5.6. Сектор обзора сферической решетки и других вариантов выпуклой ФАР

Второй немаловажной задачей при построении антенн с широкоугольным сканированием является обеспечение обзора заданной части пространства. С развитием авиационной техники возникает потребность в обзоре больших секторов, т.е. необходимость обзора не только полупространства перед самолетом, но и в направлениях 130-140° от оси полета. Для этой цели рассмотрим сектора обзора в декартовой системе координат (рис. 5.17) и отметим пунктирной линией — желаемую часть осматриваемого пространства, сплошной линией — часть пространства, осматриваемую плоской и штриховой линией — часть пространства, осматриваемую выпуклой

В прямоугольной системе координат сектор обзора имеет сферическую форму для выпуклой ФАР (ВФАР) и коническую форму для плоской ФАР. Изображение секторов сканирования ВФАР в виде прямоугольников связано с преобразованием системы координат.

Рис. 5.17. (см. скан) Сектор обзора

Допустимо использование других форм для конформных с широкоугольным сканированием. Поверхности для размещения ППМ с излучателями могут быть приближены к поверхности обтекателя. Возможными формами могут быть параболическая форма, опирающаяся на поверхность круга, сочетание конической или цилиндрической с плоской решеткой. Последний вариант представляет особый интерес. Верхнюю плоскую поверхность на конусе или цилиндре можно рассматривать как существующую плоскую решетку.

Цилиндрическая или коническая часть антенны требует новых разработок, более простых, чем ВФАР. В целом такая антенна (коническая или цилиндрическая) с плоской соответствует блочной концепции построения радиоэлектронной аппаратуры. При такой концепции блок плоской разработанный ранее, является составной частью новой антенны, которая дополняется цилиндрической или конической ФАР. При такой блочной конструкции сразу же возникает возможность формирования двух и более лучей и одновременного выполнения разных задач При построении конической или цилиндрической ФАР имеются некоторые отличия в секторе сканирования и конструктивном исполнении.

На рис. 5.18 показана геометрия плоской с дополнением ее цилиндрической и конической

Ниже приводятся соотношения для расчета КНД: плоской

цилиндрической

конической

Рис. 18. К расчету характеристик направленности плоской с дополнением ее цилиндрической или конической частью

На рис. 5.19 приводятся зависимости КНД плоской верхней части антенны с дополнением их характеристиками второй цилиндрической или конической части от направления луча.

Рис. 5.19. Зависимости КНД от направления луча и формы поверхности

На рис. 5.20 показан сектор обзора решетки, образованной плоской и цилиндрической решетками, на рис. 5.21 - сектор обзора решетки, образованной плоской и конической решетками.

Рис. 5.20. (см. скан) Сектор обзора плоской и цилиндрической АР

Рис. 5.21. (см. скан) Сектор обзора плоской и конической АР

Показанная выше схема построения позволяет формировать несколько независимых лучей без потери усиления по каждому лучу в отличии от обычной плоской решетки, в которой формирование двух лучей с одного раскрыва приводит к падению усиления на 3 дБ и большему падению усиления — при формировании нескольких независимых лучей. Цилиндрическая и коническая решетки не требуют управления поляризацией. Плоская совместно с цилиндрической или конической позволяет перекрыть требуемый сектор сканирования, а в некоторой части пространства обеспечивает сканирование двумя и более лучами.

Одним из вариантов построения МБАФАР может быть показанная на рис. 5.1. Антенная решетка состоит из трех плоских решеток. Решетка большего размера повернута на угол 20° относительно оси.

перпендикулярной направлению полета. На рис. 5.22 приведен сектор обзора из трех плоских решеток. Изменяя ориентацию трех решеток можно изменять сектор обзора всей системы.

