Кольцевые концентрические фазированные антенные решетки с двухмерным широкоугольным сканированием

Актуальность темы

диссертации.

Фазированные антенные решетки (ФАР) являются одним из наиболее перспективных типов антенн, находящих все большее применение в различных радиоэлектронных системах. Плоские антенные решетки наряду с преимуществами имеют ряд ограничений, затрудняющих их широкое использованиеограниченный сектор сканирования, узкая полоса, трудности, связанные с размещением излучателей с шагом порядка пол длины волны в полотне антенны и большая стоимость. Известны и ранее исследованы выпуклые ФАР (В ФАР), позволяющие расширить сектор сканирования, полосу и увеличить расстояние между элементами. Однако, при широкоугольном сканировании возникает необходимость коммутации излучающего полотна, поэтому их широкое применение ограничено.

Одной из важнейших задач современного развития теории и техники антенн является изыскание путей построения антенн, обладающих широким сектором сканирования, широкой полосой и числом элементов, приближающимся к теоретически минимальному [1]. Было рассмотрены кольцевые концентрические антенные решетки (ККАР) [2], позволяющие в определенной мере решить поставленную задачу. Однако в приведенных работах ограничено исследовать сканирование в одной плоскости. В больших практических задачах требует двухмерное сканирование. Поэтому возникает необходимость дальнейшего развития теории ККАР для двухмерного широкоугольного сканирования. Возможно, имеют некоторые схемы построения антенн с двумерным широкоугольным электрическим сканированием на базе ККАР (рис.1).

В настоящей работе рассматриваются выпуклые решетки с пространственным размещением элементов, построенные на базе ранее исследованных кольцевых концентрических антенных решеток ККАР.

Подобные решетки могут быть названы пространственные кольцевые концентрические антенные решетки (ПККАР). Пространственные кольцевые концентрические антенные решетки являются дальнейшим развитием ККАР и ВФАР, которые были исследованы ранее и их положительные свойства известны [2, 3]. Переход от выпуклых поверхностных решеток к выпуклым решеткам с пространственным размещением элементов позволил устранить основной недостаток ВФАР — необходимость коммутации излучающего сектора. Ранее было выявлены преимущества ККАР: широкоугольное сканированиеширокополосностьбольшой шаг между элементами полностью сохраняется здесь.

Дальнейшее развитие ФАР на базе ККАР требует оптимальный метод возбуждения. Возможно, осуществляются фидерные, пространственные (рис.2) способы возбуждения подобных антенн. Одним из перспективных таких методов возбуждения ККАР и всех ФАР является радиальный волновод (рис.3), который дает совместить фидерный способ и пространственный способ с волной типа «Т «возбуждения. В радиальном волноводе распространяется волна типа «Т «как и в свободном пространстве с отсутствием дисперсии, что удобно использовать для возбуждения. С другой стороны потерь, вносимый с применением радиального волновода будет меньше в сравнении с другими. Здесь не мм Излучатели irrf.

U U U U и LU4J4.

От генератора СВЧ Отражательные фазовращатели 1.

Рис. 2. Общий вид вибраторных кольцевых концентрических фазированных антенных решеток с системой возбуждения.

Рис. 3. Возбуждение ККФАР с помощью радиального волновода (1) — 2 — излучатель- 3 — элемент связи- 4 — возбудитель. требуются элементы тракта СВЧ. Высота такой системы мала (меньше чем пол длин волн). Система позволяет регулировать амплитудно-фазовое распределение по решетке путем изменения глубины погружения штыря и радиуса ответвления.

Ниже приводится обзор существующих работ в этой области.

Наиболее полно исследованы кольцевые решетки (КАР). В работе [2,3] рассмотрены ККАР для широкоугольного электрического сканирования, которые показывают это перспективные антенны для построения различных типов ФАР. Это объясняется следующими обстоятельствами: возможность широкоугольного (360°) электрического сканирования в такой решетке с помощью только фазовращателей. При этом ширина диаграммы направленности (ДН) и коэффициент направленного действия (КНД) отстоятся неизменными. Для обеспечения широкополосности работы такие антенны позволяют разместить излучателя с шагом порядка длины волны и более. Далее система устраняется эффект затенения и упрощает систему управления.

Работы [4−7, 28−34] посвящены теоретическому исследованию характеристик направленности, частотных свойств, ЭПР и других параметров КАР. В литературе также рассмотрены различные варианты построения КАР.

