Определение минимального шага сканирования луча фазированной антенной решетки

Введение. Антеннам с электронным сканированием уже скоро 100 лет. Методы их проектирования и производства достаточно изучены, однако есть параметры, которые в научно-технической литературе не раскрыты. Одним из таких параметров является минимальный шаг движения и связанный с этим параметр – точность установки луча в заданном направлении. Из электродинамической задачи излучения очевидно, что шаг связан с количеством излучателей и точностью установки фазы в аналоговых фазовращателях (ФВ) либо с шагом квантования в случае использования фазовращателей с дискретным шагом.

Цель исследования. Нахождение связи между конструктивными параметрами фазированной антенной решетки (ФАР) и шагом движения луча. Исследование зависимости шага от параметров фазовращателя и типов диаграммообразующих схем ФАР. Создание математического аппарата для вычисления минимального шага движения луча для суммарной и разностной диаграмм направленности.

Материалы и методы. Аналитические соотношения для расчета шага в зависимости от геометрических размеров ФАР и расположения излучателей. Создание программ для расчета диаграмм направленности и программно-аппаратного комплекса для управления лучом экспериментальной ФАР С-диапазона.

Результаты. Найдена методика вычисления минимального шага сканирования ФАР. Математические соотношения для расчета минимального шага и точности установки луча ФАР. Сравнение экспериментальных и теоретических данных минимального шага движения суммарного и разностного лучей ФАР С-диапазона c соотношением D/λ=10 по координате Х и D/λ=5  по координате Y показало хорошее совпадение.

Заключение. Созданный математический аппарат позволяет точно рассчитать минимальный шаг электронного сканирования луча. Экспериментально измеренные шаги движения луча для решетки из 144 элементов подтверждают полученные аналитические соотношения. В ФАР с небольшим количеством элементов (N < 10) минимальный шаг перемещения может быть переменным. Теоретически достижимый минимальный шаг движения луча определяется фазовым сдвигом младшего разряда ФВ и электрической длиной апертуры антенны.

1. Mailloux R. J., Mailloux R. J. A History of Phased Array Antennas. University of Massachusetts, 2006. P. 567–603. doi: 10.1002/0471783021.ch17

2. Brookner E. Practical Phased-Array Antenna Systems. Boston–London: Artech House, 1991.

3. Вендик О. Г., Парнес М. Д. Антенны с электрическим сканированием. Введение в теорию. М.: САЙНС-ПРЕСС, 2002. 232 с.

4. Щелкунов С., Фриис Г. Антенны. Теория и практика / под ред. Л. Д. Бахраха. М.: Сов. радио, 1955. 604 с.

5. Проектирование фазированных антенных решеток / под ред. Д. И. Воскресенского М.: Радиотехника, 2003. 632 с.

6. Vendik O. G. A phase shifter with one tunable component for a reflectarray antenna / ed. O. G. Vendik, M. D. Parnes // IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2008. Vol. 50. № 4. P. 53–65. doi: 10.1109/MAP.2008.4653662

7. Koul S. K., Bhat B. Microwave and millimeter wave phase shifter V. 1. Boston–London: Artech House, 1991. 338 p. 8. Sturdivant R., Quan C., Enson Chang E. Systems Engineering of Phased Arrays. Boston–London: Artech House, 2018. 300 p.

8. Хижа Г. С., Вендик И. Б., Серебрякова Е. А. СВЧ-фазовращатели и переключатели. М.: Радио и связь, 1984. 184 с. 10. Hansen R. C. Phased array antennas, 2-e ed. Wiley, 2009. 558 p. doi: 10.1002/9780470529188

9. Программа расчета фазированных антенных решеток Fazar v.5. URL: http://www.ascorltd.com/ru/com-pleted-projects/programma-dlya-rascheta-far-Fazar-v.5 (дата обращения 07.02.2021)

10. Леонов А. И., Фомичев К. И. Моноимпульсная радиолокация. М.: Радио и связь, 1984. 312 с.

11. Evans G. E. Antenna Measurement Techniques. Boston–London: Artech House, 1990. 239 p.

12. Методы измерения характеристик антенн СВЧ / под ред. Н. М. Цейтлина. М.: Радио и связь,1985.

13. Rahman H. Fundamental Principles of Radar. CRC Press, 2019. 339 p.