Исследование антенны с электрическим сканированием лучом

 

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 

Р.В. Комягин, В.Л. Хандамиров 

Исследование антенны 
с электрическим сканированием лучом 

Учебное пособие 
 

 
 
 

УДК 621.396.67 
ББК 32.845 
        К63 

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/212/book964.html 
 
Факультет «Радиоэлектроника и лазерная техника» 
Кафедра «Радиоэлектронные системы и устройства» 
 
Рекомендовано Редакционно-издательским советом 
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве 
учебного пособия 
 
Рецензенты: 
нач. отдела антенн НПК-3 В.Е. Сагач, канд. техн. наук А.В. Гаврилов,   
канд. техн. наук,  доцент С.И. Масленникова 
 
Комягин,  Р. В.  
К63 
Исследование антенны с электрическим сканированием 

 
лучом : учебное пособие / Р. В. Комягин, В. Л. Хандамиров. — 
Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. —  
46, [6] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-4043-6  

Рассмотрены принципы построения и расчет сканирующих антенн типа «фазированная антенная решетка». Наряду с общими 
теоретическими сведениями приведены расчетные соотношения, 
необходимые при курсовом проектировании. Даны методические 
указания к выполнению лабораторной работы студентами 3-го курса по дисциплине «Устройства СВЧ и антенны». 

УДК 621.396.67 
                                                                                             ББК 32.845 

 
 
 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015 
 
 
 
© Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4043-6  
 
    МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 

АФАР  
— активная фазированная антенная решетка 
ДН  
— диаграмма направленности 
(Д)ФВ  
— (дискретный) фазовращатель 
КИП  
— коэффициент использования поверхности (раскры- 
 
     ва антенны) 
КНД  
— коэффициент направленности действия 
(М)ЭМС  
— (микро)электромеханическая система 
ПФАР  
— пассивная фазированная антенная решетка 
РЛС  
— радиолокационная станция 
СВЧ  
— сверхвысокая частота (сверхвысокочастотный) 
УБЛ  
— уровень боковых лепестков 
УУ  
— управляющее устройство 
ФАР  
— фазированная антенная решетка 
ФХ  
— фазовая характеристика 
ЭМС  
— электромагнитная совместимость 
 
 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

В настоящее время широкое распространение получили остронаправленные сканирующие антенны СВЧ. Сканирование позволяет 
вести обзор окружающего пространства, сопровождать движущиеся 
объекты и определять их координаты. Замена ненаправленных или 
слабонаправленных антенн остронаправленными сканирующими 
антеннами дает возможность получить не только энергетический выигрыш в системе вследствие возрастания коэффициента усиления 
антенны, но и в ряде случаев ослабить взаимное влияние одновременно работающих радиотехнических систем, т. е. обеспечить их 
электромагнитную совместимость. 
Применение фазированных антенных решеток (ФАР) для создания сканирующих остронаправленных антенн позволяет достигнуть высокой скорости обзора пространства и способствует 
получению полной информации о распределении источников излучения или отражения электромагнитных волн в окружающем 
пространстве.  
ФАР состоит из следующих составных частей: 
возбуждающего устройства — облучателя и коллекторной 
решетки излучателей (в ФАР оптического типа) или волноводнораспределительной системы (в ФАР с волноводным способом возбуждения), служащего для возбуждения волн в элементах антенной решетки; 
фазовращателей, предназначенных для управления фазовым 
сдвигом волны в канале каждого излучателя и, соответственно, для 
управления углом отклонения луча диаграммы направленности (ДН); 
излучателей, передающих электромагнитные колебания во 
внешнее пространство после фазирования. 
В настоящем издании рассмотрены в основном ФАР оптического типа, преимущество которых заключается в простоте системы распределения мощности. 
 
 

1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И РАСЧЕТ  
СКАНИРУЮЩИХ АНТЕНН С ФАЗИРОВАННЫМИ  
АНТЕННЫМИ РЕШЕТКАМИ 

1.1. Основные особенности  
фазированных антенных решеток 

Антенно-волноводное устройство, обеспечивающее излучение 
и прием радиоволн, — неотъемлемая часть любой радиотехнической системы. Требования к техническим характеристикам антенн 
определяются назначением радиосистемы, условиями размещения 
на местности, режимом работы, допустимыми затратами и т. д. 
Реализуемость необходимых направленных свойств, помехозащищенности, частотных, энергетических и других характеристик антенн во многом зависит от рабочего диапазона волн. Хотя в радиотехнических системах используют разные диапазоны частот, 
сверхвысокие частоты (СВЧ) получают все более широкое применение. Это объясняется тем, что в диапазоне СВЧ антенны могут 
создавать остронаправленное излучение с лучом шириной до долей градуса и усиливать сигнал в десятки и сотни тысяч раз. Это 
позволяет использовать антенну не только для излучения и приема 
радиоволн на большие расстояния, но и для пеленгации целей, 
борьбы с помехами и для решения ряда других задач. 
Антенны СВЧ широко применяют в связи, телевидении, радиолокации, радиоуправлении, а также в системах управления летательных аппаратов, радиоэлектронного противодействия, радиовзрывателей, радиотелеметрии и др. Успешное развитие радиоастрономии и освоение космоса во многом связаны с достижениями антенной техники СВЧ. 
Одним из важнейших направлений развития антенной техники 
диапазона СВЧ являются пассивные и активные фазированные 
антенные решетки (ПФАР и АФАР). Применение этих типов антенн дает возможность существенно повысить быстродействие 
радиотехнических систем. В частности, применение ПФАР и 
АФАР имеет особое значение для повышения скорости обзора 
пространства в радиолокационных станциях (РЛС). Современные 

