Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств

Подождите немного. Документ загружается.

охватывала заданный пространственный сектор, сосед-

ние ДН должны пересекаться не ниже, чем на уровне

3—4 дб.

Питание многолучевой линейной решетки может быть

осуществлено как по последовательной, так и по парал-

лельной схемам.

В схеме последовательного питания [Л. 38] (рис. 8-61)

от каждого излучателя идет линия передачи, заканчи-

вающаяся согласованной поглощающей нагрузкой. Эта

линия связана с линиями передачи, идущими от входов

янтснны, с помощью направленных ответвителей. На-

правления передачи энергии показаны на рисунке стрел-

ками. Расстояние между излучателями выбирается, как

обычно, порядка полуволны, следовательно, необходимо

предусмотреть их переменнофазное возбуждение.

Рассмотрим принцип действия схемы. Направление

главного максимума ДН первого входа определяется

выражением (8-27), в котором / надо положить равным

d. Для любой другой линии, отклоненной на угол р, ве-

личина

= d(secp + tgp). (8-107)

Следовательно, положение луча любого входа определя-

ется данными применяемых линий передачи и углом их

наклона |3:

sinu

rJI

=4-

(SeC

W~2?_

108)

На рис.

8-61,#

приведено примерное расположение ДН

пяти входов решетки, показанной на рис. 8-61,я.

Уровень боковых лепестков определяется амплитудной

характеристикой. При работе от одного входа (рис.

8-62,а)

она может быть определена, если известны коэффициенты

передачи Т* о\ входа линии до я-го излучателя:

= И* С

, (8-109)

где

—

коэффициент передачи в линии А от ее входа до

линии /г-го излучателя;

—

коэффициент связи по напряжению направленного

ответвителя номера п.

Для равномерно фазированной решетки

= \t

\e-

*\ (8-110)

441

Значительно сложнее найти амплитудную и фазовую

характеристики при работе от других входов. Рассмот-

рим принцип ее определения для случая двух входов

(рис.

8-62,6). Наличие направленных ответвлений из-

бавляет линию А от влияния всех линий, расположен-

ных левее, в частности от влияния линии В.

атветвитель

&А

-4 3

-4 2

-О»

&В

в>А

-4 4

-О

«-г

-О"

-о л-»

-4з

-42

-О»

а) б)

Рис 8-G2 Многолучевая антенная решетка

а — питаемая от одного входа, б — питаемая от двух входов

ДН при питании антенны от первого входа идентич-

на ДН решетки с одной питающей линией. Однако пи-

тающая линия А заметно влияет на ДН линии В. Ко-

эффициент передачи от входа линии В к га-му излуча-

телю равен:

К - «;с

V1 -

С\

£ tl tlC\, (8-111)

*=i

где /

— коэффициент передачи между линиями к- и л-го

излучателя по линии А.

Так как

^ | = | 6<n 116<|, то, учитывая (8-110), полу-

чаем:

=it

Vl-C

it*C

y,Cie

-,2 -'*<Ф1/?-*Ы>

(8-112)

Первое слагаемое представляет собой невозмущенное

распределение, сущее шовашее бы в случае одной липни

442

питания В (несколько уменьшенное по амплитуде). Вто-

рое слагаемое является возмущением за счет наличия

питающей линии А; обозначим его S

. Положим для

простоты, что связи во всех направленных отвствителях

одинаковы (С„ = С

). Тогда S

может быть вычислено

по формуле

~,*

_с§

113)

АН п 0 ,.. .... „ 0

.1,

,, .

1В

—

+1У1

" °^\В— *

\А

Каждое из слагаемых, входящее в выражение (8-113),

дает свое фазовое распределение по решетке.

Первое слагаемое имеет такое же фазовое- распре-

деление, что и при питании от одной линии В, но на-

ходится с ним в квадратуре. Поэтому это слагаемое

слабо влияет на ДН.

Второе слагаемое имеет то же фазовое распределе-

ние,

что и при питании от одной линии А [см. (8-Ю9)], но

ею амялитудд уменьшена в ^ г- раз но сравнению

с амплитудой возбуждения от линии А. Этот коэффици-

ент зависит от разницы ip

—ty

; чем ближе лучи, тем

сильнее влияние между линиями питания.

