14.5.2. Методы фазирования

Если в апертурное распределение ввести линейный набег фазы то луч изменит направление; применение этого принципа к решетке из семи элементов показано на рис. 14.19, б. Фазовый набег в каждом элементе очевидно пропорционален его расстоянию от центра решетки. В соответствии с этим фазовращатели включены параллельно, причем те, которые питают крайние элементы, должны давать большие по величине фазовые сдвиги, нежели те, которые питают центральные элементы. Если фазовращатели включены последовательно, то их можно разместить так, что все они будут давать одинаковый фазовый сдвиг и вращаться с одинаковой скоростью. В типичном сканере в каждой из питающих линий используется отдельный фазовращатель; фазовый набег получается с помощью большого числа переменных фазовращателей. Другой сканер [451] состоит из цепочки фазовращателей на спиральных линиях, которая дает соответствующую задержку для каждого элемента линейной решетки; при амплитудном распределении, которое дает в режиме бокового излучения уровень боковых лепестков — 18,5 дб, найдено, что при углах сканирования вплоть до 52° уровень боковых лепестков не превышает —14 дб.

В методе Альвареца сканирование производится [64] путем механического изменения резонансного размера и, следовательно длины волны в волноводе, питающем линейную решетку. Направление максимума излучения из желобного волновода можно изменять [673] либо путем вращения анизотропной структуры вокруг продольной оси, либо путем изменения критического размера,

например высоты центрального ребра. Если две спаренные спирали повернуть в противоположных направлениях на одинаковые углы, то фаза излучаемого ими поля изменится, но при этом направление поляризации остается без изменения; на этом принципе осуществлено [618] сканирование с помощью решетки из восьми пар в секторе более ±40°.

Быстрое сканирование легко осуществляется электрическими методами [749]. Например, можно использовать качание рабочей частоты в антенне типа щелевого волновода, работающего вблизи критической частоты, у которого диаграмма направленности зависит от частоты. Электрически управляемые фазовращатели можно выполнить на намагниченных ферритах, помещенных в волноводные структуры [87, 171, 369]. Из-за вносимых ферритовыми материалами потерь обычно приходится использовать параллельное соединение; в одной из таких систем [87] использовались синхронно работающие фазовращатели. Одна из современных разработок электронного сканирования основана на методе модуляции во времени [679, 680]. Для антенн с электронным сканированием основой могут также служить кольцевые решетки [745]. В одной конструкции [734] в радиальном волноводе имелись излучатели, расположенные в виде концентрических колец. Каждое кольцо излучателей питалось двумя усилителями мощности, и сканирование луча на 360° по азимуту производилось за счет изменения относительных фаз усилителей. Другие примеры электрического сканирования рассмотрены в гл. 25.

Для получения двухмерного сканирования дискретные излучатели могут располагаться в виде плоских решеток. Ошибки в таких решетках были изучены [268] на модели, в которой резонансный основной волновод имел линейную решетку из угловых щелей. Эти щели были связаны с системой волноводов, также имевшие угловые щели, которые составляли резонансную решетку. Все системы щелей имели амплитудное распределение Дольфа — Чебышева, обеспечивающее получение диаграммы излучения с уровнем лепестков —32 дб. Требуемые фазовые сдвиги в каждой волноводной ветви создавались линейными полистироловыми блоками. Было найдено, что уровень боковых лепестков зависит от фазового сдвига между элементами и от рассогласования импедансов в волноводных ветвях; контроль производился по наличию ложных боковых лепестков, обусловленных многократными отражениями в волноводных ветвях. Эффективная апертура [35, 609] таких сканирующих решеток примерно пропорциональна косинусу угла отклонения луча. В антеннах из дискретных элементов необходимо принимать меры [37] против искажения диаграммы направленности за счет изменений полных входных сопротивлений, которые при сканировании из-за взаимной связи элементов решетки изменяются [70, 127, 460]; результирующее изменение токов в крайних элементах от номинальных значений может привести к искажению диаграммы направленности.

Достоинством объемного сканирования с помощью двухмерных решеток является простота и экономичность по сравнению с вращающимися антеннами. Например [449], решетка для частоты 8,8 Ггц имела 10x10 волноводных шлейфов, питаемых основным волноводом через 10 волноводных ветвей. Все волноводные ветви представляли собой решетки с бегущей волной и имели апертурное распределение Дольфа — Чебышева с расчетным уровнем боковых лепестков —25 дб как в плоскости Е, так и в плоскости Н. Расстояние между элементами равнялось 3/4 к и пределы сектора сканирования ±30° относительно нормали к решетке обусловливались появлением лучей второго порядка.

Для случая непрерывной апертуры параллельный метод вращения фазы используется в сканере Фостера, где конический ротор быстро вращается внутри конического статора. Из изображенного на рис. 14.19, в разреза видно, что лучи, распространяющиеся по линии передачи с параллельными пластинами, образованной ротором и статором, проходят различные расстояния в зависимости от их положения на оси. Вращение конуса приводит таким образом к периодическому изменению углового положения излучаемого луча относительно фиксированной выходной апертуры. В обычной конструкции для отражения волны в нужном направлении используется система гребенок, причем для получения хороших электрических характеристик необходимо, чтобы зазор между зубцами был очень мал.

В примере, изображенном на рисунке, использованы дроссельные канавки, а в конструкции [202] для частоты 35 Ггц один из дросселей на статоре был объединен с твердым барьером; другой статорный дроссель и один из роторных дросселей были исключены, так как внутри ротора был помещен линейный источник, который питался через вращающееся сочленение. Ротор имел осевой размер 84 см, его диаметр спадал от 29,3 до 5,7 см, а ширина щели равнялась 0,16 см; в секторе шириной 50° сканирование производилось со скоростью 500 об/мин. Очевидно, что для больших апертур и больших секторов сканирования такие сканеры будут довольно громоздкими.