АНТЕННАЯ РЕШЕТКА С ЛИНИЯМИ ЗАДЕРЖКИ

Предлагаемое устройство относится к технике СВЧ, к антенным решеткам в частности, и может быть использовано в радиолокации, радиосвязи.
Известны антенные решетки [1], [2]. Они позволяют электрически управлять угловым положением диаграммы направленности для обзора пространства или получения требуемого направления главного максимума диаграммы направленности для работы радиосистемы без механического поворота антенны. Это осуществляется путем изменения фазового распределения коэффициентов возбуждения излучателей антенной решетки. Для линейной решетки это фазовое распределение определяется по формуле:
,
n
0
n
где φ - фаза n-го излучателя, с - скорость света в пустоте, f - частота, θ - угол отклонения максимума диаграммы направленности от поперечного направления к оси антенной решетки, х - координата n-го излучателя вдоль оси решетки, n=1, 2,… - номер излучателя, mod(x, у) - функция взятия дробной части отношения х/у.
n
Для периодической решетки Х=nd, где d - расстояние между излучателями. Фазовое распределение (1) реализуется с помощью фазовращателей, устанавливающих фазовый сдвиг в пределах от 0 до 2π.
Недостатком таких антенных решеток является наличие зависимости углового положения диаграммы направленности от частоты сигнала.
Наиболее близкой по технической сущности, выполняемой функции и схемному решению является антенная решетка с линиями задержки [2а] и принятая за прототип.
Антенная решетка с линиями задержки содержит излучатели и линии задержки. Линии задержки обеспечивают линейное фазовое распределение коэффициентов возбуждения излучателей без сброса целого числа 2π. Длины линий задержки для линейной решетки - прототипа рассчитываются по формуле:
0
Направление максимума диаграммы направленности такой антенной решетки равно θ и не зависит от частоты.
mах
mах
Однако в антенных решетках с расширенной (например, столообразной) диаграммой направленности часто бывает необходимо обеспечить частотную независимость не максимума такой диаграммы направленности, а другой ее точки. Например, для диаграммы направленности, используемой для перекрытия сектора углов места от горизонта ∈=0 до некоторого угла ∈ необходимо стабилизировать значение диаграммы направленности на уровне минус 3 дБ в направлении горизонта. В этом случае обеспечиваются перекрытие требуемого сектора непосредственно от линии горизонта до ∈ и малые колебания уровня на вершине диаграммы направленности за счет влияния (интерференции) отражений от земной поверхности.
n
n
n
0
norm
0
-1
Для антенных решеток с расширенной диаграммой направленности соотношение (2) для выбора длин линий задержки непригодно для стабилизации значения диаграммы направленности в направлении, отличном от направления ее максимума. Для примера рассмотрим антенную решетку с амплитудно-фазовым распределением коэффициентов возбуждения излучателей а=sin(αx)/x при α=2,01 см, имеющую ширину диаграммы направленности около 30°. Число излучателей N=48, период решетки d=68 мм, средняя частота f=3,0 ГГц. Если ось решетки наклонена на угол в θ=20° от местной вертикали, то угол отклонения диаграммы направленности, необходимый для того, чтобы направить вдоль горизонта уровень минус 3 дБ от максимума диаграммы направленности, составляет θ=3,36°.
0
Если для отклонения диаграммы направленности используется антенная решетка с фазовым распределением со сбросом 2π по формуле (1), то в диапазоне частот от 2,9 до 3,1 ГГц уровень диаграммы направленности вдоль горизонта (∈=0) изменяется в достаточно широких пределах от минус 5,32 дБ до минус 2,26 дБ. Если для отклонения диаграммы направленности используется антенная решетка - прототип, длины линий задержки которой выбраны по формуле (2) (при θ=3,36°), то в диапазоне частот от 2,9 до 3,1 ГГц уровень диаграммы направленности вдоль горизонта (∈=0) также не постоянен: он изменяется от минус 6,69 дБ до минус 1,1 дБ.
Сущность предлагаемой антенной решетки заключается в том, что она содержит излучатели и линии задержки. Отличается тем, что длины линий задержки определяют по формуле
n
m
где φ - фазовое распределение для неотклоненной диаграммы направленности, θ - угол от нормали, в направлении которого необходимо стабилизировать значение диаграммы направленности.
m
Предлагаемое техническое решение направлено на решение задачи стабилизации диаграммы направленности антенной решетки в направлении θ в диапазоне частот.
Предлагаемое техническое решение иллюстрируется фиг.1-3.
Схема антенной решетки с линиями задержки приведена на фиг.1. Антенная решетка содержит излучатели 1 и линии задержки 2.
norm
Диаграммы направленности антенной решетки - прототипа (длины линий задержки рассчитаны по формуле (2)) приведены на фиг.2. Диаграммы направленности для предлагаемого технического решения (длины линий задержки рассчитаны по формуле (3)) приведены на фиг.3. При сравнении графиков диаграмм направленности, рассчитанных на трех частотах 2,9 ГГц, 3 ГГц и 3,1 ГГц, виден эффект стабилизации значения диаграммы направленности в направлении линии горизонта ∈=0 (угол места ∈=θ-θ). В диапазоне частот от 2,9 до 3,1 ГГц уровень диаграммы направленности вдоль горизонта (∈=0) изменяется в узких пределах от минус 3,11 до минус 2,97 дБ, что и доказывает, что предлагаемое техническое решение позволяет решить задачу стабилизации значения диаграммы направленности антенной решетки на уровне минус 3 дБ (относительно ее максимума) в направлении горизонта в диапазоне частот.
Указанный эффект достигается тем, что высокочастотный сигнал, излучаемый излучателями антенной решетки 1, предварительно проходит через линии задержки 2, длины которых соответствуют формуле (3).
Формула для расчета длин линий задержки (3) соответствует случаю фазовой скорости электромагнитной волны в линиях задержки, равной скорости света в вакууме. В случае отличия фазовой скорости от скорости света необходимо уменьшить длину линий задержки прямо пропорционально коэффициенту замедления.
n
n
n
Данное техническое решение может использоваться и при других типах амплитудно-фазовых распределений антенной решетки, отличных от α=sin(αx)/x, в частности при нелинейных фазовых распределениях φn.
В заключение отметим, что данное техническое решение может быть использовано и в плоских антенных решетках со строчно-столбцевым построением, сводящимся к эквивалентным линейным антенным решеткам в обеих плоскостях.
Предлагаемое техническое решение прошло проверку, показало положительные результаты и в настоящее время используется в ФАР изделий 64Л6М и 48Я6-К1.
Источники информации, используемые при оформлении заявки:
1. Справочник по радиолокации. Том 2. Радиолокационные антенные устройства, под ред. М. Сколника, пер. с англ., М., "Советское радио", 1977, стр.132-181.
2. Антенны и устройства СВЧ (Проектирование фазированных антенных решеток), под ред. Д.И.Воскресенского, М., «Радио и связь», 1981; стр.51-52.