eng
Содержание
Содержание
ГЛАВА 1.Введение
1.1
Антенные решетки – история вопроса
1.2.
Системные факторы
1.3.
Аннотированный список литературы
1.3.1
Литература по адаптивным антеннам
1.3.2.
Литература к главе
ГЛАВА 2. Основные характеристики антенных решеток
2.1.
Линейные решетки с равномерным возбуждением
2.1.1.
Диаграммы направленности
2.1.2.
Ширина луча
2.1.3.
Боковые лепестки
2.1.4.
Дифракционные лепестки
2.1.5.
Полоса пропускания
2.2.
Плоские антенные решетки
2.2.1.
Система координат антенных решеток
2.2.2.
Ширина луча
2.2.3.
Дифракционные лепестки: прямоугольная сетка
2.2.4.
Дифракционные лепестки: гексагональная сетка
2.3.
Управление лучом и лепестки квантования
2.3.1.
Дискретность управления
2.3.2.
Управление полосой пропускания
2.3.3
Размещение линий задержки
2.3.4
Лепестки квантования фазовращателей
2.3.5
Лепестки квантования подрешеток
2.3.6
Расфазирование лепестков квантования: перекрывающиеся подрешетки
2.4
Направленность
2.4.1
Направленность линейной антенной решетки
2.4.2
КНД антенной решетки, состоящей из коротких диполей
2.4.3
КНД антенной решетки, состоящей из резонансных элементов
2.4.4
КНД плоской антенной решетки
Литература
ГЛАВА 3. Синтез диаграмм направленности линейной антенной решетки
3.1
Введение
3.1.1.
Выражения для диаграммы направленности
3.1.2.
Физика и математика
3.1.3.
Принципы расчета узких лучей, предложенные Тейлором
3.2.
Антенные решетки Дольфа-Чебышева
3.2.1.
Решетки с полуволновым шагом
3.2.2.
Решетки с периодичностью, меньшей полуволновой
3.3.
Однопараметрическое распределение Тейлора
3.3.1.
Расчет однопараметрического распределения
3.4
N-параметрическое амплитудное распределение Тейлора
3.5
Распределения с низким уровнем боковых лепестков
3.5.1.
Сравнение распределений
3.5.2.
Средний уровень боковых лепестков
3.6
N- параметрическое амплитудное распределение Вильнева
3.7
Разностные диаграммы направленности
3.7.1.
Классические диаграммы направленности
3.7.2.
Диаграммы направленности Бейлиса
3.7.3.
Оптимизация суммарной и разностной диаграмм направленности
3.7.4.
Дискретные распределения Золотарева
3.8
Форма огибающей боковых лепестков
3.9
Синтез диаграммы направленности специальной формы
3.9.1.
Синтез Вудворда-Лоусона
3.9.2.
Синтез Эллиотта
3.10
Неэквидистантные антенные решетки
3.10.1
Статистический метод расчета
3.10.2
Специальное неэквидистантное расположение элементов
3.10.3
Антенные решетки с минимальной избыточностью
Литература
ГЛАВА 4. Синтез диаграмм направленности двумерных и круглых антенных решеток
4.1
Двумерные круглые антенные решетки
4.1.1.
Плоские щелевые антенные решетки
4.1.2.
Однопараметрическая диаграмма направленности Хансена
4.1.3.
Диаграмма направленности при -параметрическом распределении Тейлора для круглых апертур
4.1.4.
Разностная диаграмма направленности при распределении Бейлисса для круглых апертур
4.1.5.
Оптимизация разностной диаграммы направленности
4.2.
Двумерные апертуры, отличные от круглых
4.2.1.
Оптимизация диаграммы направленности двумерных решеток
4.2.2.
Синтез диаграмм направленности с кольцевыми боковыми лепестками
Литература
ГЛАВА 5. Элементы антенной решетки
5.1.
Диполи
5.1.1.
Тонкие диполи
5.1.2.
Диполи типа ‘Bow-Tie’ и ‘Open-Sleeve’
5.2.
Щели в волноводе
5.2.1.
Продольные щели в широкой стенке волновода
5.2.2.
Щели в боковой стенке волновода
5.2.3.
Щели в полосковой линии
5.2.4.
Волноводы с открытым концом
5.2.5.
Волновод, интегрированный с подложкой
5.3.
Рупорные TEM излучатели
5.3.1.
Эволюция рупорных TEM излучателей
5.3.2.
Расчет и конструирование рупорных излучателей
5.3.3.
Антенные решетки на основе TEM рупоров
5.3.4.
Антенны миллиметрового диапазона
5.4
Микрополосковые печатные антенны и диполи
5.4.1.
Модель в виде линии передачи
5.4.2.
Модель резонатора и другие модели
5.4.3.
Микрополосковые антенны с пассивными элементами
5.4.4.
Печатные антенны с симметричным питанием
ГЛАВА 6. Системы питания антенных решеток
6.1
Пледовательные линии питания
6.1.1
Резонансные антенные решетки
6.1.1.1
Импеданс и полоса пропускания.
6.1.1.2
Расчет антенной решетки на основе резонансных щелей
6.1.2
Антенные решетки бегущей волны
6.1.2.1
Частотное смещение максимума диаграммы направленности и условие единственности луча.
6.1.2.2
Вычисление активной проводимости элемента
6.1.2.3
Расчет щелевой антенной решетки бегущей волны
6.1.3
Частотное сканирование
6.1.4
Сканирование с помощью фазовращателей
6.2
Праллельные линии питания
6.2.1
Обьединённые линии питания
6.2.2
Распределенные антенные решетки
6.3
Думерные схемы питания
6.3.1
Антенные решетки с фиксированным положением луча
6.3.2
Антенные решетки с последовательным возбуждением
6.3.3
Электронное сканирование в одной плоскости
6.3.4
Электронное сканирование в двух плоскостях
6.4
Отические (фотонные) системы питания
6.4.1.
