ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2020. № 9
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.9.2
УДК 621.396.677
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СФЕРИЧЕСКИХ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК С УЧЕТОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЩЕЛЕВЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ
М. В. Инденбом
Всероссийский научно-исследовательский институт радиотехники, 105082, Москва, Большая Почтовая, 22
Статья поступила в редакцию 20 августа 2020 г.
Аннотация. Работа посвящена исследованию сферических осесимметричных фазированных антенных решеток (ФАР) для широкоугольного кругового электрического сканирования. Щелевые излучающие элементы ФАР с согласующими цепочками на входе расположены в прямоугольной или треугольной сетке на равноотстоящих по углу поворота образующих (меридианах) с постоянным шагом. Для учета взаимной связи щелевых излучателей при больших размерах сферической антенной решетки использован ранее развитый асимптотический метод анализа квазипериодических выпуклых антенных решеток, форма и размеры единичной ячейки которых являются медленными функциями точки на поверхности антенны. В работе на основе асимптотического метода получено и исследовано интегральное уравнение для распределения напряжения в центрах щелей по поверхности сферической антенной решетки. Получено асимптотическое выражение для коэффициентов ряда Фурье для парциальной диаграммы элемента антенной решетки (понимаемой как диаграмма направленности антенной решетки при возбуждении одного из ее элементов и волновых нагрузках на входах всех остальных элементов) при больших электрических размерах антенны. Получены простые асимптотические выражения для амплитуд отраженных волн на входе излучателей при остронаправленном излучении. Численное исследование полученных асимптотических решений показало их хорошее согласование с результатами расчета, выполненными строгим методом для сферической антенной решетки радиуса около 4λ. В результате расчетов показана практическая применимость простого приближенного решения, для которого не требуется решения интегрального уравнения для распределения напряжения по поверхности антенной решетки.
Исследованы характеристики сферических ФАР большого электрического размера с радиусом поверхности 13,5λ и числом элементов порядка 104. Показано, что сферическая ФАР аксиальных щелей позволяет обеспечить круговое широкоугольное сканирования вплоть до полусферы. При этом потери коэффициента усиления (КУ) и потенциала при отклонении луча по углу места 85º составляют около 4 дБ (при расстоянии между элементами в пределах половины длины волны).
Ключевые слова: сферическая осесимметричная фазированная антенная решетка, взаимодействие излучателей, асимптотический метод, широкоугольное сканирование, щели, диаграмма направленности, реализованный коэффициент усиления, отраженные волны, матрица рассеяния.
Abstract. In this paper, axisymmetric spherical phased array antennas (SPAA) for circle wide-angle electric scanning are explored. Slot radiators of SPAA are placed in rectangular or triangular grid on shifted on equal angle meridians with equal distances between slots and have impedance matching networks in its inputs.
Earlier developed by author asymptotic method for analysing quasi-periodic convex antenna array with interaction of the slot elements is used to study axisymmetric SPAA. It is applicable because unit cell form and sizes are slow functions of point on SPAA surface. In the paper, relationships of asymptotic method were further developed. Integral equation for distribution of slots voltages on SPAA surface were got and studied. The element patterns (in array environment) for large sphere radius are presented as Fourie series with asymptotic expression for coefficients. The simple asymptotic expressions for calculation of reflected waves in element inputs were also deduceв in еру case of narrow-directed radiation. Numerical calculations of obtained asymptotic solutions were carried out. Good agreement with results obtained by strict method of eigenfunctions is established for SPAA with about 4λ radius. As a result of calculations, the practical applicability of a simple approximate solution is shown, for which the solution of the integral equation for the voltage distribution over the surface of the antenna array is not required. The characteristics of large sized SPAA with a radius of 13,5λ and a number of elements of about 104 are numerically studied. It is shown that the spherical PAR of the axial slots provides circular wide-angle scanning up to the hemisphere. In this case, the loss of the gain and EIRP when the beam is deflected by the elevation angle of 85º is about 4 dB (with a distance between the elements within half the wavelength).
Key words: spherical axisymmetric phased antenna array, slot elements interaction, asymptotic methods, wide-angle scanning, radiation pattern, realized gain, reflection waves, scattering matrix.
Литература
1. Воскресенский Д.И., Пономарев Л.И., Филиппов В.С. Выпуклые сканирующие антенны. М.: Советское радио. 1978. 304 с.
2. Инденбом М.В., Скуратов С.А. Модальный подход в методе расчета осесимметричных антенных решеток с учетом взаимодействия щелевых излучателей на основе разложения электромагнитного поля по собственным функциям внешней области поверхности антенны // Антенны. 2020. Вып. 4.
3. Инденбом М.В. Антенные решетки подвижных обзорных РЛС. Теория, расчет, конструкции. М.: Радиотехника. 2015. 416 с.
4. Инденбом М.В. Эффекты взаимной связи щелевых излучателей в выпуклой квазипериодической фазированной антенной решетке большого электрического размера // Антенны. 2017. Вып. 3 (235). С. 3-23.
5. Инденбом М.В. Асимптотический метод расчета диаграммы направленности выпуклой осесимметричной антенной решетки с учетом взаимодействия щелевых излучателей. // Антенны. 2018. Вып. 1 (245). С. 9-22.
6. Амитей Н., Галиндо В., Ву Ч. Теория и анализ ФАР. М.: Мир, 1974. 455 с.
7. Верлань А.Ф., Сизиков В.С. Интегральные уравнения: Методы, алгоритмы, программы. Справочное пособие. К.: Наукова думка, 1986. 544 с.
8. Инденбом М.В., Курочкин Н.Ю. Кольцевые антенные решетки с максимальным потенциалом и многолепестковой диаграммой направленности // Антенны. 2019. Вып. 1 (255). С. 14-23.
9. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1984. 831 с.
10. Федорюк М.В. Асимптотика. Интегралы и ряды. М.: Наука, 1987. 544 с.
11. Lee S.-W., Safavi-Naini S. Approximate Asymptotic Solution of Surface Field due to a Magnetic Dipole on a Cylinder. // IEEE Trans. on AP. 1978. Vol. 26. No.4. P.593-598.
12. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Наука, Физматгиз, 1971. 1108 с.
Для цитирования:
Инденбом М.В. Исследование характеристик сферических осесимметричных фазированных антенных решеток с учетом взаимодействия щелевых излучателей. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2020. №9. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.9.2