Насколько можно судить по известным публикациям, первая антенна с электронным сканированием для применения в радиолокации была осуществлена в Ленинградском электротехническом институте (ЛЭТИ) в 1955 году в группе под руководством проф. О.П. Орова (1914-1955). В основу принципа действия антенны было положено управление фазами волн в нескольких излучателях антенны с помощью фазовращателей, содержащих ферритовые элементы. Как раз в те годы в электронике различных частот началось широкое применение ферритов - железосодержащих окислов металлов, которые являются диэлектриками, но обладают магнитными свойствами, близкими к свойствам железа. Первая публикация о фазовращателе на основе феррита, предназначенном для применения в антенне с электронным сканированием, появилась в конце 1954 года. А публикации по самой антенне в 1956-1957 годах. Проблема разработки антенны с электронным сканированием слагается из двух составных частей:

1) выбор числа излучателей и конфигурации их размещения;

2) разработка фазовращателей, управляющих фазой электромагнитной волны в излучателях.

На фотографии (рис. 6) показан макет антенны, разработанной в 1954-1955 годах и испытанной в июне 1955 года. Антенна представляла собой решетку из четырех диэлектрических излучателей, сверхвысокочастотная (СВЧ) волна к которым подается через фазовращатели, представляющие собой отрезки прямоугольных волноводов, частично заполненных ферритом. Ферритовые вкладыши находятся в переменном поле электромагнитов.

Внешнее магнитное поле изменяет магнитную проницаемость феррита. Изменение магнитной проницаемости среды, в которой распространяется волна, изменяет фазовую скорость волны, в результате возникает требуемый фазовый сдвиг.

3.2 Устройство и работа антенны с электронным сканированием

Следует различать антенны с одномерным и двумерным сканированием или, другими словами, антенны с движением луча в одной плоскости и антенны с движением луча в двух плоскостях. Антенны с одномерным сканированием нужны при работе с объектами, лежащими в одной плоскости. Примером может служить антенна радиолокатора, обеспечивающего управление движением в акватории морского порта, где все объекты, с которыми устанавливается связь или за которыми ведется наблюдение, находятся на водной поверхности. Иначе обстоит дело при обеспечении связи с искусственным спутником Земли или при управлении движением в районе большого аэропорта‚ этих случаях направления на объекты, с которыми устанавливается связь или за которыми ведется наблюдение, могут находиться под разными углами, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости, поэтому луч антенны должен перемещаться в двух плоскостях.

Рис. 7 Схема фазированной антенной решетки

На рис. 7 показана схема антенны с одномерным сканированием. Антенна представляет собой линейку излучателей, которые на рисунке схематически представлены в виде рупорных излучателей. Вход антенны

представлен одним волноводом или коаксиальным кабелем, который соединяется с приемником, передатчиком или другой радиотехнической системой. Между входом антенны и излучателями расположен делитель мощности, и в цепи питания каждого излучателя включен фазовращатель. Фазовращатели управляются от единого устройства управления (компьютера) и формируют требуемое распределение фаз на излучателях. На рис. 7 показан плоский фазовый фронт, расположенный под углом Θk по отношению к плоскости расположения излучателей. Очевидно, что главный луч антенны формируется вдоль нормали по отношению к фазовому фронту волны, заданной излучателями, и, таким образом, главный луч антенны отклонен от оси симметрии антенны также на угол Θk.

Напомним, что из законов дифракции электромагнитных волн следует, что ширина луча антенны определяется отношением длины волны излучаемых электромагнитных колебаний к размеру антенны:

ΔΘ @ (1)

где ΔΘ - ширина луча, λ - длина волны, L - размер антенны.

Пусть линейка излучателей состоит из N излучателей, d - расстояние между соседними излучателями. Тогда, чтобы обеспечить наклон фазового фронта на угол Θk, фазовый сдвиг между соседними излучателями должен составлять

Δφ = (2)

Разность фаз между соседними излучателями должна лежать в пределах

-π < Δφ < π (3)

Попытка выйти за обозначенные пределы приведет к неоднозначности положения луча антенны. Сопоставляя формулы (2) и (3), находим пределы качания луча:

Θλ min = - arcsin() , Θλ min = arcsin() (4)

Теперь можно определить и ширину сектора качания (сканирования) луча:

ΔΘλ = Θλ min - Θλ min = 2arcsin() (5)

В случае d >>λ формула (5) упрощается:

ΔΘλ = (6)

Возникает вопрос: что происходит за пределами избранного сектора качания луча, определенного формулой (6)? Если не принять никаких мер, то при d > λ/2 за пределами сектора качания возникнут дополнительные дифракционные максимумы и диаграмма направленности антенны перестанет быть однонаправленной. Однако дополнительные дифракционные максимумы можно подавить, выбрав элементарные излучатели, из которых составлена линейка, такими, чтобы индивидуальная диаграмма направленности каждого элементарного излучателя обеспечивала подавление излучения за пределами выбранного сектора качания луча линейки излучателей в целом. Найдем отношение сектора качания луча к ширине самого луча линейки излучателей. Для этого обратимся к формулам (6) и (1). Получим

(7)

где N - число излучателей в антенне.

Формула (7) определяет число элементов, из которых должна состоять антенна. Элемент включает в себя излучатель, фазовращатель и цепи управления фазовращателем. Так, например, достаточно хорошо направленная антенна должна иметь ширину луча порядка одного углового градуса: ΔΘ = 1°. Пусть ΔΘk = 90°, тогда N = 90, то есть конструкция линейки излучателей оказывается достаточно сложной.

Рассмотрим антенну в виде решетки излучателей, обеспечивающей электронное сканирование луча в двух плоскостях. Решетка состоит из системы параллельных линеек излучателей, расположенных в одной плоскости. Число излучателей в составе одной линейки назовем числом излучателей в горизонтальной плоскости Nг, а само число линеек - числом излучателей в вертикальной плоскости Nв.