Лекция 17. диаграммообразующие схемы

МНОГОЛУЧЕВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК

Диаграммообразующая схема (ДОС) – это проходной многополюсник, используемый для питания многолучевой АР. Для сохранения высокого КПД антенной решетки ДОС изготавливают из реактивных элементов: направленных ответвителей, фиксированных фазовращателей, отрезков линий передач. Однако иногда в ДОС могут входить и поглощающие нагрузки.

Для построения МАР используются, в основном, две схемы конструктивного исполнения ДОС: последовательная (матрица Бласса) и параллельная (матрица Батлера). Рассмотрим более подробно каждый тип диаграммообразующей схемы.

Последовательная ДОС

Эта ДОС состоит из двух взаимно пересекающихся сис­тем линий передачи, связанных в местах пересечений направленными ответвителями со слабой связью (рис. 128). Выходы вертикальных линий присоединяются к излучателям, входы горизонтальной и наклонных линий представляют собой входы антенны. Свободные концы линий нагружены на согласованные поглотители. Пусть источник колебаний подключен к входу 1 антенной системы. Высокочастотная мощность распространяется по горизонтальной линии передачи, частично ответвляясь в каждом пересе­чении в сторону излучателей. Излучатели оказываются возбужденными с линейным фазовым распределением. Коэффициент замед­ления фазовой скорости возбуждения зависит от длины линии задержки (фиксированных фазосдвигателей), установленных на входах излучателей. Если коэффициенты связи в направленных ответвителях одинаковы, то амплитудное распределение возбуж­дения экспоненциально спадает к правому концу решетки, причем некоторая часть мощности (10—20%) поглощается в оконечной нагрузке. Вся остальная мощность идет на формирование остро­направленного излучения с ориентацией главного максимума в направлении, а другие входы антенной системы и остальные согласованные нагрузки остаются невозбужденными. Таким образом, с входа 1 многолучевая антенна работает как про­стая линейная решетка, питаемая по последовательной схеме от горизонтальной линии передачи через направленные ответвители.

Рис. 128. Последовательная ДОС (матрица Бласса)

Пусть теперь источник колебаний подключен к входу 2. Так как идущий от входа 2тракт имеет наклон по отношению к первому тракту, то на излучателях решетки создается распределение воз­буждения с иным коэффициентом замедления фазовой скорости, поскольку возбуждения левых излучателей происходят с дополни­тельным запаздыванием по отношению к правым излучателям. Поэтому в пространстве появляется остронаправленное излучение с ориентацией главного максимума в направлении 2.

При возбуждении входа 2мощность, распространяющаяся в вертикальных линиях передачи в сторону излучателей, проходит через ряд направленных ответвителей верхнего этажа ДОС. С первого взгляда это должно ослабить мощность, поступающую к излучателям, а кроме того, должна появиться волна, движущаяся вправо в горизонтальном тракте верхнего этажа, часть мощности которой может теряться в нагрузке. На этом основании можно было бы ожидать ухудшения КПД второго луча по отношению к первому и точно так же третьего по отношению ко второму и т. д. Однако имеется благоприятный фактор, который мешает проявлению этих нежелательных последствий. Горизонтальные тракты верхних этажей возбуждаются одновременно многими расфазированными сигналами нижних этажей, причем расфазирование вызвано взаимным наклоном соседних горизонтальных линий. При достаточном смещении максимумов соседних лучей (не менее ширины одного луча по половинной мощности) суммы ответвившихся расфази- рованных сигналов в согласованных нагрузках верхних этажей оказываются близкими нулю. Поэтому верхние этажи практически не уменьшают мощности, идущей к излучателям от нижних этажей, и только создают небольшие искажения амплитудно-фазового распределения возбуждения излучателей решетки. Расчеты пока­зывают, что вследствие влияния верхних этажей амплитудное рас­пределение в раскрыве решетки для всех входов, кроме верхнего, выравнивается, а фазовая ошибка, т. е. отклонение фазы от линей­ного закона, хотя и увеличивается для нижних входов, но все же остается незначительной.

Аналогичное рассмотрение можно провести для каждого после дующего входа.

Итак, с помощью последовательной ДОС имеется возможность создать систему одновременно существующих и не взаимодействующих между собой остронаправленных лучей, причем их число не должно превышать числа элементов решетки (во избежание снижения КПД схемы). Известны примеры применения многолучевых решеток с последовательными ДОС в аэродромных радиолокационных станциях определения высоты самолетов (в секторе углов места 0,5 — 40° располагается до 110 независимых лучей). Преимуществом последовательной ДОС является возможность ее реализации при любом числе элементов решетки и такого подбора длин линий на входах излучателей и между направленными ответвителями, при котором направления лучей оказываются не зависящими от частоты. Недостатком последовательной ДОС является слишком большое число направленных ответвителей и снижение КПД из-за потерь мощности в нагрузках.

Параллельная ДОС

Для этой ДОС характерно, что прохождение высокочастотной мощности от каждого входа многолучевой антенны к излучателям решетки напоминает прохождение мощности в схеме двоично-этажного питания, т. е. в «елочке». Проще всего уяснить принцип действия параллельной ДОС на конкретном примере, ограничив чис­ло излучателей эквидистантной линейной решетки восемью (рис. 129). Основными «строительными элементами» ДОС являются квадратурные 3-дБ направленные ответвители. В каж­дом ответвителе мощность с любого нижнего входа поровну рас­пределяется между верхними входами с дополнительной задерж­кой по фазе π/2 при прохождении мощности «по диагонали» ответвителя. Наряду с ответвителями в параллельной ДОС использу­ются также фиксированные фазосдвигатели (линии задержки) показанные квадратиками с вписанной в них величиной фазовой задержки в радианах. Электрические длины всех остальных отрез­ков линий передачи для простоты можно условно считать нулевы­ми. Осуществляя мысленно подачу колебаний ВЧ на любой вход ДОС и прослеживая пути движения мощности к каждому излуча­телю решетки, можно легко найти возникающие амплитудно-фазо­вые распределения возбуждения. Во всех случаях мощность делится поровну между всеми излучателями решетки и все нижние входы оказываются развязанными между собой и согласованными (если пренебречь возможными отраже­ниями от излучателей).

Рис. 129. Последовательная ДОС (матрица Батлера)

Параллельная ДОС выгодно отличается от последовательной, во-первых, принципиальным отсутствием поглощающих элементов, во-вторых, идеальными равноамплитудными и линейными фазовыми распределениями возбуждения, в-третьих, гораздо меньшим числом направленных ответвителей.

Недостатком параллельной ДОС является изменение положения лучей ДН в пространстве при изменении частоты.