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

Подождите немного. Документ загружается.

преобразованными сигналами сохраняются, и поэтому

сдвиг фаз между сигналами в соседних излучателях,

равный kdcosb,

>в

направлении максимума главного ле-

пестка ДН должен быть скомпенсирован сдвигом фазы

в регулируемой линии передачи. Следовательно, направ-

ление главного максимума опять определяется выраже-

2-е

смегигпрли

•Pa

вращатели

(jjf = Utn ~

(i/,

2-й

гетеродин

'-и

гетрройин

Рис.

8-34. Литейная решетка с

ДВОЙРШШ

преобразованием частоты.

нием (8-20). После замены в нем длин волн через часто-

ты и фазовые скорости получаем:

cos6

rjr

—

Wi у

(8-44)

Может быть использована схема с двойным преобразо-

ванием частоты (рис. 8-34). Здесь фазосдвигающее

устройство может быть включено в цепи второй проме-

жуточной частоты (0.5 или в цепь второго гетеродина, как

показано на рис. 8-34. В общих случаях возможно ис-

пользовать фазосдвигающие схемы с сосредоточенными

параметрами. Преимуществом схемы, показанной на

рис.

8-34, является также работа фазосдвигающего

устройства на фиксированной частоте. Положение глав-

ного максимума в этой схеме определяется вьфажением

cosfir

C0j

с I X

со,

d d

(8-45)

391

Выражения (8-44) и (8-45) показывают, что в этих

схемах управление ДН может производиться и с по-

мощью изменения частош гетеродина, т. е. частотным

способом, что рассматривается ниже в § 8-4.

8-3.

КОММУТАЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ДИАГРАММОЙ

НАПРАВЛЕННОСТИ

Основными недостатками электрически управляемых

антенн с ферритовыми и полупроводниковыми фазовра-

щателями с непрерывным изменением фазы являются

большие потери, сложность управляющих схем, высокие

требования к идентичности и стабильности работы фа-

зовращателей и их источников питания.

Все эти недостатки в значительной мере могут быть

смягчены с помощью применения коммутационного

управления ДН [Л. 20], при котором вместо проходных

фазовращателей используются коммутаторы [Л. 21] или

коммутационные фазовращатели [Л. 22]. Стабильность

коммутационной антенны определяется тем, что управ-

ляющие фазой элементы (полупроводники, ферриты

и т. п.) работают в режиме, в котором используются

только две крайние области их характеристики. Кроме

того,

коммутационная антенна имеет более простое

управляющее устройство, чем антенна с проходными фа-

зовращателями, выполненная по параллельной схеме.

Это связано с тем, что здесь положение луча в про-

странстве определяется не величиной управляющего на-

пряжения на фазовращателях, а лишь включением на-

пряжения на те «ли иные коммутаторы.

Однако коммутационные антенны обладают рядом не-

достатков, важнейшими из которых является наличие

фазовых ошибок, определяемых тем, что фазы излучате-

лей меняются окачком и могут принимать только опре-

деленные значения. Это влечет за собой снижение КНД

ангенны, появление вторичных главных максимумов и

увеличение уровня бокового излучения, а также увели-

чение реактивной мощности антенны. Для подавления

вторичных максимумов период фазовых ошибок вдоль

антенны должен быть мал, для чего необходимо иметь

малый шаг излучателей и большое замедление в возбуж-

дающем волноводе, что создает известные конструктив-

ные трудности и влечет за собой снижение КПД систе-

мы.

Перемещение ДН коммутационной системы произво-

дится скачками, величина которых должна быть меньше

392

ширины главного лепестка по точкам половинной мощ-

ности.

Возможны два способа построения коммутационных

антенн. При 'первом из них каждый излучатель линейки

обладает определенным набором фаз, из которого и про-

изводится выбор нужной фазы коммутационным мето-

дом. При втором методе на каждом из участков антенны

длиной в А/2 помещено несколько излучателей, питае-

мых с различными фазами, и производится выборочное

их включение. В соответствии с этим имеются два основ-

ных типа коммутационных антенн.

Коммутационная антенна первого типа представляет

собой линейку излучателей, фаза каждого из которых

может меняться скачком на Дг|)

=2я/Л1, где М — целое

число Переключение фазы может осуществляться с по-

мощью коммутаторов (рис.

