Совмещенные двухчастотные ФАР

4.1. СХЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ

Для повышения эффективности работы во все большем числебортовых и наземных радиокомплексов используют сканирующие АР. Обладаязначительным преимуществом перед другими антеннами в скорости управления лучоми многофункциональности работы, эти АР имеют существенный недостаток, связанныйс ограниченностью рабочей полосы частот. Как правило, ФАР работают в узкомчастотном диапазоне, составляющем несколько процентов от центральной частотыдиапазона.

В настоящее время появился класс совмещенных ФАР, в которых возможнынезависимое формирование ДН и электрическое управление лучом с одной апертуры внескольких частотных диапазонах. Рассчитать и спроектировать совмещенные ФАРнесравнимо сложнее, чем «обычные» ФАР, ибо наряду с решением традиционных задачприходится учитывать пассивное влияние излучателей ФАР одного диапазона частотна ДН и согласование в соседних диапазонах. Изложим методы расчета некоторыхтипов двухчастотных ФАР и проанализируем особенности и закономерности вповедении их электродинамических характеристик.

Рис. 4.1. Структурнаясхема двухчастотной совмещенной ФАР

Совмещенные ФАР представляют совокупность несколькиходночастотных ФАР, излучатели которых расположены в пределах одного излучающегораскрыва (излучающей апертуры) [4.1]. Из структурной схемы (рис. 4.1) видно,что двухчастотная совмещенная ФАР включает общую (совмещенную) апертуру, вкоторой расположены разночастотные излучатели, два независимых тракта питания,состоящих из делителей мощности в диапазонах частот f₁и f₂, и двух блоков фазовращателей этих диапазонов.Дополнительными элементами в трактах питания являются полосовые фильтры,которые предназначены пропускать электромагнитное поле в заданной полосе частотрабочего диапазона и не пропускать в полосе частот совмещенного диапазона.Таким образом обеспечивается электромагнитная совместимость (ЭМС) вдвухчастотных ФАР. Полосовые фильтры можно включать как на входе делителеймощности разно-частотных диапазонов, так и перед каждым излучателем- Впоследнем случае обеспечиваются лучшие диапазонные свойства, связанные счастотными изменениями переотраженных от фильтров полей.

Рис. 4.2. Характерные примеры построения совмещенных апертур двухчастотных ФАРпри 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 f₁или частота f₂ рабочего диапазона, в котором онпроявляет себя как активный излучатель. В качестве излучателей обоих диапазоновв ФАР, изображенной на рис. 4.2, а, используют резонансные (на рабочейчастоте) вибраторные излучатели, расположенные над отражающим экраном. Причемдля наименьшего затенения, как правило, излучатели более низкочастотногодиапазона располагаются над излучателями более высокочастотного.

В ФАР, схема, которой изображена на рис. 4.2,б, вкачестве излучателей ВЧ диапазона взяты волноводные, которые служат экраном длявибраторных излучателей НЧ диапазона. В вариантах волноводно-волноводныхсовмещенных ФАР, показанных на рис. 4.2, в, излучателями обоих частотныхдиапазонов служат открытые концы волноводов, размещенные в одной апертуре. ВФАР на рис. 4.2, г излучающая апертура образована открытыми концами отрезковНЧ волноводов. Волноводы ВЧ излучают через отрезки НЧ волноводов, а раскрыв ВЧволноводов служит рефлектором для поля НЧ диапазона. Волноводы НЧ возбуждаютсяштырем от коаксиальной или полосковой линии [4.2].

В совмещенных двухчастотных ФАР питание излучателей ивключение фазовращателей в каждом частотном диапазоне, как правило, независимыи реализуются в соответствии с принципами построения фидерного тракта обычныходночастотных ФАР [0.2].

sitednl.narod.ru/1.zip - база сотовых по Петербургу

Программа для разрезания и сшивания файлов, шифрования, атакже удаления файлов с защитой от восстановления специальными утилитами.

acsoftware.narod.ru/download/demo/acdemo.zip

Особенностью схем питания совмещенных ФАР являются болеежесткие габаритные и конструктивные ограничения, связанные с необходимостьюразмещать два фидерных тракта в ограниченном объеме. Поэтому при выборефидерных линий и делителей мощности в закрытых трактах питания предпочтениеотдается коаксиальным или полосковым линиям. Волноводные линии и делителимощности целесообразно применять лишь в сочетании с волноводными излучателями итолько в одном частотном диапазоне (рис. 4.3, а, б). В волноводныхсовмещенных ФАР можно также применять открытые тракты питания. При этомиспользуют двухчастотный излучатель и двухчастотную проходную или отражательнуюволноводную ФАР (рис. 4.3, в, г). Возможны и комбинированные совмещенныеФАР, например, отражательная в НЧ диапазоне и проходная в ВЧ диапазоне. Припроектировании фидерных трактов в совмещенных ФАР элементы фидерного трактаодного диапазона частот следует располагать так, чтобы они минимально влияли наполе излучения соседнего диапазона. Фазовращатели в совмещенных ФАР нужновключать так, чтобы через фазовращатель одного частотного диапазона не проходиламощность другого. Если по конструктивно-габаритным ограничениям фазовращателинельзя разместить непосредственно перед излучателями, то их можно вынести заполотно 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 совмещенныхапертур, представленных на рис. 4.2, а, в, фазовращатели обоих частотныхдиапазонов можно разместить или непосредственно за вибраторными излучателями,или в волноводных излучателях.

