14.5. СКАНИРУЮЩИЕ СИСТЕМЫ

14.5.1. Движение луча

Сканирование можно определить как периодическое изменение диаграммы направленности антенны в соответствии с практическими требованиями. Если вся антенна может механически вращаться или качаться, то возможно сканирование лучом в большой области пространства [154]. Такое механическое движение может быть спиральным, однолинейным или многолинейным, а фидер питания содержать одно или несколько вращающихся сочленений. Более высоких скоростей можно достичь при секторном сканировании с помощью двух или трех идентичных антенн, питаемых через вращающийся переключатель. При больших размерах вращение всей антенны весьма затруднительно и поэтому были изобретены другие методы сканирования.

В методе, основанном на малом смещении диаграммы направленности, ее сечение состоит из двух лепестков, которые пересекаются на относительном уровне, например 80% по амплитуде. Экспериментально показано [50], что если облучатель сместить из фокуса на небольшое расстояние то луч отклонится на угол При больших отношениях коэффициент отклонения луча К близок к единице [427]; при значениях меньших 0,6» он зависит от закона спадания амплитудного распределения в раскрыве и от Для типичного полного параболоидального зеркала значение К приблизительно равно 0,8. При статическом методе энергия от двух лепестков диаграммы направленности поступает одновременно через гибридные соединения, причем принимаются меры, чтобы избежать чрезмерного взаимного влияния [274]. При методе переключения энергия попеременно излучается через каждый лепесток; одна из конструкций [5] на частоте состояла из параболического цилиндра длиной и шириной раскрыва около который облучался линейкой из полуволновых диполей, возбуждавшихся с переменной фазой.

При динамическом методе первичный или вторичный источник излучения вращается так, чтобы луч антенны совершал круговое движение с малым углом отклонения (коническое сканирование) [274]. Вращение рефлекторов диаметром более с требуемой обычно скоростью около 2000 об/мин оказывается непрактичным; в таких случаях предпочтительнее вращать первичный облучатель. Чтобы избежать вращения плоскости поляризации, обычно используется круглый волновод с волной конец которого смещен в сторону от оси так, что получается вынесенный из фокуса облучатель, как показано на рис. 14.18, а.

На рис. 14.18,б изображен облучатель, проходящий через отражатель [291]; он облучает параболоид диаметром с фокусным расстоянием и перекрывает диапазон частот 9,1-9,6 Ггц. При работе на передачу высокочастотная энергия вводится через прямоугольный волновод и проходит последовательно от переходной секции к круглому волноводу через поглотитель волны с перпендикулярной поляризацией, первое вращающееся сочленение, четвертьволновую фазирующую секцию и второе вращающееся сочленение.

Рис. 14. 18. Первичные облучатели для параболоидов с коническим сканированием. Частота 9,1 — 9,6 Ггц. а — облучатель, излучающий вперед с лииейной поляризацией; б - облучатель с излучением назад, допускающий линейную и круговую поляризации. (См. [291].)

Отсюда энергия следует через полуволновую фазирующую секцию или через полый волновод и затем через переходную секцию поступает в круглый волновод с диэлектрическим заполнением. Далее энергия из облучающих отверстий направляется через герметизирующий колпак на параболоид и поскольку апертура облучателя смещена относительно оси параболоида, то луч антенны совершает движение по окружности. Входной волновод, переходная секция и поглотитель паразитной волны могут вращаться и устанавливаться в одно из четырех возможных положений.

Вертикальная поляризация получается при таком положении прямоугольного волновода, когда электрический вектор вертикален, а четвертьволновая фазирующая секция ориентирована горизонтально и не оказывает влияния. При повороте входного волновода на 90° получается горизонтальная поляризация и четвертьволновая фазирующая секция опять не оказывает влияния. Если же прямоугольный волновод поставлен под углом 45° к вертикали, то

получится круговая поляризация. Поляризация с правым вращением получается, если электрический вектор при наблюдении со стороны входного волновода повернут влево, а левое вращение получится, если вектор Е повернут вправо. С помощью полуволновой фазирующей секции, вращающейся вместе с облучателем, можно получить линейную поляризацию, вращающуюся с удвоенной скоростью сканирования.

Использование намагниченных ферритов [304, 370, 403] расширяет возможности антенн при сканировании. Например [7] показано, что диаграмма направленности для прямоугольнного волновода с волной при наличии в раскрыве ферритовой пластины обладает невзаимными свойствами. Было найдено, что при наложении поперечного магнитного поля порядка передающий луч отклоняется на угол от оси, а при приеме луч находится в положении —25°. Кроме того, два отверстия, расположенные симметрично на широкой стенке волновода на расстоянии четверти ширины волновода от краев, имеют диаграмму направленности, которой можно управлять путем наложения поперечного магнитного поля. Симметричное отклонение луча получается [519] с круглым волноводом, в котором распространяется волна с круговой поляризацией; в этом случае феррит располагается вблизи выхода и возбуждается полеречным магнитным полем. Коническое сканирование на частоте было осуществлено с помощью сферы из материала феррамик-Rl диаметром 0,89 см с добавлением пластинки с излучающими отверстиями. При правильно сконструированных магнитных цепях с помощью ферритов можно получить высокоскоростное сканирование.

