 |
"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ" N 9, 2001 |  |
СЛОЖНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ ДЛЯ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК С ШИРОКОУГОЛЬНЫМ СКАНИРОВАНИЕМ
Ростовский военный институт ракетных войск
Получена 7 октября 2001 г.
В работе рассматривается сложный излучатель, состоящий из трех ортогональных вибраторов, который в составе плоской антенной решетки позволяет обеспечить широкий сектор сканирования. Расширение сектора сканирования достигается достаточно высокими значениями коэффициента эллиптичности при больших углах места, а также снижением уровня дифракционного лепестка.
При построении антенных решеток (АР) РЭС космической связи для мобильных объектов важное значение имеют широкий сектор сканирования и высокое значение коэффициента эллиптичности. Одним из возможных путей расширения сектора сканирования является применение сложных излучателей с пониженным уровнем излучения в направлении на дифракционный лепесток. Двумерная модель АР на основе подобного излучателя рассмотрена в работе [1]. Однако проведенные исследования различных вариантов построения трехмерной модели антенны на основе излучателя [1] показали что при отклонении луча на угол порядка 40 градусов поляризация сигнала становится линейной. Этот результат значительно ниже, чем у турникетного излучателя. Поэтому применение излучателя [1] хотя, с одной стороны, позволяет расширить сектор сканирования за счет снижения уровня дифракционного лепестка, с другой стороны, приводят к потерям одной из составляющих сигнала круговой поляризации. Кроме того, излучатель [1] обладает несимметричным сектором сканирования, что подразумевает его использование в составе выпуклых АР в качестве излучателя на боковых гранях.
В связи с этим представляется актуальной в научном и практическом плане разработка излучателя с симметричным широким сектором сканирования, обеспечивающим достаточно высокие значения коэффициента эллиптичности в широком секторе углов.
В работе рассмотрена модификация излучателя [2], удовлетворяющая перечисленным требованиям. Данный излучатель может использоваться в качестве элемента плоской горизонтальной АР с широкоугольным сектором сканирования.
Рассмотрим излучатель, состоящий из двух симметричных и одного несимметричного ортогональных электрических вибраторов, расположенных над идеально проводящей плоскостью на высоте h. Несимметричный электрический вибратор 1 расположен перпендикулярно идеально проводящей плоскости. Выберем начало декартовой системы координат в основании несимметричного электрического вибратора. Симметричный электрический вибратор 2, ориентирован вдоль оси 0X, а его фазовый центр смещен относительно начала системы координат вдоль оси 0Y на расстояние d. Второй симметричный электрический вибратор 3, сонаправлен с осью 0Y декартовой системы координат, его фазовый центр смещен вдоль оси 0X также на расстояние d. Геометрия излучателя приведена на рис. 1.
С использованием метода зеркальных источников [3], выражения, описывающие проекции векторной диаграммы направленности (ДН) предлагаемого излучателя на орты сферической системы координат, могут быть представлены в виде [4]
где
- размеры плеч электрических
вибраторов, ориентированных вдоль осей 0X, 0Y и 0Z соответственно;
- комплексные амплитуды возбуждения вибраторов,
ориентированных вдоль соответствующих осей декартовой системы координат; k - волновое число.
Выбор конструктивных
параметров рассматриваемого излучателя и параметров возбуждения должен был обеспечить
возможно более высокие значения коэффициента эллиптичности при углах места
близких к горизонту и некотором угле азимута
и низкий уровень излучения при этих же
углах места и азимуте
.
В результате проведенных
исследований были выбраны следующие параметры излучателя:
;
;
;
;
;
.
Размеры плеч и высота
размещения вибраторов была выбраны для реализации возможно более равномерной
ДН. Увеличение параметра
после
приводит к уменьшению глубины провала в ДН
излучателя. Поэтому величина
была выбрана только из конструктивных
соображений. Параметры возбуждения обеспечивают асимметрию ДН лишь в одном главном
сечении, проходящем через начало координат, а в ортогональном главном сечении
позволяют получить достаточно симметричную характеристику направленности.
На рис. 2 представлена
объемная контурная ДН
предлагаемого
излучателя (здесь
и
- направляющие косинусы). На рис. 3 приведены главные сечения
и
ДН, обозначенные красной и синей
кривой соответственно.
Формирование
асимметричной ДН приводит к формированию несимметричного сектора сканирования
при использовании предлагаемого излучателя в составе антенной решетки. Для
оценки ширины сектора сканирования АР при использовании предлагаемого
излучателя рассматривалась линейная АР, состоящая из 10 элементов, размещенных
с шагом
.
Излучатели были развернуты на угол
с тем, чтобы получить асимметричную ДН
вдоль линии размещения излучателей.
На рис. 4 представлены
сечения ДН АР
,
полученные для предельных направлений сканирования, в которых величина
дифракционного лепестка достигает –3 дБ. Кривая, обозначенная красным цветом
соответствует направлению сканирования
, а синяя кривая -
.
Полученная ширина сектора сканирования составляет
.
Для реализации
симметричного сектора сканирования при отрицательных значениях
можно изменять параметры
возбуждения симметричных электрических вибраторов, устанавливая
;
. При этом характеристика направленности
излучателя изменяется зеркально относительно оси
декартовой системы координат, а ширина
сектора сканирования АР, использующей данный излучатель достигнет
.
Для оценки
поляризационных характеристик предлагаемого излучателя проводилось
сопоставление его коэффициента эллиптичности с коэффициентом эллиптичности
турникетной антенны. Угловая зависимость коэффициента эллиптичности
предлагаемого излучателя схожа с его характеристикой направленности: наибольшие
значения (порядка 0,98) соответствуют максимуму ДН, а минимальные значения
располагаются в области низкого уровня излучения. В направлении нормали к
поверхности раскрыва излучателя величина коэффициента эллиптичности составляет
0,6, что, естественно, хуже, чем у турникетного излучателя. В области максимума
ДН при
можно
говорить о соизмеримости величин коэффициента эллиптичности предлагаемого излучателя
и турникетной антенны.
Сделанные выводы
подтверждают результаты, приведенные на рис. 5. На данном рисунке приведены
сечения
и
, обозначенные красным и
синим цветами соответственно. Пунктиром на данном рисунке обозначена
поляризационная характеристика турникетного излучателя. Кроме того, выделен
желтым цветом сектор углов, в котором коэффициент эллиптичности предлагаемого излучателя
соизмерим с коэффициентом эллиптичности турникетной антенны.
Изменение знаков возбуждения, симметричных электрических вибраторов приводит не только к "зеркальному отражению" ДН, но и отражению зависимостей коэффициента эллиптичности относительно оси ординат.
Следует заметить, что
снижение величины коэффициента эллиптичности при малых углах
по сравнению с
турникетной антенной с точки зрения энергетики АР не является существенным
недостатком предлагаемого излучателя. Это обусловлено высоким значением
коэффициента использования поверхности любой антенны при малых углах места.
Напротив, при больших углах места роль коэффициента эллиптичности становится
более заметной, так как происходит снижение коэффициента использования
поверхности. В то же время предлагаемый излучатель позволяет уменьшить величину
дифракционного лепестка при сохранении коэффициента эллиптичности, что и
обеспечивает возможность расширения сектора сканирования.
Таким образом, использование предлагаемого излучателя в составе плоской АР позволяет обеспечить формирование широкого сектора сканирования плоской АР с достаточно высоким уровнем коэффициента эллиптичности в одном из азимутальных направлений и обычного сектора сканирования для плоских АР в ортогональном азимутальном направлении. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта № 00030).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тарасенко С.О. Использование излучателей с несимметричной диаграммой направленности для увеличения коэффициента направленного действия антенной решетки // электронный журнал "Журнал радиоэлектроники", 2001, № 6, http://jre.cplire.ru/jre/jun01/3/text.html
2. Габриэльян Д.Д., Мищенко С.Е., Шацкий В.В. Возможности формирования нуля диаграммы направленности на основе излучателя из трех взаимоортогональных вибраторов // Радиотехника, № 7-8, 1995, С.81.
3. Корбанский И.Н. Антенны. Учебное пособие для вузов - М.: Энергия, 1973, 336с.
Автор: Мищенко Сергей Евгеньевич, Ростовский военный институт ракетных войск, e-mail: jaguar@jeo.ru
 |
 |