8-35,а)

или коммута-

ционных фазовращателей (рис. 8-35,6). В пер-

вом случае излучатель присоединяется через коммутатор

к одной из М близко расположенных линий питания; фа-

зы волн в этих линиях отличаются на Дф

Во втором

случае излучатели возбуждаются от одной питающей ли-

нии через коммутационные фазовращатели, каждый из

которых может скачком менять фазу на Дг|з

. Фазовра-

щатель представляет собой коммутатор на М положе-

ний, фаза его выходного сигнала определяется номером

включенного коммутатора и почти не зависит от других

факторов, в том числе и от величины управляющего на-

пряжения. Следует отметить, что коммутаторы, исполь-

зуемые в системе, представленной на рис.

8-35,а,

а так-

же в других коммутационных антеннах, могут рассмат-

риваться как частный случай коммутационного фазовра-

щателя при М—\. Если М

то устройство носит наи-

менование балансного переключателя и позво-

ляет осуществлять три операции: выключать излучатель

и включать его с фазой, равной нулю или я

Коммутационная антенна второго типа представляет

собой линейку, состоящую из большого числа блшко

расположенных излучателей, каждый из которых может

быть присоединен с помощью коммутатора к общей пи-

тающей линии (рис. 8-35,в). Для получения определенно-

го набора фаз на участке антенны длиной к/2 необходи-

мо,

чтобы шаг излучателей был заметно меньше Л/2,

а фаза вдоль питающей линии изменялась достаточно

быстро, т. е. последняя должна обладать достаточно

большим замедлением. Например, набор фаз от нуля до

393

2я получается при замедлении, равном двум. Формиро-

вание луча антенны в заданном направлении производит-

ся с помощью выборочного включения излучателей.

Рассмотрим, как осуществляется перемещение глав-

ного лепестка ДН в коммутационных антеннах, для чего

От

генератора

От генератора

Рис 8-35. Типы коммутационных антенн.

обратимся к диаграммам, характеризующим распреде-

ление фаз вдоль антенны. На такой диаграмме по оси

абсцисс откладывается расстояние вдоль антенны и от-

мечаются положения излучателей, а по оси ординаг от-

кладываются фазы возбуждения излучателей относитель-

но начала антенны.

В антеннах первого типа (рис.

8-35,а

и б)

фаза каждого излучателя складывается (рис. 8-36) из

набега фазы %(z) ='|&z вдоль питающей линии и сдвига

394

фазы тЛг|з

, даваемого коммутационным фазовращате-

лем Здесь

£,

yjk—замедление в питающей линии. На

диаграмме возможные значения фаз излучателей распо-

лагаются на наклонных прямых, параллельных прямой

tyi(

)

отмеченных цифрами /, //, /// и т. д. Пусть тре-

буется отклонить главный лепесток ДН па угол во

от

нормали к антенне (положительное направление отсчета

Рис 8 36 Распределение фаз (вверху) и фазовых ошибок (внизу)

по коммутационной антенне первого типа (рис

8-35,а

и б)

углов совпадает с направлением распространения волны

•в питающей линии); необходимое для этого распределе-

ние фаз по антенне ip

(z) =tesinf)

показано на рис. 8-36

сплошной прямой. Однако в рассматриваемой антенне

требуемое распределение фаз может быть получено

только с известным приближением; для этого каждый из-

лучатель должен быть включен так, чтобы фазовая

ошибка Дгр не превышала 0,5А\|з

. Распределение фаз

вдоль антенны при идеализированном непрерывном рас-

положении излучателей представляет собой ступенчатую

кривую, а распределение фазовых ошибок представляет

собой пилообразную функцию, показанную внизу на

рис.

8-36. Период этой функции Т определяется величи-

ной Д-фи и углом наклона луча. Распределение фазовых

ошибок в реальной системе зависит от соотношения рас-

стояния между излучателями (периода излучателей) d

и периода Г функции фазовых ошибок. Только при

395

кратном их отношении распределение фазовых ошибок

оказывается периодичным.

В антеннах второго типа (рис.

8-35,в)

фаза

каждого излучателя определяется только набегом фазы

Рис.

8-37. Распределение фазовых оши-

бок по коммутационной антенне второго

типа (рис. 8-35,8).

