Долбик А.И. Устройства СВЧ и антенны. Часть 2

Подождите немного. Документ загружается.

А. И. ДОЛБИК

УСТРОЙСТВА СВЧ И АНТЕННЫ

ЧАСТЬ 2

АНТЕННЫЕ СИСТЕМЫ РЭС РТВ

Утверждено

в качестве учебного пособия

2004

В часть 2 настоящего пособия включены материалы лекций, читаемых

в рамках тем №№ 5-7 программы дисциплины “Устройства СВЧ и антенны”.

Учебное пособие предназначено для самостоятельной работы при изу-

чении дисциплины “Устройства СВЧ и антенны”, а также для слушателей,

обучаемых по индивидуальному плану.

Материал излагается на доступном уровне. При выводе ряда соотно-

шений используется упрощенный математический подход, который, тем не

менее, позволяет получить верные конечные результаты.

Основное внимание уделяется рассмотрению антенных систем, исполь-

зуемых в РЛС, влиянию различных неблагоприятных факторов на их работо-

способность, а также анализу особенностей построения перспективных ан-

тенн.

1. АПЕРТУРНЫЕ АНТЕННЫ

Это наиболее распространенный тип антенн, обеспечивающий

возможность создания узких ДН сравнительно простым способом, а также

излучение большой мощности. Вследствие этого апертурные антенны нашли

широкое применение в РЭС РТВ.

1.1. Общие свойства и классификация

К апертурным относятся антенны, у которых излучающая система вы-

полнена в виде плоской поверхности, ограниченной замкнутой кривой (чаще

всего – прямоугольником или окружностью). Возбуждение антенны старают-

ся осуществить таким образом, чтобы поле в апертуре оказалось синфазным,

что обеспечивает остронаправленное излучение, максимум которого совпа-

дает с нормалью к апертуре.

Как было показано ранее, диаграмма направленности апертурной ан-

тенны с прямоугольным раскрывом определяется выражением:

. (1.1)

∫∫

−−

⋅+⋅+Φ

]sinsincossin(),([

),(),(

yxkyxj

cucm

dydxeyxAf

ϕθϕθ

ϕθ

Аналогичное выражение может быть получено для круглой апертуры:

∫∫

⋅=

−⋅+Φ

)]cos(sin),([

),(),(

αϕθραρ

αρραρϕθ

ddeAf

cucm

. (1.2)

Ширину главного лепестка в любой плоскости, проходящей через нор-

маль к апертуре, можно оценить с помощью соотношения:

5,05,0

2 = , (1.3)

где L – размер апертуры в рассматриваемой плоскости; – коэффициент,

величина которого определяется видом амплитудного распределения.

5,0

Соответственно максимальный КНД раскрыва определяется выражени-

ем:

max

, (1.4)

где

– геометрическая площадь антенны;

– коэффициент использования

площади.

Согласно соотношениям (1.3) и (1.4), увеличение волновых размеров

апертуры (L/λ и S

/λ

) приводит к сужению главного лепестка в любой плос-

кости

и росту D

max

. В реальных условиях максимально достижимая ве-

личина КНД составляет 10

…10

. Таким образом, апертурные антенны явля-

ются наиболее направленными, а также характеризуются достаточно широ-

ким диапазоном, что обуславливает их широкое применение в радиолокации.

К апертурным относят следующие антенны:

волноводные;

рупорные;

линзовые;

зеркальные.

1.2. Волноводные антенны

Волноводными называются антенны, выполненные в виде открытых

концов волноводов различного типа. Наиболее широко на практике исполь-

зуются излучатели на базе прямоугольных и круглых волноводов, возбуж-

денных на основной волне Н

и Н

соответственно. Это наиболее простой

тип апертурных антенн.

Поскольку размеры поперечного сечения волноводов не превышают

длину волны, то волноводные антенны являются слабонаправленными. Они

применятся в качестве облучателей более сложных антенн (линзовых, зер-

кальных), а также излучателей ФАР.

пл.

(пл. E)

пл.

(пл. Н)

Рис. 1.1

На рис. 1.1 показан

открытый конец прямо-

угольного волновода с

размерами

а×в, в котором

возбуждена волна типа

. На его открытом

конце происходит час-

тичное излучение и отра-

жение электромагнитной

волны, так как волновые

сопротивления волновода

и свободного пространства

существенно раз-

личаются. Строгое решение задачи расчета поля волноводной антенны дос-

таточно сложно, поэтому в инженерной практике используются приближен-

ные методы. Для приближенных расчетов принимаются следующие допуще-

ния:

1) пренебрегают затеканием токов на внешнюю поверхность раскрыва

и образованием в раскрыве волн высшего типа;

2) полагают, что структура поля в раскрыве такая же, как в поперечном

сечении непрерывного волновода.