устройства СВЧ с электронными приборами и электрически 
управляемыми средами позволяют не только создавать управляемое фазовое распределение в антенной решетке (т. е. вести электрическое сканирование), но и обрабатывать первоначально поступающую информацию (суммировать поля, преобразовывать 
частоты, усиливать сигналы и т. д.) непосредственно в СВЧ-тракте 
антенны. 
Дальнейшее улучшение характеристик радиотехнических систем с ФАР, таких как разрешающая способность, быстродействие, пропускная способность, дальность обнаружения целей, 
помехозащищенность, можно обеспечить, совершенствуя методы 
обработки пространственно-временных сигналов, излучаемых и 
принимаемых антенной. При этом антенна служит первичным звеном обработки и в значительной мере определяет основные характеристики всей системы. Переход от механического сканирования 
к электрическому приводит к усложнению конструкции антенны 
по причине применения ФАР. Например, если одна зеркальная 
антенна заменяется решеткой излучателей с фазовращателями и 
устройством управления, то наличие большого числа фазовращателей, увеличение протяженности тракта, использование делителей мощности и других элементов повышают стоимость антенны, 
а также тепловые потери в ее тракте и вероятность фазовых ошибок в раскрыве, что снижает коэффициент усиления антенны. 
Поэтому переход к АР с электрическим сканированием целесообразен только в тех случаях, когда механический способ не 
обеспечивает требуемых характеристик управления: при одновременном наличии нескольких сопровождаемых целей в пространстве или необходимости адаптации к большому количеству помех, 
а также в ряде других случаев, требующих замены апертурной антенны решеткой излучателей. 
Основные требования к антенне с электрическим сканированием исходят из того, что она должна обеспечивать в первую очередь 
направленность излучения. Этот параметр определяет требуемые 
форму и пространственную ширину луча в двух главных плоскостях, допустимый уровень боковых лепестков диаграммы направленности и поляризационную характеристику, описывающую поляризацию излучаемых и принимаемых волн и допустимые при 
этом потери.  

Существует определенная связь между характеристиками, 
определяющими направленность, и относительными (к рабочей 
длине волны λ) размерами антенны L. 
В линейных и плоских АР при электрическом сканировании 
меняется эквивалентный плоский раскрыв, под которым понимают проекцию раскрыва на плоскость, нормальную к направлению луча. Вследствие чего в процессе сканирования меняются 
направленные свойства антенных решеток. Таким образом, изменения ширины луча, коэффициента направленного действия и 
поляризации при сканировании должны быть обязательно учтены 
при электрическом расчете антенны. При проектировании передающих и приемных антенн с электрическим сканированием 
важно обеспечить необходимую мощность сигнала на входе приемного устройства; максимально допустимую мощность излучения, при которой обеспечиваются электрическая прочность и допустимый тепловой режим; мощность, затрачиваемую на управление положением луча в пространстве; мощность СВЧ-потерь в 
антенне и тракте. 
Частотные свойства антенн характеризуются наибольшими изменениями частоты излучаемого (принимаемого) сигнала, при котором основные параметры антенны не выходят за допустимые 
пределы. При расчете электрических сканирующих антенн целесообразно назначать рабочий диапазон антенны и полосу частот излучаемых сигналов. Требуемая полоса частот обусловлена излучением или приемом антенной сигнала с заданным спектром частот. 
Диапазон частот определяется условиями работы последовательно 
во времени на разных частотах рабочего диапазона, т. е. допускает 
при изменении рабочей частоты синхронное изменение некоторых 
параметров антенны. Например, чтобы сохранить направление луча в пространстве при изменении рабочей частоты передатчика, 
меняют фазовое распределение вдоль АР с электрическим сканированием. Переход от механического сканирования к электрическому приводит к уменьшению рабочей полосы антенны, тем более значительному, чем больше КНД. 
На характеристиках управления и сканирования основан выбор 
способа сканирования, типа излучающей АР и ее элементов, системы управления и т. д. Эти характеристики определяют сектор, продолжительность, метод обзора пространства, точность и быстроту 

