"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ" N 11, 2002

Конструкция и анализ эффективности применения составного излучателя в антенной решетке космической связи с несимметричным сектором сканирования

С. О. Тарасенко, e-mail: alextar80@mail.ru, alextar80@newmail.ru

Ростовский военный институт Ракетных войск

Получена 8 ноября 2002 г.

В ряде случаев, линейная или плоская антенная решетка космической связи вынуждена осуществлять сканирование в секторе углов, несимметричном относительно нормали к ее поверхности. В таких случаях, обоснованным является использование в ее составе излучателей со смещенным максимумом диаграммы направленности. Целью статьи является разработка конструкции и анализ эффективности применения в составе таких антенных решеток излучателей с несимметричной диаграммой направленности, формирующих электромагнитную волну круговой поляризации. В работе показано, что возможная конструкция такого излучателя включает элементы электрического и магнитного типов. Кроме того, получены соотношения для расчета диаграммы направленности такого излучателя и проведен сравнительный анализ эффективности его применения в составе плоской антенной решетки с несимметричным сектором сканирования. Показано, что использование такого излучателя позволяет либо улучшить направленные свойства антенны, либо уменьшить число ее элементов.

Для обеспечения непрерывности сеанса космической связи подвижного объекта, движущегося по пересеченной местности, его антенна должна осуществлять электронное сканирование в секторе углов, близком к полусфере. Одним из типов антенн, удовлетворяющих указанному требованию, являются фазированные антенные решетки (АР) с выпуклым излучающим раскрывом, в частности - многогранные АР. Зачастую, габаритные и конструктивные ограничения, накладываемые на объект носитель АР, приводят к тому, что одна или несколько подрешеток многогранной АР вынуждены осуществлять сканирование в несимметричном, относительно нормали к их поверхности, угловом секторе. Очевидно, что в таких подрешетках целесообразно применение излучателей, максимум диаграммы направленности (ДН) которых смещен в направлении центра несимметричного сектора сканирования подрешетки.

В [1] рассмотрена конструкция и характеристики элемента АР, обладающего несимметричной ДН и предназначенного для формирования электромагнитной волны линейной поляризации. Указанный элемент представляет собой комбинацию электрического вибратора и щелевого излучателя. Излучатели, формирующие электромагнитную волну линейной поляризации, обычно не применяются в антеннах космической связи. Тем не менее, изложенный в [1] подход может быть применен для построения излучателя с несимметричной ДН, формирующего электромагнитную волну круговой поляризации.

Целью данной статьи является разработка конструкции излучателя, состоящего из элементов электрического и магнитного типов (далее – составной излучатель), обладающего несимметричной ДН и формирующего электромагнитную волну круговой поляризации, а также анализ целесообразности его использования в составе подрешетки с несимметричным сектором сканирования.

На рис.1 приведена конструкция составного излучателя,

представляющего собой совокупность турникетной антенны и скрещенных щелевых излучателей, размещенных на бесконечной идеально проводящей плоскости (диаметр вибраторов и ширина щелей предполагаются много меньшими длины плеча).

Схема питания такого излучателя не имеет принципиальных отличий от схемы питания элемента АР, описанного в [1]. Она состоит из трех равномерных делителей мощности на два и двух нерегулируемых фазовращателей на , обеспечивающих сдвиг фаз в ортогональных плечах турникетной антенны и скрещенных щелевых излучателей.

В [2] показано, что распределения сторонних токов по тонким полуволновым электрическим и магнитным вибраторам являются практически унимодальными. Следовательно, распределения сторонних электрических и магнитных токов (соответственно и ) в сложном излучателе могут быть записаны в следующей форме

, (1а)

, (1б)

где - дельта-функция Дирака, , - координата центра составного излучателя (рис.1).

Использование равенств (1) в совокупности с приведенными в [3] выражениями для сферических компонент вектора напряженности электрического поля, возбуждаемого заданными распределениями сторонних электрических или магнитных токов, позволяет записать равенства для - и - компонент ДН составного излучателя в следующей форме

, (2а)

, (2б)

где

В соответствии с методом зеркальных источников, в соотношениях (2) сомножитель учитывает влияние бесконечной идеально проводящей плоскости на ДН составного излучателя.

