Многолучевые и сканирующие антенны. (Лекция 14)

1. Многолучевые и сканирующие антенны

Лекция 14

2.

Сканирующие антенны.
Способы сканирования:
1- механический- поворот всей антенны, инерционен;
2-электромеханический-электродвигатели или
электромагниты осуществляют перемещение элементов
антенн, что приводит к наклону эквифазной поверхности
поля при неподвижном раскрыве. Инерционность меньше,
т.к. меньше массы.
Скорость коммутации луча DH в обоих способах не
удовлетворяет современным скоростям, нельзя
одновременно следить за несколькими объектами.
3- электрический- обеспечивает наибольшую скорость
перемещения луча DH, ограничивается переходными
процессами в управляющих элементах, инерция на
несколько порядков меньше.

3.

Пусть
N
F ( ) J n e
n 1
j
jkdn sin
ne
(1)
Определяет положение max в пространстве
m
d
sin m
f ( , )
d
d
2
m 0, 1, 2,...
применяется в в антенных решетках
(2)

4.

Способа электрического сканирования
• фазовый способ - путем регулирования фазовых сдвигов
возбуждения элементов решетки;
• амплитудный способ – путем коммутации парциальных DH в
многоуголучевой антенной системе;
• способ частотного сканирования, когда фазовые сдвиги в
излучающих элементах решетки регулируются за счет
изменения частоты колебаний АР с фазовым сканированием –
фазированные АР.
Фазированная антенная решетка -решетка
излучателей в которой перемещение луча в
пространстве производится путем введения
переменных фазовых сдвигов между токами,
возбуждающими отдельные излучатели.

5.

По характеру размещения излучателей в решетке бывают:
• Эквидистантные решетки,
• Неэквидистантные.
В зависимости от геометрии расположения излучателей в
пространстве ФАР делятся на:
• одномерные,
• двумерные,
• трехмерные .

6.

По способу возбуждения ФАР подразделяются на решетки
• с фидерным питанием,
• с оптическим питанием- возбуждаются через пространство
волной излученной облучателем.
Последовательная схема
– раздельные решетки;
Параллельная схема
– совмещенные решетки

7.

Типы схем ФАР:
• пассивная –а) – проходная ФАР(линзового типа) –
трудно генерировать большие мощности.
б) – отражательная ФАР (зеркального
типа) облучатель в поле отраженной волны, что
PС
уменьшает КИП и увеличивает УБЛ, ухудшается P
Ш
(уменьшается) потери в фазовращателе.
• активная –в канале питания каждого элемента
решетки имеется фазируемый генератор или
усилитель мощности.
• полуактивная – полуактивная ФАР объединяет
достоинства и недостатки схем с пассивными и
активными элементами.

8.

9.

Многолучевые
j15
2 6
37
А.Р.
4 8
матрицы Батлера параллельная ДОС
число излучателей 2n(n= 2,3…).
Матрица Бласса последовательная ДОС
Недостаток: большое число направленных
ответвителей,
снижение из-за потерь мощности
в поглощающих нагрузках.

10.

Множитель ФАР
N
sin (kd sin )
2
f
1
sin (kd sin )
N-число излучателей, 2
d-расстояние между излучателями,
-сдвиг фазы питания между соседними элементами.
Способы электрического управления луча в фазированных
антенных решетках
1.Частотный способ качания
2.Фазовый способ качания

11.

При изменении f (несущая частота, гетеродина) направление
главного максимума перемещается
• за счет изменения величины λ,
• за счет зависимости от f (частоты) величины
(сдвига фазы
питания).
Углочастотная чувствительность.
g
d
df
100
f
град
,
%
определяет отклонение луча в градусах на 1% изменения частоты
(3)
гр
Для перемещения луча в достаточно широком спектре g= 5-10
f с
0,573 C d
g
sin
m
cos m 2 d df
0,573 -коэффициент перехода от радиана к градусам
(4)
%

12.

Схемы возбуждения излучателей
Последовательная схема, излучатели питаются бегущей
волной.
2
сдвиг по фазе:
l
Ф
дифференцируя:
d
2 d Ф
2
l
df
Ф df
0,573 C l d Ф
2
g
sin m
имеем:
cos m d df
расстояние между излучателями
l
длина отрезка фидера между излучателями
(5)
(6)
(7)

13.

Для увеличения g надо
d Ф
• увеличивать, df т.е. использовать фидер с ярко выраженной
дисперсией (используют замедляющие структуры гребенку)
• увеличивать отношения
системе.
град
g 10
%
l
d
геометрическое замедление в
Недостаток:
• ограниченная величина
пропускаемой мощности,
• заметные потери, снижающие
КПD антенны,
• замедления за счет геометрии
системы реализуется с помощью
спиральных или змейковых
волноводов.

14.

l
Если _ l d , 2 d d 1,
Ф
гр.
g (5 10) , l ~ 5 _ относительный_набег_фазы
%
d
Достоинство:
Простота.
Недостатки:
большое затухание,
ограничения по пропускаемой мощности,
высокие требования к точности изготовления элементов
системы.

15.