Рис. 4.3. Схемы питания излучателей и включения фазовращателей длядвухчастотных ФАР:

а) - для полноводно-вибраторной (БВИ - блок волноводныхизлучателей, БФЧ f₁(f₂) - блок фазирования начастоте f₁(f₂), ВДМ - волноводный делительмощности на частоте f₁, ДМ - коаксиальный или полосковыйделитель мощности на частоте f₂);

б) - волноводно-волноводной;

в) - отражательной;

г)- проходной.

Известны, например, совмещенные ФАР, в которых в одном илинескольких диапазонах частот используются щелевые и микрополосковые [4.5], атакже другие излучатели. Однако основные закономерности в поведениихарактеристик совмещенных ФАР при сканировании остаются общими для всех типов.Исключение составляют несканирующие совмещенные антенные решетки, в которых дляфиксированного 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 ксущественным линейному и нелинейному взаимодействиям между ними. Первоепроявляется в изменении направленности совмещенных ФАР из-за дифракционныхэффектов на их поверхности. Нелинейное взаимодействие вызывается перекрестнымипомехами из-за просачивания энергии одного частотного канала на активныеэлементы (приемные или передающие) другого.

При совмещении в наиболее неблагоприятных условияхоказывается ФАР ВЧ диапазона. На ее первоначальное поле излучения накладываетсяполе, рассеянное излучателями НЧ ФАР. Это приводит к появлению дополнительныхбоковых лепестков в ВЧ диапазоне, изменению коэффициента усиления (КУ),рассогласованию излучателей и уменьшению сектора сканирования. Аналогичныеэффекты имеют место и в НЧ диапазоне, однако они проявляются, как правило, вгораздо меньшей степени [0.3].

Рассмотрим два основных подхода к расчету характеристиксовмещенных 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 характеристикисовмещенной ФАР рассчитывают по алгоритмам для несовмещенных ФАР, но с учетомдополнительного экранирующего влияния излучателей ВЧ ФАР.

sitednl.narod.ru/1.zip - база сотовых по Петербургу

Программа для разрезания и сшивания файлов, шифрования, атакже удаления файлов с защитой от восстановления специальными утилитами.

acsoftware.narod.ru/download/demo/acdemo.zip

Второй подход более строгий и связан с нахождениемхарактеристик блочно-периодических ФАР. В ВЧ и НЧ диапазонах в качествеотдельного излучающего элемента рассматривают минимальную периодическую ячейку(блок), включающую активно возбужденные излучатели определенного диапазона ипассивные излучатели соседнего, нагруженные на комплексную нагрузку, учитывающуюреакцию фидерного тракта. С использованием современных численных методовэлектродинамики определяют ДН  ячейкив составе бесконечной периодической ФАР ( q₀,φ₀ - сферические угловые координаты, см.рис. 4.2, в), определяющие направление главного лепестка ДН ФАР, а q, φ - текущие угловыекоординаты). Затем находят множитель направленности решетки и определяют ДН иКУ всей ФАР.

Приведем конкретные соотношения и оценки, полученные врамках первого подхода, для расчета характеристик вибраторно-волноводных ивибраторно-вибраторных ФАР, схемы которых изображены на рис. 4.2, а, б.Эти выражения справедливы при сканировании ВЧ ФАР в плоскости, перпендикулярнойосям вибраторов НЧ ФАР, в секторе углов q,не превышающих ±60° относительно нормали (оси 0Z) при отношениичастот f₁/f₂≥5 и при больших размерахL апертуры ВЧ ФАР в плоскости сканирования (L>>10 λ₁).При выполнении последних условий вибраторные излучатели НЧ диапазона, оказываязатеняющее воздействие, приводят в первом приближении к уменьшению КУ ВЧ ФАР последующему закону:

                                                                                                                                  (4.1)

где G₀— КУ несовмещенной ВЧ ФАР, а также к появлению дополнительных боковых лепестковв направлениях

                                                                                              (4.2)

где λ₁— длина волны в диапазоне f₁, d_x -расстояние между НЧ вибраторами в плоскости H.

Уровень этихлепестков по полю

                   (4.3)

В (4.1) - (4.3) b₀(q) -коэффициент прохожденияплоской волны при ее падении под углом q₀на периодическую систему параллельных проводников в плоскости, перпендикулярнойосям проводников, а b_n(q₀) - комплекснаяамплитуда n-й плоской волны (n-йпространственной гармоники), возникающей при дифракции плоской волны сединичной амплитудой на периодической структуре и распространяющейся внаправлении q_n.

Для совмещенных ФАР достаточно большого размера (L>>10l₁) уровень дополнительныхбоковых лепестков и уменьшение КУ практически не зависят от амплитудногораспределения в ВЧ диапазоне, но существенно зависят от направления q₀ основного лепестка ДН.Соотношения (4.1), (4.3) справедливы, если поверхность раскрывая s₁ВЧ ФАР полностью перекрывается поверхностью раскрывая s₂ НЧФАР. 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 d_x/l₁ между соседнимивибраторами в НЧ ФАР по сравнению с длиной волны ВЧ ФАР, что эквивалентноувеличению отношения рабочих часто f₁/f₂,уровень дополнительных боковых лепестков и снижение КУ уменьшаются, а сувеличением электрической толщины вибраторов k₁r₂- увеличиваются. Кроме того, искажения, вносимые излучателями НЧ ФАР в поле ВЧФАР, гораздо меньше при взаимно ортогональной линейной поляризации излучателейВЧ и НЧ ФАР. Следует отметить, что (4.1), (4.3) - (4.5) не учитывают влияниясистемы питания и крепления НЧ вибраторов на рассеяние поля ВЧ ФАР. Последнее особеннозаметно проявляется при взаимно ортогональной поляризации в диапазонах f₁и f₂. При этом (4.1), (4.3) - (4.5) могут даватьнесколько заниженные оценки искажений в ВЧ диапазоне.

Для оценивания максимальных искажений в секторе сканированияВЧ ФАР |q₀|≤60°и при 0,05≤k₁r₂≤0,5, d_x/l≥2 можно воспользоватьсяследующими экстремальными значениями амплитуд гармоник для случаев совпадающейлинейной поляризации ВЧ и НЧ ФАР:

                                                                                                      (4.6)

С учетом (4.6) получаем следующие простейшие оценкиогибающих наибольшего снижения КУ (G/G₀)_minв разах и максимального уровня дополнительных боковых лепестков (Δ_n)_maxв децибелах для линейной совпадающей поляризации ВЧ и НЧ ФАР:

                                                                                                 (4.7)

                                                                   (4.8)

Необходимо подчеркнуть, что оценки (4.7), (4.8) дают границынаихудших ситуаций, возникающих в секторе сканирования, а получены они безучета повторных переотражений между апертурами ВЧ и НЧ ФАР. Зависимости этихоценок сплошной и штриховой линиями соответственно для ряда значений d_x/l₁ и q₀=0 показаны на рис. 4.5.Учет повторных переотражений между апертурами ВЧ и НЧ ФАР приводит кдополнительным изменениям характеристик совмещенных ФАР. Так, при совмещении

                                                                                (4.9)

где -коэффициенты отражения от апертуры ВЧ и НЧ ФАР при падении на них плоской волныпод углом q₀.

Максимальные дополнительные боковые лепестки в децибелах

                            (4.10)

Как следует из (4.9), изменив расстояние hмежду апертурами ВЧ и НЧ ФАР, можно для определенного направления максимума ДНдобиться минимального снижения КУ ВЧ ФАР из-за совмещения. При этом величину hвыбирают из условия . Зависимость нарис. 4.6, которая приведена для примера, построена для случая, когда в качествеВЧ ФАР была выбрана решетка волноводных излучателей с треугольной сеткойрасположения излучателей размером 0,605l₁х0,5l₁ апертуры полноводногоизлучателя. Излучатели были размещены вплотную друг к другу, причем толщина ихстенок полагалась равной нулю.

При сканировании в широком секторе углов максимальноеснижение КУ ВЧ ФАР почти не зависит от h/l₁. Максимальный уровеньдополнительных боковых лепестков в ВЧ диапазоне можно уменьшить за счет болееравномерного распределения в пространстве переизлучаемой излучателями НЧдиапазона мощности ВЧ диапазона. Это реализуемо в конформных (выпуклых) инеэквидистантных НЧ ФАР. Так, для слабо эквидистантой НЧ ФАР, излучателикоторой смещены вдоль координаты X по случайному гауссовскому закону сдисперсией относительно своих среднихкоординат , образующих регулярнуюсетку с периодом d_x0 при условии равноамплитудноговозбуждения НЧ-излучателей падающим ВЧ полем средний уровень уменьшения m-годополнительного бокового лепестка по сравнению с оценкой (4.10)

                                                                                           (4.11)

где М — числоизлучателей в НЧ ФАР.

Как видно из рис. 4.7, даже для относительно небольшого числа излучателей М=10можно существенно подавить дополнительные боковые лепестки. Отметим, чтозависимости от больших значений s/dx0(см. рис. 4.7) характеризуют потенциально допустимый уровень подавления в НЧФАР с большим числом излучателей. При относительно небольшом числе их среднийуровень подавления может существенно отличаться от уровня подавления вконкретной реализации и для достижения его надо подбирать конкретную реализациюнеэквидистантной НЧ ФАР.

Для плоской слабо неэквидистантной ФАР с излучателями,смещенными случайным образом относительно регулярной прямоугольной сетки ихрасположения с шагами d_x0 и d_y0по 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 ВЧФАР образована из плотно расположенных открытых концов прямоугольныхволноводов, широкая стенка которых размером d₁параллельна оси ОY, ее влияние эквивалентно наличию идеальногоотражателя с фазой коэффициента отражения .Поэтому в присутствии волноводной ВЧ ФАР ДН одиночного НЧ вибратора

                                                                                   (4.13)

где через F₀(q) обозначена ДН НЧ вибратора вотсутствие ВЧ ФАР.

Если излучателем ВЧ ФАР служат вибраторы, то ВЧ ФАР вместе среальным металлическим экраном - эквивалентный экран. Это приводит к изменениюоптимального расстояния h₂ от реального экрана до плоскостиНЧ ФАР. Зависимость оптимального относительного расстояния h₂/l₂ от отношения частотсовмещаемых ФАР при q₀=0представлена на рис. 4.8. Расчеты показывают, что при оптимально выбранномрасстоянии h₂ для q₀=0влияние ВЧ ФАР не приводит к заметному изменению КУ при сканировании лучом НЧФАР по сравнению с расположением ее над идеальным металлическим экраном. Такимобразом, при совмещении в НЧ диапазоне характеристики практически не меняются,если правильно выбрано расстояние между апертурами НЧ и ВЧ ФАР. Дополнительныебоковые лепестки из-за совмещения в НЧ диапазоне не возникают.

Перейдем к более точному методу расчета характеристиксовмещенных ФАР. Этот метод можно использовать при периодичности структурысовмещенной ФАР, достаточно больших размерах ее апертуры и при относительнонебольшом отношении частот совмещаемых ФАР f₁/f₂»1.5.. 3. Условие периодичностиструктуры позволяет выделить минимальную ячейку, включающую несколько ВЧизлучателей и, как правило, один НЧ излучатель. Диаграмму направленности такойячейки  в каждом частотномдиапазоне находят в предположении, что ячейка расположена в бесконечной ФАР сравноамплитудным и линейным фазовым возбуждениями от ячейки к ячейке,формирующими основной лепесток множителя направленности по q₀, j₀. Амплитудно-фазовыераспределения в пределах одной ячейки могут быть достаточно произвольными, нообычно их выбирают следующим образом: амплитудное возбуждение рабочих дляданного диапазона частот излучателей равномерное, а фазовое берут из условия,чтобы максимум ДН ячейки совпадал с максимумом ДН множителя направленностирешетки. При этом для реальной ФАР, образованной конечной совокупностью ячеек,ДН ФАР представляется в виде произведения ДН ячейки на множитель направленностипериодической структуры:

                                                                           (4.14)

где

                                                                      (4.14)

Дискретная функция, описывающая закон амплитудно-фазовоговозбуждения от ячейки к ячейке,

                                                                           (4.15)

где x_mn, y_mn- декартовы координаты геометрического центра mn-й ячейки.

Для больших периодических совмещенных ФАР коэффициентусиления

                                                                            (4.16)

где N— общее числоячеек; n_а —коэффициент использования поверхности (КИП) ФАР, зависящий от законаамплитудного возбуждения |I_mn| различных ячеек; - КУ ячейки в составебесконечной периодической ФАР;  - нормированныйКУ ячейки; s_Я, s=s_ЯN -площади апертур ячейки и ФАР.

При определении n_адискретный закон амплитудного возбуждения |I_mn| можно аппроксимировать гладкой кривой. Приэтом n_а схорошей точностью совпадает с КИП непрерывной апертуры с аппроксимирующимзаконом амплитудного возбуждения. Для ячейки совмещенной ФАР конкретного видаДН и КУ определяются с использованием современных электродинамических методоврасчета блочно-периодических ФАР. Приведем основные соотношения длявибраторно-вибраторных и волноводно-волноводных совмещенных ФАР.