В этом случае использование формулы (1.1) для синфазного раскрыва с

разделяющимися амплитудными распределениями (равномерным для сторо-

ны в и косинусным для стороны а) позволяет рассчитать АДН открытого

конца прямоугольного волновода в каждой плоскости.

Для волноводов стандартных размеров (а=0,72λ, в=0,32λ) ширина диа-

граммы направленности

; (1.5)

5,0

159)2( =

pε

(1.6)

5,0

96)2( =

в плоскости узкой и широкой стенки соответственно. Таким образом, прямо-

угольный волноводный излучатель формирует широкую диаграмму направ-

ленности, несколько сплюснутую в плоскости широкой стенки.

У круглого волноводного раскрыва ДН имеет почти игольчатую фор-

му, а ее ширина составляет

. (1.7)

5,0

)80...75()2()2( ==

εβ

θθ

Поляризация поля у обоих волноводных антенн является линейной и

совпадает с направлением вектора электрического поля в раскрыве.

Большим недостатком рассмотренных типов антенн следует считать их

плохое согласование со свободным пространством. Поскольку волновое со-

противление прямоугольного волновода составляет

=480…590 Ом, а для

окружающего пространства

=377 Ом, то в питающем волноводе устанавли-

вается режим смешанных волн с коэффициентом стоячей волны К

=1,6…1,9.

У круглого волновода К

=1,2…1,3.

1.3. Рупорные антенны

У антенн данного типа отсутствуют недостатки, свойственные волно-

водным излучателям, – слабая направленность и плохое согласование со сво-

бодным пространством.

1.3.1. Типы рупорных антенн

Рупор образуется путем увеличения поперечных размеров волновода

Рис. 1.2

(рис. 1.2). Так как волновые размеры излучаю-

щей апертуры у рупорной антенны больше, чем у

соответствующего волновода, то направленность

излучения повышается. Рупорные антенны при

рационально выбранных габаритах позволяют

получить ширину главного лепестка диаграммы

направленности порядка 9…12

. Плавное увели-

чение поперечного сечения волновода обеспечивает хорошее согласование со

свободным пространством. Достоинствами рупорных антенн являются также

простота конструкции, малые потери, хорошая диапазонность, что обуслови-

ло их широкое применение в миллиметровом, сантиметровом и дециметро-

вом диапазонах.

В настоящее время в антенной технике наиболее широко используются

секториальные, пирамидальные, коробчатые, конические и биконические ру-

поры (рис. 1.3).

b b

вг

Рис. 1.3

Секториальные рупоры образуются путем плавного расширения пары

противоположных стенок прямоугольного волновода. Если расширяются

стенки волновода, лежащие в Н-плоскости, то рупор называется Н-сек-

ториальным (рис. 1.3, а). При увеличении размеров узких стенок (Е-плос-

кость) получается Е-секториальный рупор (рис. 1.3, б). Секториальные рупо-

ры используются для получения диаграммы направленности существенно

различной ширины во взаимноперпендикулярных плоскостях. При плавном

увеличении размеров всех стенок волновода образуется пирамидальный ру-

пор (рис. 1.3, в). При скачкообразном расширении стенок получается короб-

чатый рупор. В зависимости от типа увеличиваемых стенок различают ко-

робчатые Н- (рис. 1.3, г), Е- и ЕН-рупоры.

При плавном линейном расширении поперечных сечений круглых и

Рис. 1.4

коаксиальных волноводов

получают конические

(рис. 1.4, а) и бикониче-

ские (рис. 1.4, б) рупоры,

обеспечивающие получе-

ние игольчатой диаграммы направленности с шириной главного лепестка по-

рядка 9…12

1.3.2. Понятие об оптимальных рупорных антеннах

Известно, что увеличение раскрыва антенны приводит к уменьшению

ширины главного лепестка и увеличению коэффициента направленного дей-

ствия антенны. Чем шире раскрыв рупора, тем уже диаграмма направленно-

сти и больше КНД. Однако это справедливо до некоторых пределов, после

которых данные характеристики антенны ухудшаются. Причина названного

явления заключется в изменении закона распределения фазы в раскрыве ру-

пора, который вместо равномерного становится квадратичным.

Рис. 1.5

Рассмотрим, например, Н-

секториальный рупор (рис. 1.5).

Здесь

О' – вершина рупора;

R – его глубина;

L – ширина раскрыва рупора;

а – размер широкой стенки вол-

новода.

В полости рупора в плоскости

Е фронт волны остается плоским.