В случае решетки с одинаковыми связями при КПД,

равном 75%, влияние на линию В соседней линии пере-

дачи А при расстоянии между направлениями главных

максимумов, равном 2б

0|5

, сказывается [Л. 38] 3 образо-

вании одного бокового лепестка с уровнем —13 дб в на-

правлении главного максимума ДН для линий А. При

расстоянии между направлениями главных максимумоз

в 4 6

0i5

боковой лепесток имеет уровень —19 дб-

Для иллюстрации возможностей подобной схемы при-

ведем данные антенны радиолокатора определения вы-

соты самолетов

HRAS-1.

Рабочая длина волны порядка

10 см, высота решетки — 45 м. Антенна формирует

ПО ДН, заполняющих сектор по углу места от 0,5 до

40°.

Близкие к перпендикуляру ДН имеют ширину по

уровню —3 дб 6 мин. Антенна работает на прием; на

ее выходе подключены 110 приемных каналов.

В линейной многолучевой решетке с параллельным

питанием между входами и излучателями находится

пассивный многополюсник СВЧ. Он соединяет N выхо-

дов,

к которым подключены излучатели, с N входами та-

ким образом, что при возбуждении от любого рхода ре-

443

шетка имеет линейную фазовую характеристику, прису-

щую только данному входу.

Общий анализ [Л. 40] показывает, что наименьшими

потерями обладает система с равномерной амплитудной

характеристикой. Для того чтобы при любом отклонении

главного максимума в ДН не появлялись вторичные

главные максимумы, рас-

стояние между излучателя-

ми не должно превышать

К/2

(см. §8-1).

Для определения коли-

чества ДН (лучей), расстоя-

ния между направлениями

их главных максимумов,

уровней перекрытия послед-

них, а также для определе-

ния неоходимого фазового

сдвига между соседними из-

лучателями -ф! удобно рас-

смотреть множитель решет-

ки в зависимости от фазово-

го сдвига 1|)

, получающегося

у полей соседних синфазно

возбуждаемых излучателей.

) Этот сдвиг равен:

'20 грей)

а)

120

град

Рис 8-63 ДН шесгиэлемент-

ной многолучевой решетки

а — крайние лепестки срезаются по

максимумам; б — крайние лепестки

срезаются по точкам пересечения

i|)o

= £dsin'0'=itsin'0',

(8-1

И)

где d принято равным Х/2.

В этой системе нули мно-

жителя решетки располага-

ются равномерно, их число равно (N—1), а расстояние

между нулями равно 2я/М (см. § 5-1). В качестве при-

мера на рис. 8-63 показан множитель решетки шести-

элементной антенны.

Вся система должна быть спроектирована таким об-

разом, чтобы потери в ней были минимальными. В ра-

боте [Л. 38] показано, что для этого необходимо, чтобы

ДН решетки были бы ортогональными на отрезке

—л<-фо<я, соответствующем изменению угла •& от

—л/2 до +trt/2 Этому требованию удовлетворяет распо-

ложение любой ДН таким образом, чтобы ее направле-

ние главного максимума соответствовало нулевым на-

правлениям всех остальных ДН (рис 8-63). Любое дру-

гое расположение главных лепестков или увеличение их

числа приводит к увеличению потерь в системе питания.

444

Следовательно, направления главных максимумов долж-

ны располагаться по оси

%р

на расстоянии 2л/N, а их

число (т. е. число лучей) равно числу излучателей.

При этом возможны два способа расположения глав-

ных лепестков: 1) так, чтобы крайние лепестки среза-

лись по максимумам (рис. 8-63,а), или 2) так, чтобы они

срезались по точкам пересечения (рис. 8-63,6). Второе

решение предпочтительнее, так как здесь нет двузначно-

сти у первой ДН.

Сдвиг фаз ф|

л>

, необходимый для получения каждой ДН,

легко определяется из соотношения (5-14а):

*? =

№>

(8-115)

т. е. сдвиг фаз между токами в соседних излучателях

t]/"'

численно равен положению главного максимума по

углу ф

. Для рассматриваемой шестиэлементной решетки

(п)

оказываются равными (рис. см.

8-63,5)

±30, ±90;

± 150°; отсюда легко получаются нужные для каждой ДН

фазовые распределения. Они позволяют спроектировать

схему питания излучателей, данные которой зависят также

от типа соединительных узлов, используемых в схеме.

