Антенны поверхностных волн

Мост

Матрица Батлера формирует веер пересекающихся лучей, причем пересечения лежат в интервале от -3 дБ (при числе элементов n=2) до -3,92 дБ (при бесконечном числе элементов). Максимумы всех совпадают с нулями диаграмм всех остальных лучей.

При формировании амплитудных распределений, спадающих к краям ре­шетки, с целью уменьшения уровня боковых лепестков приходится усложнять матрицу Батлера, снижая при этом ее КПД.

На рисунке 7.25, б приведена последовательная ДОС, называемая матрицей Бласса, образованная двумя взаимно пересекающимися системами фидерных линий, связанных в местах пересечений направленными ответвителями. Вслед­ствие различия электрических расстояний межлу двумя соседними элемента­ми решетки при возбуждении разных входов решетки (l₁<l₂<l₃<l₄<l₅) различны­ми будут и наклоны фазовых распределений на решетке и, следовательно, на­клоны соответствующих им лучей. При одновременном возбуждении всех вхо­дов матрицы будет сформирован веер лучей. Число лучей равно числу вхо­дов матрицы.

Последовательная ДОС позволяет легко реализовать требуемые амплитуд­ные распределения по раcкрыву решетки, в отличие от параллельной ДОС, и реализуется при любом числе элементов. Недостатком последовательной ДОС являются необходимость применения большого числа направленных ответви-телей и снижение КПД из – за потерь в поглощающих нагрузках.

Активной антенной решеткой называют ре­шетку, в которой в тракте каждого элемента или группы элементов включен активный элемент. Активными элементами могут являться усилители, генераторы, преобразователи.

Активные элементы располагаются в не­посредственной близости от излучателей, что позволяет исключить использование высокочастотного тракта, уменьшить потери и увеличить КПД решетки, а также облегчить требования к ним по уровню проходящей мощности. Из – за наличия активных элементов в трактах решетки активная решетка является невзаимным устройством, имеющим различные характеристики в режимах приема и передачи электромагнитных колебаний (рисунке 7.26).

Рисунок 7.26 – Схема модуля активной приемно-передающей антенной решетки:

1 – излучающий элемент; 2 – циркулятор; 3 – фазовращатель; 4 – усилитель; 5 – поглощающая нагрузка; 6 – от передатчика; 7 – к приемнику

Активные решетки могут быть как приемными и передающими, так и приемно – передающими. В случае приемно – передающих активных решеток, рабо­тающих на одной частоте в режимах приема и передачи, каждый элемент (или группы элементов) имеет два канала для приема и передачи, разделя­ющиеся переключателем каналов или циркулятором

Перспективным направлением в развитии активных решеток является при­менение волоконно-оптических систем для разводки сигналов от излучающих элементов на обработку и управление активными модулями.

Оптическое уп­равление в активных решетках имеет следующие достоинства: большую поме­хоустойчивость, хорошее сопряжение с полупроводниковыми активными эле­ментами, малые массы и габаритные размеры.

Адаптивной антенной решеткой называет­ся приемная или приемно-передающая решетка, характеристики которой уп­равляются принимаемым радиосигналом.

Задачи у адаптивных решеток могут быть самые различные: формирова­ние нулей диаграммы в заданных направлениях, максимизация принимаемого сигнала при неплоском фазовом фронте падающей волны, переизлучение при­нятого сигнала в заданном направлении, увеличение отношения сигнал – шум и т. д.

Задача адаптации решается регулировкой коэффициента передачи (его амплитуды и фазы) в каналах каждого элемента решетки, и в этом случае адаптивная решетка должна быть активной.

К адаптивной решетке всегда придаются измерительное и вычислительное устройства, определяющие управление исходя из критерия качества. Наибо­лее распространены критерии качества, такие как максимизация отношения сигнал –шум, минимизация дисперсии шума и т. п.