вдоль питающей линии i))i(z) (рис. 8-37,а). Если замедле-

ние в ней |>1 и все излучатели, расположенные доста-

точно часто, включены, то антенна будет представляеть

собой антенну поверхностной волны, т. е. излучать вдоль

оси. Для того чтобы сформировать главный лепесток ДН

под углом Оо относительно нормали к антенне, необходи-

мо вдоль антенны обеспечить фазовое распределение

ipo(z) ='^z sin

•во-

Разность 6if(z) между имеющимся фа-

зовым распределением ipi(

) и требуемым tyo(z) прямо

пропорциональна расстоянию от начала антенны. Но так

как фаза -периодична, то эга разность может быть пред-

396

ставлена пилообразной функцией с периодом Т

(рис.

8-37,6). Приближенная реализация требуемого

распределения фаз с точностью ±Дф может быть произ-

ведена с помощью выключения тех излучателей, фаза ко-

торых отличается от нуля или 2л больше чем на ±Дгр.

Включенные излучатели отмечены на рис.

8-37,6

и в кре-

стиками; распределение фазовых ошибок представляет

собой прерывистую пилообразную функцию (рис. 8-37,в).

Если излучатели были бы распределены непрерывно, то

чередование включенных и выключенных излучателей

было бы периодичным. Для реальной антенны оно зави-

сит от отношения d к периоду Т функции фазовых оши-

бок; в общем случае периодичность оказывается нару-

шенной.

Наличие в коммутационной антенне ступенчатого

фазового распределения влечет за собой снижение КНД

антенны, увеличение уровня бокового излучения и уве-

личение реактивной составляющей входного сопротив-

ления. В случаях периодического распределения фазовых

ошибок (d кратно Т) в ДН появляется спектр вторичных

главных максимумов (паразитных лучей). Некоторые из

них оказываются действительными, что влечет за собой

резкое снижение КНД. Остальные паразитные максиму-

мы находятся в области мнимых углов, что указывает

на увеличение реактивной мощности вблизи антенны.

В тех случаях, когда периодичность распределения

фазовых ошибок нарушена, на месте одного вторичного

главного максимума появляется несколько максимумов

с меньшими уровнями. При сильно нарушенной перио-

дичности ДН близка к ДН антенны с хаотическим

распределением фазовых ошибок. Таким образом, ДН

коммутационной антенны изменяет свой вид в пределах

от ДН антенны с хаотическим распределением фазо-

вых ошибок в интервале

А-ф

до ДН антенн с перио-

дическим распределением фазовых ошибок с амплиту-

дой Aty.

ДН антенны с хаотическим распределением фазовых

ошибок по сравнению с ДН такой же идеальной антенны

(т. е. антенны без фазовых ошибо'к) имеет большую ши-

рину главного лепестка и более высокий уровень боко-

вого излучения [Л. 23]. Происходящее из-за этого умень-

шение КНД относительно КНД идеальной антенны ха-

рактеризуется коэффициентом g; анализ показал [Л. 23],

что g оказывается наименьшим при шаге излучателей,

397

равном Я/2. Это минимальное значение g связано с наи-

большей величиной фазовой ошибки соотношением

(8-46)

Для значений

А\\т,

лежащих в пределах от я/12 до

л/2,

величина g

Mmi

меняется от 0,98 до 0,4:

ДФ

Г2

;

4 '

„

0 2

0 — 50 ^

VI'

//\>

к^гС*.

•Л

., У\

'% kiW

^--f"

"'"

| рсект

\?00 120 ПО КОгроИ

*/tf=<f

•^м

~*~^М=1

£мш

0,98;

0,94; 0,92; 0,81; 0,67; 0,4.

Коэффициент g любой коммутационной антенны не

может быть меньше g

umi

при любом, в том числе и пе-

риодическом, распреде-

лении фазовых ошибок

в интервале ±Дг|).

Анализ работы ан-

тенн с периодическим

распределением фазо-

вых ошибок [Л. 24] по-

казал, что в этом слу-

чае наличие фазовых

ошибок приводит к сни-

жению уровня главно-

го лепестка ДН по

мощности (относитель-

но ДН идеальной ан-

тенны) до уровня g-

Mira

определяемого форму-

лой (8-46), а также

к появлению бесконеч-

ного спектра вторичных главных максимумов (лежащих

как в области действительных, так и в области мнимых

углов).

Их уровни зависят от величины фазовой ошиб-

ки,

а положение в пространстве —от ее периода. Появ-

ление мнимых максимумов указывает на увеличение

реактивной мощности вблизи антенны.

