Проектирование фазированных антенных решеток

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное  автономное

образовательное учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

В. А. Обуховец

Проектирование 

фазированных антенных решеток

Учебное пособие

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2016

УДК 621.396.677(075.8)
ББК  32.845я73

О266
Печатается по решению редакционно-издательского 

совета Южного федерального университета

Рецензенты:

зав. кафедрой «Связь на железнодорожном транспорте» 

Ростовского государственного университета путей сообщения 

(РГУПС), кандидат технических наук, доцент Х. Ш. Кульбикаян;

зав. кафедрой информационной безопасности 

телекоммуникационных систем ЮФУ, доктор технических наук, 

профессор К. Е. Румянцев

Обуховец, В. А. 

О266
Проектирование фазированных антенных решеток : 

учебное пособие / В. А. Обуховец ; Южный федеральный 
университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство 
Южного федерального университета, 2016. – 80 с.

ISBN 978-5-9275-2229-3

Пособие предназначено для курсового и дипломного 

проектирования магистратам направлений 
«Радиотехника» и  

«Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 
студентам специальностей «Радиоэлектронные системы и 
комплексы», «Специальные радиотехнические системы» и 
«Инфокоммуникационные технологии и системы специальной 
связи», а также для аспирантов
специальности 05.12.07

«Антенны, СВЧ устройства и их технологии».
Изложены 

вопросы расчета направленных свойств линейных и плоских 
фазированных антенных решеток. Рассмотрены постановка 
задачи и некоторые методы синтеза антенных решеток.

УДК 621.396.677(075.8)

ББК  32.845я73

ISBN 978-5-9275-2229-3        

© Южный федеральный университет, 2016
© Обуховец В.А., 2016

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................
6

1. НАПРАВЛЕННЫЕ СВОЙСТВА 

АНТЕННЫХ РЕШЕТОК…………………………
14

1.1.Характеристика направленности решетки………
14

1.2. Геометрия антенных решеток……………………
17

1.3. Линейная антенная решетка …………………….
18

1.4. Плоская антенная решетка с прямоугольным 

раскрывом………………………………………….
21

1.5. Плоская кольцевая антенная решетка…………...
24

1.6. Порядок расчета антенной решетки по 

заданным значениям ширины ДН и уровню 
боковых лепестков………….……………………..
26

Контрольные вопросы к разд. 1………………….
31

2. УЧЕТ ВЛИЯНИЯ ВЗАИМНОЙ СВЯЗИ  

МЕЖДУ  ИЗЛУЧАТЕЛЯМИ ……………………
33

2.1. Влияние взаимной связи на параметры 

решетки……………………………………………
33

2.2. Матрица взаимных сопротивлений [Z]………….
34

2.3. Расчет взаимных сопротивлений решетки………
37

2.4. Матрицы проводимостей [Y] и рассеяния [S] 

решетки…………………………………………….
42

2.5. Улучшение согласования антенной решетки 

при сканировании………………………………...
46

Контрольные вопросы к разд. 2………………….
53

3. СХЕМЫ ПИТАНИЯ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ 

ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК….
54

3.1. Распределители питания закрытого и 

оптического типов………………………………..
54

3.2. Диаграммообразующие схемы многолучевых 

решеток……………………………………………
58

3.3. Схемы питания излучателей решеток 

с частотным сканированием……………………..
62

3.4. Фазовращатели……………………………………
64

3.5. Особенности работы антенной решетки в 

режиме дискретного фазирования………………
70

3.6. Упрощенные конструкции антенных 

решеток……………………………………………
71

Контрольные вопросы к разд. 3………………………
76

Библиографический список…………………………
78

СПИСОК ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 
И СОКРАЩЕНИЙ 

ДН – диаграмма направленности
КНД – коэффициент направленного действия
КПД – коэффициент полезного действия
УБЛ – уровень боковых лепестков
АР – антенная решетка
ФАР – фазированная антенная решетка
ФВ – фазовращатель
ОАР – отражательная антенная решетка
САПР – система автоматизированного проектирования
ЭМВ – электромагнитная волна
ДОС – диаграммообразующая схема
ЧСС – частотно-селективная структура
СВЧ – сверхвысокочастотный
МПЭ – микрополосковый элемент
ЭПР – эффективная поверхность рассеяния

ВВЕДЕНИЕ

Антенные решетки –
это многоэлементные приборы, 

собранные из нескольких (иногда нескольких сот или даже сотен 
тысяч) отдельных антенн –
«излучателей», работающих 

одновременно в составе сложной системы. Совокупное действие 
многих излучателей приводит к формированию направленного 
излучения. Даже если каждый излучатель решетки является 
изотропным (т. е. ненаправленным, амплитудная диаграмма 
направленности 
его 
не 
зависит 
от 
углов 
наблюдения 

const
f

)
,
(


), то и в этом случае антенная решетка способна 

формировать узкий луч (рис. 1).

Рис. 1 

Наиболее замечательным свойством антенных решеток 

можно считать возможность сканирования (перемещения) луча в 
пространстве при неподвижной антенне. Для реализации такой 
возможности необходимо возбуждать излучатели решетки так, 
чтобы 
распределение 
фаз 
токов 
в 
раскрыве 
решетки 

описывалось бы линейной зависимостью. Иными словами, сдвиг 
фаз токов от одного излучателя к другому увеличивался бы на 
одинаковую величину. Например, для линейной решетки с 
одинаковым расстоянием между излучателями фаза тока в 

const
f

)
,
(



1
E


2
E


N
E







N

n

n
E
E

1




излучателе 
с 
номером 
n
определяется 
выражением 







)1
(n
n
.  Здесь 

– набег фазы.

В этом случае поверхность одинаковых фаз полей 

излучения представляет собой плоскость, повернутую по 
отношению к решетке на угол, зависящий от фазового сдвига. 
Диаграмма направленности решетки будет иметь максимум в 
направлении перпендикуляра к поверхности равных фаз. Рис.1 
показывает временные диаграммы изменения полей излучения 
при синфазном возбуждении излучателей (рис. 2, а) и при 
линейном набеге фаз (рис. 2, б).

а
б

Рис. 2

Примерный вид диаграммы направленности решетки, 

соответствующий рис. 2, а, показан на рис. 3.

Антенные решетки обладают целым рядом преимуществ по 

сравнению с отдельными антеннами [1] – [4]. 

0
30

макс


Рис. 3

Ниже приведен краткий перечень их основных достоинств:
возможность 
обеспечения 
сканирования 
луча 
в 

пространстве вплоть до 360 градусов;  

способность быстро и гибко  изменять диаграмму 

направленности антенной решетки;

возможность 
формировать 
управляемые 
"нули" 
в 

диаграмме направленности;

- возможность получения в режиме передачи очень высоких 

уровней излучаемой мощности за счет когерентного сложения 
полей в пространстве от отдельных излучателей с усилителями, 
а 
 
 
в 
режиме 
приема 
–
существенного 
повышения 

чувствительности всей приемной системы, такие решетки 
принято называть активными (АФАР);

возможность 
осуществления 
обработки 
сигналов 

непосредственно в антенной системе;

- в режиме передачи АФАР может формировать одну 

суммарную диаграмму направленности, а в режиме приема – две 
или четыре разностных ДН;

- АФАР способны формировать многолучевые диаграммы 

направленности из невзаимодействующих друг с другом лучей;

Излучатели 
АФАР 
совместно 
с 
фазовращателями, 

двухсторонними усилителями, цепями согласования и питания 
выполняются в виде приемо-передающих модулей (ППМ). Все