9. Методы улучшения согласования фазированных антенных решеток

1. ВВЕДЕНИЕ

Рассогласование между элементами ФАР и источниками их возбуждения не только снижает усиление антенны и k. п. д. системы, но в случае мощных систем может стать причиной применения специальных средств охлаждения. Иногда оно даже может влиять на стабильность частоты генераторов. Следовательно, необходимо конструировать решетки, имеющие хорошее согласование в заданном секторе углов сканирования. Это требование оказывается особенно трудно выполнить в условиях, когда возможности выбора конструкции элементов решеткн ограничены предъявляемыми к ней требованиями механического и электрического характера, а также условиями эксплуатации решетки.

В идеальной решетке элементы должны быть абсолютно согласованы с источниками возбуждения в заданном секторе углов сканирования и рабочей полосе частот. Кроме того, для применения элемента в конкретной системе обычно требуется определенная поляризационная характеристика. Хорошо согласованный реальный элемент решетки не всегда дает желаемую поляризацию, необычно поляризационную характеристику можпо модифицировать соответствующим выбором фидерных цепей элемента. Поэтому в данной главе особое внимание уделяется вопросам оптимизации согласования элементов решетки.

Для обеспечения согласования элементов решетки было предложено несколько методов расчета. Дадим краткий обзор основных особенностей этих методов, а затем обсудим более общие методы оптимизации согласования, которые были применены при конструировании некоторых типов элементов реальных решеток.

Для оценки согласования элементов решеток при нескольких дискретных углах сканирования использовались волноводные модели [1-4]. (В гл. 2 и 7 было показано, что моделировать можно только решетки, обладающие некоторой симметрией.) При. этом измерялось эффективное согласование. Таким же образом! можно определить влияние согласующих устройств, помещенных в раскрыве элемента или в фидерной линии. Полезность этого метода ограничивается, однако, тем числом дискретных значений углов сканирования и типов поляризации, которое можпо

промоделировать при разумных размерах модели. Для каждой комбинации угла сканирования и типа поляризации требуется своя волноводная модель.

В целях достижения согласования в широком секторе углов было предложено [5] использовать тонкий лист с высокой диэлектрической проницаемостью, размещенный на некотором расстоянии от раскрыва. Как показали расчеты, основанные на теории длинных линий, и измерения на модели, таким путем можно значительно улучшить согласование. Однако при ограниченном числе измерений на модели могут остаться необнаруженными вынужденные резонансы поверхностной волны (см. гл. 0). Кроме того, применимость этого метода к различным типам элементов решеток, пока еще не доказана.

Для улучшения согласования ФАР, состоящих из узких щелей, тонких вибраторов или прямоугольных волноводов, предлагалось использовать тонкие металлические экраны [4] и ребристые структуры из пластин, параллельных -плоскости [6]. Результирующее согласование решетки определяется путем анализа на основе теорий длинных линий, в котором учитываются рассеивающие свойства пластин, а также элементов решеток, которые теперь излучают внутрь области параллельных пластин. Эти способы согласования применялись при работе с указанными выше элементами и при конкретном типе поляризации возбуждающего поля.

В работе [7] предложено использовать многомодовое возбуждение решеток из прямоугольных волноводов или параллельных пластин. При этом для получения хорошего согласования можно в некоторых пределах регулировать относительные комплексные коэффициенты соответствующих типов волн. Однако результирующее согласование решетки в этом случае может зависеть от частоты.

В предыдущих главах для исследования характеристик плоских волноводных решеток применялись аналитические и численные методы. Эти методы можпо использовать и для расчета оптимально согласованного элемента решетки. Такое же важное значение, как эти методы, имеет метод систематического синтеза согласующей цепи, позволяющий достичь оптимального согласования решетки в широком секторе углов сканирования и в требуемой полосе частот. При атом следует использовать результаты, полученные аналитическими методами.

Для согласования ФАР в раскрыве можно помещать тонкие диэлектрические листы, вставки, а также тонкие металлические диафрагмы. Однако в этом случае при конструировании оптимально согласованного элемента можно полагаться лишь на данные анализа. Это ограничение обусловлено тем, что при различных значопиях параметров согласующих устройств нужно заново решать граничную задачу для данной решетки.

Для уменьшения зависимости согласования от частоты согласующее устройство обычно размещают в непосредственной близости от раскрыва элемента. Однакб во многих практических случаях оказывается либо невозможно, либо нежелательно согласовывать элемент решетки вблизи его раскрыва. Удобнее вводить согласующие устройства в фидерные линии или в другие точки системы, где они не оказывают влияния на распределепие поля в раскрыве. При этом можно использовать числовые значения коэффициента отражения элемента, найденные в процессе синтеза, основанном на теории длинных линий. Они позволяют определить параметры оптимального согласующего устройства.

Такие соображения, как стоимость и простота конструкции, а также интуиция иногда приводят к выбору элемента, форма которого плохо поддается анализу или численным методам решения. Значения коэффициента отражения такого элемента можно получить из сравнительно простых измерений.

В данной главе рассмотрены систематические методы определения параметров оптимальных согласующих устройств, размещаемых во внутренней области. При этом можно использовать результаты, полученные экспериментальным путем или численными расчетами. Исходной точкой синтеза можно взять величину коэффициента взаимной связи или коэффициента отражения. Хотя эти методы базируются на модели бесконечной решетки, результаты расчета хорошо согласуются с результатами измерений на решетке конечных размеров.

Рассмотрены одномодовый элемент решетки (т. е. элемент, возбуждаемый только одним типом волпы) и двухмодовый (возбуждаемый двумя типами волн с ортогональной поляризацией). Описаны экспериментальные методы определения согласования решетки и оптимальной конструкции элемента.