Диаграммы направленности антенн с фазированной решеткой (часть 3) - характеристики луча линейной решетки и коэффициент решетки

В части 3 этой серии из шести частей рассматривается ширина луча, объединение факторов элементов и решетки, а также графики антенн.

В Части 1 мы рассмотрели направление луча и работу с равномерно распределенной линейной решеткой антенн. Во второй части основное внимание уделялось усилению, направленности и апертуре антенны, а также факторам решетки. В части 3 мы углубимся в ширину луча, комбинируя факторы элементов и массивов, а также графики антенн.

Ширина луча

Ширина луча - это показатель углового разрешения антенн. Чаще всего ширина луча определяется либо шириной луча половинной мощности (HPBW), либо разносом от нуля до нуля главного лепестка (FNBW). Чтобы найти HPBW, мы опускаемся на 3 дБ от пика и измеряем угловое расстояние (рис. 1) .

Используя наше нормализованное уравнение коэффициента массива, мы можем решить эту HPBW, установив уравнение 1 равным уровню половинной мощности (3 дБ или 1 / √2). Предположим, что механическое прицеливание (θ = 0º), N = 8 и d = λ / 2.

Тогда решение для ∆Φ дает 0,35 рад. Используйте уравнение 2 и решите относительно θ:

Этот θ - это пик до точки 3 дБ, что составляет половину нашей HPBW. Поэтому мы просто удваиваем его, чтобы получить угловое расстояние между точками в 3 дБ. Это дает HPBW 12,8º.

Мы могли бы повторить это для фактора массива, равного 0, и получить первый угол промежутка между нулевыми значениями FNBW = 28,5º для ранее упомянутых условий.

Для однородных линейных массивов аппроксимация HPBW 1,2 задается уравнением 3:

На рисунке 2 показан график зависимости ширины луча от угла луча для нескольких подсчетов элементов при условии расстояния между элементами λ / 2. Из этого графика стоит отметить некоторые наблюдения относительно размеров массивов, разрабатываемых в отрасли.



Для точности луча 1 ° требуется 100 элементов. Если это желательно как по азимуту, так и по углу места, получается массив из 10 000 элементов. Точность 1 ° достигается только по оси визирования в почти идеальных условиях. Поддержание точности 1 ° в поле массива при различных углах сканирования еще больше увеличит количество элементов. Это наблюдение затем устанавливает практический предел для ширины луча с очень большими решетками.

Массив из 1000 элементов широко распространен в отрасли. Тридцать два элемента в каждом направлении обеспечивают количество элементов 1024 и могут обеспечить точность луча менее 4 ° вблизи оси визирования.

Массив из 256 элементов, который может производиться серийно по невысокой цене, может иметь точность наведения луча менее 10 °. Это может быть вполне приемлемо для многих приложений.

Также обратите внимание, что для любого из этих случаев ширина луча удваивается при смещении на 60 °. Это от cosθ в знаменателе и из-за ракурса массива; то есть массив кажется меньшим в поперечном сечении, если смотреть под углом.

Объединение факторов элемента и массива

В предыдущем разделе рассматривался только фактор массива. Но чтобы найти общее усиление антенны, нам также потребуется фактор элемента. На рисунке 3 показан пример. В этом примере мы используем простую косинусную форму в качестве фактора элемента или нормализованного усиления элемента GE (θ). Спад косинуса является обычным явлением при анализе фазированных решеток и может быть визуализирован, если рассматривать плоскую поверхность. У борта максимальная площадь. По мере удаления угла от поперечной стороны видимая область уменьшается в соответствии с функцией косинуса.



Коэффициент решетки GA (θ) использовался для линейной решетки из 16 элементов с шагом λ / 2 и однородной диаграммой направленности. Общая диаграмма представляет собой линейное умножение фактора элемента и фактора массива, поэтому в шкале дБ их можно сложить.

Несколько наблюдений за отклонением луча от оси визирования:

Дальний пучок теряет амплитуду пропорционально элементному коэффициенту.
Боковые лепестки по оси визирования не имеют потери амплитуды.
В результате характеристики боковых лепестков всего массива ухудшаются за пределами направления оси визирования.
Графики антенн: декартова и полярная

Графики диаграмм направленности антенны, используемые до этого момента, были в декартовых координатах. Тем не менее, обычно строят диаграммы направленности антенн в полярных координатах, поскольку они более репрезентативны для энергии, излучаемой пространственно от антенны.

Рисунок 4 - это перерисованная версия рисунка 1, но с использованием полярных координат. Обратите внимание, что это те же самые данные, точка за точкой - они просто перерисованы в полярной системе координат. Стоит иметь возможность визуализировать диаграмму направленности антенны в любом представлении, поскольку оба они используются в литературе. Для большей части этого текста мы будем использовать декартовы координаты - в этом представлении может быть проще сравнить ширину луча и характеристики боковых лепестков.



Взаимность массива

До этого момента все диаграммы и текст описывали сигнал, который получает массив. Но как это изменится для передающего массива? К счастью, большинство антенных решеток являются взаимными. Следовательно, все диаграммы, уравнения и терминология одинаковы для передачи и приема.

Иногда легче представить луч, принятый массивом. И иногда, возможно, в случае лепестков решетки, вам может показаться более интуитивным думать о решетке как о передающей луч. В этой статье мы обычно описываем массив как принимающий сигнал. Но если это труднее визуализировать, то вы можете думать об тех же концепциях на передающей стороне.

Резюме

На этом завершается первый сегмент этой серии. Мы ввели понятие управления лучом с фазированной антенной решеткой. Мы вывели и показали графически уравнения для расчета фазового сдвига по решетке для управления лучом. Затем мы определили фактор решетки и фактор элемента, наблюдая за тем, как количество элементов, расстояние между элементами и угол луча влияют на отклик антенны. Наконец, мы показали сравнение диаграмм направленности антенн в декартовых и полярных координатах.

В следующих статьях этой серии мы продолжим изучение диаграмм направленности и искажений фазированных антенных решеток. Мы изучим, как сужение антенны уменьшает боковые лепестки, как формируются лепестки решетки, а также влияние сдвига фазы на временную задержку в широкополосных системах. Серия завершится анализом конечного разрешения блока задержки и того, как он может создавать боковые лепестки квантования и ухудшать разрешение луча.

Примечание авторов: эта серия статей не предназначена для инженеров-проектировщиков антенн, а скорее для того, чтобы помочь инженерам, работающим над подсистемой или компонентом, используемым в фазированной решетке, визуализировать, как их усилия могут повлиять на диаграмму направленности фазированной антенной решетки.

Питер Делос - технический руководитель, а Боб Бротон - технический директор компании Analog Devices в аэрокосмической и оборонной группе; Джон Крафт - старший инженер по полевым приложениям в компании Analog Devices .

Рекомендации

1. Баланис, Константин А. Теория антенн: анализ и проектирование . Третье издание, Wiley, 2005.

2. Mailloux, Robert J. Справочник по антеннам с фазированной решеткой . Издание второе, Artech House, 2005 г.

3. О'Доннелл, Роберт М. « Разработка радиолокационных систем: Введение. ”IEEE, июнь 2012 г. Skolnik, Merrill. Справочник по радарам . Третье издание, McGraw-Hill, 2008 г.