СПОСОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КАЧАНИЯ ЛУЧА
METHOD FOR ELECTRICAL BEAM SWINGING

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для быстрого электрического управления (сканирования) лучом антенной решетки (АР).
Известны три основных способа сканирования: управления фазой, управления частотой и электрического переключения облучателей (ФАР ТИИР, 1968 г. Т.56 №11 [1], Н.Амитей и др. Теория и синтез ФАР, М. изд. МИР, 1974 г. стр.419-445 [2], Мейлукс Р. Теория и техника фазирования антенных решеток. ТИИР т.70 №3 с.5-62, март 1982 г. [3], Ардабьевский и др. Способ электрического качания луча с использованием дисперсионных структур, авт.свид. СССР №110610 от 5.10.1956 г. [4] - принят за прототип).
В системах с фазовым сканированием луч электрически перемещается путем установки дифференциальных фазовых сдвигов Δφ между элементами решетки по заранее заданному закону.
В системах с частотным сканированием частота используется для управления фазовыми соотношениями между элементами таким образом, что каждой частоте соответствует единственное положение луча в пространстве.
Примером систем с электрическим переключением облучателей можно считать линзу Люнеберга и матричную схему Батлера.
Задачи обзора пространства часто решаются радиотехническими комплексами (РТК) с антенными системами (АС) типа фазированных антенных решеток (ФАР). Они обладают большой гибкостью и быстротой управления положением луча в пространстве.
Но всем этим вышеуказанным известным способам сканирования присущи следующие недостатки, это:
- ограниченный (малый) сектор обзора при размерах элементов антенной решетки а≥0.7λ, где λ - длина волны,
- избыточность количества элементов в составе решетки при размерах элемента а≤0.5λ, что приводит к высокой стоимости.
Высокая стоимость ФАР является главным фактором, сдерживающим их широкое внедрение.
Техническим результатом предлагаемого способа является повышение эффективности фазированной антенной решетки за счет расширения сектора обзора и сохранения энергетических характеристик (коэффициента усиления) при значительном сокращении количества элементов в ее составе.
Это достигается тем, что способ электрического качания луча (сканирования) в сверхширокополосной фазированной антенной решетке, излучающий разрыв которой выполнен из плоских рупорных излучателей, линейные размеры которых больше длины волны и размещены в нескольких уровнях, отличается тем, что качание луча в широком угле (секторе) осуществляют посредством изменения отношения амплитуд распространяющихся мод.
Представленные чертежи поясняют суть предлагаемого способа качания (сканирования).
Фиг.1 поясняет принцип действия антенной решетки с электрическим качанием луча, когда размер элемента а≤0.5λ:
а - фазовый сдвиг между элементами Δφ=0,
б - фазовый сдвиг между элементами Δφ≠0
Фиг.2 поясняет принцип действия антенной решетки с электрическим качанием луча, когда размер элемента а≥λ:
а - фазовый сдвиг между элементами Δφ=0,
отношение амплитуд распространяющихся мод β=0,
б - фазовый сдвиг между элементами Δφ≠0,
отношение амплитуд распространяющихся мод β=0,
в - фазовый сдвиг между элементами Δφ=0,
отношение амплитуд распространяющихся мод β≠0.
На фиг.3 представлена активная диаграмма направленности (ДН) многомодового элемента (двухуровневой АР), когда размер элемента а>λ.
На фиг.4 представлена диаграмма сканирования (ДС) (сектор обзора, огибающая активной ДН многомодового элемента, огибающая активной ДН двухуровневой АР).
На фиг.5 изображена линейная ФАР с размерами элементов больше длины волны а>λ и элементами управления.
На фиг.1, 2 обозначены:
1 - ДН одиночного элемента, Fэ;
p
-1
+1
2 - ДН АР - Fp, которая представляет собой систему дифракционных максимумов (ДМ) решетчатой структуры, где Ро основной ДМ он же ДН АР-F, a P, P - побочные ДМ.
Затушеванная часть - ДН элемента (Fэ) соответствует реальному пространству, остальное - мнимое пространство.
На фиг.4 обозначены:
3 - ДС АР с элементами а>λ (уровень основного ДМ Ро в процессе сканирования);
-1
+1
4 - уровень побочных ДМ P, P в ДС АР при а>λ;
5 - ДС АР с элементами а=0.7λ (а<λ).
На фиг.5 обозначены:
6 - элементы управления отношением амплитуд распространяющихся мод.
Обычно в ФАР (решетчатая структура из набора одиночных элементов) сканирование производится посредством введения фазовых сдвигов Δφ между токами, питающими отдельные излучатели.