установки луча в заданную точку пространства, а также изменение 
направленности и энергетики антенны при движении луча. 
К характеристикам управления относятся: время переключения 
режима работы (прием — передача), время изменения формы ДН и 
поляризации и т. д. Общетехнические, эксплуатационные и экономические требования дополняют рассмотренные ранее электрические требования, и обеспечиваются они не только с помощью конструктивных решений, технологии изготовления, но и выбором 
соответствующего способа построения режимов антенной системы 
и применяемых устройств СВЧ. 
Электрическое сканирование в антеннах может быть частотным или фазовым. 
Частотное сканирование луча антенны достигается изменением частоты генератора (в передающей антенне) и приемного 
устройства (в приемной антенне). С изменением частоты меняется электрическое расстояние между излучателями, возбуждаемыми распределительной системой с бегущей волной, и, следовательно, фазовое распределение в решетке. 
Антенные решетки с частотным сканированием конструктивно 
более просты по сравнению с другими электрическими сканирующими антеннами, поскольку в них присутствуют лишь распределительные и излучающие устройства. Необходимым условием создания радиосистем с частотным сканированием является наличие генератора и приемного устройства СВЧ с малоинерционной электрической (электронной) перестройкой частоты и соответствующего 
измерителя частоты для приемной системы. Частотное сканирование затруднено при широкоугольном и особенно двумерном обзоре, 
при временной последующей обработке сигнала в радиотехнической системе и наличии радиоэлектронного противодействия. 
В АР наиболее распространено фазовое сканирование с помощью системы фазовращателей. При конструировании таких 
антенн широко используют проходные или отражательные ферритовые и полупроводниковые фазовращатели, а также сегнетоэлектрические, газоразрядные и микроэлектромеханические.  
Существует два способа управления фазовращателями: непрерывный и дискретный.  
При непрерывном управлении фазу плавно изменяют регулированием силы тока или напряжения. При дискретном управлении фаза 

изменяется скачкообразно через определенное число градусов, с дискретом Δφ. Дискретные фазовращатели можно получить из плавных, 
если на характеристике управления их фазой использовать ряд отдельных точек. Это обусловлено спецификой работы цифровых электронных устройств, управляющих работой фазовращателей. 
В дискретных управляющих полупроводниковых и ферритовых устройствах используют режим работы в двух крайних областях их характеристик управления, малочувствительных к изменению температурных и других дестабилизирующих воздействий.  
В 1960 г. профессором Л.Н. Дерюгиным был предложен метод 
дискретно-коммутационного управления сканированием луча, сущность которого состоит в отказе от непрерывного изменения фазы в 
излучателях и использовании в них коммутаторов или питающих их 
трактов. Например, коммутацией («включено — выключено») синфазно возбуждаемых излучателей в кольцевой АР достигается дискретное перемещение луча по азимуту. Или коммутацией входов 
многолучевой АР получаем ряд положений луча в пространстве. Такого же эффекта можно добиться с помощью ФАР с дискретными 
фазовращателями при коммутации в них управляющих элементов. 
Коммутационное управление сканированием позволяет устранить или хотя бы уменьшить такие дестабилизирующие факторы, 
как флуктуации управляющих напряжений (токов) и температуры. 
Это объясняется тем, что положение луча определяется не управляющим напряжением, неодинаковым для различных фазовращателей, а наличием его на тех или иных коммутаторах. Устранение 
или уменьшение температурной зависимости связано с использованием крайних устойчивых положений в коммутаторе, например, 
«включено — выключено» в p–i–n-диоде или намагниченности в 
ферритовом устройстве на прямоугольной петле гистерезиса. 
При коммутационном управлении сканированием в излучающем раскрыве возникают коммутационные фазовые ошибки, которые при дискретных фазовращателях составляют половину изменения фазы (Δφ/2) и приводят к падению усиления антенны, увеличению фона боковых лепестков и дискретности перемещения 
луча. Однако эти ухудшения характеристик остронаправленных 
антенн могут быть незначительными, и поэтому коммутационное 
управление сканированием широко применяется на практике. 
Итак, мы рассмотрели основные особенности, преимущества и 
недостатки, присущие ФАР, а также обратили внимание на то, что 

выбор типа антенны зависит от многих показателей и должен 
обеспечивать оптимальные хактеристики при сравнительно невысокой стоимости и сложности эксплуатации. 
Будем считать, что ФАР — оптимальная конструкция, и перейдем к рассмотрению типов антенных решеток. 

1.2. Типы антенных решеток 

Антенные решетки (АР) принято классифицировать в зависимости от расположения излучателей, размещения их в решетке, 
шага решетки, способа возбуждения и сканирования, а также типа 
применяемого излучателя. 
В соответствии с ГОСТом различают линейные, криволинейные, плоские, конические, цилиндрические, сферические антенные 
решетки (рис. 1.1). Также в зависимости от положения излучателей в пространстве принято выделять выпуклые АР, плоские и гибридные. Наибольшее распространение получили плоские АР. 

Рис. 1.1. Типы антенных решеток: 

а — линейная эквидистантная; б, в — кольцевые; г — плоская; д — цилиндрическая; 
е — коническая; ж — сферическая; з — неэквидистантная