Конструирование вибраторной антенной решетки

В качестве излучателей антенной решетки используются вибраторы, открытые концы волноводов, диэлектрические стержни, спирали, щели и др.Вибраторные излучатели в АР обычно располагают над плоской проводящей поверхностью, играющей роль экрана и предотвращающей обратное излучение. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что на характеристики вибраторного излучателя в составе АР сильнее всего влияют два фактора: их размещение в решетке и положение относительно проводящего экрана. Уменьшение шага решетки позволяет не только подавить высшие дифракционные максимумы, но и улучшить их согласование в широком секторе углов сканирования. Изменение высоты вибраторного излучателя над экраном приводит к улучшению согласования в крайних положениях луча при сканировании в плоскостях Е и Н.

Направленные свойства любой антенны характеризуются ДН и КНД. Диаграмма направленности вибратора зависит от его длины и является поверхностью вращения, ось которой совпадает с осью вибратора. На КНД вибратора влияют два основных фактора: ширина главного лепестка ДН и уровень боковых лепестков.

Очень важным параметром любой антенны является входное сопротивление. В общем случае это комплексная величина. Входное сопротивление симметричного вибратора находим по формуле:

Zвх = Rвх + iXвх;

где Rвх - активная составляющая входного сопротивления,

iXвх - реактивная составляющая входного сопротивления. Величина активной и реактивной составляющих входного сопротивления зависит от длины и волнового сопротивления вибратора. Максимумы Rвх наблюдаются при L/л, кратных 0.5.Поэтому при длине вибратора, кратной 0,25л наблюдается последовательный, а при L = n *л /2 - параллельный резонанс. Чем быстрее меняется Zвх при изменении частоты колебаний, тем хуже диапазонные свойства вибратора, которые зависят от его толщины. Чем толще вибратор, тем медленнее изменяется Zвх при изменении частоты. Добротность одного и того же вибратора на параллельном резонансе примерно в восемь раз больше, чем на последовательном. Кроме того добротность зависит от волнового сопротивления вибратора: чем больше волновое сопротивление, тем больше добротность. Волновое сопротивление вибратора, в свою очередь, зависит от толщины вибратора: чем толще вибратор.тем меньше волновое сопротивление. Таким образом, при увеличении толщины вибратора уменьшается его добротность и, следовательно, улучшаются его диапазонные свойства.

Наиболее широко используемыми типами симметричных вибраторных излучателей являются:

1) Тонкий цилиндрический вибратор диаметром 2а << л, где - длина волны, возбуждаемой от коаксиальной линии. Тонкий вибратор имеет небольшую рабочую полосу частот, которая может быть расширена подбором длины 2L герметизирующего кожуха 3 (2L =л/5).

2) Широкополосный вибратор. В широкополосных вибраторах для соединения коаксиального питающего фидера с воздушной полосковой линией длиной л/4 использован экспоненциальный переход. Эти вибраторы обладают повышенной электрической прочностью.

3) Изогнутый вибратор. Он имеет более широкую ДН в Е - плоскости, что позволяет получить большой сектор сканирования АР. В качестве направленных вибраторных излучателей в АР с ограниченным сектором сканирования используются антенны типа волновой канал.

4) Электрические (Н - образные) вибраторы. Для настройки их в резонанс используются поперечные плечи. Такие вибраторы имеют уменьшенную поверхность рассеяния, и их использование целесообразно при построении совмещенных в одной апертуре разночастотных вибраторных АР, так как взаимные искажения ДН получаются при этом минимальными.

5) Печатные вибраторные излучатели. Они обладают высокой технологичностью, компактностью, конструктивной жесткостью и перспективны для АР, устанавливаемые на подвижных объектах.

6) Коротко замкнутые вибраторы, или диполи. Широко применяются в последнее время при создании частотно - и поляризационно-селективных пространственных структур или фильтров. Они используются для обеспечения ЭМС близко расположенных антенн, уменьшения уровня боковых лепестков, построения многофункциональных антенн и облегчения рефлекторов зеркальных антенн, уменьшения эффективной площади рассеяния антенн и т.д.

Полагая решетку состоящей из одинаковых излучателей, можно представить ее характеристику направленности F (,) в виде произведения характеристики направленности изолированного излучателя F (,) на множитель решетки F (,): F (,) =F (,) *F (,),

где Фn =k (x_nqcos_гл+y_nqsin_гл) sin_гл - пространственный фазовый сдвиг для направления наблюдения (,).

где б - угол сканирования луча; ?ц1 - угол поворота первого кольца; ?ц2 - угол поворота второго кольца; ?ц3 - угол поворота третьего кольца; I1, I2, I3 - амплитуды токов.

Графики ДН в Е и Н плоскостях при равно-амплитудном распределении токов приведены на рисунке 2

ДН решетки со спадающим к краям распределением тока.

Уровень боковых лепестков задан - 18дБ.

Для уменьшения уровня боковых лепестков нужно ввести спадающее к краям решетки распределение токов излучателей: I1= 1; I2=1; I3=0,6

Геометрия антенной решетки