-1
+1
0
p
Результирующая ДН АР представляет собой произведение ДН отдельного элемента Fэ (ширина которой определяется линейными размерами этого элемента) и ДН структуры элементов, которая образует систему дифракционных максимумов (ДМ) Ро, P, P (местоположение которых определяется расстоянием между элементами, а ширина - размером решетчатой структуры (длиной). ДМ Р обычно называют ДН АР - F Фиг.1,а.
Введением фазовых сдвигов Δφ между элементами осуществляется управление положением всех ДМ в реальном и мнимом пространстве, а ДН отдельного элемента Fэ остается неподвижной и определяет ориентацию и размер сектора сканирования, ДС.
p
В процессе сканирования, Δφ≠0 ДН АР F (основной ДМ Ро) перемещается вдоль кривой, описывающей ДН отдельного элемента. ДС (сектор сканирования) оказывается ограниченным за счет уменьшения КУ АР, искажения формы ДН и попадания побочных ДМ в ДН одиночного элемента (фиг.1,б).
Таким образом, размер сектора сканирования и пространственное положение (угловое расстояния между ДМ) зависят от линейных размеров элементов АР и расстояния между ними. При классическом способе сканирования, для увеличения сектора сканирования размеры элемента необходимо уменьшить. КУ АР зависит от ее линейных размеров (длины), для повышения КУ ее размеры необходимо увеличивать. Поэтому ФАР с высокими энергетическими характеристиками и приемлемым размером сектора сканирования (ДС) имеет в своем составе большое количество элементов (сотни, тысячи).
Система управления такой АР является сложной, время управления большим, стоимость высокой. Высокая стоимость ФАР является основным фактором, сдерживающим их широкое внедрение в настоящее время.
Повысить эффективность ФАР можно посредством использования элементов с линейными размерами больше длины волны (a≥λ). Это позволит, сохраняя линейные размеры АР, а значит ее КУ, уменьшить общее количество элементов и контуров управления фазой, упростить системы управления и фазирования и тем самым значительно снизить ее стоимость.
Местоположение ДМ решетчатой структуры, когда размер элемента a≥λ и расстояние между элементами больше или равно длине волны, представлено на Фиг.2,а, Δφ=0; β=0.
0
В такой структуре неэффективно осуществлять сканирование классическим способом (Δφ≠0, β=0,) - размер сектора сканирования очень мал, побочные ДМ сразу же попадают в ДН элемента и в секторе обзора находятся одновременно два ДМ Р и
-1
+1
P или Р, что ведет к уменьшению потенциала и неоднозначности отсчета угловой координаты (фиг.2,б).
На фиг.2 в представлен случай Δφ=0, β≠0. В этом случае перемещение ДМ осуществляется не посредством введения фазовых сдвигов между элементами решетки, так как (Δφ=0), а посредством перемещения максимума ДН элемента на угол Θ1
(β≠0).
э
Если одновременно во всех элементах АР (фиг.5) одинаково изменить отношение амплитуды распространяющихся мод, то максимум ДН каждого элемента АР займет положение Θ1, а местоположение всех ДМ не изменится относительно ДН элемента F, так как Δφ=0, β≠0 (фиг.2,в). В этом случае осуществляется перемещение ДН каждого элемента АР посредством изменения отношение амплитуд распространяющихся мод, а перемещение всех ДМ является уже следствием перемещения ДН каждого элемента в составе АР.
Известно техническое решение, описанное в патенте РФ №2407118 [5], где показано, что амплитудно-фазовое распределение (АФР), многомодового излучающего раскрыва является динамическим и определяется суперпозицией распространяющихся высших мод, отношение амплитуд которых можно легко изменять посредством управляющего элемента, включенного в одно из плеч системы возбуждения. Это позволяет эффективно управлять положением ДН элемента в пространстве, при этом его линейные размеры должны быть обязательно больше длины волны.
Нормированная ДН многомодового элемента (многоуровневой (двухуровневой)) АР описывается выражением [5]
12
10
20
где ψ, β - разность фаз и отношение амплитуд распространяющихся мод Н и H,
U=(πα/λ) sinθ - обобщенная угловая координата.
12
6
На фиг.3 представлены активные ДН многомодового элемента, полученные согласно формуле (1) для случая a=1.2λ, ψ=0.5π и β=0,0.5, 1.0, 2.0, 10.
