Глава 9.

АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ 9.1. Общие сведения

Стремление повысить точность определения угловых координат, скорость перемещения луча в пространстве, необходимость в создании управляемых диаграмм направленности, позволяющих обеспечить подавление помех, привели в ряде случаев к отказу от применения традиционных апертурных ан-I теин и использованию вместо них антенных решеток с электрическим управлением диаграммой направленности.

Антенной решеткой называется антенна, представляющая собой совокупность отдельных антенн, расположенных в определенном порядке и возбуждаемых одним или несколькими когерентными источниками. Когерентными называются источники колебаний, разность фаз которых не изменяется в течение , достаточно длительного периода. Отдельные антенны, из которых состоят ре-I щетки, обычно называются излучающими элементами, независимо от того, работают ли они в режиме передачи или приема.

В качестве излучающих элементов антенных решеток применяют вибраторные, щелевые, волноводные, рупорные, зеркальные, линзовые антенны, а также антенны бегущей волны - спиральные, волновые каналы, стержневые-диэлектрические и пр.

Главным преимуществом антенных решеток по сравнению с антеннам» других типов является возможность гибкого управления их характеристиками направленности и возможность параллельной обработки сигналов от каждого элемента.

Первые антенные решетки были синфазными. К ним относятся описанные-в гл. 4 направленные антенны, разработанные М. А. Бонч-Бруевичем и В. В. Татариновым в Нижегородской радиолаборатории, направленные антенны Мар-кони.

Современные антенные решетки могут иметь самые разнообразные про-страисгвенные структуры, нз которых следует выделить следующие, наиболее часто используемые на практике:

поверхностные антенные решетки, излучающие элементы которых расположены на некоторой поверхности (сферической, цилиндрической, конической и на поверхностях подвижных объектов: кораблей, самолетов, ракет и т. д.> (рис. 9.1,с, б, в);

плоские антенные решетки, у которых излучающие элементы лежат в ОД-ной плоскости (рис. 9.1,г);

криволинейные антенные решетки, излучающие элементы которых расположены на кривой линии (в частном случае - замкнутой), например кольцевые и дуговые антенные решетки, излучающие элементы которых расположены на окружности или ее части соответственно (рис. 9.1,5, е);

линейные антенные решетки, излучающие элементы которых расположены на прямой линии (рис. 9.1,ж,з); из них выделяются два типа антенных решеток: эквидистантные антенные решетки, представляющие собой линейную антенную решетку с одинаковыми расстояниями (шагом решетки) между соседними излучающими элементами (рис. 9.1,ж), и неэквидистантные антенные: решетки, представляющие собой линейную решетку с неодинаковым расстоянием Между соседними излучающими элементами (рис. 9.1,з).

Рис. 9.1. Пространственные структуры антенных решеток:

2 - сферическая; б - цилиндрическая; е - коническая; г - плоская; д - кольцевая; е - дуговая; ж - эквидистантная; з - неэквидистантная

Реальные излучающие элементы обладают направленными свойствами. Их диаграмма направленности оказывает влияние на диаграмму антенной решетки.

Диаграмма направленности плоской решетки с излучающими элементами, имеющими диаграммы fa{e), равна произведению диаграммы направленности излучающего элемента fs{Q) на диаграмму той же решетки fn(6), но из изотропных (ненаправленных) элементов: f(6) =fa(6)fn(e); здесь (6)-множитель антенной решетки. Введение понятия множителя антенной решеткч •обусловлено тем, что для большинства используемых решеток диаграммы направленности элементов можно считать одинаковыми для всех излучающих элементов решетки, представляющими собой медленно меняющиеся функцйл угла 6 (по сравнению с множителем решетки), и поэтому некоторые основные характеристики направленности (такие, как уровень боковых лепестков, ширина и точность установки луча) во многом определяются множителем анТен-ной решетки.

Для синфазной решетки заданной длины I уровень боковых лепестков определяется амплитудным распределением по ее раскрыву. Ширина диаграммы синфазной линейной антенной решетки определяется размерами и видом амплп-тудного распределения по ее раскрыву и обратно пропорциональна ее длине, выраженной в длинах волн Равноамплитудное синфазное распределение,

позволяющее при заданной длине решетки обеспечить максимальные КНД н коэффициент использования площади, равный единице, обладает большим уровнем боковых лепестков, приблизительно равным - 13,2 дБ. Спадающие к краям решетки амплитудные распределения характеризуются меньшими уровня.ми боковых лепестков и меньшими значениями КНД и коэффициента использования поверхности, а также большей шириной диаграммы по сравнению с равноам-плитудньгм распределением.

9.2. Сканирующие антенные решетки

Механическое перемещение луча или управление характеристикой направленности антенн с помощью механического перемещения всей антенны или ее частей не могут быть выполнены с требуемыми большими скоростями.

В связи с этим является важным электрическое управление характеристиками направленности антенн, которое может быть эффективно реализовано в антенной решетке электрическим управлением амплитудой и фазой излучающих элементов.

Изменение направления максимального излучения (приема) решетки в про-сграистве по определенному закону называется сканированием луча. Разделяют трп способа электрического сканирования:

фазовый, вследствие изменения фазы сигнала излучающего элемента решетки, прн неизменном частотном спектре сигнала;

частотный, когда фаза сигнала, излучаемого элементом, изменяется из-за изменения частоты этого сигнала;

а.мплптудный, когда сканирование происходит вследствие коммутации парциальных диаграмм, имеющих различные направления основных главных максимумов.

Перемещение луча при сканировании можно рассматривать как пере.ме-щение .основного главного максимума множителя решетки в пространстве при неизменной диаграмме направленности элементов /э(6). Поскольку диаграмма решетки представляет собой произведение множителя решетки на диаграмму элемента fa(6), амплитуда основного главного максимума решетки при сканировании будет изменяться пропорционально изменению уровня диаграммы элемента. Таким образом, чем более остронаправленньш будет излучающий элемент решетки, тем быстрее при сканировании будет изменяться ее КНД. Как правило, в линейных и плоских .решетках диаграммы направленности элементов ориентированы так, что направление максимального излучения элемента совпадает с нормалью к раскрыву решетки. Поэтому при отклонении луча решетки от нормали к ее раскрыву КНД уменьшается, и тем больше, чем больше направленность у излучающего эле.мента. ,

Стоимость и сложность конструкции решетки в основном определяются число.м управляемых элементов, используемых в ней, и поэтому число элементов в решетке стремятся сделать минимальным. Для этого в эквидистантных решетках применяют направленные излучающие элементы (рупора, диэлектрические антенны и др.) или объединяют (для увеличения направленности) группы элементов в подрешетки с общим управлением так, чтобы .побочные главные максимумы были подавлены .диаграммами элементов. Для этого применяют не-эквпднстантные решетки, в которых из-за разных расстояний между соседними элементами отсутствуют направления (кроме направления основного главного максимума), где поля от всех элементов решетки складываются с одинаковой фазой, в связи с чем уровень побочных главных максимумов снижа-ется относительно уровня основного главного максимума при том же .числе элементов, что и в эквидистантной решетке.

В радиосистемах применяются антенные решетки различной формы. Наибольшее применение нашли плоские решетки, как наиболее простые с точки .зрения построения и возмозкности их анализа.