Антенные решетки

Антенная решетка (АР) представляет собой группу излучающих элементов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, причем токи в каждом элементе, в общем случае, имеют различные амплитуды и фазы. Поле решетки определяется путем суперпозиции полей отдельных элементов. Это приводит к представлению суммарного поля в виде ряда. Принудительное изменение фаз в элементах АР приводит к перемещению луча антенны в пространстве – сканированию. Антенны такого класса называются фазированными антенными решетками – ФАР. Применение находят линейные, плоские, осесимметричные (например, кольцевые) решетки, решетки специальной формы.

Для формирования узконаправленного излучения в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях и обеспечения возможностей управления лучом в некотором пространственном секторе углов необходимо использовать двумерную (поверхностную) решетку излучателей.

На практике находят применение поверхностные АР самой разнообразной формы и структуры. Однако – наибольшее распространение имеют АР, схема, которой изображена на рис.2.1. Это плоская решетка идентичных и одинаково ориентированных излучателей расположенных в узлах прямоугольной эквидистантной сетки с периодом d_x и d_y.

Рассмотрим прямоугольную решетку с неравномерным амплитудным и линейным фазовым распределением, сфазированную для ориентации луча под углами . В этом случае распределение тока по элементам записывается как:

, где , , . (2.1)

, , где и - необходимые сдвиги фаз между соседними элементами в строке и столбце.

Рассмотрим два частных случая, широко используемых на практике, амплитудных распределений токов в АР, для которых имеются аналитические формулы расчета ДН:

1. Закон распределения «Косинус на пьедестале»:

. (2.2)

ДН в этом случае определяется формулой:

, (2.3)

- ДН одиночного элемента.

2. Закон распределения «Косинус квадрат на пьедестале»:

. (2.4)

Выражение для ДН

(2.5)

Для обоих законов распределения амплитуд

,

(2.6)

Из формулы (2.2) следует частный случай равноамплитудного распределения (Δ x=Δ y=1).

Для приближенной численной оценки ширины главного лепестка ДН и УБЛ при таких вариантах возбуждения можно использовать данные табл. 3.1, где приведены соотношения для прямоугольных синфазных и непрерывно возбужденных раскрывов. При этом необходимо помнить, что приведенные расчетные соотношения не учитывают направленные свойства одиночных элементов, возможность отклонения луча от нормали (несинфазное возбуждение элементов) и, что их использование возможно только при достаточно большом числе элементов в строке и столбце с выбором периода решетки в соответствии формулой 6.1.

Используя данные табл. 3.1 видно, что амплитудное распределение токов по элементам влияет на ширину главного лепестка ДН и на УБЛ. Учитывая, что ширина главного лепестка зависит ещё и от размеров решётки, выбор распределения при проектировании антенны производят по УБЛ. В последующем распределение корректируется с учетом направленности одиночных элементов и ростом УБЛ при отклонении луча от нормали.

В двумерной решетке, так же как и в линейной, происходит расширение главного лепестка ДН при отклонении луча от нормали.

Для остронаправленных решёток, у которых , можно считать, что расширение лепестка происходит только в плоскости сканирования. В этих случаях для ширины ДН справедливы приближенные формулы (равноамплитудные распределения):

; , (2.7)

где - угол отклонения луча от нормали.

КНД ФАР с равномерным по амплитуде распределением определяются следующим выражением:

(2.8)