Известно [2], что коэффициенты взаимной связи излучателей АР могут быть использованы в качестве параметров управления для регулирования коэффициентов отражения (КО) ФАР. Но при размерах элемента меньше длины волны нельзя предложить простого и эффективного устройства, в котором можно было бы управлять взаимными связями в процессе сканирования оптимальным образом. Способы и устройства, которые находят сейчас применение, являются малооэффективными, поскольку обеспечивают согласование только в отдельных, фиксированных направлениях сканирования. Если элемент возбуждается несколькими распространяющимися модами (имеет размер больше длины волны), то есть является многомодовым, то посредством регулирования отношения амплитуд этих мод можно управлять не только взаимными связями, но и ориентацией ДН каждого отдельного элемента (фиг.3), а значит не только КО ФАР, но и ориентацией сектора сканирования (фиг.2,в).
-1
+1
Но при размерах элемента больше длины волны (а≥λ) в действительном пространстве в процессе сканирования появляются побочные ДМ P, P. В таком случае для поддержания мощности излучения ФАР на постоянном уровне ДН элемента необходимо модифицировать в том секторе полусферы, где появляется побочный ДМ.
Способами подавления побочных ДМ можно считать следующие:
0
- ДН многомодового элемента в процессе сканирования должна синхронно перемещаться с ДН АР (основным ДМ Р);
- активная ДН многомодового элемента должна иметь глубокий управляемый нулевой провал, местоположение которого в процессе сканирования совпадает с местоположением побочных ДМ;
- комбинация первого и второго способов.
0
По всей вероятности оптимальным способом сканирования ФАР окажется вариант, когда классический способ сканирования будет совмещен с предложенным, т.е. когда в составе системы управления сканированием будет иметь место вариант Δφ≠0, β≠0. В этом случае вначале будет осуществляться сканирование ДН многомодовых элементов β≠0, а затем внутри этого сектора управление положением ДМ Р Δφ≠0 или наоборот, но это уже будет определяться из тактических соображений.
2
2
2
2
2
На фиг.4 приведены ДС ФАР с размерами элементов, а=1.2λ и а=0.7λ. Площадь под кривой 3 характеризует полезную энергию, а под кривой 4 - энергию потерь АР с элементами, а=1.2λ, а кривая 5 - полезную энергию классической АР с размером элемента а=0.7λ. Из них следует, что максимальный сектор обзора ФАР с размерами элемента а▷λ и комбинированным способом сканирования равен ±60°(120°), а с элементами, а=0.7λ - (30°-50°). Из сравнения площадей под кривыми 3 и 5 следует, что ФАР с многомодовыми элементами и способом управления посредством изменения отношения амплитуд распространяющихся мод имеет эффективность примерно в 2 раза выше по сравнению с классической ФАР, а количество элементов в ее составе значительно меньше. Так для АР с площадью апертуры 240λи площадью элементов 0.25λ, 0.5λ, 1.5λ, 3.24λ требуется элементов 960, 480, 160, 75 соответственно.
Из изложенного становится очевидным, что задачи, поставленные при разработке данного технического решения, полностью решены. Предложенный способ электрического качания луча (сканирования) позволяет значительно повысить эффективность РТК с АС типа ФАР и уменьшить их стоимость.
Кроме этого, предложенный подход к построению решетчатых структур с размерами ячеек больше длины волны и способом качания луча посредством изменения отношения амплитуд распространяющихся мод, в принципе, позволяет решить очень важную задачу сверхширокополосной импульсной электродинамики (СИЭ). Он показывает, что такие структуры могут осуществлять эффективное суммирование полей, генерируемых большим количеством стандартных синхронизируемых излучающих модулей, расположенных на большой площади.
Подобные решетчатые структуры на сегодняшний день могут быть востребованы и для излучения сверхкоротких импульсов длительностью нано- и пикосекунды (сверхширокополосные сигналы) и создания потоков импульсных электромагнитных полей с высокой концентрацией энергии в требуемой точке пространства (аналог электромагнитного импульса (ЭМИ) при ядерных взрывах). Ныне применяемые антенные структуры не позволяют решить эту проблему (решают ее очень плохо, неэффективно).
Поскольку основной тип мощных, эффективных быстродействующих субнаносекундных генераторов - это разрядники на различных средах (газ, жидкость). Все эти ключи имеют неустранимый недостаток - большой относительно времени переключения джиттер, то есть случайное изменение задержки срабатывания. Этот недостаток полностью исключает возможность использования существующих типов АС для сложения мощностей большого количества источников в свободном пространстве, что сейчас и пытаются делать.
В решетчатых структурах с размерами элементов больше длины волны, суммирование полей элементов реализуется не в свободном пространстве, а в направляющей системе - многоуровневой АР, здесь эффект джиттера значительно сглаживается за счет пространственной протяженности структуры АР и наличия пространственных скачков, связанных с изменением размеров элементов на каждом уровне.