Фазированные антенные решетки. Требования к шагу решетки. Излучающие элементы ФАР. Взаимное влияние элементов ФАР

9.2. Фазированные антенные решетки

9.2.1. Требования к шагу решетки

Фазовый способ электрического сканирования реализуется в антеннах, получивших название фазированных антенных решеток (ФАР). Наиболее распространены ФАР на основе линейных и плоских решеток, теория которых изложена в гл. З. Возможности линейных ФАР более ограничены, так как сканирование здесь может осуществляться только в одной плоскости, проходящей через ось решетки. Плоские ФАР позволяют сканировать в пространственном секторе углов относитсльно нормали к плоскости решетки (реально — в секторе углов, не превышающем ±60⁰). Однонаправленность излучения достигается, как отмечалось, применением экранов или элементов с однонаправленным излучением. Кроме линейных и плоских используются также цилиндрические (включая кольцевые и дуговые), конические, сферические и другие типы выпуклых ФАР, позволяющих осуществлять сканирование в более широком секторе углов и обладающих рядом дополнительных преимуществ [8].

Принцип работы ФАР, как было показано в гл. 3, связан с изменением фазы колебаний, подводимых к отдельным излучающим элементам (в передающем режиме) с помощью фазовращателей таким образом, чтобы обеспечить синфазное сложение полей отдельных излучателей в требуемом направлении, т. е. формирование главного максимума ДН. Нормальное функционирование ФАР предполагает, что в решетке устранена возможность появления вторичных главных максимумов, обусловленных синфазным сложением полей (точнее, со сдвигом фаз 2п) в направлениях, отличных от направления главного максимума. Для линейной решетки из элементов, ДН которых близка к ненаправленной, вторичные главные максимумы, как показано в З 2. З, будут отсутствовать, если шаг решетки

          <          + Sin0 )                                                                  (9.2)

где 0тах — максимальный угол отклонения луча относительно перпендикуляра к оси решетки. Для плоской решетки с размещением элементов, близких к ненаправленным, в узлах прямоугольной или гексогональноЙ сеток (см. рис. 3.19) вторичные главные максимумы будут отсутствовать, если шаг решетки удовлетворяет требованиям (3.71), (3.72), где под 0 гл следует понимать максимальный угол отклонения луча в соответствующей плоскости.

Использование ненаправленных элементов имеет смысл при сканировании в широком секторе углов. При ограниченном секторе сканирования в принципе возможно применение направленных излучателей, имеющих ДН с шириной по уровню половинной мощности  20тах• Естественно, что размещение направленных излучателей возможно только при шаге, превышающем (9.2). При этом возникают вторичные главные максимумы множителя системы 1⁷ , однако в результирующей ДН эти максимумы в значительной степени подавляются за счет направленности излучения одиночного излучателя. Основным преимуществом подобных ФАР является уменьшение числа излучателей при заданных требованиях к ширине ДН, определяющих общие размеры раскрыва ФАР, и, главное, уменьшение числа требуемых фазовращателей.

Добиться уменьшения числа требуемых фазовращателсй можно и при использовании более простых, ненаправленных излучателей, размещаемых с шагом, близким к 0,5i, если объединять их в группы, управляемые одним фазовращателем (рис. 9.1). Каждую подрешетку можно рассматривать как направленный элемент решетки. Число излучателей в одной группе выбирается из условия, чтобы ДН подрешетки имела ширину 5 = 20 тах. Подобный метод, как и предыдущий, эффективен только при сканировании в узком секторе углов (0 тах< 20⁰).

Рис. 9.1

9.22. Излучающие элементы ФАР

В качестве излучающих элементов ФАР наиболее широко используются вибраторы, излучатели в виде открытых концов волноводов, рупоры, спиральные антенны. Находят применение также диэлектрические антенны. Выбор конкретного типа излучателя определяется целым рядом требований, основными из которых являются: заданный частотный диапазон, требования к форме ДН одного элемента (определяемые шириной сектора сканирования), поляризационная характеристика, излучаемая мощность, рабочая полоса частот, возможность размещения элементов в узлах прямоугольной или гексогональнои сетки.

При широкоугольном сканировании ДН отдельного элемента должна быть близка к ненаправленной. Поперечные размеры излучаюпдих элементов для выполнения условий размещения их в узлах решетки не должны превышать 1/2. При линейной поляризации используются симметричные вибраторы и излучатели в виде открытых концов волноводов прямоугольного или круглого сечения. Для решетки с круговой поляризацией находят применение плоские спирали и крестообразные вибраторы. В случае волноводных излучателей для получения круговой поляризации используются фазирующие секции или специальные системы возбуждения. При малых и средних уровнях мощности применяются антенны в печатном исполнении.

При сканировании в ограниченном секторе углов (менее ±20⁰) можно использовать направленные излучатели в виде директорных антенн, рупоров, цилиндрических спиралей, диэлектрических антенн.