Следовательно, Ф(у)=0. Для того

чтобы определить вид фазового распределения в плоскости Н, рассмотрим

геометрические соотношения в рупоре. Как видно из рис. 1.5, на краях рупо-

ра фронт волны отстает относительно центра. Максимальную разность хода

(а значит, и разность фаз) можно определить из геометрических соотношений

(см. рис. 1.5):

. (1.8)

22222

2)()2/( rrRRrRLR Δ+Δ+=Δ+=+

Так как

<Δ

<Δ 2

, то . Следовательно,

rRL Δ≈ 2)2/(

максимальная разность хода из выражения (1.8) определяется как

)2/(

max

≈Δ

. (1.9)

Следовательно, закон изменения фазы в Н-плоскости раскрыва (фазо-

вое распределение) приобретает вид:

krk

)2/(

max

==Δ=

. (1.10)

Таким образом, вдоль размера L рупора фаза распределена по квадра-

тичному закону. Ранее было показано, что квадратичный закон изменения

фазы в раскрыве расширяет главный лепесток диаграммы направленности по

сравнению с равномерным распределением. Расширением главного лепестка

можно пренебречь, если отклонение фазы на краях раскрыва не превышает

π/4, т.е.

max

≤

. Следовательно, если выполняется условие

≤

, (1.11)

то считеатся, что фаза в раскрыве постоянна.

Из вышеиложенного можно сделать следующие выводы:

1) ширина главного лепестка в плоскости Н зависит от величины от-

ношения L/λ. Чем больше отношение, тем уже главный лепесток;

2) ширина главного лепестка в плоскости Н зависит от фазового рас-

пределения вдоль размера L, при увеличении которого возрастает неравно-

мерность фазового распределения в раскрыве и главный лепесток расширя-

ется;

3) очевидно, существуют некоторые оптимальные размеры рупора, при

которых главный лепесток наиболее узок.

Рупорная антенна с такими размерами называется оптимальной.

В таблице приведены основные параметры рупорных антенн и их оп-

тимальные размеры (d – диаметр раскрыва конического рупора,

– его площадь).

Таблица

Тип антенны

max

КИП

2θ

0,5рε

2θ

0,5рβ

opt

Открытый конец

волновода

81,0

0,81

Н-секториальный

рупор

64,0

0,64

3,3

Е-секториальный

рупор

64,0

0,64

1,2

Пирамидальный

рупор

5,0

0,5

Конический

рупор

51,0

0,51

)(

3,0

1.3.3. Способы создания остронаправленных рупорных антенн

Как видно из таблицы направленность рупорных антенн тем больше,

чем больше площадь раскрыва. С другой стороны, чем больше ширина рас-

крыва (А или В), тем больше должна быть глубина оптимального рупора R

opt

Применение длинных рупоров для получения узких ДН неудобно с конст-

руктивной точки зрения. Поэтому на практике используют следующие спо-

собы формирования высокой направленности рупорных антенн:

1) применение различных устройств, выравнивающих фазу в раскрыве.

В качестве последних используются диэлектрические линзы, помещаемые в

Линза

n>1

Фазовыравниватель

Рис. 1.6

раскрыве рупора (рис. 1.6, а). В этом случае его длина приблизительно равна

фокусному расстоянию линзы. В секториальных рупорах могут быть исполь-

зованы геодезические (металловоздушные) линзы (рис. 1.6, б);

2) свертывание секториального рупора в рулон вокруг оси, параллель-

ной его раскрыву. Данный способ сопряжен со значительными техническими

сложностями;

Рис. 1.7

3) замена одного длинного

рупора решеткой, состоящей из

коротких рупорных антенн, питае-

мых синфазно (рис. 1.7). При этом

из-за направленности каждого ру-

пора расстояния между ними мо-

гут быть больше допустимых в

случае ненаправленных излучате-

лей без опасности появления по-

бочных главных максимумов.

1.4. Линзовые антенны

1.4.1. Основные типы линзовых антенн

Линзовые антенны предназначены для формирования узких (2

0,5

<10°)

диаграмм направленности игольчатой или веерной формы. Они являются

апертурными антеннами оптического типа и используются в диапазоне сан-

тиметровых волн и верхней части дециметрового диапазона. Линзовая антен-

Облучатель

Волновой

фронт

Плоский

фронт

Линза

n>1

Рис. 1.8

на состоит из двух частей –

радиолинзы и облучателя

(рис. 1.8). На рисунке исполь-

зованы следующие обозначе-

ния: F – фокус линзы; f – фо-

кусное расстояние; D=2a –

диаметр раскрыва линзы;

– угол раскрыва линзы.

Радиолинза – радиопро-

зрачное тело с поперечником

D>>λ, ограниченное двумя

поверхностями – освещенной

и излучающей (поверхностью раскрыва). В качестве облучателя используют-

ся те же типы излучателей, что и в зеркальных антеннах.

Принцип действия линзовой антенны, заимствованный из оптики, за-

ключается в преобразовании расходящегося пучка лучей слабонаправленного

точечного источника в параллельный пучок или в преобразовании сфериче-