В [8] предложена плоская кольцевая антенная решетка из щелевых излучателей, создающая при любом виде поляризации излучаемых колебаний направленное излучение. Антенна возбуждается радиальным волноводом (РВ), имеющим две проводящие стенки в виде дисков, на одном из которых размещены щелевые излучатели, а на другом — отверстие для круглого возбуждающего волновода. Для возбуждающей системы в виде РВ рассмотрены два варианта возбуждения решетки: стоячей волной, если РВ экранирован кольцом и бегущей волной, если вместо экранирующего кольца использована согласованная нагрузка. В [8] описано антенное устройство, позволяющее осуществить электромеханическое сканирование в плоскости, ортогональной плоскости размещения излучателей.

В статьях [9,10] рассмотрена возможность моноимпульсной работы описанной выше конструкции антенной решетки. Для обеспечения возможности моноимпульсного сопровождения, щели расположены на концентрических окружностях в четырех 90° радиально волноводных секторах, возбуждаемых независимо друг от друга. В каждом из квадрантов распространяется основной тип волны в РВ.

В [И — 15] посвящена радиальная волноводная планарная антенна, как показано на рис. 3. Антенна обладает высокой эффективностью из-за волноводного облучателя и способна синтезировать моноимпульсную суммарную и разносную диаграммы посредством многополюсного возбуждения радиальным волноводом. Если радиальный волновод возбуждается двумя штырями с синфазным или противофазным возбуждением, моноимпульсные суммарные и разносные диаграммы, соответственно, могут быть синтезированы в одном направлении. Если необходимо реализовать операцию моноимпульсного сопровождения и по азимуту и по углу места, то используются четыре возбуждающих штыря, как показано на рис. 3.

Другой вариант построения КАР предложен в [16]. Антенная решетка состоит из одинаковых несимметричных вибраторов над экраном. На расстоянии четверти длины волны от вибраторов расположен цилиндрический отражатель. В отличии от предыдущих вариантов построения КАР, схема возбуждения обеспечивает широкоугольное сканирование в горизонтальной плоскости путем коммутации излучающего раскрыва.

В [17] рассматривается антенная решетка для навигационной системы TACAN. Антенная решетка состоит из одинаковых несимметричных вибраторов. Питание вибраторов осуществляется при помощи коаксиальных кабелей и формирующего блока, который состоит из цилиндрического резонатора, возбуждаемого в центре коаксиальной линией. Верхняя стенка цилиндрического резонатора неподвижна, а нижняя — вращается. На нижней стенке цилиндрического резонатора размещены диэлектрические вставки для создания ДН специальной формы. Вращение нижней стенки цилиндрического резонатора обеспечивает поворот ДН по азимуту.

В [18] рассматривается антенна, образованная кольцевым волноводом. Излучатели (продольные полуволновые щели) размещены на внешней стороне кольца — широкой стенке волновода. Возбуждение щелей осуществляется штырями, которые помещаются в противоположной широкой стенке волновода и являются одновременно элементами крепления антенны к корпусу ракеты. Цилиндрическая антенная решетка, образованная кольцевыми волноводами рассмотрена в [19].

В [20] приводится описание конструкции ККАР, сканирующей в одной плоскости. Сканирование осуществляется в плоскости размещения излучателей. Решетка состоит из РВ, раскрыв которого для согласования со свободным пространством плавно переходит в цилиндрический рупор. Высота РВ равна половине длины волны, для увеличения механической прочности и защиты излучающих элементов в раскрыве РВ расположен слой диэлектрика. Центральный излучатель возбуждается коаксиальной линией и имеет ненаправленную ДН в горизонтальной плоскости. Остальные излучатели образуют концентрические кольца. Формирование остронаправленного луча и сканирование достигается изменением фаз отдельных элементов за счет механического изменения длины питающих коаксиальных линий. Подробное исследование характеристик таких антенн отсутствует.

В [21] предложена конструкция антенны, состоящей из радиального волновода, образованного двумя проводящими дисками, замкнутыми по краю металлической стенкой. Волновод возбуждается коаксиальным зондом в центре нижнего диска. Над верхним диском расположена печатная схема с концентрическими рядами излучающих отверстий. На периферии диска, ближайшего к наружной печатной схеме выполнено несколько концентрических рядов отверстий связи, имеющих меньшие размеры по сравнению с излучающими отверстиями.

Первым практическим применением кольцевой решетки в KB диапазоне с электромеханическим движением луча можно считать KB пеленгатор.