С использованием выражений (2) могут быть получены угловые зависимости и , описывающие усредненные за период колебания мощности, переносимые соответственно - и - компонентами вектора напряженности электрического поля

, (3а)

. (3б)

На левом поле рис.2 кривыми 1–3 показаны нормированные к максимуму

ДН по мощности составного излучателя при и в плоскостях и соответственно. Кривые 1-3 правого поля того же рисунка отображают угловые зависимости коэффициента эллиптичности (КЭ) [4] составного излучателя в тех же плоскостях.

Анализ полученных данных показывает, что максимум ДН составного излучателя отклонен от нормали в плоскости на , при этом, его КЭ превышает величину 0,5 в секторе углов . В секторе углов уровень нормированной ДН составного излучателя не превышает значения 0,16, что может быть использовано для подавления дифракционного максимума при увеличенном шаге размещения элементов в подрешетке.

С использованием соотношений (2) и (3), а также выражений для множителя решетки, коэффициента направленного действия (КНД) и КЭ [4] был проведен расчет указанных характеристик плоских подрешеток, состоящих из составных и турникетных излучателей.

Обе подрешетки осуществляли сканирование в секторе в плоскости . Составные и турникетные излучатели размещались в узлах прямоугольной координатной сетки. При этом, шаг размещения составных излучателей вдоль оси составлял , а вдоль оси . Шаг размещения турникетных излучателей по обеим осям выбирался из условия недопущения возникновения дифракционного максимума при сканировании в заданном угловом секторе и составлял .

Сечения ДН по мощности подрешетки составных излучателей в плоскости при и показаны на рис.3 соответственно кривыми 1–3. Приведенные данные показывают, что использование составных излучателей позволяет увеличить шаг их размещения вдоль оси за счет подавления дифракционного максимума низким уровнем ДН излучателя в области его возникновения вне рабочего сектора подрешетки.

На левом поле рис.4 кривыми 1 и 2 показаны угловые зависимости КНД подрешеток соответственно составных и турникетных излучателей.

Приведенные кривые показывают, что использование составных излучателей позволяет увеличить минимальное значение КНД в заданном секторе сканирования. Это может быть использовано либо для увеличения коэффициента усиления подрешетки, либо для уменьшения числа ее излучателей при заданном значении КНД. Проведенные расчеты показали, что для того, чтоб минимальное значение КНД подрешетки турникетных излучателей в заданном секторе сканирования было бы не меньше минимального значения КНД подрешетки, состоящей из составных излучателей, подрешетка турникетных излучателей должна состоять из элементов. Кривые 1 и 2 правом поле рис.4 показывают угловые зависимости КЭ подрешеток соответственно составных и турникетных излучателей.

Полученные данные позволяет сделать вывод о том, что минимальное значение КЭ подрешетки составных излучателей в заданном секторе сканирования превышает минимальное значение КЭ подрешетки турникетных излучателей.

Таким образом, использование составных излучателей в составе подрешетки, осуществляющей сканирование в несимметричном относительно нормали к ее поверхности угловом секторе, позволяет либо увеличить ее КНД за счет увеличения их шага размещения, либо уменьшить требуемое число элементов подрешетки при заданном значении КНД. При этом, минимальное значение КЭ такой подрешетки в заданном секторе сканирования будет превышать минимальное значение КЭ подрешетки турникетных излучателей.

Список используемой литературы

1. 1. Тарасенко С.О. Использование излучателей с несимметричной диаграммой направленности для увеличения коэффициента направленного действия антенной решетки // “Журнал радиоэлектроники”, 2001, N6, cplire.ru/jre/jun01/3/text.htm

2. 2. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешкин О.Н. Антенны УКВ./ Под ред. Г.З.Айзенберга. В 2-х ч. Ч.1. - М.: Связь, 1977, 384с.

3. 3. Бахрах Л.Д., Кременецкий С.Д. Синтез излучающих систем (теория и методы расчета). – М.: Сов. радио, 1974, 296с.

4. 4. Воскресенский Д.И. Антенны и устройства СВЧ (Проектирование фазированных антенных решеток): Учебн. пособие для вузов. Д.И. Воскресенский, Р.А. Грановская, Н.С. Давыдова и др./ Под ред. Д.И. Воскресенского. – М.: Радио и связь, 1981, 432с.