Волоконно-оптические линии задержки
6.4.1.1.
Двоичные линии задержки
6.4.1.2.
Акустооптические переключаемые линии задержки
6.4.1.3.
Модуляторы и фотодетекторы
6.4.2.
Оптоволоконные линии задержки с разделением по длинам волн
6.4.2.1.
Линии задержки на основе диспергирующих оптических волокон
6.4.2.2.
Оптоволоконные линии задержки с решеткой Брэгга
6.4.2.3.
Оптоволоконные линии задержки бегущей волны
6.4.3.
Устройства оптической задержки
6.4.4.
Оптическое преобразование Фурье
6.5
Систематические погрешности
6.5.1.
Параллельные фазовращатели
6.5.2.
Последовательные фазовращатели
6.5.3.
Компенсация систематических погрешностей
ГЛАВА 7. Взаимная связь
7.1.
Введение
7.2.
Основные принципы сканирующих антенных решеток
7.2.1.
Модель листа тока
7.2.2.
Свободное и вынужденное возбуждение
7.2.3.
Импеданс сканирования и диаграмма сканирования элемента
7.2.3.1.
Сравнение диаграммы сканирования элемента на прием и передачу
7.2.3.2.
Измерение импеданса сканирования
7.2.4.
Антенны с минимальным рассеянием
7.3.
Пространственные подходы к эффектам взаимной связи
7.3.1.
Классические виды связи
7.3.1.1.
Взаимный импеданс диполей и щелей
7.3.1.2.
Взаимный импеданс микрополосковых излучателей.
7.3.1.3.
Взаимный импеданс рупорных излучателей.
7.3.2.
Расчет на основе матрицы импедансов
7.3.3.
Дифракционные лепестки
7.4.
Подходы в спектральной области
7.4.1
Диполи и щели
7.4.2.
Микрополосковые антенные решётки
7.4.3.
Печатные диполи
7.4.4.
Печатные рупорные TEM-излучатели
7.4.5.
Имитаторы единичных ячеек
7.5.
Компенсация эффектов сканирования и устранение углов ослепления
7.5.1.
Углы ослепления
7.5.2.
Компенсация взаимной связи при сканировании
7.5.2.1.
Уменьшение величины связи
7.5.2.2.
Компенсация по цепям питания.
7.5.2.3.
Многомодовые элементы
7.5.2.4.
Внешний волновой фильтр
Литература
ГЛАВА 8. Конечные антенные решётки
8.1.
Методы анализа
8.1.1.
Обзор
8.1.2.
Конечно-бесконечные решётки
8.2.
Характеристики сканирования малых решёток
8.3.
Модель Гиббса конечно-бесконечной решётки
8.3.1.
Особенности поведения импеданса при сканировании
8.3.2
Модели Гиббса конечных решёток
Литература
ГЛАВА 9. Сверхнаправленные антенные решётки
9.1.
Историческая справка
9.2.
Максимальная направленность антенной решётки
9.2.1.
Направленность антенной решётки с фиксированным шагом в направлении нормали к раскрыву
9.2.2.
Направленность как следствие нулевого шага между элементами
9.2.3.
Направленность антенных решёток продольного (осевого) излучения
9.2.4.
Ширина полосы, эффективность и допуски
9.3.
Оптимизация с ограничениями
9.3.1
Сверхнаправленность Дольфа-Чебышева
9.3.2
Ограничение добротности или допусков
9.4.
Согласование сверхнаправленных решёток
9.4.1.
Увеличение потерь распределительной системы
9.4.2.
Решётки с использованием высокотемпературных сверхпроводников
Литература
ГЛАВА 10. Многолучевые антенны
10.1.
Введение
10.2.
Устройства формирования лучeй
10.2.1.
Схемы диаграммообразующих устройств
10.2.1.1.
ДОУ на основе делителей
10.2.1.2.
Матрица Батлера
10.2.1.3
Матрицы Бласса и Нолена
10.2.1.4.
Двухмерные диаграммообразующие устройства
10.2.1.5.
Двухмерная матрица МакФарленда
10.2.2.
Линзы
10.2.2.1.
Диаграммообразующее устройство - линза Ротмана
10.2.2.2.
Двумерные фидерные линзы
10.2.2.3.
Купольные линзы
10.2.2.4.
Другие линзы
10.2.3.
Цифровое формирование лучей
10.3.
Низкие боковые лепестки и интерполяция лучей
10.3.1.
Методы снижения боковых лепестков.
10.3.1.1.
Чередующиеся лучи
10.3.1.2.
Резистивное спадание
10.3.1.3.
Формирование низких боковых лепестков схемами с потерями
10.3.1.4.
Суперпозиция лучей
10.3.2.
Схемы интерполяции луча
10.4.
Ортогональность лучей
10.4.1
.Ортогональные лучи
10.4.1.1.
Понятие ортогональности.
10.4.1.2.
Ортогональность распределений
10.4.1.3.
Ортогональность решёток
10.4.2.
Эффекты неортогональности
10.4.2.1.
Потери эффективности
10.4.2.2.
Изменения боковых лепестков
Литература
ГЛАВА 11. Конформные антенные решётки
11.1.
Содержание
11.2.
Кольцевые решётки
11.2.1.
Непрерывная кольцевая антенна
11.2.2.
Дискретная кольцевая решётка
11.2.3.