Процесс формирования нуля диаграммы направленности в заданном направлении с целью подавления помехи заключается в формировании частью излучателей решетки компенсационного лепестка в направлении, где форми­руется нуль, равного по амплитуде боковому лепестку и имеющего противо­положную фазу (сдвиг по фазе на 180°). При этом боковой и компенсацион­ный лепестки, складываясь, дают нуль в направлении на помеху. Если фаза и амплитуда бокового лепестка неизвестны, то фаза и амплитуда компенса­ционного колебания подбираются многократным изменением фаз и амплитуд тех элементов, которые его создают, до тех пор, пока сигнал помехи, прихо­дящий по направлению подавления бокового лепестка, не станет меньше неко­торого допустимого уровня. При этом стараются так выбирать элементы, их фазы и амплитуды, чтобы были минимальны снижение коэффициента усиле­ния антенны и точности установки направления главного максимума.

Адаптивные решетки обладают значительными преимуществами перед обычными решетками, так как, имея возможность управлять своей диаграммой, фактически выполняют роль самонастраивающегося пространственного фильт­ра, подавляющего помехи и максимизирующего полезный сигнал. При реали­зации адаптивных решеток необходимы адаптивные процессоры с большим быстродействием и объемом памяти.

Одним из способов электрического управления лучом антенной решетки является частотное управление, основанное на изменении электрического расстояния между излучающими элементами решетки и, следовательно, фазы излучающих элементов, возбуждаемых волной, бегущей по канализирующей системе при изменении частоты колебаний этой волны. Сканирование лучом в этом случае также происходит вследствие изменения фазового распределение по излучающим элементам.

Наиболее приспособлен­ной для получения такого эффекта является эквидистант­ная линейная антенная решетка с последовательной схе­мой возбуждения элементов (рисунок 7.27) [9]. Мощность к излучателям отводится небольшими дозами из точек главного фидера, отстоящих одна от другой на расстоя­нии Ɩ. На конце главного фидера для поддержания режи­ма бегущей волны включена согласованная нагрузка.

На рисунке 7.27 в фидерах, идущих к каждому излучателю, изображены фиксированные частотно – независимые фазосдвигатели, которые учитывают способ связи каждо­го излучателя с фидером. Если все излучатели одинаковы и связаны одинаковым образом с главным фидером, то фиксированные фазосдвигатели просто выпадают из схемы (Фо=0). Однако фиксированные фазосдвигатели Фо=π появляются, например, когда производится смещение соседних продольных щелей на прямоугольном волноводе в разные стороны от средней линии (так называемые переменнофазные соседние элементы).

Рисунок 7.27 – Лииейиая антенная решетка с чсстотиым сканированием

Излучатели решетки располагаются в пространстве вдоль оси z с шагом d,причем, исходя из условия отсут­ствия побочных главных максимумов при сканировании, величина d должна удовлетворять неравен­ству [9]

(7.31)

где cos θ_1,2 — угловые границы сектора сканирования при изменении частоты;

λ_мин –минимальная длина волны в свободном пространстве в процессе изменения частоты при сканировании.

Частотно-зависимый фазовый сдвиг возбуждения лю­бых двух излучателей определяется электрическим за­паздыванием волны в главном фидере на участке дли­ной Ɩ

(7.32)

где β(ω) –зависящий от угловой частоты ω = 2πf коэффициент фазы в главном фидере (β = ω/ υ_ф(ω));

υ_ф (ω) – зависящая от уловой частоты фазовая скорость волны в главном фидере.

На любой частоте максимальное излучение решетки будет иметь место в том направлении θ(ω), в котором пространственная разность хода kdcosθ от двух сосед­них элементов (k = с/ω, где с – скорость света в свободном пространстве) будет равна фазовой задержке возбужде­ния на участке главного фидера длиной Ɩ (с учетом дополнительного фазового сдвига Фо в устройствах связи).

