Совмещенные двухчастотные ФАР

4.1. СХЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ
Для повышения эффективности работы во все большем числе бортовых и наземных радиокомплексов используют сканирующие АР. Обладая значительным преимуществом перед другими антеннами в скорости управления лучом и многофункциональности работы, эти АР имеют существенный недостаток, связанный с ограниченностью рабочей полосы частот. Как правило, ФАР работают в узком частотном диапазоне, составляющем несколько процентов от центральной частоты диапазона.
В настоящее время появился класс совмещенных ФАР, в которых возможны независимое формирование ДН и электрическое управление лучом с одной апертуры в нескольких частотных диапазонах. Рассчитать и спроектировать совмещенные ФАР несравнимо сложнее, чем «обычные» ФАР, ибо наряду с решением традиционных задач приходится учитывать пассивное влияние излучателей ФАР одного диапазона частот на ДН и согласование в соседних диапазонах. Изложим методы расчета некоторых типов двухчастотных ФАР и проанализируем особенности и закономерности в поведении их электродинамических характеристик.
Рис. 4.1. Структурная схема двухчастотной совмещенной ФАР
Совмещенные ФАР представляют совокупность нескольких одночастотных ФАР, излучатели которых расположены в пределах одного излучающего раскрыва (излучающей апертуры) [4.1]. Из структурной схемы (рис. 4.1) видно, что двухчастотная совмещенная ФАР включает общую (совмещенную) апертуру, в которой расположены разночастотные излучатели, два независимых тракта питания, состоящих из делителей мощности в диапазонах частот f1 и f2, и двух блоков фазовращателей этих диапазонов. Дополнительными элементами в трактах питания являются полосовые фильтры, которые предназначены пропускать электромагнитное поле в заданной полосе частот рабочего диапазона и не пропускать в полосе частот совмещенного диапазона. Таким образом обеспечивается электромагнитная совместимость (ЭМС) в двухчастотных ФАР. Полосовые фильтры можно включать как на входе делителей мощности разно-частотных диапазонов, так и перед каждым излучателем- В последнем случае обеспечиваются лучшие диапазонные свойства, связанные с частотными изменениями переотраженных от фильтров полей.
Рис. 4.2. Характерные примеры построения совмещенных апертур двухчастотных ФАР при использовании вибраторных (а), волноводных и вибраторных (б) и волноводных (в, г) излучателей
В примерах построения совмещенных апертур двухчастотных ФАР (рис. 4.2} около каждого излучателя обозначена средняя частота f1 или частота f2 рабочего диапазона, в котором он проявляет себя как активный излучатель. В качестве излучателей обоих диапазонов в ФАР, изображенной на рис. 4.2, а, используют резонансные (на рабочей частоте) вибраторные излучатели, расположенные над отражающим экраном. Причем для наименьшего затенения, как правило, излучатели более низкочастотного диапазона располагаются над излучателями более высокочастотного.
В ФАР, схема, которой изображена на рис. 4.2,б, в качестве излучателей ВЧ диапазона взяты волноводные, которые служат экраном для вибраторных излучателей НЧ диапазона. В вариантах волноводно-волноводных совмещенных ФАР, показанных на рис. 4.2, в, излучателями обоих частотных диапазонов служат открытые концы волноводов, размещенные в одной апертуре. В ФАР на рис. 4.2, г излучающая апертура образована открытыми концами отрезков НЧ волноводов. Волноводы ВЧ излучают через отрезки НЧ волноводов, а раскрыв ВЧ волноводов служит рефлектором для поля НЧ диапазона. Волноводы НЧ возбуждаются штырем от коаксиальной или полосковой линии [4.2].
В совмещенных двухчастотных ФАР питание излучателей и включение фазовращателей в каждом частотном диапазоне, как правило, независимы и реализуются в соответствии с принципами построения фидерного тракта обычных одночастотных ФАР [0.2].
sitednl.narod.ru/1.zip — база сотовых по Петербургу
Программа для разрезания и сшивания файлов, шифрования, а также удаления файлов с защитой от восстановления специальными утилитами.
acsoftware.narod.ru/download/demo/acdemo.zip
Особенностью схем питания совмещенных ФАР являются более жесткие габаритные и конструктивные ограничения, связанные с необходимостью размещать два фидерных тракта в ограниченном объеме. Поэтому при выборе фидерных линий и делителей мощности в закрытых трактах питания предпочтение отдается коаксиальным или полосковым линиям. Волноводные линии и делители мощности целесообразно применять лишь в сочетании с волноводными излучателями и только в одном частотном диапазоне (рис. 4.3, а, б). В волноводных совмещенных ФАР можно также применять открытые тракты питания. При этом используют двухчастотный излучатель и двухчастотную проходную или отражательную волноводную ФАР (рис. 4.3, в, г). Возможны и комбинированные совмещенные ФАР, например, отражательная в НЧ диапазоне и проходная в ВЧ диапазоне. При проектировании фидерных трактов в совмещенных ФАР элементы фидерного тракта одного диапазона частот следует располагать так, чтобы они минимально влияли на поле излучения соседнего диапазона. Фазовращатели в совмещенных ФАР нужно включать так, чтобы через фазовращатель одного частотного диапазона не проходила мощность другого. Если по конструктивно-габаритным ограничениям фазовращатели нельзя разместить непосредственно перед излучателями, то их можно вынести за полотно антенны, например, как в ФАР, схемы которых изображены на рис. 4.3, а. В ФАР по схеме на рис. 4.3, в, г при использовании совмещенных апертур, представленных на рис. 4.2, а, в, фазовращатели обоих частотных диапазонов можно разместить или непосредственно за вибраторными излучателями, или в волноводных излучателях.
Рис. 4.3. Схемы питания излучателей и включения фазовращателей для двухчастотных ФАР
а) — для полноводно-вибраторной (БВИ — блок волноводных излучателей, БФЧ f1(f2) — блок фазирования на частоте f1(f2), ВДМ — волноводный делитель мощности на частоте f1, ДМ — коаксиальный или полосковый делитель мощности на частоте f2);
б) — волноводно-волноводной;
в) — отражательной;
г)- проходной.
Известны, например, совмещенные ФАР, в которых в одном или нескольких диапазонах частот используются щелевые и микрополосковые [4.5], а также другие излучатели. Однако основные закономерности в поведении характеристик совмещенных ФАР при сканировании остаются общими для всех типов. Исключение составляют несканирующие совмещенные антенные решетки, в которых для фиксированного направления ДН излучатели ВЧ диапазона можно сделать почти «невидимыми» для поля в НЧ диапазоне.
4.2. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК
Совмещение разночастотных ФАР в одной апертуре приводит к существенным линейному и нелинейному взаимодействиям между ними. Первое проявляется в изменении направленности совмещенных ФАР из-за дифракционных эффектов на их поверхности. Нелинейное взаимодействие вызывается перекрестными помехами из-за просачивания энергии одного частотного канала на активные элементы (приемные или передающие) другого.
При совмещении в наиболее неблагоприятных условиях оказывается ФАР ВЧ диапазона. На ее первоначальное поле излучения накладывается поле, рассеянное излучателями НЧ ФАР. Это приводит к появлению дополнительных боковых лепестков в ВЧ диапазоне, изменению коэффициента усиления (КУ), рассогласованию излучателей и уменьшению сектора сканирования. Аналогичные эффекты имеют место и в НЧ диапазоне, однако они проявляются, как правило, в гораздо меньшей степени [0.3].
Рассмотрим два основных подхода к расчету характеристик совмещенных ФАР. Первый подход является приближенным и заключается в следующем. Сначала находят поле излучения уединенной (несовмещенной) ФАР в ВЧ диапазоне. Затем это поле суммируют с полем, рассеиваемым в ВЧ диапазоне НЧ излучателями, причем последнее определяют приближенным методом. В НЧ диапазоне характеристики совмещенной ФАР рассчитывают по алгоритмам для несовмещенных ФАР, но с учетом дополнительного экранирующего влияния излучателей ВЧ ФАР.
sitednl.narod.ru/1.zip — база сотовых по Петербургу
Программа для разрезания и сшивания файлов, шифрования, а также удаления файлов с защитой от восстановления специальными утилитами.
acsoftware.narod.ru/download/demo/acdemo.zip
Второй подход более строгий и связан с нахождением характеристик блочно-периодических ФАР. В ВЧ и НЧ диапазонах в качестве отдельного излучающего элемента рассматривают минимальную периодическую ячейку (блок), включающую активно возбужденные излучатели определенного диапазона и пассивные излучатели соседнего, нагруженные на комплексную нагрузку, учитывающую реакцию фидерного тракта. С использованием современных численных методов электродинамики определяют ДН ячейки в составе бесконечной периодической ФАР ( q0, φ0 — сферические угловые координаты, см. рис. 4.2, в), определяющие направление главного лепестка ДН ФАР, а q, φ — текущие угловые координаты). Затем находят множитель направленности решетки и определяют ДН и КУ всей ФАР.
Приведем конкретные соотношения и оценки, полученные в рамках первого подхода, для расчета характеристик вибраторно-волноводных и вибраторно-вибраторных ФАР, схемы которых изображены на рис. 4.2, а, б. Эти выражения справедливы при сканировании ВЧ ФАР в плоскости, перпендикулярной осям вибраторов НЧ ФАР, в секторе углов q, не превышающих ±60° относительно нормали (оси 0Z) при отношении частот f1/f2≥5 и при больших размерах L апертуры ВЧ ФАР в плоскости сканирования (L>>10 λ1). При выполнении последних условий вибраторные излучатели НЧ диапазона, оказывая затеняющее воздействие, приводят в первом приближении к уменьшению КУ ВЧ ФАР по следующему закону
(4.1)
где G0 — КУ несовмещенной ВЧ ФАР, а также к появлению дополнительных боковых лепестков в направлениях
(4.2)
где λ1 — длина волны в диапазоне f1, dx — расстояние между НЧ вибраторами в плоскости H.
Уровень этих лепестков по полю
(4.3)
В (4.1) — (4.3) b0(q) -коэффициент прохождения плоской волны при ее падении под углом q0 на периодическую систему параллельных проводников в плоскости, перпендикулярной осям проводников, а bn(q0) — комплексная амплитуда n-й плоской волны (n-й пространственной гармоники), возникающей при дифракции плоской волны с единичной амплитудой на периодической структуре и распространяющейся в направлении qn.
Для совмещенных ФАР достаточно большого размера (L>>10l1) уровень дополнительных боковых лепестков и уменьшение КУ практически не зависят от амплитудного распределения в ВЧ диапазоне, но существенно зависят от направления q0 основного лепестка ДН. Соотношения (4.1), (4.3) справедливы, если поверхность раскрывая s1 ВЧ ФАР полностью перекрывается поверхностью раскрывая s2 НЧ ФАР. Если же коэффициент перекрытия поверхности , то снижение КУ и уровень дополнительных боковых лепестков будут
(4.4)
(4.5)
Анализ рис. 4.4 показывает, что с увеличением расстояния dx/l1 между соседними вибраторами в НЧ ФАР по сравнению с длиной волны ВЧ ФАР, что эквивалентно увеличению отношения рабочих часто f1/f2, уровень дополнительных боковых лепестков и снижение КУ уменьшаются, а с увеличением электрической толщины вибраторов k1r2 — увеличиваются. Кроме того, искажения, вносимые излучателями НЧ ФАР в поле ВЧ ФАР, гораздо меньше при взаимно ортогональной линейной поляризации излучателей ВЧ и НЧ ФАР. Следует отметить, что (4.1), (4.3) — (4.5) не учитывают влияния системы питания и крепления НЧ вибраторов на рассеяние поля ВЧ ФАР. Последнее особенно заметно проявляется при взаимно ортогональной поляризации в диапазонах f1 и f2. При этом (4.1), (4.3) — (4.5) могут давать несколько заниженные оценки искажений в ВЧ диапазоне.
Для оценивания максимальных искажений в секторе сканирования ВЧ ФАР |q0|≤60° и при 0,05≤k1r2≤0,5, dx/l≥2 можно воспользоваться следующими экстремальными значениями амплитуд гармоник для случаев совпадающей линейной поляризации ВЧ и НЧ ФАР
(4.6)
С учетом (4.6) получаем следующие простейшие оценки огибающих наибольшего снижения КУ (G/G0)min в разах и максимального уровня дополнительных боковых лепестков (Δn)max в децибелах для линейной совпадающей поляризации ВЧ и НЧ ФАР
(4.7)
(4.8)
Необходимо подчеркнуть, что оценки (4.7), (4.8) дают границы наихудших ситуаций, возникающих в секторе сканирования, а получены они без учета повторных переотражений между апертурами ВЧ и НЧ ФАР. Зависимости этих оценок сплошной и штриховой линиями соответственно для ряда значений dx/l1 и q0=0 показаны на рис. 4.5. Учет повторных переотражений между апертурами ВЧ и НЧ ФАР приводит к дополнительным изменениям характеристик совмещенных ФАР. Так, при совмещении
(4.9)
где — коэффициенты отражения от апертуры ВЧ и НЧ ФАР при падении на них плоской волны под углом q0.
Максимальные дополнительные боковые лепестки в децибелах
(4.10)
Как следует из (4.9), изменив расстояние h между апертурами ВЧ и НЧ ФАР, можно для определенного направления максимума ДН добиться минимального снижения КУ ВЧ ФАР из-за совмещения. При этом величину h выбирают из условия . Зависимость на рис. 4.6, которая приведена для примера, построена для случая, когда в качестве ВЧ ФАР была выбрана решетка волноводных излучателей с треугольной сеткой расположения излучателей размером 0,605l1х0,5l1 апертуры полноводного излучателя. Излучатели были размещены вплотную друг к другу, причем толщина их стенок полагалась равной нулю.
При сканировании в широком секторе углов максимальное снижение КУ ВЧ ФАР почти не зависит от h/l1. Максимальный уровень дополнительных боковых лепестков в ВЧ диапазоне можно уменьшить за счет более равномерного распределения в пространстве переизлучаемой излучателями НЧ диапазона мощности ВЧ диапазона. Это реализуемо в конформных (выпуклых) и неэквидистантных НЧ ФАР. Так, для слабо эквидистантой НЧ ФАР, излучатели которой смещены вдоль координаты X по случайному гауссовскому закону с дисперсией относительно своих средних координат , образующих регулярную сетку с периодом dx0 при условии равноамплитудного возбуждения НЧ-излучателей падающим ВЧ полем средний уровень уменьшения m-го дополнительного бокового лепестка по сравнению с оценкой (4.10)
(4.11)
где М — число излучателей в НЧ ФАР.
Как видно из рис. 4.7, даже для относительно небольшого числа излучателей М=10 можно существенно подавить дополнительные боковые лепестки. Отметим, что зависимости от больших значений s/dx0 (см. рис. 4.7) характеризуют потенциально допустимый уровень подавления в НЧ ФАР с большим числом излучателей. При относительно небольшом числе их средний уровень подавления может существенно отличаться от уровня подавления в конкретной реализации и для достижения его надо подбирать конкретную реализацию неэквидистантной НЧ ФАР.
Для плоской слабо неэквидистантной ФАР с излучателями, смещенными случайным образом относительно регулярной прямоугольной сетки их расположения с шагами dx0 и dy0 по осям ОХ и ОY, уровень подавления mn-го дополнительного бокового лепестка
(4.12)
где — дисперсии смещения излучателей по осям ОХ и ОY; М, N — числа излучателей по осям ОХ и ОY.
Характеристики НЧ ФАР при совмещении меняются незначительно. Нижняя ВЧ ФАР служит для НЧ ФАР своеобразным дополнительным экраном. Если ВЧ ФАР образована из плотно расположенных открытых концов прямоугольных волноводов, широкая стенка которых размером d1 параллельна оси ОY, ее влияние эквивалентно наличию идеального отражателя с фазой коэффициента отражения . Поэтому в присутствии волноводной ВЧ ФАР ДН одиночного НЧ вибратора
(4.13)
где через F0(q) обозначена ДН НЧ вибратора в отсутствие ВЧ ФАР.
Если излучателем ВЧ ФАР служат вибраторы, то ВЧ ФАР вместе с реальным металлическим экраном — эквивалентный экран. Это приводит к изменению оптимального расстояния h2 от реального экрана до плоскости НЧ ФАР. Зависимость оптимального относительного расстояния h2/l2 от отношения частот совмещаемых ФАР при q0=0 представлена на рис. 4.8. Расчеты показывают, что при оптимально выбранном расстоянии h2 для q0=0 влияние ВЧ ФАР не приводит к заметному изменению КУ при сканировании лучом НЧ ФАР по сравнению с расположением ее над идеальным металлическим экраном. Таким образом, при совмещении в НЧ диапазоне характеристики практически не меняются, если правильно выбрано расстояние между апертурами НЧ и ВЧ ФАР. Дополнительные боковые лепестки из-за совмещения в НЧ диапазоне не возникают.
Перейдем к более точному методу расчета характеристик совмещенных ФАР. Этот метод можно использовать при периодичности структуры совмещенной ФАР, достаточно больших размерах ее апертуры и при относительно небольшом отношении частот совмещаемых ФАР f1/f2»1.5.. 3. Условие периодичности структуры позволяет выделить минимальную ячейку, включающую несколько ВЧ излучателей и, как правило, один НЧ излучатель. Диаграмму направленности такой ячейки в каждом частотном диапазоне находят в предположении, что ячейка расположена в бесконечной ФАР с равноамплитудным и линейным фазовым возбуждениями от ячейки к ячейке, формирующими основной лепесток множителя направленности по q0, j0. Амплитудно-фазовые распределения в пределах одной ячейки могут быть достаточно произвольными, но обычно их выбирают следующим образом амплитудное возбуждение рабочих для данного диапазона частот излучателей равномерное, а фазовое берут из условия, чтобы максимум ДН ячейки совпадал с максимумом ДН множителя направленности решетки. При этом для реальной ФАР, образованной конечной совокупностью ячеек, ДН ФАР представляется в виде произведения ДН ячейки на множитель направленности периодической структуры
(4.14)
где
(4.14)
Дискретная функция, описывающая закон амплитудно-фазового возбуждения от ячейки к ячейке,
(4.15)
где xmn, ymn — декартовы координаты геометрического центра mn-й ячейки.
Для больших периодических совмещенных ФАР коэффициент усиления
(4.16)
где N— общее число ячеек; nа — коэффициент использования поверхности (КИП) ФАР, зависящий от закона амплитудного возбуждения |Imn| различных ячеек; — КУ ячейки в составе бесконечной периодической ФАР; — нормированный КУ ячейки; sЯ, s=sЯN — площади апертур ячейки и ФАР.
При определении nа дискретный закон амплитудного возбуждения |Imn| можно аппроксимировать гладкой кривой. При этом nа с хорошей точностью совпадает с КИП непрерывной апертуры с аппроксимирующим законом амплитудного возбуждения. Для ячейки совмещенной ФАР конкретного вида ДН и КУ определяются с использованием современных электродинамических методов расчета блочно-периодических ФАР. Приведем основные соотношения для вибраторно-вибраторных и волноводно-волноводных совмещенных ФАР.