Общие сведения об антенных решетках

В общем случае термин «антенная решетка» охватывает весьма широкий круг антенных систем: от простейших двухэлементных излучателей до самых современных антенных комплексов (рис. 84).

Рис. 84. 27-ми элементная АР в Нью-Мексико (США) на основе параболических антенн. Ее протяженность составляет 35 км

В связи с этим классификация АР весьма разнообразна: 1) по способу управления диаграммой направленности различают частотные и фазировонные АР (ЧАР и ФАР). Частотный метод является самым простым. Он реализуется путем изменения частоты генератора; в этом случае не требуются никакие управляющие элементы. Направление максимального излучения от частоты определяется множителем λ/d, где d – расстояние между излучателями. ЧАР строятся, в основном, с последовательным питанием в виде длинной частотночувствительной линии с эквидистантно расположенными излучателями. Для достижения в линии режима бегущей волны она на конце закорачивается поглощающей нагрузкой. Фазовый метод осуществляется с помощью фазовращателей, включенных в цепи питания излучателей. Изменять фазовый сдвиг можно последовательным, параллельным или смешанным способами [4]; 2) по взаимному расположению элементов АР классифицируются на эквидистантные и неэквидистантные. У первых расстояние между элементами всегда остается постоянным, у вторых – оно может изменяться по определенному закону [5]. Использование неэквидистантных АР позволяет уменьшить общее число излучателей без значительного ухудшения направленных свойств при одинаковых геометрических размерах апертуры по сравнению с эквидистантными АР; 3) по размещению АР на несущей конструкции – конформные и неконформные. Конформные АР в точности повторяют форму объекта, на котором они расположены; 4) по геометрии расположения излучателей в пространстве существуют одномерные (линейные, кольцевые, дуговые), двумерные (поверхностные) и трехмерные АР (рис. 85); 5) по типу используемых излучателей; 6) по методу сканирования пространства – механические АР и АР с электрическим сканированием.

Рис. 85. Геометрия АР: а) – линейная, б) – дуговая, в) – кольцевая,

г) – двумерная, д) – трехмерная

Кроме того, в конструкцию ФАР очень часто стали вводить активные элементы, такие как полосковые и микрополосковые устройства СВЧ, активные фильтры, операционные усилители и т.д. Все это позволило не только снизить потери, но и существенно увеличить излучаемую мощность, упростить распределительную систему СВЧ, снизить массогабаритные характеристики свей системы в целом. Поэтому АР и ФАР, в которых используются активные элементы, получили название активных (ААР или АФАР).

АФАР, используемые, например, в системах подвижной радиосвязи, обладают очень важным свойством – многолучевостью. Подобные АР называются многолучевыми (МАР) (рис. 86).

Рис.86.ДН многолучевой АР

Отличительной особенностью многолучевых антенных решеток, по сравнению с традиционными, является их способность адаптироваться к условиям работы. Антенне решетки, обладающие таким свойством называются интеллектуальными или адаптивными (ИАР или АДАР).

На современном этапе развития систем связи особенно актуальной является задача обеспечения электромагнитной совместимости и помехозащищенности передаваемой информации. В качестве примера рассмотрим вариант управления диаграммой направленности активной и пассивной ФАР.

Рассмотрим два типа плоских приемных фазированных антенных решеток (ФАР) с пространственным суммированием мощностей с выходов антенных элементов: активную – АФАР и пассивную – ФАР (рис.87 и 88).

Рис.87. Активная ФАР (АФАР) Рис.88. Пассивная ФАР

Выполним оценку отношения сигнал/шум на выходе приемной АФАР с пространственным возбуждением (на выходе приемного рупора АФАР) и отношение сигнал/шум на выходе приемного рупора ФАР при различных формах ДН.

Совокупность антенных элементов каждого из двух типов АР образует фазированную линзу, которая фокусирует проходящую через нее электромагнитную волну на раскрыв приемного рупора.

Антенные элементы АФАР содержат входные I_ВХ и выходные I_ВЫХ излучатели, малошумящие усилители (МШУ) и фазовращатели Ф.

ФАР имеет единственный МШУ, размещенный на выходе приемного рупора.