Это равенство имеет вид

kdcos[θ(ω)] = β(ω)Ɩ+ Фо.(7.33)

С увеличением частоты фазовый сдвиг β(ω)Ɩ увеличивается быстрее, чем kd и это в соответствии с (7.33) должно приводить к росту cos[θ(ω)] т. е. к отклонению луча в сторону от входа антенны.

Для увеличения скорости изменения фазы с изменением частоты и, следовательно, скорости изменения углового положения луча используют фидерные линии с резко выраженной зависимостью фазовой скорости волны от частоты.

В СВЧ диапазоне наиболее простым и традиционным вариантом линейной решетки с частотным сканированием является волноводно – щелевая решетка, представляющая собой прямоугольный волновод с основным типом волны Н₁₀ с элементами в виде щелей, прорезанных на широкой или узкой стенке волновода (рисунок 7.7). Располагая щели с разными наклонами к оси волновода или разными смещениями от оси волновода, можно регулировать амплитудное распределение волноводно-щелевой решетки.

Замедленные волны, распространяющиеся вдоль той или иной замед­ляющей поверхности, получили название поверхностных волн. Используя поверхностные волны, можно получить направленное излучение и, следовательно, направленный прием.

Антеннами поверхностных волн называются антенны, состоящие из возбудителябегущих электромагнитных волн и направителя, по поверхности которого эти волны распространятся с фазовой скоростью υ_ф, меньшей скорости света с. Иначе говоря, направитель является замедляющей структурой.

Задача возбудите­ля заключается в сосредоточении большей части излучаемой энергии, получен­ной от генератора, в сторону направителя и создании вдоль него (и совмест­но с ним) поверхностной волны. Обычно излучение возбудителя имеет неболь­шую направленность, а направленность антенны обеспечивается излучением направителя. Суммарное излучение является результатом интерференции собственного излучения возбудителя и излучения направителя.

Антенны поверхностных волн в своем подавляющем большинстве являют­ся антеннами бегущей волны. Антенны бегущих волн имеют сравнительно ма­лые поперечные размеры при достаточно высокой направленности. Поэтому их размещают часто там, где нельзя размещать антенны с большим поперечным сечением, а именно на подвижных объектах различных типов.

Направители бывают диэлектрическими и металлическими. По форме направители антенн поверхностных волн могут быть плоскими, дисковыми и стер­жневыми. В качестве возбудителей чаще всего используют односторонне нап­равленные излучатели: рупор, открытый конец волновода, вибратор с рефлек­тором и т. д.

На рисунке 7.28 представлено несколько видов плоских антенн поверхност­ных волн.

Рисунок 7.28 – Плоские антенны поверхностных волн:

1 – рупорный возбудитель; 2 – диэлектрический

направитель; 3 – металлический ребристый направитель;

4 – штыревой возбудитель; 5 – диэлектрический диск

Из стержневых антенн поверхностных волн наибольшее распространение получили диэлектрические антенны.

Диэлектрическая стержневая антенна представляет собой диэлектрический стержень, как правило, имеющий форму цилиндра или конуса (чаще усечен­ного), возбуждаемого фидерной линией (обычно круглым волноводом).

Однако диэлектрические антенны могут иметь стержни не только кругло­го сечения, но и квадратного, прямоугольного, эллиптического и кольцевого.

Часто применяются такие диэлектрики, как полиэтилен, фторопласт, поли­стирол, имеющие относительную диэлектрическую проницаемость ε 2...2,5 и малые диэлектрические потери.

Направителем диэлектрической стержневой антенны антенны служит цилиндрический или конусообразный стержень (рисунок 7.29, а), изготовленный из диэлектрика с малыми потерями (tgδ = 10 …10 ) и относительной диэлектрической проницаемостью ε = 2…4 (полистирол, тефлон, стеатит). На дециметровых волнах диэлектрический стержень (1 на рисунке 7.3, б) возбуждается с помощью штыря (2), являющегося продолжением внутреннего провода коаксиального фидера (3). Штырь находится внутри отрезка металлического волновода (4) с короткозамыкающей перемычкой (5). На сантиметровых волнах диэлектрический стержень (1 на рисунке 7.29, в) возбуждается непосредственно от металлического волновода (2). Скос стержня способствует согласованию с возбудителем. Известно, что в диэлектрическом стержне соответствующего сечения распространяются электромагнитные волны, которые по структуре полей можно отнести к волнам типа HE₁₁. Электрическое поле волны HЕ₁₁, преимущественно поперечное.

