8.4. Задача формирования расширенного луча АФАР

В фазированных антенных решетках, как в активных, так и в пассивных, имеется возможность электрического управления не только ориентацией луча в пространстве, но и его формой. В пассивной ФАР (см. рис. 8.2) возможность управления формой луча реализуется только за счет управления фазами на фазовращателях [3]. В АФАР рассматриваемой конструкции (см. рис. 8.1), антенные элементы которой содержат, кроме фазовращателей, еще и МШУ, имеется и другая возможность электрического управления формой луча — за счет управления коэффициентами усиления МШУ, т. е. за счет регулировки амплитуд коэффициентов возбуждения антенных элементов.

Наибольший интерес для практики, с точки зрения управления формой луча, имеет задача о формировании расширенного луча в одной или двух плоскостях.

В данном разделе исследуем вопрос о реализуемом отношении сигнал/шум на выходе приемной АФАР с пространственным возбуждением при расширении луча. При этом рассмотрим амплитудный и фазовые (статистический и оптимальный детерминированный) методы расширения луча.

8.4.1. Расширение луча за счет амплитудной регулировки антенных элементов

Рассмотрим возможность формирования расширенного луча в АФАР за счет регулировки амплитуд коэффициентов возбуждения При этом ограничимся простейшим случаем, когда значения коэффициентов усиления могут принимать два значения — что соответствует либо включенному состоянию МШУ, либо выключенному. Считаем, что при выключенном состоянии на выходе МШУ мощность сигнала и собственного шума равны 0.

Рис. 8.4. (см. скан) Геометрия формирования расширенного луча

Идея управления шириной луча при включении и выключении МШУ сводится к управлению геометрическими размерами излучающей апертуры Эффект уменьшения размеров излучающей апертуры достигается путем выключения МШУ периферийных антенных элементов, что поясняется рис. 8.4, на котором изображен раскрыв АФАР в виде круга с внешним радиусом .

Предположим, что АФАР реализует режим узкого и расширенного в двух плоскостях луча. В режиме узкого луча МШУ антенных элементов на всем раскрыве включены и АФАР формирует луч шириной . В режиме широкого луча включены только МШУ антенных элементов внутри круга радиуса и АФАР формирует луч шириной

Идеализируя задачу, введем следующие предположения: приемный рупор АФАР имеет секторную при этом внутри конического сектора с углом а, (см. рис. 8 4), под которым виден раскрыв радиуса коэффициент усиления рупора имеет некоторое постоянное значение а вне этого сектора он равен 0;

предполагаем излучателей антенных элементов изотропными, так что в формуле (8.3) можно считать постоянными коэффициенты усиления .

полагаем решетку достаточно длиннофокусной, чтобы можно было положить в (8.3) постоянными расстояния т. е. , где расстояние от рупора до центрального антенного элемента.

Тогда мы можем считать, что коэффициенты возбуждения антенных элементов при включенных МШУ являются одинаковыми, и,

кроме того, переливы мощности за края раскрыва отсутствуют, т. е. что для режима узкого луча в выражении (8.6)

Введем коэффициент расширения луча под которым будем понимать отношение угловых площадей сечений луча на уровне до и после расширения

Тогда

Переходя к оценке принятой мощности сигнала в режиме широкого луча, учтем, что в режиме узкого луча мощность сигнала , на выходе АФАР будет

При расширении луча необходимо принять во внимание, что геометрическая площадь раскрыва теперь будет кроме того, появятся потери коэффициента усиления за счет эффекта «переливания» мощности за края раскрыва радиуса при облучении его секторной диаграммой рупора (угол облучения (рис. 8.4)). Эти потери определяются множителем

Тогда для принятой мощности в режиме широкого луча имеем величину

Из (8.14)-(8.16) следует, что изменение мощности принятого сигнала при переходе к расширенному лучу будет определяться соотношением

Определим изменение уровня собственного шума на выходе АФАР при расширении луча. Прежде всего заметим, что при условиях возбуждения мощность шума на выходе решетки в режиме узкого луча будет равна в соответствии с (8.2) величине

при этом в рассматриваемом приближении выражение для коэффициента (8.3) можно записать в виде

где К — число антенных элементов на раскрыве радиуса .

Очевидно, что в случае расширенного луча, величина мощности шума на выходе АФАР будет

где

а К - число антенных элементов в круге радиуса

Так как число антенных элементов пропорционально занимаемой ими площади на апертуре АФАР, то из следует:

Для условий возбуждения, соответствующих схеме рис. 8.4, нетрудно получить выражения для отношения сигнал/шум в режимах узкого и широкого лучей соответственно, воспользовавшись соотношениями (8.15), (8.16), (8.18) и (8.22)

Из (8.23) и (8.24) следует, что при переходе к расширенному лучу с коэффициентом расширения отношение сигнал/шум на выходе АФАР изменяется в соответствии с выражением