Синфазное возбуждение луча
11.3.
Антенные решётки на цилиндрической поверхности
11.3.1.
Диаграммы щелевых элементов
11.3.2.
Диаграмма направленности антенной решётки
11.3.2.1.
Дифракционные лепестки
11.3.2.2.
Основные лепестки
11.3.2.3.
Цилиндрическая деполяризация
11.3.3.
Взаимная проводимость щели
11.3.3.1.
Модальные ряды
11.3.3.2.
Данные о полной проводимости
11.3.4.
Диаграмма сканирования элемента
11.4.
Секторные решётки на цилиндрах
11.4.1.
Диаграммы и направленность
11.4.2.
Сравнение планарных и секторных решёток
11.4.3.
Аппаратурная реализация кольцевой и цилиндрической решёток
11.5.
Решётки на конусах и сферах
11.5.1.
Конические решётки
11.5.1.1.
Сетки на конусе
11.5.1.2.
Коническая деполаризация и координатные системы
11.5.1.3.
Проекционный синтез
11.5.1.4.
Диаграммы направленности и взаимная связь
11.5.1.5.
Эксперименты с коническими решётками
11.5.2.
Сферические решётки
Литература
ГЛАВА 12. Связанные решётки
12.1.
История связанных решёток
12.2.
Принципы работы связанной решётки
12.3
Токи в связанных диполях
12.3.1.
Результаты моделирования: фазы тока
12.3.2.
Результаты моделирования: амплитуды тока
12.3.3.
Результаты моделирования: коэффициент усиления элемента
12.4.
Соединение элементов посредством реактивного сопротивления
12.5.
Развитие принципа связанных решёток
Литература
ГЛАВА 13. Отражательные и переизлучающие антенные решётки
13.1.
Отражательные антенные решётки
13.1.1.
История отражательных антенных решёток
13.1.2.
Геометрические соотношения
13.1.3.
Элементы отражательных решёток
13.1.4.
Фазирование элементов
13.1.5.
Ширина полосы
13.1.6.
Развитие отражающих решёток
13.2.
Переизлучающие антенные решётки
13.2.1.
История переизлучающих антенных решёток
13.2.2.
Последние достижения
13.2.3.
Современные виды применения
Литература
ГЛАВА 14. Зеркальные антенны с решётками
14.1.
Решётки, размещённые в фокальной плоскости
14.1.1.
Поля в фокальной плоскости и кома
14.1.2.
Восстановление потерь сканирования, вызванных комой
14.1.3.
Ограничения по коррекции комы
14.2.
Электромагнитная оптика ближнего поля
14.2.1.
Антенна Кассегрена ближнего поля
14.2.1.1.
Системные требования и ограничения
14.2.2.
Антенна Грегори ближнего поля
Литература
ГЛАВА 15. Измерения и допуски
15.1.
Измерение диаграмм направленности антенн с низким уровнем боковых лепестков
15.2.
Диагностика антенной решётки
15.3.
Волноводные имитаторы
15.4.
Допуски в антенных решётках
15.4.1.
Снижение направленности и увеличение среднего уровня боковых лепестков
15.4.2.
Ошибка установки луча
15.4.3.
Пиковые значения боковых лепестков
Литература
Глава 1
Введенте
1.1. Антенные решетки — история вопроса
Два предвоенных десятилетия (1920—40 гг.) и военный период характеризуют-
ся большой активностью в области теоретических и экспериментальных ис-
следований антенных решеток (АР); интерес к АР возобновился в начале
1960-х.
Заметным событием стал выпуск издательством Academic Press трехтомни-
ка «Микроволновые сканирующие антенны (Microwave Scanning Antennas—
MSA)», 1-й том которого вышел в 1964, а 2-й и 3-й тома в 1966 году. Эта рабо-
та была первым обширным обзором по фазированным АР, с акцентом на тео-
рию взаимной связи, которая лежит в основе расчета всех характеристик АР.
Цель данной книги — представить полное и обширное рассмотрение фази-
рованных АР путем дополнения и обновления соответствующих разделов
MSA. Сферой охвата книги являются все типы АР, кроме адаптивных, о ко-
торых имеется несколько превосходных книг (см. ссылки в конце главы).
Поскольку большинство АР работает на частотах, позволяющих считать
расстояние между антенной и землей достаточно большим для устранения
влияния земли на внутренние параметры АР, все решетки предполагаются
находящимися в свободном пространстве. Активные АР, то есть, решетки со-
держащие активные элементы, не рассматриваются, равно как и связанные с
ФАР СВЧ компоненты схем, за исключением фазовращателей, которые об-
суждаются вкратце. Предполагается также, что все элементы АР идентичны,
хотя согласование импедансов может изменяться в зависимости от положе-
ния элемента.
Существует смысловая трудность при использовании фразы «фазирован-
ная антенная решетка». Для некоторых людей это словосочетание предполага-
ет управление положением луча или сканирование. Однако для других, все АР
являются фазированными; синфазные АР с неподвижным лучом тоже фазиро-
ванные. Имеются и более важные терминологические вопросы; они рассмат-
риваются далее.
1.2. Системные факторы
Важными параметрами АР для разработчика системы являются диаграмма на-
правленности антенны, зависимость коэффициента усиления от угла сканиро-
вания, входной импеданс элемента и КПД. Для всех эквидистантных АР диа-
грамма направленности задается произведением диаграммы направленности
элемента и множителя изотропной АР, в которой излучатели являются все-
1.1. Антенные решетки — история вопроса 11
направленными. Однако возбуждение элементов должно быть таким же как и
для реальной АР. Как показано ниже, оно определяется путем решения урав-
нений, учитывающих собственный и взаимный импедансы элементов решетки
или матрицу её комплексной проводимости. Вообще говоря, все элементы АР
имеют разные входные импедансы. Для АР с неподвижным лучом они называ-
ются «встроенными импедансами»; использование устаревшего и вводящего в
заблуждение термина «активный импеданс» не рекомендуется. У элементов
сканирующей АР не только различные импедансы, но каждый из них изменя-
ется в зависимости от угла сканирования. Эти входные импедансы элементов
называются импедансами сканирования (scan impedance).
Зависимость коэффициента усиления элемента антенной решетки от
углов сканирования называется диаграммой сканирования элемента (Scan
Element Pattern — SEP), ранее неудачно называемый диаграммой направлен-
ности активного элемента. Диаграмма сканирования элемента) представляет
собой чрезвычайно полезный конструктивный параметр. Диаграмма направ-
ленности элемента и эффекты взаимосвязи включены в определение SEP;
полная диаграмма направленности излучения является произведением диаг-
раммы сканирования элемента и диаграммы направленности решетки изо-
тропных элементов при сканировании под соответствующим углом. Множи-
тель изотропной АР включает эффекты влияния размера и сетки АР, тогда
как диаграмма сканирования элемента, как отмечалось, включает диаграмму
направленности излучателя, влияние заднего экрана, если он используется, и
эффект взаимного влияния элементов. Поскольку диаграмма сканирования
элемента представляет собой огибающую зависимости коэффициента усиле-
ния АР от углов сканирования, она точно указывает проектировщику комму-
никационной системы или радара, как функционирует антенная решетка при
сканировании, имеются ли углы ослепления, и эффективно ли конкретное
значение угла сканирования. Диаграмма сканирования элемента использует-
ся для получения коэффициента усиления антенны в стандартных энергети-
ческих уравнениях радиолокации. У бесконечной антенной решетки SEP для
всех элементов одна и та же, тогда как в конечной решетке у каждого эле-
мента имеется различное окружение, так что SEP является параметром всей
АР. Использование диаграмм сканирования элементов бесконечной АР по-
зволяет вычленить вклад этих диаграмм и краевых эффектов в рабочие ха-
рактеристики АР. Формулы для диаграмм сканирования элементов как ко-
нечной, так и бесконечной АР выводятся далее; краевые эффекты также
обсуждаются ниже.
При обратном рассеянии от АР, аналогичным параметром является диа-
грамма сканирования элемента при рассеянии (Scattering Scan Element Pattern
— SSEP). Этот параметр характеризует интенсивность поля, рассеиваемого
элементом АР, при возбуждении АР падающей плоской волной. Он отличает-
ся от SEP, связывающего интенсивность поля излучения с полной мощностью
излучения. Соотношение между интенсивностью переизлученного поля и ин-
тенсивностью падающего поля определяется эффективной отражающей повер-
хностью (RCS) с учетом коэффициента 4рR2. SSEP представляет собой отно-
шение интенсивностей переизлученного и падающего излучения; при этом
удобно использовать нормировку к значению в направлении, перпендикуляр-
12 Глава 1. Введение
ном раскрыву антенны. Как и для излучающей АР, влияние конечного разме-
ра рассеивающей АР и краевых эффектов разделяется, поэтому SSEP устанав-
ливает связь между эффектами влияния конструкции элементов и сеткой АР.
Впоследствии это может быть использовано при расчете типа элементов и сет-
ки; учет особенностей, обусловленных размером АР, производится просто пу-
тем умножения на коэффициент для изотропной антенной решетки. Конечно,
SSEP связана с диаграммой направленности RCS. Ее можно рассматривать
как диаграмму направленности RCS одной элементарной ячейки АР. Систем-
ные факторы также проявляются при использовании АР в широкополосных
приложениях (без несущей).
Основное энергетическое уравнение для однонаправленного распростране-
ния (системы связи), написанное без явной зависимости от длины волны,
имеет вид
P
P GA
R r
t e
4 2
(1.1)
где, как обычно, Pr и Pt — принимаемая и излучаемая мощность, R — радиус
действия, а G и Ae — коэффициент усиления одной антенны и эффективная
поверхность другой. Как коэффициент усиления, так и эффективная поверх-
ность включают коэффициент рассогласования импеданса — (1|
Г|2). Предпо-
лагается, что Pt фиксировано и не зависит от частоты. Если произведение GAe
в интересующем частотном диапазоне относительно постоянно, то поступаю-
щий сигнал не имеет существенной дисперсии, при условии что антенна и со-
ответствующий фазовый элемент также имеют стабильные параметры [2].
В противном случае может возникать значительная дисперсия.
При поверхностном взгляде на АР можно предположить, что плоская ре-
шетка представляет собой антенну с постоянным значением эффективной по-
верхности. Однако коэффициент усиления эквидистантной АР из элементов с
малым усилением при увеличении частоты возрастает, начиная со значения,
соответствующего номинальной полуволновой периодичности, до тех пор,
пока не появится первый дифракционный лепесток, после чего коэффициент
усиления возвращается к первоначальному уровню. Дальнейшее увеличение
частоты вызывает дополнительный рост коэффициента усиления, сопровожда-
ющийся его падениями по мере появления дифракционных максимумов ре-
шетки. В конечном итоге коэффициент усиления АР в широкой полосе про-
пускания в лучшем случае примерно постоянен и равен значению
соответствующему полуволновой периодичности [1]. Здесь не учитывается эф-
фект рассогласования импедансов встроенных элементов при изменении час-
тоты — явление, дополнительно сильно уменьшающее коэффициент усиле-
ния. Таким образом, эквидистантная АР не способна компенсировать
дисперсию. Решетка с псевдослучайной периодичностью при увеличении час-
тоты не обнаруживает регулярных дифракционных лепестков. В правильно
спроектированной неэквидистантной АР доля мощности, содержащаяся в бо-
ковых лепестках, примерно постоянна, таким образом, коэффициент усиления
при изменении частоты примерно постоянен. Более существенен, однако, тот
факт, что для достижения даже умеренно низких уровней боковых лепестков,
необходимо очень большое количество элементов. Таким образом, эти типы
1.2. Системные факторы 13
АР также не пригодны для компенсации дисперсии. Антенные решетки, со-
стоящие из элементов с более высоким коэффициентом усиления, кроме того,
обладают дисперсией, обусловленной самими элементами и еще менее при-
годны для данных целей.