Простейшими соединительными узлами являются че-

тырехполюсники; могут быть применены гибридные сое-

динения с направленными ответвителями (рис.

8-64,а)

или суммарно-разностные гибридные соединения

(рис.

8-64,6). Первые обладают тем свойством, что при

прохождении сигнала с любого входа он делится поров-

ну между обоими выходами так, что фазы сигналов

на выходах отличаются на 90°. Можно принять фазу вы-

хода, лежащего напротив входа, за нулевую и считать,

что при прохождении сигнала прямо гибридное соедине-

ние не вносит дополнительного сдвига, а при прохожде-

нии сигнала по диагонали он получает дополнительный

сдвиг фазы на 90°. В зависимости от типа направленно-

го ответвителя этот сдвиг может быть как в сторону

отставания, так и в сторону опережения. Для определен-

ности ниже рассматривается построение схем с гибрид-

ным соединением, дающим отставание.

В узле второго типа (например, в двойном волнозод-

ном тройнике) в том случае, когда сигнал поступает

с левого входа (рис. 8-64,6), фазы выходных сигналов

445

одинаковы; когда

он

поступает

правого входа, фазы

сигнала

на

выходах противоположны.

В случае применения

тех или

иных четырехполюсни-

ков число излучателей должно быть равно

. В

проме-

жутках между четырехполюсниками включаются

по-

стоянные фазовращатели; длина всех линий передачи

должна быть одинаковой.

Вход

90°

б)

Рис 8-64 Четырехполюсники, применяемые

в схемах питания многолучевых антенн.

—

гибридное соединение

направленными ответви

телями,

—

суммарно разностные гибридные соеди

пения

На

рис. 8-65

приведена схема питания восьмиэле-

ментной решетки

применением гибридных соединений

с направленными ответвителями.

схеме, кроме

гиб-

ридных соединений, имеются восемь постоянных фазо-

вращателей Вносимый последними фазовый сдвиг ука-

зан около каждого

из них.

Необходимые

для

каждого положения

ДП

фазовые

сдвиги

ty\

равны d_2ic/16; =£6*/16; =fc 10«/16; ±14тс/16.

На схеме легко проследить получение нужных набе-

гов

фаз,

начиная

любого входа.

При

этом следует

иметь

виду,

что при

прохождении гибридного соеди-

нения

по

диагонали 'фаза изменяется

на л/2.

Главные

446

лепестки, сформированные эгой решеткой, пересекаются

на уровне

— 4

дб и перекрывают почти все 180°.

Схема питания восьмиэлементнои решетки с приме-

нением суммарно-разностных устройств показана на

рис.

8-66. В ней, кроме 12 суммарно-разностных

Из/и/чате/ш

Выходы лучей

Рис 8 65 Схема параллечыюго пита-

ния многолучевой линейной решегки

с гибридными соединениями с направ-

ленными огветвителями

устройств, установлено пять постоянных фазовращате-

лей, вносимый ими фазовый сдвиг указан на схеме. При

определении в этой схеме фазовых сдвигов в облучате-

лях надо учитывать, что если сигнал поступает на левый

вход суммарно-разностного устройства, то фазы выход-

ных сигналов совпадают. Если сигнал поступает на его

правый вход, то выходные сигналы находятся в проти-

вофазе; для определенности можно считать, что при

прохождении устройства по диагонали фаза сигнала из-

меняется на я, а при прохождении в прямом направле-

нии фаза сигнала не изменяется.

На основе приведенных схем может быть построена

схема питания 16-элсменгной решетки. Для питания та-

кой решетки необходимо к схеме питания 8-элементной

решетки добавить еще такую же схему, четвертый ряд

гибридных соединении и третий ряд постоянных фазо-

вращателей. Таким образом, при удвоении числа излу-

чающих элементов количество соединительных узлов ра-

447

стет значительно быстрее. Число гибридных соединений

М зависит от числа излучателей N и определяется по

формуле

М=

^п =

п,

(8-116)

где

n =

Например, схема питания решетки из 128 излучате-

лей потребует применения 448 соединений и более 300

Антенны

вдоль

решетки.