В [22] приводятся результаты экспериментального исследования пеленгатора, состоящего из восьми антенн, расположенных через равные промежутки вдоль окружности и имеющих одинаковые ДН, ориентированные вдоль радиуса. Подобная антенная система и результаты ее экспериментального исследования приведены в [23].

В литературе значительное внимание уделено построению систем возбуждения КАР [24−27].

В работе [24] рассматривается система возбуждения КАР, с использованием переменных линий задержки. Система возбуждения позволяет осуществить качание луча при соответствующем изменении задержки в пределах 360°. Излучающие элементы равномерно располагаются на двух концентрических окружностях, так, что внутренние элементы лежат на биссектрисах углов между двумя соседними излучателями. Система возбуждения управляется с помощью двух колец, связанных кулисным механизмом. Линия задержки содержит несколько секций и соединяется с каждым излучателем.

В [28] предложена кольцевая ФАР, позволяющая осуществлять широкоугольное неискаженное сканирование путем коммутации излучающего раскрыва и схема блока управления, реализующего сканирование в пределах 360°.

В настоящее время вопросы теории и практической реализации однокольцевых фазированных антенных решеток достаточно хорошо изучены [4−7, 29−32]. Интерес к КАР не ослабевает, и объясняется эффективным применением их в системах связи. В [33] рассматривается применение КАР в системах сотовой связи для реализации не изотропной схемно-пространственной мультиплексии (схемно-пространственное сложение при излучении и приеме в секторе, соответствующем форме зоны обслуживания). На базе КАР возможно создание адаптивных антенно-фидерных устройств (АФУ) систем сотовой связи, позволяющих автоматически изменять свои характеристики с изменением пространственного положения абонентов.

В статье [34] приведено описание ФАР базовой станции сотовой связи. Антенная решетка состоит из четырех вибраторов над экраном. Один их вибраторов — активный, а остальные — пассивные. Антенна позволяет осуществлять поиск абонентов в горизонтальной плоскости в секторе 360°. Управление лучом осуществляется переключением питания между элементами.

В [35] было рассмотрено решение задачи о возбуждении радиального волновода методом непосредственного решения волновых уравнений для прямолинейных составляющих векторов электрического и магнитного полей, а затем представления полного поля в виде наложения электрических и магнитных волн. Однако, в правую часть волноводных уравнений для векторов поля входят не функции распределения сторонних токов, а операторы над ними, что не всегда удобно.

Приведенный обзор работ показывает, что открытыми остаются вопросы, связанные с построением ФАР двухмерного сканирования с использованием ККАР, определением характеристик направленности, зависимостью между числом элементов, необходимым для построения решетки, и ее характеристиками, полосой частот и диапазонными свойствами, а также возможных систем возбуждения ККАР с двумерным сканированием (ПККАР).

С учетом выше изложенного можно сформулировать основные цели и задачи диссертационной работы.

Цель и задачи работы.

Целью диссертационной работы является исследование характеристик направленности, частотных свойств и возможных способов возбуждения пространственных кольцевых концентрических антенных решеток (ПККАР) для двухмерного широкоугольного сканирования. В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решены следующие задачи: Численного исследования характеристик направленности, КНД и полосы частот ПККАР,.

Возбуждения радиального волновода, расчета элементов матрицы рассеяния,.

Определения возможных схем возбуждения ККАР, Анализ схем построения ФАР с широкоугольным двухмерным сканированием, исследования их характеристики.

Методы исследования:

Вычислительные методы электродинамики, теории антенн, численные методы математического анализа, численное моделирование характеристик ПККАР на ЭВМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Показана возможность двухмерного широкоугольного сканирования с теоретически минимальным числом управляющих излучателей,.

Решена задача о возбуждении ККАР радиальным волноводом. Проведено исследование структуры поля в радиальном волноводе и элементов связи с излучателями в виде штырей.

Практическая значимость результатов работы.

Разработан математический аппарат и методика расчета характеристик ПККАР,.

Разработаны алгоритм и программа расчета элементов связи радиального волновода с антенной решеткой,.

Предложены схемы построения ККАР с двухмерным широкоугольным сканированием.

Основные положения, выносимые на защиту:

Построение ФАР с малым числом излучателей для широкоугольного сканирования и расширение полосы рабочих частот электрически сканирующих ФАР;

Возбуждающая система ФАР и кольцевых концентрических антенных решеток с использованием радиального волновода.