1.3. Аннотированный список литературы
Антенные решетки описываются во многих учебниках, но в данный перечень
включены книги и обзоры, в которых фазированные АР рассматриваются все-
сторонне.
Microwave Scanning Antennas, R. C. Hansen, Ed., 3 vols., Academic Press, 1964,
1966 [Peninsula Publishing, 1985, 442 pp., 400 pp., 422 pp.].
Это первая подробная работа по фазированным АР, все еще остается весь-
ма полезной. В томе 1 имеется глава, в которой рассматривается распределе-
ние поля в раскрыве. Том 2 содержит теорию АР и анализ бесконечной и ко-
нечный решеток; вероятно первую разработку метода анализа спектрального
представления для АР. В 3-м томе рассматриваются фидерные системы пита-
ния, частотное сканирование и многолепестковые диаграммы, создаваемые
многолучевыми матрицами Батлера.
Proceedings of the 1964 RADC Symposium on Electronically Scanned Array Techniques
and Applications, report RADC-TDR-64-225, AD-448 481.
Сюда вошли ранние работы, посвященные погрешностям квантования
фазы, ферритовым и полупроводниковым фазовращателям и матрицам фор-
мирования луча.
The Theory and Design of Circular Antenna Arrays, James D. Tillman, University
of Tennessee Engineering Experiment Station, 1966, 235 pp.
В этой монографии по кольцевым АР анализ импеданса и диаграммы на-
правленности проводится с помощью последовательной теории азимутальных
мод. Обсуждаются также вопросы сканирования АР.
Proceedings of the 1970 NELC Conformal Array Conference, TD-95, Naval Electronics
Lab. Center, AD-875 378.
В статьях конференции рассматриваются как кольцевые так и цилиндриче-
ские АР с точки зрения их теории и применений.
Phased Array Antennas, A. A. Oliner and G. H. Knittel, Artech, 1972, 381 pp.
Сборник трудов симпозиума по фазированным АР. Включено много работ,
касающихся вычисления импеданса, углов ослепления и т.д., а также практи-
ческих аспектов, таких как компенсация при сканировании, фидерное возбуж-
дение и фазирование.
Theory and Analysis of Phased Array Antennas, N. Amitay, V. Galindo, and C. P.
Wu, Wiley—Interscience, 1972, 443 pp.
Рассматриваются решетки волноводных излучателей. Широко использует-
ся метод спектрального представления. Приводятся решения уравнений для
малых конечных АР в терминах мод и элементов. Эта работа — одно из пер-
вых использований многомодового спектрального анализа.
14 Глава 1. Введение
Proceedings of the 1972 NELC Array Antenna Conference, TD-155, 2 Parts, Naval
Electronics Lab. Center, AD-744 629, AD-744 630.
Содержится много работ, касающихся вопросов технологии антенных ре-
шеток и компонентов; адаптивных и конформных антенных решеток.
Theory and Application of Antenna Arrays, M. T. Ma, Wiley—Interscience, 1974,
413 pp.
Рассматривается и синтез антенных решеток с неподвижным лучом и мно-
гочисленными примерами антенных решеток. Существенную часть книги за-
нимает описание эффекта влияния земли на характеристики антенных реше-
ток.
Conformal Antenna Array Design Handbook, R. C. Hansen, Ed., Naval Air Systems
Command, 1982, AD-A110 091.
В отчете подводятся итоги десятилетней работы по цилиндрическим и ко-
ническим щелевым АР, выполненной при поддержке NAVAIR (Naval Air Systems
Command — Командование авиационных систем ВМС США), и включа-
ющей использование алгоритмов взаимного импеданса.
Antenna Theory and Design, R. S. Elliott, Prentice-Hall, 1981, 594 pp.
Превосходный источник информации по анализу и синтезу волновод-
но-щелевых антенных решеток. Подробно рассматривается форма огибающей
боковых лепестков.
The Handbook of Antenna Design, A. W. Rudge, K. Milne, A. D. Olver, and P.
Knight, Eds., IEE/Peregrinus, 1983, vol. 2, 945 pp.
В справочник включены главы по линейным, плоским, конформным и ко-
льцевым АР и обработке сигналов на выходе АР. Содержит исчерпывающие
данные, касающиеся анализа и синтеза АР с учетом эффектов взаимного вли-
яния.
Proceedings of the 1985 RADC Phased Array Symposium, H. Steyskal, Ed., report
RADC-TR-85-171, AD-A169 316.
Данный сборник содержит, в частности, работы по микрополосковым и
адаптивным антенным решеткам и импедансу сканирования. Второй том име-
ет ограниченное распространение.
Antenna Handbook, Y. T. Lo and S. W. Lee, Van Nostrand Reinhold, 1988.
В справочник входят главы по теории АР, щелевым решеткам, эквидистан-
тным и неэквидистантным АР, практическим аспектам АР и многолучевым
решеткам.
