Использование излучателей с несимметричной диаграммой направленности для увеличения коэффициента направленного действия антенной решетки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Использование излучателей с несимметричной диаграммой направленности для увеличения коэффициента направленного действия антенной решетки

С.О. Tapacенко

Ростовский военный институт Ракетных войск

В статье рассмотрена возможность использования излучателей с несимметричной диаграммой направленности в антенных решетках, сектор сканирования которых несимметричен относительно нормали к раскрыву решетки. Приведены расчетные соотношения и результаты численных исследований, показывающие, что использование излучателей с несимметричной диаграммой направленности в антенных решетках с несимметричным сектором сканирования позволяет увеличить коэффициент направленного действия антенной решетки за счет увеличения шага размещения излучателей.

Использование средств радиосвязи, размещенных на подвижных объектах различного базирования, обуславливает необходимость применения в их составе антенн, позволяющих обеспечивать электронное сканирование главного максимума диаграммы направленности (ДН) в секторе углов, близком к полусфере. Одним из типов антенн, удовлетворяющих указанному требованию, являются многогранные фазированные антенные решетки (АР) [1]. Как правило, разработчики стремятся выбрать такую конфигурацию многогранного раскрыва антенны, которая обеспечивала бы симметричный сектор сканирования для каждой из подрешеток, размещенных на какой-либо грани многогранной несущей конструкции. В тоже время, конструктивные особенности объекта носителя антенны зачастую налагают ряд ограничений на конфигурацию многогранной АР. Удовлетворение указанным ограничениям зачастую приводит к тому, что одна или несколько подрешеток в многогранной АР должны обеспечивать электронное сканирование в несимметричном относительно нормали к раскрыву подрешетки секторе углов. Отклонение главного максимума ДН от нормали к плоскости подрешетки влечет за собой снижение эффективной поверхности подрешетки и, следовательно, уменьшение ее коэффициента направленного действия (КНД). С этой точки зрения, становится целесообразным определение способов, позволяющих компенсировать указанное уменьшение КНД. В качестве одного из направлений решения данной задачи может служить увеличение эффективной поверхности подрешетки за счет применения излучателей с несимметричной относительно нормали к поверхности подрешетки ДН в совокупности с увеличением расстояния между ее излучателями.

Целью данной статьи является исследование возможности увеличения шага между излучателями АР с несимметричным сектором сканирования за счет использования в качестве ее элементов излучателей, обладающих несимметричной ДН, на примере линейной эквидистантной АР.

На рис.1 показана N- элементная линейная эквидистантная АР идентичных излучателей, расположенных на удалении d друг от друга. Там же показано направление отсчета угловой координаты .

В случае пренебрежения взаимным влиянием элементов АР, ДН такой АР, в соответствии с [1-3], может быть записана в следующей форме

, (1)

где f() - ДН n-го излучателя, k= - волновое число, x, y - координаты n-го элемента АР, отсчитываемые в длинах волн, - длина волны, - направление фазирования АР.

В том случае, когда f()=1, соотношение (1) описывает множитель решетки или, с достаточной для практических целей точностью, ДН АР тонких щелевых излучателей на бесконечном экране, ориентированных перпендикулярно плоскости рисунка. Если f()=sin(kysin()), соотношение (1), в приближении метода зеркальных источников [4], описывает ДН АР полуволновых горизонтальных электрических вибраторов, размещенных в плоскости 0xy на расстоянии y от бесконечной идеально проводящей плоскости. При этом, в обоих случаях ДН излучателей симметричны относительно направления =.

Как правило, предельная величина шага размещения излучателей в АР определяется исходя из условия недопущения возникновения дифракционного максимума при наибольшем необходимом отклонении главного максимума ДН от нормали к поверхности АР. Указанное условие не позволяет увеличить шаг между излучателями с симметричной ДН в АР более 0.5 при сканировании, в частности, в секторе . В тоже время, использование в качестве элементов АР излучателей с несимметричной ДН позволило бы увеличить шаг размещения излучателей за счет уменьшения величины дифракционного максимума посредством пониженного уровня ДН излучателей в направлении возникновения дифракционного максимума.

Одним из типов элементов АР, обладающих несимметричной ДН является излучатель, показанный на рис.2.

Данный излучатель представляет собой совокупность горизонтального, лежащего в плоскости рисунка, полуволнового электрического вибратора, поднятого на 0.25 над бесконечной идеально проводящей плоскостью и тонкого щелевого излучателя, перпендикулярного плоскости рисунка. При этом, расстояние между вибратором и щелью по оси 0x составляет 0.5. Питание указанных элементов осуществляется путем деления мощности сигнала подводящего фидера на два и подводом синфазных сигналов половинной мощности к щели и вибратору. Диаграмма направленности такого излучателя определяется соотношением

(2)

и приведена на рис.3.

При использовании излучателя, показанного на рис.2, в качестве элемента АР, соотношение, описывающее ДН АР, может быть записано в следующей форме

антенная решетка несимметричный направленность

, (3)

где x_nи y_n - координаты центров элементов АР, - ДН n -го элемента АР, причем

(4)

На рис.4-7 приведены результаты расчетов ДН 10-и элементной линейной эквидистантной АР при расстоянии между излучателями 0.75 для = 100⁰, 90⁰, 75⁰ и 30⁰ соответственно. При этом, кривые (1), рассчитанные с использованием соотношения (1), отображают ДН АР при использовании в качестве ее элементов горизонтальных электрических полуволновых вибраторов, поднятых на высоту 0.25 над бесконечным экраном. Кривые 2, полученные с применением выражений (3) и (4), показывают ДН АР в качестве элементов которой используются излучатели с несимметричной ДН (рис.2).

Приведенные результаты показывают, что в ДН вибраторной АР с шагом размещения излучателей равным 0.75 дифракционный максимум возникает при отклонении главного максимума от нормали к поверхности АР уже на 15⁰. В тоже время, использование излучателей с несимметричной ДН позволяет избежать возникновения дифракционного максимума при сканировании во всем рассматриваемом секторе углов.

На рис.8 кривыми 1 и 2 отображены зависимости КНД от направления фазирования соответственно вибраторной АР и АР излучателей с несимметричными ДН. Приведенные значения КНД вычислялись, в соответствии с [4], с использованием следующего соотношения

где - соответствующая нормированная ДН.

Таким образом, приведенные на рис.8 результаты показывают, что использование в качестве элементов АР излучателей с несимметричной ДН позволяет существенно увеличить минимальное значение КНД АР при осуществлении сканирования в рассмотренном несимметричном секторе углов.

Литература

1. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток/ В.С.Филиппов, Л.И.Пономарев, А.Ю.Гринев и др.; Под ред. Д.И.Воскресенского. - М.: Радио и связь,1994. - 592с.

2. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: учебник для вузов. - М.: Высш.шк., 1988. - 432с.

3. Проблемы антенной техники/ Под ред. Л.Д.Бахраха, Д.И.Воскресенского - М.: Радио и связь,1989. -368с.

4. Г.З.Айзенберг, В.Г.Ямпольский, О.Н.Терешин Антенны УКВ. Под ред. Г.З.Айзенберга. В 2-х ч., Ч.1. М.: связь,1977, 382с.

Размещено на Allbest.ru