14.4. Антенные решетки

Увеличение мощности, плотности мощности излучения, а также управление пространственно-временными характеристиками СШП-импульсов связано с использованием многоэлементных антенных систем. АР могут состоять как из одинаковых элементов, возбуждаемых одинаковыми импульсами, так и из различных антенн, возбуждаемых различными по форме, длительности, амплитуде импульсами.

Первоначально рассмотрим простые антенные решетки из одинаковых элементов, возбуждаемых одинаковыми по форме импульсами

Выполненные расчеты [19] на примере плоской прямоугольной решетки из элементов с кардиоидной и без учета взаимодействия между ними позволяют сделать следующие основные выводы:

форма импульса излучения зависит от угла относительно главного направления ;

в нет нулей и дифракционных лепестков при сканировании волновым пучком:

ширина уменьшается, а уровень бокового излучения возрастает с увеличением расстояния между элементами решетки; уровень бокового излучения уменьшается с увеличением числа элементов в решетке и минимален при равномерном амплитудном распределении возбуждающих импульсов;

ширина ДН и уровень бокового излучения возрастают при сканировании волновым пучком.

Среди экспериментальных исследований отметим только результаты [12-14], полученные для решеток из комбинированных антенн (рис. 14.5,в), возбуждаемых биполярными импульсами длительностью 1 не и монополярными длительностью 0,5 не. Варианты решеток приведены на рис. 14.7. Особое внимание уделялось исследованию взаимодействия антенн в решетке. С этой целью измерялись КСВН отдельных элементов в решетках, отраженная энергия от отдельных элементов при различных геометриях решетки и расстояниях между элементами решетки в режимах как синхронного возбуждения антенн решетки импульсами, так и при сканировании волновым пучком.

Измерения показали, что КСВН внутренних элементов по-разному зависят от расстояния между ними для горизонтальной (рис. 14.7,а) и вертикальной (рис. 14.7,а) решеток. Для уменьшения КСВН элементы горизонтальной решетки должны быть разомкнуты, а вертикальной - замкнутыми. Отраженная энергия слабо зависит от расстояния между элементами в горизонтальных решетках (число элементов 2-4). В вертикальных решетках отраженная энергия от элементов уменьшалась с уменьшением расстояния между ними, а для внутренних элементов несколько возрастала при малых расстояниях. Отраженная энергия от элементов решетки слабо возрастала по сравнению с одиночной антенной с ростом числа элементов при их возбуждении биполярным импульсом и более

Рис. 14.7. Варианты построения решетки

существенно (в ~1,5 раза в четырехэлементных горизонтальной и вертикальной решетках) при возбуждении монополярным импульсом. В последнем случае отраженная от элементов решетки энергия составляла 60-70% от энергии возбуждающего импульса.

Таким образом, энергетическая эффективность многоэлементных решеток, возбуждаемых биполярными импульсами, существенно выше, чем при возбуждении монополярными импульсами.

Следует отметить важный экспериментальный результат - пиковая напряженность электрического поля в главном направлении возрастает пропорционально числу элементов в решетке, в то время как энергетическая эффективность решетки падает с ростом числа элементов. Это обусловлено задержкой времени взаимодействия антенн в решетках, приводящей к росту отраженной энергии. Так как для практических применений СШП-импульсов важна пиковая напряженность поля, то снижение энергетической эффективности многоэлементной излучающей системы может отойти на второй план.

Исследования показали, что ширина на половинном уровне мощности слабо зависит от типа возбуждающего импульса и уменьшается примерно пропорционально с ростом числа элементов в решетке в заданном направлении. Эффективность по пиковой моншости, измеренная для квадратной решетки с числом элементов при возбуждении биполярными импульсами, меньше, чем для одиночной антенны на 13%, и составила Уменьшение решетки обусловлено как уменьшением энергетической эффективности, так и увеличением зависимости формы излученного импульса от угла относительно главного направления

Важной характеристикой является угол сканирования волновым пучком, при котором интенсивность сигнала падает в два раза. На рис 14.8,а,б приведены при различных углах сканирования для

Рис. 14.8. Зависимость ДН от угла сканирования в горизонтальной (а) и вертикальной (б) плоскостях

горизонтальной и вертикальной четырехэлементных решеток, возбуждаемых биполярными импульсами Видно, что для углов сканирования 45° величина падает не более, чем на 20%. Исследования [20] на основе ТЕМ-антенн показали, что при угле сканирования величина падает в 2 раза. Это еще раз подтверждает, что разработанные комбинированные антенны идеально подходят для СШП САР.

Использование многоэлементных решеток, возбуждаемых импульсами различной длительности и формы, открывает новые возможности для управления характеристиками СШП-излучения. Рассмотрим возможность расширения спектра излучаемых импульсов на примере восьмиэлементной линейной решетки, в которой антенны возбуждаются биполярными импульсами различной длительности [17]. Антенны с порядковыми номерами возбуждались импульсами длительностью 5 не, 3 не, 1 нс соответственно. Расстояние между антеннами равно половине пространственной длительности соответствующего импульса. Импульсы имели равные амплитуды и были синхронизованы по моменту времени изменения полярности. Форма синтезированного электромагнитного импульса в дальней зоне показана на рис. 14.9

На рис. 14.10 представлены спектры результирующего излученного импульса (сплошная линия) и спектры составляющих его импульсов (штриховая линия). Отношение крайних частот на половинном уровне спектра для синтезированного импульса возросло в 3-4 раза и составило 10.5. Вычисления показали, что предложенный вариант синхронизации обеспечивает достаточно хорошую стабильность параметров излучения по отношению к разбросу времени включения возбуждающих импульсов.

Рис. 14.9. Импульс электромагнитного излучения

Рис. 14.10. Спектр синтезированного импульса