Antenna Engineering Handbook, R. C. Johnson and H. Jasik, McGraw-Hill,
1993.
Обновленный выпуск старого классического справочника содержит главы
по теории АР, щелевым решеткам, частотному сканированию, фазированным
и конформным АР.
Phased Array Antenna Handbook, R. J. Mailloux, Artech, 1994, 534 pp.
В данном специализированном руководстве освещается большинство тем,
касающихся АР, с акцентом на их анализе и синтезе. В одной из глав описы-
ваются некоторые виды сканирующих решеток и АР с линиями задержки.
1.3. Аннотированный список литературы 15
Phased Array-Based Systems and Applications, N. Fourikis, Wiley—Interscience,
1997.
В книге выделен системный аспект использования АР.
1.3.1. Литература по адаптивным антеннам
Compton, R. T., Jr., Adaptive Antennas, Prentice-Hall, 1988.
Hudson, J. E., Adaptive Array Principles, IEE/Peregrinus, 1981.
Monzingo, R. A. andMiller, T. W., Introduction to Adaptive Arrays, Wiley, 1980.
Widrow, B. and Stearns, S. D., Adaptive Signal Processing, Prentice-Hall, 1985.
Литература
1. Hansen, R. C., «Comparison of Square Array Directivity Formulas», Trans. IEEE, Vol.
AP-20, Jan. 1972, pp. 100—102.
2.Hansen, R. C. and Libelo, L. F., «Wideband Dispersion in Baseband Systems», Trans.
IEEE, Vol. AES-31, July 1995, pp. 881—890.
Введенте
1.1. Антенные решетки — история вопроса
Два предвоенных десятилетия (1920—40 гг.) и военный период характеризуют-
ся большой активностью в области теоретических и экспериментальных ис-
следований антенных решеток (АР); интерес к АР возобновился в начале
1960-х.
Заметным событием стал выпуск издательством Academic Press трехтомни-
ка «Микроволновые сканирующие антенны (Microwave Scanning Antennas—
MSA)», 1-й том которого вышел в 1964, а 2-й и 3-й тома в 1966 году. Эта рабо-
та была первым обширным обзором по фазированным АР, с акцентом на тео-
рию взаимной связи, которая лежит в основе расчета всех характеристик АР.
Цель данной книги — представить полное и обширное рассмотрение фази-
рованных АР путем дополнения и обновления соответствующих разделов
MSA. Сферой охвата книги являются все типы АР, кроме адаптивных, о ко-
торых имеется несколько превосходных книг (см. ссылки в конце главы).
Поскольку большинство АР работает на частотах, позволяющих считать
расстояние между антенной и землей достаточно большим для устранения
влияния земли на внутренние параметры АР, все решетки предполагаются
находящимися в свободном пространстве. Активные АР, то есть, решетки со-
держащие активные элементы, не рассматриваются, равно как и связанные с
ФАР СВЧ компоненты схем, за исключением фазовращателей, которые об-
суждаются вкратце. Предполагается также, что все элементы АР идентичны,
хотя согласование импедансов может изменяться в зависимости от положе-
ния элемента.
Существует смысловая трудность при использовании фразы «фазирован-
ная антенная решетка». Для некоторых людей это словосочетание предполага-
ет управление положением луча или сканирование. Однако для других, все АР
являются фазированными; синфазные АР с неподвижным лучом тоже фазиро-
ванные. Имеются и более важные терминологические вопросы; они рассмат-
риваются далее.
1.2. Системные факторы
Важными параметрами АР для разработчика системы являются диаграмма на-
правленности антенны, зависимость коэффициента усиления от угла сканиро-
вания, входной импеданс элемента и КПД. Для всех эквидистантных АР диа-
грамма направленности задается произведением диаграммы направленности
элемента и множителя изотропной АР, в которой излучатели являются все-
1.1. Антенные решетки — история вопроса 11
направленными. Однако возбуждение элементов должно быть таким же как и
для реальной АР. Как показано ниже, оно определяется путем решения урав-
нений, учитывающих собственный и взаимный импедансы элементов решетки
или матрицу её комплексной проводимости. Вообще говоря, все элементы АР
имеют разные входные импедансы. Для АР с неподвижным лучом они называ-
ются «встроенными импедансами»; использование устаревшего и вводящего в
заблуждение термина «активный импеданс» не рекомендуется. У элементов
сканирующей АР не только различные импедансы, но каждый из них изменя-
ется в зависимости от угла сканирования. Эти входные импедансы элементов
называются импедансами сканирования (scan impedance).
Зависимость коэффициента усиления элемента антенной решетки от
углов сканирования называется диаграммой сканирования элемента (Scan
Element Pattern — SEP), ранее неудачно называемый диаграммой направлен-
ности активного элемента. Диаграмма сканирования элемента) представляет
собой чрезвычайно полезный конструктивный параметр. Диаграмма направ-
ленности элемента и эффекты взаимосвязи включены в определение SEP;
полная диаграмма направленности излучения является произведением диаг-
раммы сканирования элемента и диаграммы направленности решетки изо-
тропных элементов при сканировании под соответствующим углом. Множи-
тель изотропной АР включает эффекты влияния размера и сетки АР, тогда
как диаграмма сканирования элемента, как отмечалось, включает диаграмму
направленности излучателя, влияние заднего экрана, если он используется, и
эффект взаимного влияния элементов. Поскольку диаграмма сканирования
элемента представляет собой огибающую зависимости коэффициента усиле-
ния АР от углов сканирования, она точно указывает проектировщику комму-
никационной системы или радара, как функционирует антенная решетка при
сканировании, имеются ли углы ослепления, и эффективно ли конкретное
значение угла сканирования. Диаграмма сканирования элемента использует-
ся для получения коэффициента усиления антенны в стандартных энергети-
ческих уравнениях радиолокации. У бесконечной антенной решетки SEP для
всех элементов одна и та же, тогда как в конечной решетке у каждого эле-
мента имеется различное окружение, так что SEP является параметром всей
АР. Использование диаграмм сканирования элементов бесконечной АР по-
зволяет вычленить вклад этих диаграмм и краевых эффектов в рабочие ха-
рактеристики АР. Формулы для диаграмм сканирования элементов как ко-
нечной, так и бесконечной АР выводятся далее; краевые эффекты также
обсуждаются ниже.
