Функциональные схемы диаграммообразующих устройств

1. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ДИАГРАММООБРАЗУЮЩИХ УСТРОЙСТВ

1.1. Элементная база

Для обеспечения высокого коэффициента полезного действия (КПД) многолучевой планарной фазированной антенной решетки (ФАР) её диаграммообразующее устройство (ДОУ), формирующее в пространстве веер независимых диаграмм направленности (по другой терминологии: веер лучей), выполняется из реактивных элементов и узлов, реализованных на отрезках одиночных и связанных полосковых или микрополосковых линий передачи [1, 2].

1.1.1. Направленный ответвитель (НО) представляет собой четырехразъемное (четырехвходовое, четырехплечее) устройство, образованное отрезком двух параллельных близко расположенных и электромагнитно связанных между собой линий передачи, заключенных в сплошной проводящий заземленный корпус [3, 4]. Поскольку каждый разъем (вход, рис. 1, а) имеет центральный штырек 1, находящийся под потенциалом сверхвысокочастотного (СВЧ) сигнала, и корпус 2, соединенный механически и электрически с корпусом ответвителя (т. е. с «землею), то разъем является конструктивной реализацией пары полюсов (рис. 1, б). Поэтому направленный ответвитель на связанных линиях (рис. 2, разъемы условно не показаны) относится к восьмиполюсным устройствам с нумерацией входов (плеч) согласно рис. 3, а. При этом на рис. 2 и 3 полюсы со штрихами  соединены с заземленным корпусом НО, а полюсы  являются «сигнальными», хотя в ряде случаев уровень сигнала на «сигнальном» полюсе может быть весьма мал. С учетом этих обозначений рассматриваемый НО как электрическая цепь описывается матрицей рассеяния  вида

;                (1)

где  – коэффициент электромагнитной связи линий;  – их электрическая длина;  – текущая,  – центральная частоты рабочего диапазона.

а                                                б

Рис. 1

Такая структура матрицы рассеяния означает, что сигнал, поданный от генератора на вход 1 НО, распределяется между нагрузками плеч 2 и 3 и совершенно не поступает в нагрузку плеча 4. Коэффициенты передачи по напряжению в нагрузки плеч 2 и 3 равны соответствующим элементам  и  матрицы рассеяния. Согласно принципу обратимости в пассивных электрических цепях при подаче сигнала на вход 4 он распределяется между нагрузками плеч 2 и 3 и не поступает в нагрузку плеча 1. Таким образом, передача сигнала от входа 1 к входу (плечу) 3 (по другой терминологии: передача сигнала в тракте  ответвителя) эквивалентна передаче сигнала от плеча 4 к плечу 2 (в тракте ), а также эквивалентна передаче сигнала в трактах  и  с коэффициентом передачи по напряжению, равном . Теми же свойствами обладают тракты , ,  и , характеризуясь коэффициентом передачи по напряжению . Этот факт отражается графически символом рис. 3, б или рис. 3, в.

Рис. 2

а                                   б                                   в

Рис. 3

1.1.2. Фазосдвигатель (фазовращатель) в простейшем случае представляет собой отрезок одиночно полосковой или микрополосковой линии передачи электрической длиной , относится к классу четырехполюсных (двухвходовых, двухразъемных) устройств СВЧ и характеризуется матрицей рассеяния  вида

, ,                      (2)

где  – геометрическая длина отрезка фазовращателя;  – текущая длина волны.

1.1.3. Электронные коммутаторы (СВЧ переключатели) представляют собой электрически управляемые многовходовые устройства, позволяющие переключать направление распространения сигнала между двумя произвольно выбранными входами.

1.1.4. Согласованные поглощающие нагрузки представляют собой элементы фидерного тракта, предназначенные для поглощения энергии СВЧ сигнала.

1.2. ТИПЫ ДИАГРАММООБРАЗУЮЩИХ УСТРОЙСТВ

1.2.1. Последовательное ДОУ (по другой терминологии: матрица Бласса – по фамилии зарубежного исследователя ФАР – Blass) образована совокупностью вертикальных и горизонтальных фидерных линий [5, 6], в узлах пересечения которых включаются направленные ответвители с коэффициентами связи  (рис. 4,  – число входов или лучей ФАР;  – число излучателей). Входами ФАР являются левые (по схеме) плечи горизонтальных линий передачи, а верхние (по схеме) плечи вертикальных линий являются выходами многолучевой ФАР и присоединяются к излучателям, объединенным в антенное полотно (АП). Правые плечи горизонтальных и нижние плечи вертикальных линий передачи нагружаются соответственно на согласованные нагрузки  и , равные по величине волновому сопротивлению  передающих линий.