования 60О она изменяется от 0 на центральной частоте до величины - 9 дБ относительно сигнала в суммарной диаграмме на краях диапазона частот, который определяется равенством:

Ширина полосы частот [%] = Ширина луча [град]. (105)

Многолучевая ДН.

Независимое управление амплитудой и фазой по апертуре необходимо для одновременного формирования ряда лучей. Это приллюстрировано рис. 94, где показаны два раздельных луча. Оба луча имеют одинаковое амплитудное распределение F(x), но разный наклон линейных фазовых фронтов.

Общий сигнал возбуждения по апертуре для двух лучей имеет вид:

Таким образом, амплитудное распределение по апертуре, требуемое для формирования двух раздельных лучей, меняется по закону косинуса, а фазовое распределение имеет линейный закон изменения с усредненным наклоном. Лучи могут при приеме формироваться раздельно, образуя отдельные каналы. В этом случае КНД для каждого канала определяется всей апертурой. При передаче излучаемая мощность распределяется между всеми лучами равномерно.

Во многих решетках можно менять только распределение фазы по апертуре. Однако игнорирование требуемого изменения амплитуды приводит к формированию многолучевой ДН лишь приближенно. Сигналы для формирования всех лучей содержатся в каждом из каналов приема. Происходит совместное использование имеющейся апертуры для формирования отдельных лучей. При формировании двух лучей подобная аппроксимация ведет к уменьшению КНД на 1 дБ и к образованию двух боковых лепетсков с уровнем на 10 дБ ниже основных максимумов ДН.

Изменение формы ДН.

При изменении только фазового распределения (с неизменной амплитудой) достигается достаточно близкая аппроксимация к расчет-ной диаграмме. В частности, луч несколько расширяется при изме-нении фазового распределения по апертуре по закону сферической волны или при аппроксимации распределений треугольной зависи-мостью.

Диаграммы направленности подобного типа представляют практический интерес, поскольку они легко формируются и обладают удовлетворительными параметрами. Их можно использовать в режиме передачи РЛС, где приемная антенна имеет многолучевую ДН, или, как уже рассматривалось в обзорных РЛС, для снижения числа угловых элементов разрешения при малой дальности обнаружения целей.

Литература

1. Червяков Г.Г. Применение Электронных приборов и устройств. Ч.1. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1999. 60с.

2. Червяков Г.Г. Микроволновые полупроводниковые устройства. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2002. 63с.

3. Червяков Г.Г. Электронные устройства. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2003. 165с.

4. Малышев В.А., Червяков Г.Г., Ганзий Д.Д. Нелинейные микроволновые полупроводниковые устройства. Таганрог: Изд-во ТРТУ. 2001. 354с.

5. Малышев В.А. Бортовые активные устройства сверхвысоких частот. Л.: Судостроение, 1990. 264с.

Размещено на Allbest.ru