Линейные антенные решетки. Изучение основных свойств антенн, выполненных в виде решеток дискретных излучателей

Министерство образования и науки Российской федерации

Федеральное государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет имени

Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

Кафедра Радиотехники и Радиосистем

Лабораторная работа №4

«Линейные антенные решетки»

Допущены:

Выполнили:

Защитили:

Ст. гр. РТ-111

Принял:

г. Владимир, 2013

Цель работы: изучить основные свойства антенн, выполненных в виде решеток дискретных излучателей, и способы построения таких антенн с питанием от прямоугольного волновода.

Направленность излучения антенных решеток

Антенны, состоящие из большого числа одинаковых излучателей - антенные решетки - имеют большое распространение, потому что позволяют строить антенны практически с любыми характеристиками. В антенной решетке можно изменять взаимное положение излучателей, амплитуды и фазы их возбуждения, добиваясь требуемой диаграммы направленности (ДН). Изменяя амплитуды возбуждения в элементах решетки, можно получить ДН с заданным уровнем побочного излучения; регулируя фазы возбуждения элементов, можно управлять положением ДН в пространстве. Располагая элементы решетки различным образом в пространстве и осуществляя соответствующее питание, можно построить удобные в конструктивном смысле антенны с заданными свойствами, например, кольцевую решетку для кругового обзора пространства, антенную решетку на конусе для поиска цели в переднем полупространстве и т.п.

Основные свойства антенных решеток проще всего рассматривать на примере линейной эквидистантной решетки, у которой расстояние между соседними элементами одинаково. При равномерном амплитудном возбуждении и линейном законе распределения фаз в решетке из N элементов ее ДН описывается формулой (1)

где:

F_o(θ) - собственная ДН отдельного излучателя решетки, d - расстояние между излучателями,

Δφ - сдвиг по фазе в питании соседних излучателей,

θ - угол наблюдения, отсчитываемый от нормали к решетке,

 - волновое число для свободного пространства,

λ₀ - длина волны колебаний.

Отдельный элемент решетки обладает, как правило, незначительной направленностью, поэтому основные свойства ДН определяются множителем решетки F_p (0), который и исследуется ниже.

График множителя решетки как функция обобщенного аргумента приведен на рис. 1. Он получен делением синусов. В числителе аргумент в N раз больше аргумента синуса в знаменателе.

Рис.1. График множителя решетки

Неопределенность вида "ноль делить на ноль", возникающая при ψ/2 равному целому числу , дает значение с учетом N, стоящего в знаменателе. В этих случаях у множителя решетки возникают главные максимумы при ψ/2 = 0; ±2ψ; ±4ψ и т.д. Максимум, соответствующий ψ = 0 называется главным, а остальные - побочными главными.

Обобщенный аргумент ψ=Δφ+dsinθ имеет смысл сдвига по фазе напряженностей полей соседних элементов решетки в точке наблюдения, который образуется за счет сдвига фаз в питании соседних элементов (Δφ) и набега фазы за счет геометрической разности хода  лучей (dsin). При синфазном сложении полей возникает главный максимум ДН, а при сдвиге на целое число периодов ±m*2 - побочные главные максимумы порядка m. Отсюда следует, что положение главного максимума определяется формулой

Из формулы (2) видно, что, изменяя фазовый сдвиг в питании соседних элементов, можно управлять положением главного максимума ДН антенны, то есть осуществлять сканирование. При Δφ = 0 решетка называется синфазной, а направление главного максимума совпадает с нормалью к решетке - это режим поперечного излучения.

При возрастании Δφ максимум излучения отклоняется от нормали в сторону положительного направления оси Z, вдоль которой распространяется волна возбуждения в решетке, создавая запаздывание по фазе между элементами Δφ - этот режим называется режимом наклонного излучения. Когда Δφ =  , направление главного максимума соответствует направлению оси Z. При этом запаздывание по фазе волны возбуждения равно запаздыванию по фазе волны в пространстве на расстоянии d - т.е. скорость распространения волны возбуждения в антенне совпадает со скоростью света. Это соответствует режиму осевого излучения с фазовой скоростью равной скорости света. Для режимов поперечного и наклонного излучения ширина ДН по уровню половинной мощности рассчитывается по формуле

где L=Nd является длиной антенной решетки.

Из формулы множителя решетки и рис.1 видно, что функция F_p (θ)будет иметь только один главный максимум, если обобщенный аргумент ψ не достигает значения 2 при любых углах θ и фазовых сдвигах Δφ. В случае синфазной решетки это условие выполняется, когда расстояние между излучателями меньше длины волны. (d<λ₀)

Действительно

В сканирующих антеннах, когда Δφ не равно нулю, расстояние между излучателями должно быть связано меньшим

Положение нулей ДН, максимумов боковых лепестков и их уровней при синфазном возбуждении могут быть получены из соотношений:

т.е. для ближних к главному боковых лепестков. Через i в формулах обозначается номер нуля или бокового максимума ДН.

При отклонении положения главного максимума ДН от нормали расширяется главный лепесток (см.ф.(З)) и снижается направленность антенны. Допустимым снижением направленности определяется сектор сканирования.

Волноводно-щелевые решетки

При построении антенных решеток различного назначения широко применяются щели, возбуждаемые волной, распространяющейся в волноводе.