Следующим вариантом ВФАР является пирамидальная ФАР из двух-трех плоских решеток (рис. 5.23). Представляет интерес построение пирамидальных ФАР с заменой плоских решеток кольцевыми концентрическими АР (ККАР). При их построении шаг между излучателями выбирается, исходя из условия однолучевого режима работы в секторе сканирования. Возможно уменьшение колебания усиления в полусфере по сравнению с существующими пирамидальными ФАР [6]

Рассмотрим ФАР, состоящую из нескольких размещаемых на гранях правильной пирамиды с числом граней Возможны два режима фазирования подрешеток совместное и независимое. В первом режиме несколько подрешеток работают как единая система, во втором — каждая подрешетка сканирует независимо от других в определенном пространственном секторе углов При независимом фазировании методика расчета конструктивных и радиотехнических параметров подрешеток не отличается от методики, используемой для плоских ФАР.

Рис. 5.22. Сектор обзора из трех плоских решеток (см. рис. 5.1)

Рис. 5.23. Пирамидальная ФАР

Оптимальный угол наклона грани пирамиды аошможет быть определен, исходя из одного из следующих требований:

максимального в определенном направлении , в этом случае наименьших колебаний в полусфере, в этом случае [5]

Минимальный получается при максимальном отклонении луча от нормали в подрешетке [5]:

Для обзора полупространства требуется телесный угол сканирования стерадиан. Для больших секторов обзора нетрудно определить телесный угол обзора пространства по формуле

Рис. 5.24. Телесный угол

где — угол при вершине конуса (рис. 5.24).

Телесный угол обзора одной грани при отклонении луча на угол образует телесный угол

Так, при секторе сканирования телесный угол обзора составляет -стерадиан и для обзора полупространства достаточно трех плоских решеток в виде трехгранной призмы. На рис. 5 25 показана область обзора пирамидальной ФАР.

Рис. 5.25. Сектор обзора пирамидальной ФАР

Ниже в табл. 1 приведены размещения плоских решеток на гранях пирамиды, т.е. приведены результаты расчета характеристик пирамидальных решеток с разным числом граней, разным типом подрешеток и шириной луча 5,6°. Недостатком такого размещения является падение антенной системы по оси самолета в главном направлении. Преимущества — модульная конструкция и параллельное формирование трех и более лучей при моноимпульсной работе.

Таблица 1 (см. скан)

В табл. 1, в столбце, соответствующем пирамидальным ФАР с подрешетками в виде ККАР, число элементов определено без учета требований к УБЛ. Число граней — это число независимо функционирующих АР. Минимальное число граней в такой решетке может быть равно двум (рис. 5.26).

Две решетки, расположенные на двухгранном угле, при независимом возбуждении позволяют получить двухлучевую систему и увеличить сектор обзора. Двухгранная решетка с углом при вершине а перекрывает по углу места сектор сканирования При большем угле происходит перекрытие секторов сканирования решетки и уменьшение общего сектора сканирования в азимутальной плоскости. Сектор обзора такой решетки показан на рис. 5.27 при .

Рис. 5.26. Двухгранпая решетка

Рис. 5.27. Сектор обзора двухгранной решетки

За пределами конусов обзор отсутствует. В пределах каждого конуса обзора может работать независимый луч.

Число излучателей в приближенно будет найдено, исходя из ряда теоретических положений. Минимальное число элементов, как известно, определяется формулой

Для получения заданного КНД, число излучателей определяем из соотношения где излучателя. При этом получается достаточно высокий уровень первых и дальних боковых лепестков. Приближенно число излучателей, обеспечивающее при сканировании может быть найдено из теории ФАР с широкоугольным сканированием. Так, в плоских решетках определяется шагом.

Для выпуклых решеток, у которых излучающая поверхность больше эквивалентного плоского раскрыва, шаг может быть больше. Кроме того,

в ВФАР возникает неэквидистантность размещения излучателей в эквивалентной апертуре при равномерном размещении на поверхности. При любом направлении луча в ВФАР излучение происходит по нормали к выпуклой поверхности.

Все это дает возможность увеличить шаг излучателей в решетке. В конформных шаг возрастает до [3].

Число элементов в антенне находим по излучающей поверхности и площади элемента в зависимости от конфигурации и сектора сканирования. При число элементов в решетке для каждого из вариантов приведены в табл. 2.

Таблица 2 (см. скан)

Число модулей будет одним из решающих факторов, определяющих стоимость МБАФАР.