В фазированных антенных решетках, как в активных, так и в пас­сивных, имеется возможность электрического управления не только ориентацией луча в пространстве, но и его формой. В пассивной ФАР (рис. 88) возможность управления формой луча реализуется только за счет управления фазами на фазовращателях [22]. В АФАР рассматри­ваемой конструкции (рис.87), антенные элементы которой содер­жат, кроме фазовращателей, еще и МШУ, имеется и другая возмож­ность электрического управления формой луча — за счет управления коэффициентами усиления МШУ, т. е. за счет регулировки амплитуд ½А_mn½коэффициентов возбуждения антенных элементов.

Наибольший интерес для практики, с точки зрения управления формой луча, имеет задача формирования расширенного и суженного луча в одной или двух плоскостях.

Исследуем вопрос о реализуемом отношении сигнал/шум на выходе приемной АФАР с пространственным возбужде­нием при формировании расширенного луча. При этом рассмотрим амплитудный и фазо­вые методы рас­ширения луча.

Расширение луча за счет амплитудной регулировки

Рассмотрим возможность формирования расширенного луча в АФАР за счет регулировки амплитуд коэффициентов возбуждения ½А_mn½[23].При этом ограничимся простейшим случаем, когда значения коэффици­ентов усиления МШУ Q_nm могут принимать два значения — 0 и Q, что соответствует либо включенному состоянию МШУ, либо выключенно­му. Считаем, что при выключенном состоянии на выходе МШУ мощ­ность сигнала и собственного шума равны 0.

Идея управления ши­риной луча при включении и выключении МШУ сво­дится к управлению гео­метрическими размерами излучающей апертуры. Эф­фект уменьшения разме­ров излучающей апертуры достигается путем выклю­чения МШУ периферий­ных антенных элементов, что поясняется рис. 89, на котором изображен рас­крыв АФАР в виде круга с внешним радиусом R₁.

Рис.89. Геометрия формирования расширенного луча

Предположим, что АФАР реализует режим узкого и расширенного в двух плоскостях луча. В режиме узкого луча МШУ антенных элементов на всем раскрыве включены и АФАР формирует луч шириной ΔQ₁.В режиме широкого луча включены только МШУ антенных элементов внутри круга радиуса R₂ и АФАР формирует луч шириной ΔQ₂>ΔQ₁.

Идеализируя задачу, введем следующие предположения:

- приемный рупор АФАР имеет секторную ДН, при этом внутри ко­нического сектора с углом a₁(рис. 89), под которым виден раскрыв радиуса R₁, коэффициент усиления рупора g(Q_nm,b_mn) имеет некоторое постоянное значение g, а вне этого сектора он равен 0;

- предполагаем ДН излучателей антенных элементов f(a_nm,b_nm) изо­тропными [24], поэтому можно считать коэффициенты усиления постоянными, т.е. g₀(Q_nm,b_mn)=g₀;

- полагаем решетку достаточно длиннофокусной.

Тогда можно считать, что коэффициенты возбуждения антен­ных элементов А_пт при включенных МШУ являются одинаковыми, и, кроме того, переливы мощности за края раскрыва отсутствуют, т. е. для режима узкого луча имеем:

h =1, h_А=1, (3.51)

где h и h_А – коэффициенты, определяющие потери излучения [25].

Введем коэффициент расширения луча b, под которым будем по­нимать отношение угловых площадей сечений луча на уровне -3 дБ до и после расширения

b=ΔQ₂²/ΔQ₁²

Тогда

b=R₁²/R₂².

Переходя к оценке принятой мощности сигнала в режиме широко­го луча, учтем, что в режиме узкого луча мощность сигнала W₁ на выхо­де АФАР будет

W₁ = QПpR₁², (3.52)

где П – плотность потока мощности принимаемой плоской волны.

При расширении луча необходимо принять во внимание, что гео­метрическая площадь раскрыва теперь будет pR₂², и, кроме того, поя­вятся потери коэффициента усиления за счет эффекта «переливания» мощности за края раскрыва радиуса R₂ при облучении его секторной диаграммой рупора (угол облучения a₂ (рис. 89)). Эти потери опреде­ляются множителем (R₂/R₁)².

Тогда для принятой мощности в режиме широкого луча W₂ имеем величину

W₂ = QПpR₂² (R₂/R₁)².(3.53)

Из (3.52) и (3.53)следует, что изменение мощности принятого сигнала при переходе к расширенному лучу будет определяться соотношением:

. (3.54)

Определим изменение уровня собственного шума на выходе АФАР при расширении луча. Учтём, что при условиях возбуждения АФАР (3.51) мощность шума Р_Ш1 на выходе решетки в режиме узкого луча будет равна величине

Р_Ш1=Р_Ш0 (3.55)

при этом в рассматриваемом приближении выражение для коэффициен­та h можно записать в виде

, (3.56)

где К— число антенных элементов на раскрыве радиуса R₁.