При обратном рассеянии от АР, аналогичным параметром является диа-
грамма сканирования элемента при рассеянии (Scattering Scan Element Pattern
— SSEP). Этот параметр характеризует интенсивность поля, рассеиваемого
элементом АР, при возбуждении АР падающей плоской волной. Он отличает-
ся от SEP, связывающего интенсивность поля излучения с полной мощностью
излучения. Соотношение между интенсивностью переизлученного поля и ин-
тенсивностью падающего поля определяется эффективной отражающей повер-
хностью (RCS) с учетом коэффициента 4рR2. SSEP представляет собой отно-
шение интенсивностей переизлученного и падающего излучения; при этом
удобно использовать нормировку к значению в направлении, перпендикуляр-
12 Глава 1. Введение
ном раскрыву антенны. Как и для излучающей АР, влияние конечного разме-
ра рассеивающей АР и краевых эффектов разделяется, поэтому SSEP устанав-
ливает связь между эффектами влияния конструкции элементов и сеткой АР.
Впоследствии это может быть использовано при расчете типа элементов и сет-
ки; учет особенностей, обусловленных размером АР, производится просто пу-
тем умножения на коэффициент для изотропной антенной решетки. Конечно,
SSEP связана с диаграммой направленности RCS. Ее можно рассматривать
как диаграмму направленности RCS одной элементарной ячейки АР. Систем-
ные факторы также проявляются при использовании АР в широкополосных
приложениях (без несущей).
Основное энергетическое уравнение для однонаправленного распростране-
ния (системы связи), написанное без явной зависимости от длины волны,
имеет вид
P
P GA
R r
t e
4 2
(1.1)
где, как обычно, Pr и Pt — принимаемая и излучаемая мощность, R — радиус
действия, а G и Ae — коэффициент усиления одной антенны и эффективная
поверхность другой. Как коэффициент усиления, так и эффективная поверх-
ность включают коэффициент рассогласования импеданса — (1|
Г|2). Предпо-
лагается, что Pt фиксировано и не зависит от частоты. Если произведение GAe
в интересующем частотном диапазоне относительно постоянно, то поступаю-
щий сигнал не имеет существенной дисперсии, при условии что антенна и со-
ответствующий фазовый элемент также имеют стабильные параметры [2].
В противном случае может возникать значительная дисперсия.
При поверхностном взгляде на АР можно предположить, что плоская ре-
шетка представляет собой антенну с постоянным значением эффективной по-
верхности. Однако коэффициент усиления эквидистантной АР из элементов с
малым усилением при увеличении частоты возрастает, начиная со значения,
соответствующего номинальной полуволновой периодичности, до тех пор,
пока не появится первый дифракционный лепесток, после чего коэффициент
усиления возвращается к первоначальному уровню. Дальнейшее увеличение
частоты вызывает дополнительный рост коэффициента усиления, сопровожда-
ющийся его падениями по мере появления дифракционных максимумов ре-
шетки. В конечном итоге коэффициент усиления АР в широкой полосе про-
пускания в лучшем случае примерно постоянен и равен значению
соответствующему полуволновой периодичности [1]. Здесь не учитывается эф-
фект рассогласования импедансов встроенных элементов при изменении час-
тоты — явление, дополнительно сильно уменьшающее коэффициент усиле-
ния. Таким образом, эквидистантная АР не способна компенсировать
дисперсию. Решетка с псевдослучайной периодичностью при увеличении час-
тоты не обнаруживает регулярных дифракционных лепестков. В правильно
спроектированной неэквидистантной АР доля мощности, содержащаяся в бо-
ковых лепестках, примерно постоянна, таким образом, коэффициент усиления
при изменении частоты примерно постоянен. Более существенен, однако, тот
факт, что для достижения даже умеренно низких уровней боковых лепестков,
необходимо очень большое количество элементов. Таким образом, эти типы
1.2. Системные факторы 13
АР также не пригодны для компенсации дисперсии. Антенные решетки, со-
стоящие из элементов с более высоким коэффициентом усиления, кроме того,
обладают дисперсией, обусловленной самими элементами и еще менее при-
годны для данных целей.
1.3. Аннотированный список литературы
Антенные решетки описываются во многих учебниках, но в данный перечень
включены книги и обзоры, в которых фазированные АР рассматриваются все-
сторонне.
Microwave Scanning Antennas, R. C. Hansen, Ed., 3 vols., Academic Press, 1964,
1966 [Peninsula Publishing, 1985, 442 pp., 400 pp., 422 pp.].
Это первая подробная работа по фазированным АР, все еще остается весь-
ма полезной. В томе 1 имеется глава, в которой рассматривается распределе-
ние поля в раскрыве. Том 2 содержит теорию АР и анализ бесконечной и ко-
нечный решеток; вероятно первую разработку метода анализа спектрального
представления для АР. В 3-м томе рассматриваются фидерные системы пита-
ния, частотное сканирование и многолепестковые диаграммы, создаваемые
многолучевыми матрицами Батлера.