В параллельной схеме питание излучателей производится через
отдельные фидеры, длина которых различна и линейно
увеличивается при переходе от одного излучателя к другому.
,
d
определяется выражением (5), (6)
df
чем больше l тем выше g .
Схема
• более сложна,
• требует применения большого числа
диапазонных делителей мощности,
• пропускает большую мощность ,
• менее чувствительна к неточностям
изготовления.

16.

Фазовый способ управления
Фаза излучателей изменяется по заданному закону с помощью
электрически управляемых фазовращателей, линий задержки и
других фазосдвигающих устройств.
ГЛ f ( )
Основные схемы решеток с фазовым управлением:
• последовательная,
• параллельная,
• смешанная схема.

17.

Последовательная схема.
На участках питающей линии между соседними излучателями
включены одинаковые фазовращатели, изменяющие фазу на
один и тот же угол. Для управления фазовращателями нужен
один управляющий сигнал.
Достоинство
-Проста система управления.
- Недостаток:
- малая пропускаемая мощность,
- большие потери,
- Высокие требования к точности изготовления из-за
накопления ошибок фазовращателя(требуется высокая
стабильность работы фазовращателя и их источников
питания.)
Используется в небольших антеннах с механическими
фазовращателями, стабильность которых высока, потери малы, а
пропускаемая мощность достаточно велика.

18.

Параллельная схема
Достоинство:
• через каждый фазовращатель проходит 1/N часть
мощности,
• ограничения по мощности ослаблены,
• общие потери энергии примерно равны потерям в
отдельном фазовращателе в последовательной схеме.
• ослаблены требования к стабильности
фазовращателей.
Недостаток:
• сложность системы управления,
• каждый фазовращатель должен управляться по
своему закону. При этом крайние фазовращатели
должны обеспечить весьма большой сдвиг по фазе.

19.

0
-
угол отклонения луча антенны.
изменение фазы на единицу длины и используя
соотношение (2) при m = 0 , получаем:
d
Сдвиг фазы на половине длины антенны:
0
L sin 0 sin 0
d 2
2 0,5 P 2 0,5 P
L
(8)
чем уже DH, тем требуется большее изменение фазы
0
10
2 0,5 P
1800 0 18000
Применяют фазовращатели с изменением фазы
2

20.

Для управления фазовым распределением в решетке используют
схемы со «сбросом» фазы на величину кратную 2π
2
1-пилообразная
линия с точностью
до 2π определяет
линейное фазовое
распределение
OO”(2)
1
1
2
3
4
5 N изл
N 1 d
время_запа здывания
sin 0 TВЧ
C
Обеспечивается узкополосность решетки, усложняет схему
управления

21.

Способы управления фазой
1. Непрерывный способ -дает «чистую» DH, сложен в
осуществлении, т.к. на фазовращатель надо подавать плавно
меняющиеся управляющие сигналы, на характеристики f сист
влияют температурные нестабильности.
2. Дискретный способ - изменение фазы происходит скачком
с дискретом.
2
, где М Ф = 2 , где 1,2,3...
МФ
разрядность фазовращателя
появляются фазовые ошибки, приводящие к искажениям DH,
увеличение УБЛ,
снижению КНD.

22.

ТР ( Z ) kz sin 0
(9)
требуемое идеальное фазовое распределение, обеспечивающее
отклонение луча на угол θ.
Р ( Z ) i _ i 0,1... Mф 1
(10)
реальное фазовое распределение при дискретном фазировании.
Р ТР
фазовая ошибка, при аппроксимации функции (9), представляет
периодическую пилообразную функцию.

23.

φ(z)
kTП sin 0
TП
k sin 0
(11’)
(11)
4 Δϕ
φтр(Z)
3 Δϕ
φр(z)
2 Δϕ
Δϕ
Z
Комбинация подрешеток
одинаковой
длины Тп-фазовая ступенька
Δφ

24.

Прямофазная равномерная решетка
M
sin
kd sin sin kTП sin
2
2
f ( )
1
sin 1 kT sin
M sin kd sin
П
2
2
f подр
f подр
L
TП
- число подрешеток
(12)

25.

Множитель подрешетки имеет максимум при
kd sin n 2 , n 0, 1...
d между излучателями, -1 максимум при n=0
2
2
2
fΣ
fподр
Тп>>d расстояние м/у центрами подрешеток
Условие определения положение главных максимумов
kTП sin m m 2 , m 0, 1, 2...
(13)

26.

sin
m ,
kTП
TП
(14)
2
sin m sin 0 (m
1),
учитывая
_ kTП sin 0 ,
(15)
(11)
(16)
Md
kTП sin 0
имеем_смещение гл.максиму ма _
sin 0
,
2
2
Подставляя (14) в (12), найдем
максимумам f
f сист.
в точках соответствующих
подр .
sin
2
f ( m )
m
M sin
2М M
(17)

27.

при M 1 получим
f ( m )
sin
2
m
2
при m 0
sin
2
f
2
КНД при дискретном способе управления фазой
_
2 D КИП
D D0
0
Д
2
2
sin 2
(18)

28.

2
FБ m 1
2
(19)
Снижение KHD и уровни паразитных коммутационных
лепестков при различных дискретах фазы