При качании луча, излучаемого антенной с гофрированной поверхностью, происходит распространение под углом к поверхности структуры. При изменении направления распространения относительно гофр от перпендикулярного до продольного скорость волны плавно возрастает [167], достигая скорости в свободном пространстве. Эксперименты [206], проведенные на частоте 9,5 Ггц с гофрированной поверхностью, имеющей углубления шириной около и глубиной около показали возможность управления диаграммой направленности по углу места для углов сканирования, по крайней мере, в пределах путем небольшого изгиба поверхности и плавного изменения гофр этой диаграмме направленности была придана косекансная форма. Азимутальная диаграмма направленности при сканировании не изменялась.

Связанные с быстрым сканированием механические проблемы облегчаются при переходе от качания облучателя к его вращению. Примером может служить система из параллельных пластин, преобразованная так, как показано на рис. 14.19, а. В рупорную антенну с фазокорректирующей линзой помещается плоское зеркало так, что облучатель качается в направлении, перпендикулярном первоначальному. Горловина рупора изгибается таким образом, что движение облучателя преобразуется

в быстрое вращение. При этом происходит небольшая расфокусировка на краях сектора сканирования, так как в результате изгибания облучатель вынужден двигаться со смещением от оптимальной фокальной дуги.

Такой метод перемещения лишь одного относительно небольшого облучателя может быть использован для сканирования в пределах 360°.

Рис. 14. 19. Антенные сканирующие системы: а — свернутый рефлектор; б - качание луча посредством изменения фазы; в — сканер Фостера.

Антенна в виде стеклянного сосуда для песочных часов [159] представляет собой комбинацию зеркала специальной формы в вертикальной плоскости и кольцевой решетки облучателей в горизонтальной плоскости. Поверхность отражателя имеет форму параболического тора, полученного при вращении образующей параболы вокруг оси параллельной директриссе, причем парабола обращена к оси вращения выпуклой стороной. Облучателем служит решетка трубчатых диполей с «разбрызгивающими» пластинами; диполи расположены под углом 45°, что позволяет принимать сигнал с горизонтальной, вертикальной и круговой поляризациями. Возможна также

реализация таких требований, как работа в различных диапазонах частот и независимое сканирование несколькими лучами.

Антенну с сектором сканирования в 360° можно также выполнить в виде поверхности, образованной вращением параболы, которая обращена к оси вращения вогнутой стороной так, что облучатель теперь находится внутри получившейся замкнутой поверхности. Очевидно, что эта поверхность должна быть радиопрозрачной и в то же время отражать падающее на нее поле первичного облучателя. Для этого можно на поверхности расположить сетку, ориентированную под углом 45° к горизонтали; тогда в диаметрально противоположных точках поверхности ориентации сеток будут взаимно перпендикулярны. Следовательно, соответствующим образом поляризованное внешнее поле, падающее на антенну, пройдет через поверхность и отразится от диаметрально противоположной стороны. Одна такая антенна [216] диаметром 2 м на частоте имела соответственно в азимутальной и угломестной плоскостях ширину луча 3,65 и 3,75° и уровень боковых лепестков —25 и —34 дб. Спираль [144] аналогичной конструкции на той же частоте и при размере апертуры 1,8 м образует луч с азимутальной шириной около 1,3°. Облучатель имеет конструкцию, которая позволяет осуществлять небольшое сканирование по углу места, причем с помощью переключения многоэлементного облучателя можно получить как очень быстрое перемещение луча, так и одновременную работу нескольких лучей.

Сканирование в одной плоскости без искажений [573] можно осуществить с помощью модифицированных систем с параллельными пластинами; при этом проводящие поверхности изгибаются так, чтобы получилась геодезическая конструкция [267], [328]. В качестве примера такой фокусирующей конфигурации [1121 может служить пара параллельных пластин одного радиуса, расположенных против пары пластин, ограниченных круговой дугой, имеющей вдвое больший радиус. Затем полосы изгибаются и соединяются так, что получается секция усеченного конуса; наконец путем изгибания без растяжения излучающая апертура превращается опять в прямую линию. Такая антенна может сканировать лучом шириной 1° в азимутальном секторе 40° с частотой до 60 гц.

В геодезическом аналоге линзы Люнеберга в силу круговой симметрии облучатель может вращаться по окружности [607]. Одна из конструкций [221] с размером апертуры 1 м работала на частоте 2,8 Ггц, причем внутри сектора сканирования ±15° уменьшения КНД не наблюдалось. В других линзах [180, 339] для управления фазой используются диэлектрические пластины переменной толщины. Была предложена [383, 384] конструкция свернутой линзы Люнеберга, достоинством которой является меньший радиус вращения облучателя. В антенне для 16 Ггц фокусирование производится в два этапа [198]: цилиндрическое зеркало сводит лучи падающего поля в линию, а затем модифицированная линза Люнеберга

фокусирует линию в точку, в которой лучи попадают в секториальный рупор. При допусках на изготовление порядка 0,076 см никакого ухудшения характеристик не происходило.

Путем перемещения облучателя по поверхности сферической линзы Люнеберга можно осуществить быстрое сканирование луча без искажений в полном телесном угле . Такие линзы были разработаны и оказались удовлетворительными [572]. Так как облучатель линзы Люнеберга не затеняет выходной апертуры, то здесь можно использовать волновод, нагруженный ферритом. Быстрое сканирование в секторе, достигающем ±30°, было осуществлено таким образом [306] с помощью 45 см линзы, которая на частоте образовала луч шириной около 4,5°. Полусферическая линза Люнеберга диаметром представляет новый тип облучателя [313] для параболоида, работающего на частоте Искусственный диэлектрик состоял из алюминиевых дисков, укрепленных на оболочках из стеклоткани, погруженных в пенистый пластик; диэлектрическая проницаемость изменялась от единицы до максимального значения по квадратичному закону.