Proceedings of the 1964 RADC Symposium on Electronically Scanned Array Techniques
and Applications, report RADC-TDR-64-225, AD-448 481.
Сюда вошли ранние работы, посвященные погрешностям квантования
фазы, ферритовым и полупроводниковым фазовращателям и матрицам фор-
мирования луча.
The Theory and Design of Circular Antenna Arrays, James D. Tillman, University
of Tennessee Engineering Experiment Station, 1966, 235 pp.
В этой монографии по кольцевым АР анализ импеданса и диаграммы на-
правленности проводится с помощью последовательной теории азимутальных
мод. Обсуждаются также вопросы сканирования АР.
Proceedings of the 1970 NELC Conformal Array Conference, TD-95, Naval Electronics
Lab. Center, AD-875 378.
В статьях конференции рассматриваются как кольцевые так и цилиндриче-
ские АР с точки зрения их теории и применений.
Phased Array Antennas, A. A. Oliner and G. H. Knittel, Artech, 1972, 381 pp.
Сборник трудов симпозиума по фазированным АР. Включено много работ,
касающихся вычисления импеданса, углов ослепления и т.д., а также практи-
ческих аспектов, таких как компенсация при сканировании, фидерное возбуж-
дение и фазирование.
Theory and Analysis of Phased Array Antennas, N. Amitay, V. Galindo, and C. P.
Wu, Wiley—Interscience, 1972, 443 pp.
Рассматриваются решетки волноводных излучателей. Широко использует-
ся метод спектрального представления. Приводятся решения уравнений для
малых конечных АР в терминах мод и элементов. Эта работа — одно из пер-
вых использований многомодового спектрального анализа.
14 Глава 1. Введение
Proceedings of the 1972 NELC Array Antenna Conference, TD-155, 2 Parts, Naval
Electronics Lab. Center, AD-744 629, AD-744 630.
Содержится много работ, касающихся вопросов технологии антенных ре-
шеток и компонентов; адаптивных и конформных антенных решеток.
Theory and Application of Antenna Arrays, M. T. Ma, Wiley—Interscience, 1974,
413 pp.
Рассматривается и синтез антенных решеток с неподвижным лучом и мно-
гочисленными примерами антенных решеток. Существенную часть книги за-
нимает описание эффекта влияния земли на характеристики антенных реше-
ток.
Conformal Antenna Array Design Handbook, R. C. Hansen, Ed., Naval Air Systems
Command, 1982, AD-A110 091.
В отчете подводятся итоги десятилетней работы по цилиндрическим и ко-
ническим щелевым АР, выполненной при поддержке NAVAIR (Naval Air Systems
Command — Командование авиационных систем ВМС США), и включа-
ющей использование алгоритмов взаимного импеданса.
Antenna Theory and Design, R. S. Elliott, Prentice-Hall, 1981, 594 pp.
Превосходный источник информации по анализу и синтезу волновод-
но-щелевых антенных решеток. Подробно рассматривается форма огибающей
боковых лепестков.
The Handbook of Antenna Design, A. W. Rudge, K. Milne, A. D. Olver, and P.
Knight, Eds., IEE/Peregrinus, 1983, vol. 2, 945 pp.
В справочник включены главы по линейным, плоским, конформным и ко-
льцевым АР и обработке сигналов на выходе АР. Содержит исчерпывающие
данные, касающиеся анализа и синтеза АР с учетом эффектов взаимного вли-
яния.
Proceedings of the 1985 RADC Phased Array Symposium, H. Steyskal, Ed., report
RADC-TR-85-171, AD-A169 316.
Данный сборник содержит, в частности, работы по микрополосковым и
адаптивным антенным решеткам и импедансу сканирования. Второй том име-
ет ограниченное распространение.
Antenna Handbook, Y. T. Lo and S. W. Lee, Van Nostrand Reinhold, 1988.
В справочник входят главы по теории АР, щелевым решеткам, эквидистан-
тным и неэквидистантным АР, практическим аспектам АР и многолучевым
решеткам.
Antenna Engineering Handbook, R. C. Johnson and H. Jasik, McGraw-Hill,
1993.
Обновленный выпуск старого классического справочника содержит главы
по теории АР, щелевым решеткам, частотному сканированию, фазированным
и конформным АР.
Phased Array Antenna Handbook, R. J. Mailloux, Artech, 1994, 534 pp.
В данном специализированном руководстве освещается большинство тем,
касающихся АР, с акцентом на их анализе и синтезе. В одной из глав описы-
ваются некоторые виды сканирующих решеток и АР с линиями задержки.
1.3. Аннотированный список литературы 15
Phased Array-Based Systems and Applications, N. Fourikis, Wiley—Interscience,
1997.
В книге выделен системный аспект использования АР.
1.3.1. Литература по адаптивным антеннам
Compton, R. T., Jr., Adaptive Antennas, Prentice-Hall, 1988.
Hudson, J. E., Adaptive Array Principles, IEE/Peregrinus, 1981.
Monzingo, R. A. andMiller, T. W., Introduction to Adaptive Arrays, Wiley, 1980.
Widrow, B. and Stearns, S. D., Adaptive Signal Processing, Prentice-Hall, 1985.
Литература
1. Hansen, R. C., «Comparison of Square Array Directivity Formulas», Trans. IEEE, Vol.
AP-20, Jan. 1972, pp. 100—102.
2.Hansen, R. C. and Libelo, L. F., «Wideband Dispersion in Baseband Systems», Trans.
IEEE, Vol. AES-31, July 1995, pp. 881—890.