При определенных условиях в такой антенне возмож-

но обеспечить режим однолучевого излучения. При эгом

ДН примерно совпадает с ДН идеальной антенны, одна-

ко происходит указанное относительное снижение уровня

главного максимума,-которое объясняется изменением

входного сопротивления из-за появления реактивного

398

Рис.

8-38. Зависимости сектора одно-

лучевого сканирования от расстояния

между излучателями d и фазового

замедлен/ля g.

поля вблизи антенны Условия режима однолучевою из-

лучения могут быть выполнены с помощью выбора до-

статочно малого шага излучателей d и достаточно боль-

шого замедления в питающей линии. Необходимые зна-

чения этих величин могут быть определены по графикам,

представленным на рис 8-38 [Л. 20]. На этом рисунке по

оси абсцисс отложен сектор однолучевого «ачания бсект.

отсчитываемый от угла

= •—у;вверх по оси ординат

отложены отношения X/d, а вниз — замедления |, обеспе-

чивающие режим однолучевого излучения в рассматри-

ваемом секторе 6

ССКТ

. Определяемые по графикам d и с,

позволяют получить на краях сектора качания линейное

фазовое распределение, а внутри сектора — ступенчатое

с максимальной фазовой ошибкой ±я/2 для М = \; М

= 2

и ±л/4 для М~4. Можно принять дополнительные меры,

позволяющие заметно уменьшить допустимую величину

замедления [Л. 20]. Эти меры сводятся к уменьшению

фазовой ошибки с помощью выключения тех излучате-

лей, фазовая ошибка которых превышает выбранный

уровень Д<ф. Например, если принять Дл|)=Дг|з

/4, т. е.

уменьшить фазовую ошибку вдвое, то придется выклю-

чить половину излучателей (рис 8-39) Уменьшение фа-

зовой ошибки характеризуется «коэффициентом укороче-

ния» t:

= Ь

= т прнМ = 2;4;

t = ^ приМ=1. (8-47)

Возможность уменьшения замедления связана с тем,

что уровни появляющихся 'при этом вторичных главных

максимумов резко снижаются за счет соответствующего

выбора коэффициента укорочения t Объясняется это

тем, что при выбранном значении t пространственное

положение вторичного максимума совпадает с нулем ДН

включенного участка антенны.

В частности, для коммутационной антенны второго

типа (iAi|;

=0) для обеспечения однолучевого сканирова-

ния в секторе углов б от нуля до 180° при i

= 1

замедле-

ние можно снизить с 3 до 1,84. При этом оказывается

реальным один вторичный максимум, но за счет увели-

чения t с 1 до 2 он достаточно подавляется Пространст-

венный период фазового распределения должен изме-

няться примерно от

до к/3.

399

Если излучатели ненаправленные, ю на одном вклго

ченном участке антенны должно располагаться минимум

два излучателя (чтобы ДН этого участка в какой-то сте-

пени приближалась к ДН участка антенны с непрерыв-

ным расположением излучателей). Следовательно,

расстояние между излучателями d не должно превышать

Включено Выключено

Рис.

8-39. Распределение фаз по антенне при

Дф

Дфи ДФв

~~~2~

(

тонкая

линия) и при

Дф

—^—

(жирная линия).

Я/12.

При этом одному крайнему положению луча соот-

ветствует чередование двух включенных и двух выклю-

ченных 'излучателей (Т

Х/3),

а другому

—

шести вклю-

ченных и шести выключенных излучателей (Т=Х). Для

антенны первого типа с М=2 этим способом можно сни-

зить замедление от двух до единицы, но при этом d

уменьшается тоже до А./12.

Реализация столь малого шага излучателей встре-

чает серьезные трудности, и указанный способ снижения

замедления не всегда может быть осуществлен. Поэтому

целесообразно разбить сектор качания на два подсекто-

ра по 90° и переход с одного из них на другой произво-

дить путем переключения питания с одного конца волно-

вода на другой. В антенне первого типа с

напри-

мер,

излучатели при эгом можно расположить на 1/3,

а замедление взять порядка 0,6 [Л. 20].

Перемещение главного лепестка ДН коммутационной

антенны происходит небольшими скачками. Если излу-

чатель с неуправляемой фазой находится в начале ан-

тенны, то средняя величина скачка, приходящегося на

400