Очевидно, что в случае расширенного луча, величина мощности шума Р_Ш2 на выходе АФАР будет

Р_Ш2=Р₀h_р, (3.57)

где , (3.58)

а К' — число антенных элементов в круге радиуса R₂.

Так как число антенных элементов пропорционально занимаемой ими площади на апертуре АФАР, то из (3.56)—(3.58) следует:

Р_Ш2=Р₀/b (3.59)

Для условий возбуждения, соответствующих схеме рис. 89, не­трудно получить выражения для отношения сигнал/шум и в режимах узкого и широкого лучей соответственно, воспользовавшись соотношениями (3.52), (3.53), (3.55) и (3.56)

(3.60)

(3.61)

Из (3.60) и (3.61) следует, что при переходе к расширенному лучу с коэффициентом расширения b отношение сигнал/шум на выходе АФАР изменяется в соответствии с выражением

(3.62)

Использование метода статистического фазового синтеза для расширения луча

Эффект уменьшения излучающей апертуры можно достичь [23] и за счет управления только фазами антенных элементов, вводя статистиче­скую расфазировку на периферии излучающей апертуры (метод стати­стического фазового синтеза), т. е. чтобы получить эффект уменьшения апертуры, имеющей вид круга радиуса R₁ и сделать ее, с точки зрения расширенного луча, эквивалентной кругу меньшего радиуса R₂, доста­точно на фазовращатели антенных элементов кольца между окружно­стями с радиусами R₁ и R₂ ввести статистический закон изменения фаз j_nm:

В результате такой регулировки фаз получим приемную ДН с рас­ширенным главным лепестком, отличающуюся от диаграммы, реали­зуемой за счет выключения периферийных МШУ, наличием статистической компоненты. В соответствии с законом (3.63) среднеквадратический уровень этой компоненты, нормированный на главный максимум детерминированной части ДН, соответствующей расширенному лучу, описывается выражением

, (3.64)

где К— полное число антенных элементов в АФАР.

Для небольших коэффициентов расширения и многоэлементных решеток (К»1) уровень статистической компоненты ДН достаточно мал. Тогда, учитывая, как и в случае расширения луча за счет ампли­тудной регулировки, уменьшение эквивалентной апертуры до радиуса P₂ и эффект «перелива» мощности за края этой апертуры, приходим опять к выражению (3.53) для определения мощности принятого сигна­ла в случае расширенного луча.

Однако в отличие от амплитудной регулировки, уровень собствен­ного шума АФАР не уменьшается, т. к. МШУ всех антенных элементов являются включенными. Поэтому для отношения сигнал/шум при расширении луча имеем

(3.65)

В результате, как следует из (3.59) и (3.65), при использовании ста­тистической регулировки фаз для расширения луча получаем уменьше­ние отношения сигнал/шум в соответствии с законом

, (3.66)

и это уменьшение с ростом b более сильное, чем в случае амплитудной регулировки, как это следует из уравнений (3.62) и (3.66). Относитель­ное уменьшение мощности принятого сигнала описывается в данном случае тем же выражением (3.54), что и при использовании амплитуд­ной регулировки.

На основании проведенного анализа характеристик АФАР с пространственным возбуждением можно сделать следующие выводы:

1. Сравнительный анализ амплитудного и фазового метода формирования расширенного луча АФАР показал, что предпочтительным является метод амплитудного расширения.

2. Мощность собственного шума на выходе приемной АФАР меньше мощности собственного шума пассивной ФАР.

3. В отличие от пассивной ФАР, СВЧ-потери облучателя, связанные с «переливом» мощности за края раскрыва, не влияют на отношение сигнал/шум на выходе АФАР.

4. Относительно простыми средствами обеспечивается изменение формы луча, а значит и ДН ФАР, что позволяет повысить защищенность передаваемой информации в системе связи к внешним электромагнитным воздействиям.

Т.о., приведенный пример наглядно иллюстрирует основные преимущества АФАР с пространственным возбуждением при изменении формы диаграммы направленности.