Рисунок 7.29 – Диэлектрическая антенна: а – диэлектрический стержень; б – возбуждение коаксиальным фидером; в – возбуждение волноводом

Значит, во всем объеме стержня имеются поперечные токи смещения. Как и токи проводимости, они способны вызывать излучение волн. Если добиться полного излучения электромагнитной энергии с поверхности стержня (чтобы от его открытого конца энергия не отражалась), то имеющиеся в стержне поперечные токи смещения образуют антенну бегущей волны с осевым излучением.

Нормированная функция направленности антенны имеет вид [8]

(7.34)

Коэффициент замедления k_з = с / υ_ф (с – скорость света, υ_ф – фазовая скорость распространения волны в стержне (υ_ф<с)) зависит от отношения диаметра стержня d к длине волны λ (рисунок 7.30 ).

Рисунок 7.30 - Зависимость фазовой скорости электромагнитных волн в диэлектрическом стержне от его диаметра, отнесенного к длине волны.

Действительно, если d/λ велико, то электромагнитные поля концентрируются преимущественно внутри стержня и распространяются в нем как в диэлектрическом волноводе с фазовой скоростью, примерно равной скорости распространения в неограниченной среде с диэлектрической проницаемостью ε данного стержня (υ_ф = с/ ). По мере уменьшения d/λ все большая часть энергии переносится вне стержня, интенсивней становится излучение энергии во внешнюю среду, фазовая скорость возрастает и при d/λ = 0,2…0,25 становится равной скорости света.

Соответственно изменяется и волновое сопротивление стержня. Погонная емкость диэлектрика больше, чем воздуха. Следовательно, волновое сопротивление диэлектрика меньше, чем воздуха, и так как с уменьшением d/λ увеличивается количество энергии, переносимойвне стержня, то его волновое сопротивление Z_BA возрастает и, когда d/λ становится меньше 0,29,Z_BA оказывается весьма близким к волновому сопротивлению свободного воздушного пространства. Вот почему диэлектрическим стержням придают коническую форму. Вначале стержень должен иметь такой максимальный диаметр, чтобы удовлетворялись условия возбуждения нужной волны HЕ₁₁:

(7.35)

Затемдиаметр d постепенно уменьшают до значения d_мин, при котором излучательпочти полностью согласован с внешней средой:

(7.36)

Зная d_макс и d_мин, определяем средний диаметр d =(d_макс +d_мин)/2. После чего с помощью рисунка 7.30 находим υ_ф /с и обратную величину k_з = с / υ_ф. Значение k_з должно совпадать или быть близким к оптимальному коэффициенту замедления k_зопт, при котором получается максимальный коэффициент направленного действия антенны. Как известно, для антенны бегущей волны с осевым излучением k_зопт=1+(λ/2)l_A. Таким образом определяется, какой должна быть длина стержня Ɩ_А.

С увеличением длины стержня его диаграмма направленности сначала су­жается, а уровень боковых лепестков и КНД растут, достигая своего макси­мума при некотором оптимальном значении длины Ɩ _опт, после чего с дальней­шим увеличением длины диаграмма направленности сужается, а уровень бо­ковых лепестков быстро возрастает и КНД падает. Затем при дальнейшем уд­линении стержня диаграмма антенны становится двухлепестковой (рисунок 7.31).

Рисунок 7.31 - Диаграммы направленности диэлектрической стержневой

Дата добавления: 2017-02-01