Непременным элементом оборудования систем космической связи, противовоздушной или противоракетной обороны, аэропорта или морского порта являются радиолокационные антенны. Ясно, что во всех случаях необходимо создание узконаправленного «луча», который должен либо следовать за данным объектом, либо сканировать заданный телесный угол. Изменение направления луча можно осуществлять механически, поворачивая антенну. Однако антенны бывают очень громоздки, а необходимая скорость вращения луча может оказаться весьма значительной. К тому же иногда необходимо, чтобы эта скорость довольно быстро изменялась (например, если нужно, чтобы луч «медленно» проходил наиболее важные направления, где появление «цели» наиболее вероятно, и «быстро проскакивал» те направления, где сканирование все же необходимо, но появление «цели» маловероятно). Во всех этих случаях механические способы поворота луча становятся неэффективными, и нужно переходить к электронному управлению лучом. Такая задача решается с помощью $\textit{фазированных антенных решеток}$ (ФАР) – систем, в которых когерентные излучатели электромагнитных волн расставлены упорядоченно, а их излучением управляет электронная схема. Рассмотрим некоторые ее элементы.
Фазовращатель. Это устройство для управляемого сдвига фазы волны. Существует несколько разновидностей фазовращателей, но мы рассмотрим только одну из них. Это сегнетоэлектрический стержень, диэлектрическая проницаемость которого зависит от приложенного «поперечного» напряжения: $\varepsilon=\overline{\varepsilon}\left[1+\alpha U(t)\right]$. Управляющее напряжение изменяется в пределах $-20~\text{В}\leq{U(t)}\leq{+20~\text{В}}$, а коэффициент $\alpha=10^{-3}~\text{В}^{-1}$. На «вход» стержня приходит электромагнитный сигнал от генератора. Изменение напряженности электрического поля в этом сигнале описывается выражением $E_{in} (t)=E_0\cos\omega t$. Сигнал распространяется вдоль стержня и попадает на излучатель (на рисунке обозначен кружком). Показатель преломления вещества стержня при нулевом управляющем сигнале $\overline{n}=8$. Длина стержня $L=20\pi c/\omega$, где $c$ – скорость света в вакууме.
Линейная цепочка. Рассмотрим теперь $N=100$ излучателей, на которые подается один и тот же сигнал через независимые фазовращатели. Управляющее напряжение на фазовращатели подается таким образом, чтобы выходной сигнал $(n+1)-\text{го}$ фазовращателя опережал по фазе выходной сигнал $n-\text{го}$ на $\Delta{\varphi}=\varphi_0\sin\Omega t$, $(\Omega\ll{\omega})$.
Пусть расстояние между излучателями равно половине длины волны излучения: $d=\pi c/\omega=\lambda/2$. Изучите излучение цепочки в плоскости, образованной цепочкой излучателей и нормалью к этой цепочке.
Следует считать, что диаграмма направленности каждого из излучателей такова, что по всем направлениям в рассматриваемой плоскости в пределах значений $-80^{\circ}\leq{\theta}\leq{+80^{\circ}}$ он испускает волны с одинаковой амплитудой.
На самом деле луч с интенсивностью, найденной в пункте $\mathrm C3$, не всегда существует в течении всего периода сканирования, и не всегда он единственен. Поэтому введем две дополнительные характеристики антенны:
Например, для изученной в пунктах C2-C5 антенны $\beta=1$ и $K=1$. С технической точки зрения это «оптимальные» значения этих характеристик – параметры реальных антенн обычно подбирают так, чтобы их значения были именно такими.