Апробация результатов работы и публикации.

Основные положения и результаты работы докладывались на 2 конференциях и опубликованы в 3-х статьях в журналах «Радиотехника» и «Антенны» и 3 публикациях в форме тезисов к докладам.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы. Работа содержит 112 страниц.

Список литературы

содержит 84 наименований на 8 страницах.

4.3 ВЫВОДЫ.

Предложены и рассмотрены различные схемы построения выпуклых антенн (цилиндрических и пирамидальных ФАР) на базе ККАР и ДА для широкоугольного сканирования приблизительного к бортовым PJIC. Приведены зависимости ожидаемого коэффициента усиления от сектора обзора и от формы антенной системы. Поставленные результаты анализа различных схем построения антенн для широкоугольного сканирования позволяют вывить наиболее рациональный способ построения для заданного технического требования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе исследованы кольцевые концентрические фазированные антенные решетки с двумерным широкоугольным сканированием. Рассмотрены возможные схемы возбуждения кольцевых концентрических антенных решеток и предложена система многополюсного возбуждения радиальным волноводом. А также выявлен ряд преимуществ для практического использования, связанных с расширением рабочей полосы частот, минимизацией числа элементов. В том числе получены следующие результаты:

1. Предложено построение выпуклых ФАР двухмерного широкоугольного сканирования на базе ранее исследованных ККАР. В отличии от существующих ВФАР двухмерное сканирование осуществляется только с помощью фазовращателей. Ранее выявлено преимущества ККАР: широкоугольное сканированиебольшой шаг между элементами решеткиширокополосность полностью сохраняется здесь. Однако возникает проблему возбуждения и управления фазой решетки внутри объема антенны. С этой целю предложено пространственный способ возбуждения ККАР с помощью центрального излучателя, а все остальные элементы являются пассивными, нагруженными на отражательные фазовращатели. Методом ЭДС исследованы вибраторные кольцевые концентрические антенные решетки. Определены их характеристик направленности при таком методе возбуждения. Для сравнения полученных приводится ДН ВККАР когда все излучатели возбуждались фидерным способом.

2. Предложено воспользоваться преимущества ККАР для построения антенн с двумерным широкоугольным сканированием применением направленных излучателей типа открытого конца прямоугольного волновода. Применение направленные излучатели в ККАР позволило снизить уровень дальних боковых лепестков. Однако возникает эффект затенения одного излучателя другими. Разработана программа размещения излучателей в пространстве. При этом эффект экранирования устраняется соответствующим размещением в пространстве. Исследованы характеристики направленности предложенного варианта ФАР. При этом все элементы имеют одинаковую амплитуду, но поле на эквивалентном излучающим апертуре является спадающем. Тем самым обеспечить низкий уровень боковых лепестков. Представление особенно для активных ФАР. Показана возможность значительного уменьшения числа элементов в решетке по сравнению с плоскими решетками. Выявлены диапазонные и широкополосные свойства волноводных ККФАР, которые существенно превышают аналогичные характеристики плоских антенн.

3. Исследован возбудитель в виде радиального волновода для ККАР. Найдено полное электродинамическое решение на основе уравнений Максвелла в радиальном волноводе. Это было в связи с отсутствием данных волн высших типов в данном волноводе. Определены элементы матрицы рассеяния системы радиального волновода, возбуждающий штырь. Полученные результаты позволяют приблизительно рассчитать элементы связи излучателей ККАР по заданному амплитудному распределению в решетке.

4. Предложены и рассмотрены различные схемы построения выпуклых антенн (цилиндрических и пирамидальных ФАР) на базе ККАР и ДА для широкоугольного сканирования приблизительного к бортовым РЛС. Приведены зависимости ожидаемого коэффициента усиления от сектора обзора, от типа излучателя и от формы антенной системы. Показана возможность регулирования, и управления АФР с помощью фазового метода без устройства коммутации излучающей части выпуклой апертуры. К перспективным АФАР из-за сочетание коммутации питания излучающих секторов и фазового метода управления ФР., ожидаемый потерь может быть исключено. Кроме того отключаемая часть излучающей выпуклой.

104 поверхности может быть использована для работы с другими целями (связь, РЭБ, навигация, опознавания). Поставленные результаты анализа различных схем построения антенн для широкоугольного сканирования позволяют вывить наиболее рациональный способ построения для заданного технического требования.

Полученные результаты опубликованы в трех статьях, доложены на двух научно-технических международных конференциях.