1. Основы теории антенных решеток

1. ВВЕДЕНИЕ

Постоянно возрастающие требования, которые в век космоса и ракет предъявляются к современным системам связи и радиолокации, выдвинули на первый план проблему фазированных антенных решеток (ФАР). Необходимость выполнения одновременно многих функций (т. е. наблюдения, распознавания, слежения и т. д.) при работе на большой мощности, в неблагоприятных окружающих условиях и быстрой выдаче результатов стимулировала исследование, разработку и конструирование фазированных антенных решеток. На рис. 1.1-1.4 показано несколько фазированных антенных решеток, которые уже рассчитаны и построены. Системы, содержащие ФАР, были испытаны на земле и на воде. Нетрудно предвидеть, что фазированные антенные решетки с элементами и узлами в миниатюрном исполнении будут использоваться на самолетах и в космосе.

Антенной решеткой называется антенная система, состоящая из более чем одного ацтепного элемента с когерентным излучением. Излучающими элементами могут быть вибраторы, рупоры (открытые концы волноводов), параболические отражатели, спиральные, диэлектрические антенны и т. д. Вначале антенная решетка рассматривалась в основном как средство более эффективного управления распределением доля в раскрыве антенны. Для построения антенн с высокой угловой разрешающей способностью использовали большие плоские антенные решетки.

Плоская пориодическая фазированная антенная решетка состоит из идентичных излучателей, которые расположены в узлах плоской двоякопериодической сетки. Электронное сканирование диаграммой направленности антенной решетки достигается путем изменения сдвигов фаз между токами двух соседних элементов решетки (управляющих фаз) по определенному закону. В данной главе обсуждаются преимущества анализа фазированных антенных решеток на основе решения граничной задачи в строгой постановке, а также недостатки различных приближенных подходов.

В классической теории антенных решеток не учитывается взаимное влияние элементов решетки. Так, диаграмма направленности ФАР конечных размеров записывается как произведение множителя решетки и диаграммы направленности элементов

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

решетки. Множитель решетки определяет форму луча и уровень боковых лепестков диаграммы направленности решетки, а также отражает связь между геометрией решетки и управляющими фазами, с одной стороны, и направляющими косинусами луча, с другой. Функциональное соотношение между множителем решетки, управляющими фазами и направляющими косинусами луча может служить основой для построения удобпых диаграмм, известных как диаграммы дифракционных максимумов. Эти диаграммы наглядны и их часто используют при обсуждении характеристик антенных решеток и при расчете их конструкций.

Экспериментальные и теоретические исследования показали, что взаимным влиянием элементов пренебрегать нельзя, особенно в том случае, когда элементы антенной решетки расположены довольно близко друг к другу (например, при расстояниях между ними Взаимное влияние существенно сказывается на коэффициентах отражения и характеристиках излучения (как функциях направления луча) ФАР. Кроме того, в антенных решетках конечных размеров диаграммы направленности и зпачепия коэффициентов отражения для различных элементов могут зависеть от относительного положения элементов в решетке (например, существенно сказывается близость элемента к краю решетки).

В «большой» плоской антенной решетке основная масса элементов центральной области является почти однородной и наиболее важные особенности их поведения могут быть достаточно точно описаны поведением излучателей бесконечной антенной решетки. Поэтому бесконечная решетка может с успехом служить моделью для анализа больших плоских антенных решеток. В этом случае диаграмму направленности антенной решетки все еще Можно представить в виде произведения множителя решетки и диаграммы направленности одного элемента, которая должна определяться с учетом окружения элемента в бесконечной решетке. Эффекты взаимной связи учитываются при этом в диаграмме направленности элемента (соответствующей одному возбужденному элементу в решетке при остальных окружающих элементах, соответствующим образом нагруженных). Можно получить некоторое общее выражение, связывающее коэффициенты взаимной связи, коэффициенты отражения и диаграмму направленности по мощности одного элемента. Кроме того, используя понятие идеальной диаграммы направлеппости по мощности элемента решетки, можно сформулировать концепцию идеально согласованных антенных решеток.

В последние годы большое внимание уделялось бесконечным антенным решеткам из щелевых излучателей, вибраторов и элементов типа «листок тока». Однако структура таких моделей и необходимость упрощающих предположений при анализе ограничивают их применение при разработке практически используемых

излучателей для антенных решеток, в которых элементы размещены близко друг к другу. В данной книге основное внимание обращено на анализ излучателей типа открытых концов волноводов. Для антенной решетки с такими элементами возможна строгая постановка граничной электродинамической задачи в виде интегрального уравнения (см. гл. 2).

Интегральные уравнения можно решить численно (а в некоторых случаях даже и аналитически) с высокой степенью точности, и поэтому они оказываются мощным инструментом для исследования и разработки фазированных антенных решеток.

Этот метод анализа можно распространить на вибраторные и сходные с ними типы элементов антенных решеток. Более того, используемый подход приводит к некоторым общим теоретическим положениям и выводам, которые обсуждаются в последующих главах. Различные аспекты, касающиеся радиотехнической системы в целом, а также вопросы синтеза диаграмм направленности ФАР широко освещены в литературе [1-3], и поэтому в дальнейшем мы не будем их рассматривать.