Антенные решетки

Таким образом, диаграмма направленности антенны зависит от типа схемы, получившей поэтому наименование диаграммоообразующей или матричной схемы. Предложено много разновидностей таких схем [38]. Рассмотрим две из них.

На рис. 20.9, а изображена антенна последовательного питания в которой линии передачи, подсоединенные ко входам антенны, и линии передачи, присоединенные к излучателям, связаны в местах пересечения с помощью направленных ответвителей. Направления ответвления энергии показаны стрелками.

К каждому излучателю по сравнению с предыдущим излучателем сигнал проходит дополнительный путь, равный

(20.12)

где b — угол между линией передачи и осью антенной решетки (рис.20.9).

Тогда согласно формуле (20.10) ориентация главного лепестка может быть определена с помощью выражения

(20.13)

Следовательно, каждому значению b (каждому входу антенны) соответствует свой главный лепесток (рис. 20.9, б). Переключая (механически или электрически) входы антенны, можно осуществить скачкообразное сканирование луча. При подаче питания одновременно на несколько входов можно сформировать веер лучей.

На рис. 20.10, а изображен вариант антенны параллельного питания. Диаграммообразующая схема содержит отрезки волновода, длина которых от входа к выходу одинакова, два постоянных фазовращателя и четыре делителя мощности, у каждого из которых на двух выходах сигналы одинаковы по величине, но сдвинуты по фазе на p/2.

В качестве таких делителей мощности могут быть использованы щелевые мосты. Можно считать, что при прохождении сигнала через делитель в прямом направлении фаза не меняется, а в диагональном направлении она отстает на p/2.

При подаче сигнала на любой вход антенны распределение фаз на АР является линейным, но сдвиг фаз y между соседними излучателями зависит от номера входа. Например, при подаче сигнала на вход 1 распределение фаз на АР соответствует рис. 20.10, а, т. е. сдвиг фаз j=p/4. Если d=l/2, то лепесток (нулевого порядка) согласно формулам (20.1) и (13.9) отклонен от нормали к антенне на угол Jгл=arcsin 0,25 (рис. 20.10, б). При подаче сигнала на вход 4, симметричный входу 7, луч отклонится на угол Jгл=-arcsin 0,25.

Нетрудно показать, что при подаче сигнала на входы 2 или 3 сдвиг фаз между соседними излучателями составляет соответственно ±3p/4, а лепесток отклонен от нормали на угол Jгл=±arcsin 0,75.

При возрастании числа излучателей резко растет необходимое число делителей и фазовращателей, что является недостатком многолучевых антенн такого типа.

Антенные решетки с обработкой сигнала

1. Методы обработки сигнала. Во всех рассмотренных выше типах АР сигналы, принятые отдельными излучателями, складывались на выходе антенны (рассматривается режим приема). Это простейший вид обработки сигналов. АР с такой обработкой сигналов называются аддитивными. Предложен ряд других методов обработки сигналов» в результате чего удается создать антенны, имеющие известные преимущества в сравнении с аддитивными антеннами.

Из этих антенн рассмотрим корреляционные, самофокусирующиеся ретрансляционные антенны и антенны с логическим синтезом.

2. Корреляционные (мультипликативные) антенны. Рассмотрим простейшую АР, состоящую из двух ненаправленных излучателей (см. рис. 20.11). Пусть на решетку под углом J падает плоская волна. Напряжения на выходе излучателей можно записать в виде

(20.14)

(20.15)

где

(20.16)

Произведем над сигналами последовательно операции умножения и усреднения, тогда результирующий сигнал будет иметь вид

Операции умножения и усреднения двух функций определяют корреляционную функцию, откуда следует название антенны. Функция

(20.18)

есть ДН двухэлементной корреляционной антенны. Сравнивая формулы (20.18) и (12.23), заключаем, что корреляционная двухэлементная антенна имеет такую же ДН, как и обычная (аддитивная) двухэлементная синфазная антенна с вдвое большим расстоянием между элементами. Таким образом, корреляционная обработка сигнала привела к сужению ДН.

Аналогичные результаты можно получить с многоэлементными АР. Предложен ряд методов разбиения АР на секции с последующим перемножением и усреднением сигналов.

Заметим, что выражение (20.18) определяет величину постоянного напряжения. Для того чтобы получите на выходе антенны переменное напряжение частоты W, можно в канал одного излучателя включить переменный фазовращатель и осуществлять фазовую модуляцию сигнала с частотой W.

Если излучатели 1 и 2 являются направленными, то результирующий сигнал будет пропорционален произведению ДН излучателей. Это открывает дополнительные возможности для формирования остронаправленной диаграммы.

3. Антенная система с логическим синтезом ДН состоит из нескольких, чаще всего двух антенн. Логическое синтезирование состоит в сравнении амплитуд сигналов от отдельных антенн и использовании логических устройств типа «ДА—НЕТ» для отпирания или запирания приемника, либо подсоединения его к одной из антенн.

Другим примером может служить многоэлементная антенная система, применяемая на летательных аппаратах [35, 36]. Для борьбы с экранирующим действием корпуса аппарата каждый элемент имеет направленную диаграмму и принимает сигналы, приходящие в пределах только определенного телесного угла. Логическое устройство подсоединяет к приемнику ту антенну, на выходе которой амплитуда сигнала наибольшая. Таким образом, синтезированная ДН является квазиизотропной.

4. Самофокусирующиеся антенны представляют собой такие АР, в которых обеспечивается синфазное сложение сигналов, принятых отдельными элементами, при произвольной форме фронта набегающей волны и произвольном расположении элементов АР в пространстве.

Рассмотрим простейшую двухэлементную приемную АР (рис. 20.13). Сигнал от элемента 1 поступает на сумматор и фазовый детектор непосредственно, а от элемента 2 — через управляемый фазовращатель. Пусть фаза сигнала элемента 2 отличается от фазы сигнала элемента 1. Тогда на выходе фазового детектора появится напряжение; оно подается на управляемый фазовращатель. Оба эти устройства образуют контур автоматической настройки фазы. Когда в результате работы этого контура фазы обоих сигналов станут одинаковыми, напряжение на выходе фазового детектора будет равно нулю, и дальнейшая настройка фазы прекратится.

1	2	3	4	5