Выходы

лучей (или входы при работе на neptJvu)

Рис 8-66. Схема параллельного питания многолучевой

линейной решетки с суммарно-разностными четырехпо-

люсниками.

фазовращателей. Сложность рассмотренных схем пита-

ния является существенным их недостатком. Другим не-

достатком является строго фиксированное число излуча-

телей, равное целой степени двух. Оба эти недостатка

значительно смягчаются в случае применения соедини-

тельных элементов с большим числом входов и выходов

[Л.

39].

Применявшийся в рассмотренных схемах четырехпо-

люсник (рис.

8-64,а)

представляет собой схему питания

2-элемеитной решетки, обеспечивающую создание 2 ДН.

Обобщая это свойство, следует потребовать, чтобы

соединительные элементы с большим числом выводов

(6,

8, 10-полюсники и т. д.) обеспечивали получение т

независимых ДН, где т — число входов или выходов

многополюсника. Тогда, применяя указанный выше спо-

448

соб (см. рис. 8-63), получаем следующие фазовые соот-

ношения между выходными сигналами многополюсника:

Для шестиполюсника

1 вход: -j-; 0; д-;

2 вход: 0; 0; 0;

3 вход:

-?=-•

о-

Для восьмиполюсника

1 вход:

2 вход:

9п Зге

8 ' 8

Зге п

2ге

3 •

Зге

8 '

9ге

8 '

Зге

(Г*

Зтс тс тс Зтс

вход: —-.-; -^; -=-; ^;

4 вход:

9ге Зге Зге 9ге

Естественным является использование в соединитель-

ных узлах связанных линии передачи, так как при этом

требование развязки между входами и требование со-

гласования хорошо удовлетворяются. Схема многопо-

люсника должна делить мощность поровну между всеми

выходами, одновременно создавая необходимые фазовые

соотношения. Теория связанных линий показывает

[Л.

39], что требование равного деления мощности в си-

стеме, в которой входная линия связана с N—1 других

линий, может быть удовлетворено только при числе ли-

ний, не большем четырех. Шестиполюсник на коаксиаль-

ных линиях, удовлетворяющий поставленным требова-

ниям, показан на рис. 8-67,а, его три линии связаны друг

с другом таким образом ,что произведение коэффициента

связи (5i2 на длину области связи х равно 2л/9 (условие

равного деления мощности).

Фазовые соотношения" на выходе такой системы та-

ковы, что 'при питании от любой линии сигналы на вы-

ходах двух остальных линий отстают по фазе на 2я/3

от сигнала на выходе питающей линии. Для получения

требуемых фазовых соотношений на выходе второй линии

29—2541 449

включен постоянный фазовраща1ел1>, дающий фазовый

сдвиг 2я/3 (отставание на 120°).

Схема восьмиполюсника па коаксиальных линиях

приведена на рис. 8-67,6. Здесь па его выходе включено

три постоянных фазовращателя, дакэщпх указанные на

схеме фазовые сдвиги.

*>повыи

Ши-+ 45°

а)

Рис

8 67

а — шестиполюсник, создающий три независи

мые ДН, б — восмиполюсник, создающий чс

тыре независимые ДП

Если имеется возможность применять в схемах пита-

ния линейных решеток три рассмотренных многополюс-

ника, то число элементов в решетке определится соотно-

шением

(8-117)

Число требуемых соединительных элементов заметно со-

кращается. Например, для антенной решетки из 128

элементов требуется 160 соединительных узлов вместо

448 в схеме с одними четырехполюсниками.

Таким образом, применение в схемах питания четы-

рех-, шести- и восьмиполюсников, уменьшает число со-

единительных узлов почти до числа элементов.

Рассмотренные схемы питания могут быть использо-

ваны и в двумерных решетках [Л. 41]. При этом число

соединительных элементов сильно возрастает. Так, если

для питания четырехэлементной линейной решетки тре-

буется всего одна матрица, состоящая из четырех че-

тырехполюсников и двух постоянных фазовращателей,

то двумерная решетка 4X4 требует Для своего питания

восьми таких же матриц (рис. 8-68). Все одноимен-

ные выходы горизонтальных матриц подсоединены на

входы одной вертикальной матрицы. В то же время че-

тыре идентичных входа вертикальных матриц возбуж-

даются одной in той же горизонтальной матрицей. От-

450