В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Александр 
ВалентинВопросам анализа и синтеза антенных решеток посвящено достаточно много работ, в том числе проблемам минимизации боковых лепестков диаграммы направленности [1–7]. Исследования в основном связаны с их применением в радиолокационных системах. Однако в последнее время особый интерес проявляется к антенным решеткам (АР) в связи с их применением в системах спутниковой связи Ku-/Ka-/V-диапазонов [8–10]. Создание недорогих АР, отвечающих многочисленным рекомендациям ITU-R, является ключевым условием коммерческого успеха [8] многоспутниковых систем типа LEO/MEO/HEO – HTS. Особые надежды на решение этой задачи применительно к использованию сканирующих АР в абонентских терминалах возлагаются на решение, заявленное с компанией Kymeta [10]. Изначально АР по заявлениям компании Kymeta были основаны на применении метаматериалов [11]. В последующем это решение трансформировалось. Было заявлено, что основой является применение жидких кристаллов, а на рынок такие антенные решетки поступят во втором квартале 2017 г. [9]. Подробное технологическое решение реализации АР не раскрывается, но на основе данных [9, 10] можно сделать вывод, что АР основана на использовании избыточного числа излучателей M( ψm), расположенных на расстояниях значительно меньше λ2, где ψm - фазовые сдвиги относительно центра АР (общей точки возбуждения излучателей). Путем "включения"/"выключения" излучателей за счет подачи напряжения на участки жидкокристаллической пленки изменяется диэлектрическая проницаемость в области каждого излучателя. Часть излучателей работает, часть нет. Подбором расположения работающих излучателей достигается максимизация усиления АР и минимизация боковых лепестков диаграммы направленности в процессе сканирования. По сути, из множества M(ψm) излучателей выбирается оптимальное число M0(φ; Θ) активных излучателей для каждого пространственного положения луча. В результате исследование АР сводится к анализу неэквидистантной АР. Существенным фактором такого решения является отсутствие управляемых фазовращателей, которые значительно увеличивают стоимость [8, 12] обычной фазированной антенной решетки.
В данной статье рассматривается метод проектирования неэквидистантной антенной решетки с низким уровнем боковых лепестков для осевого излучения как первый этап исследования.
Как известно [1, 2], эквидистантная линейная антенная решетка с равномерным возбуждением при максимальной направленности имеет относительно высокий уровень боковых лепестков (первый боковой лепесток – 13 дБ), что ограничивает возможность ее применения, особенно в радиотехнических системах с высокой помехозащищенностью и системах спутниковой связи в частности. Низкий уровень боковых лепестков при заданной ширине диаграммы направленности имеет эквидистантная решетка с тейлоровским или дольф-чебышевским распределением, в которой амплитуды токов в элементах спадают к краям решетки по одному из указанных выше законов. Реализация такого распределения осуществляется с помощью сложной диаграммообразующей системы. Наличие потерь в такой системе заметно снижает эффективность решетки и ее диапазонные свойства.
Диаграммообразующая система существенно упрощается, если использовать равноамплитудное возбуждение решетки, а минимизацию уровня боковых лепестков осуществлять за счет неэквидистантного размещения ее элементов.
Известные методы проектирования неэквидистантных решеток требуют достаточно сложных расчетов и не дают полного представления об их возможностях [1–3].
Цель настоящей работы – разработка метода, позволяющего определить положения (координаты) элементов в неэквидистантной антенной решетке с низким уровнем боковых лепестков. Решение этой задачи приведено ниже.
Ограничимся анализом диаграммы направленности в передней полуплоскости - секторе углов наблюдения 90° исходя из того, что в реальной решетке уровень боковых лепестков в задней полуплоскости, включая направление 90°, мал [2] . Будем пренебрегать также взаимной связью между излучателями решетки.
Рассмотрим синфазную линейную решетку с числом излучателей N с равноамплитудным возбуждением и произвольным расположением (см. рис. 1).
Нормированная диаграмма направленности решетки, учитывающая направленность одного излучателя, имеет вид [1]
где f (Θ - нормированная диаграмма излучателя решетки, Fр (Θ - множитель решетки, Θ - угол точки наблюдения.
Множитель решетки может быть записан в виде
где λ - длина волны, Ln - координаты центров излучателей решетки (см. рис. 1).
Уровень диаграммы направленности излучателя вблизи Θ ~ 90° обычно мал, поэтому будем рассматривать уровень ближних боковых лепестков решетки в области, прилегающей к главному. В области дальних боковых лепестков уровень диаграммы направленности решетки мал за счет направленности излучателя. Так как направленность излучателя в области ближних боковых лепестков решетки мало отличается от 1, будем анализировать только множитель решетки.
Перепишем (2) в виде (3), сократив при этом вдвое число слагаемых суммы (2), что позволит упростить процедуру минимизации уровня боковых лепестков
Поскольку (3) содержит только суммы и разности координат центров излучателей ln ≠ Ln-1, задача сводится к нахождению этих значений.
На первом шаге зададим ширину диаграммы направленности Θ0 по нулевому уровню. При этом следует иметь в виду, что технология в дальнейшем сводится к итерационной процедуре нахождения координат, так что конечное значение Θ0 может отличаться от первоначального.
На втором шаге выбираем член ряда (3), содержащий LN/2+1 ≠ LN/2.
Поскольку LN/2+1 - LN/2 < LN/2+1 + In/2, нулевому значению этого члена соответствует первый сомножитель, содержащий LN/2+1 + LN/2. Таким образом, можем записать
Из (4) следует
На третьем шаге зададим положения экстремумов оставшихся локальных слагаемых суммы (3), располагая их в области ближних боковых лепестков равномерно в диапазоне углов ΘN< 90°, причем ΘN = Θ0, а остальные Θ0 < ΘN < 90°, n > 2.
Это условие позволяет определить оставшиеся ln + Ln-1,
Из (6) получаем
Значения ln - Ln-1 выбираются из условия физической реализуемости решетки.
Ясно, что локальные слагаемые (3) со значениями Ln, близкими к LN, располагаются вблизи Θ= Θ0, а слагаемые с низкими номерами - ближе к 90°. Поэтому для определения Ln (n = 1,2 ) предположим, что первое слагаемое (3) обращается в 0 при Θ0 = Θ1 = 90°, т.е.
На четвертом шаге найденные значения Ln подставляем в (3) и проводим итерационную процедуру вблизи этих значений, так чтобы достигался низкий уровень боковых лепестков диаграммы направленности решетки.
На рис. 2 приведена диаграммы направленности 10-элементной решетки с учетом направленности излучателя (диаграмма излучателя 
при значениях координат Ln , найденных по формулам (5, 7, 8 ). Как следует из рис. 2, уровень ближних боковых лепестков не превышает 30 дБ.
Как показывают расчеты, минимальный уровень боковых лепестков сохраняется в полосе частот ±10%.
В работе проанализирована неэквидистантная линейная антенная решетка с фиксированным положением направления максимума главного лепестка диаграммы направленности. Предложен метод проектирования такои решетки, позволяющии получить низ-кии уровнь боковых лепестков. Представляет интерес анализ сканирующей неэквидистантной антенной решетки, в которой сканирование осуществляется за счет выбора оптимального числа излучателей из общего их числа со сверхплотной упаковкой. Этому вопросу будет посвящена следующая работа. Интерес к такому решению обусловлен тем, что в рассматриваемой АР не предполагается использование управляемых фазовращателей. Соответственно, стоимость такой АР может быть заметно снижена по сравнению с традиционными решениями.
Литература
Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #2, 2017
Посещений: 4581
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
