Таким образом, общее число излучателей в рассматриваемой решетке

Nобщ = Nг Nв (8)

3.3 Основные характеристики ФАР

Приведу некоторые количественные характеристики.

1. Ширина луча антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно

ΔΘk @ , LГ = NГdГ (9)

ΔΘk @ , LВ = NВdВ (10)

2. Сектор качания луча в горизонтальной и вертикальной плоскостях

ΔΘk,Г = , (11)

ΔΘk,В = . (12)

3. Телесный угол, совпадающий с секторами качания луча антенны,

ΔΏk = ΔΘk, г ∙ ΔΘk,в . (13)

4. Телесный угол, занимаемый лучом антенны, и коэффициент направленного действия антенны соответственно

ΔΏ = ΔΘг ∙ ΔΘв, (14)

D = (15)

Используя приведенные выше соотношения, легко убедиться, что отношение телесных углов, занимаемых секторами качания луча и самим лучом антенны, равно полному числу элементов в составе ФАР:

, (16)

Комбинируя (13)-(16), можно получить формулу, определяющую общее число элементов ФАР через ее коэффициент направленного действия и телесный угол сканирования:

Nобщ = , (17)

Эта формула представляет собой фундаментальное соотношение теории ФАР. Легко подсчитать, что если выбранные секторы сканирования определяются углами качания луча Θk,г = Θk,в = ±30°, а ширина луча в горизонтальной и вертикальной плоскостях ΔΘг = ΔΘв = 1°, то число элементов ФАР составляет 3600.

3.4 Фазовращатель – устройство формирования фазовых сдвигов

Как было показано выше, в цепи питания каждого излучателя ФАР должно находиться устройство, обеспечивающее требуемый фазовый сдвиг - фазовращатель.

Фазовращатели для ФАР можно разделить на две большие группы:

1) аналоговые фазовращатели, фазовый сдвиг, в которых представляет собой непрерывную функцию управляющего воздействия (напряжения или тока);

2) цифровые (дискретные) фазовращатели, фазовый сдвиг в которых задается двоичным кодом:

Δφ = , (18)

где

. (19)

A(q) представляет собой Q-мерный вектор, составленный из нулей и единиц. Пусть Q = 3, тогда в нашем распоряжении будет восемь различных векторов A (q) . При помощи соотношений (18) и (19) может быть задан следующий набор фазовых сдвигов: [0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 315°], каждый из которых отвечает своему номеру q.

В основе аналоговых фазовращателей лежит материал, магнитная или диэлектрическая проницаемость которого изменяется под внешним воздействием. Таким материалом может служить феррит, о котором кратко говорилось выше, или сегнетоэлектрик, диэлектрическая проницаемость которого зависит от напряженности электрического поля.

Дискретность задания фаз хорошо вписывается в структуру команд управляющей ЭМВ, хотя и порождает некоторые ошибки в задании координат луча антенны, а также приводит к незначительному увеличению уровня боковых лепестков диаграммы направленности антенны. Однако при большом числе элементов ФАР возникшие таким путем погрешности усредняются и выходят на уровень, которым можно пренебречь.

Активным элементом дискретного фазовращателя служит полупроводниковый ключ, в основе которого лежит полупроводниковый p-i-n диод или транзистор. Использование p-i-n диода в СВЧ-цепях основано на том, что p-i-n диод может иметь два разных состояния. В одном из них (U £ Uc) ток через диод не течет, центральная часть диода (i от intrinsic - собственный, нелегированный полупроводник) представляет собой диэлектрик, а диод в целом - конденсатор с малой емкостью и относительно малыми потерями. В другом состоянии (U ³ Uc) p-i-n диод проводит ток, центральная часть диода заполняется инжектированными носителями заряда, и диод в целом представляет собой резистор с малым сопротивлением. На рис. 8 представлена простейшая схема дискретного фазовращателя, использующего принцип коммутируемых линий. В зависимости от состояния ключей СВЧ - волна может распространяться либо по более длинному пути, либо по более короткому, приобретая таким образом необходимый фазовый сдвиг. Рабочее напряжение p-i-n диода не превышает 1-2 В, управляющий ток через диод зависит от мощности СВЧ - сигнала, для работы с которым предназначен диод, и находится в пределах 0,1-100 мА. Время переключения p-i-n диода также зависит от мощности управляемого сигнала и лежит в пределах 0,05 - 5 мкс.

3.5 Дискретный многопозиционный фазовращатель на полупроводниковых диодах сантиметрового диапазона

В начале 70ых в одной из лабораторий ХГПУ был сделан макет фазовращателя, и исследованы его некоторые характеристики. В качестве примера я приведу результаты этого исследования.

Большой интерес представляет очень простая схема элементарного (на два положения) отражательного фазовращателя, позволяющая получить сдвиг фазы в пределах 360°. Схема такого фазовращателя, показанная на рис. 9, представляет собой линию передачи с волновым сопротивлением Z0, на конце которой подключена отражающая нагрузка. Отражающая нагрузка выбирается в виде отрезка линии с волновым сопротивлением Z1 Z0, электрическая длина которого равна Θ и который нагружен на конце переключательным диодом.

На основе разработанных элементарных отражательных фазовращателей и моста был выполнен экспериментальный макет фазовращателя на 50-омной симметричной полосковой линии с диэлектриком “Форопласт-4”. Отражающие плечи мостов были нагружены элементарными отражательными фазовращателями. С целью более точной подстройки фазовых дискретов в отработанных схемах элементарных отражательных фазовращателей был сделан запас.

В результате проведенного исследования разработана конструкция действующего макета многопозиционного дискретного фазовращателя на p-i-n диодах типа 2А 503А. Фазовращатель очень прост по конструкции, обладает хорошей воспроизводимостью и при использовании в нем диодов типа 2А 503А в сантиметровом диапазоне волн имеет следующие основные характеристики: