Сподобаев Ю.М., Кубанов В.П. Основы электромагнитной экологии

Подождите немного. Документ загружается.

171

Направленные свойства апертуры определяются функцией:













∆

∫∫

dsE

max

),(

. (7.14)

Если в (7.14) ввести обобщенные координаты u и x, то направленные

свойства апертуры будут характеризоваться функцией

(

)

xuF ,

. Семейст-

во функций

(

)

xuF ,

в обобщенных координатах u и x является универ-

сальным, поскольку позволяет определить направленные свойства круглых

апертур наиболее распространенных на практике размеров (при условии,

что их линейные размеры существенно превышают длину волны.

Процесс расчета каждой функции

(

)

xuF ,

требует значительных затрат

времени, которые быстро растут с увеличением отношения

. Пример

графика функции

(

)

xuF ,

приведен на рис 7.19. Функции

(

)

xuF ,

сильно

осциллирующие, поэтому в практических расчетах ППЭ следует использо-

вать их гарантированные огибающие.

Рис. 7.19. График функции F(u,x) для x = 1,0

-110

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

F(u;x)

172

После обработки результатов серии расчетов были получены гарантиро-

ванные огибающие функции

(

)

xuF ,

. Параметр u изменялся в пределах

0...760,

– в пределах 0,005...1. Табулированные значения гарантирован-

ных огибающих для круглой апертуры приведены в табл. 7.4 и табл. 7.5,

которые впервые опубликованы в [56]. Числовые данные этих таблиц

универсальны в том смысле, что при

>>d

они справедливы для апертур

любых размеров (для рассматриваемого класса технических средств).

Примеры графиков гарантированной огибающей приведены на рис. 7.20 и

рис. 7.21.

Напомним, что все значения функции

),( xuF

рассчитываются в пред-

положении, во-первых, синфазного возбуждения всех элементов апертуры,

во-вторых, реализации амплитудного распределения поля возбуждения

апертуры по закону (7.2).

Таблица 7.4

Функция F(u,x) – круглая апертура, u = 0...100

u Параметр x

0,005 0,01 0,02 0,03 0,04 0,1 0,15 1,0

0 0 0 0 0 0 0 0 0

2 -2,32 2,35 2,36 2,36 -1,11 -2,82 -4,12 -4,60

4 -3,75 2,66 2,66 2,66 -1,46 -5,65 -9,46 -16,2

6 -4,25 1,42 1,43 1,43 -2,0 -9,16 -15,1 -21,9

8 -3,86 0,53 0,66 0,66 -2,46 -12,1 -19,6 -25,4

10 -3,35 -0,35 0,76 0,76 -3,28 -15,3 -22,3 -27,5

12 -3,67 -0,91 1,36 1,36 -4,50 -19,1 -24,7 -29,4

14 -5,10 -1,08 2,17 2,17 -6,96 -21,9 -26,6 -30,9

16 -5,75 -0,91 2,31 0,96 -10,3 -24,2 -28,7 -32,3

18 -6,00 -0,12 2,16 -0,78 -14,1 -26,0 -30,1 -33,5

20 -6,36 0,64 1,67 -2,71 -14,3 -27,9 -31,7 -34,8

22 -5,89 1,72 0,71 -4,36 -16,0 -29,2 -32,8 -35,8

24 -4,32 2,28 0,10 -5,93 -18,3 -30,0 -34,2 -36,9

26 -3,07 2,37 -0,11 -7,46 -20,2 -32,0 -35,4 -38,1

28 -2,25 2,14 -0,63 -10,0 -22,8 -33,7 -36,9 -39,4

30 -1,78 1,71 -1,18 -12,2 -25,0 -35,4 -38,4 -41,0

32 -1,28 0,90 -3,53 -14,4 -26,9 -36,6 -40,1 -42,6

34 -1,07 0,14 -5,50 -16,8 -29,1 -37,7 -41,4 -43,7

36 -1,21 0,22 -7,48 -19,4 -30,0 -38,6 -42,6 -45,8

38 -1,53 0 -9,28 -20,6 -31,0 -39,4 -43,8 -46,9

40 -1,67 0 -10,7 -21,9 -31,6 -40,3 -44,7 -47,8

42 -1,28 0,07 -12,3 -22,2 -32,2 -40,8 -45,2 -48,0

44 -1,07 0,30 -13,8 -23,1 -32,4 -41,1 -45,0 -47,7

46 -1,10 0,32 -15,4 -23,8 -32,9 -41,2 -44,7 -47,0

48 -1,35 0,17 -16,5 -24,1 -33,1 -41,1 -44,7 -46,8

50 -1,46 0,05 -17,4 -24,4 -33,2 -41,2 -44,5 -46,9

173

Окончание табл. 7.4

52 -1,57 0,00 -18,2 -24,8 -33,5 -41,1 -44,5 -46,9

54 -2,10 -0,25 -19,1 -25,5 -33,9 -41,2 -44,8 -47,0

56 -3,35 -0,70 -20,0 -26,2 -34,3 -41,6 -45,3 -47,4

58 -3,35 -1,20 -21,1 -26,8 -34,8 -42,0 -45,9 -47,8

60 -3,21 -1,50 -22,1 -27,3 -35,4 -42,9 -46,6 -48,5

62 -2,78 -2,02 -23,2 -28,1 -36,3 -44,0 -47,7 -49,5

64 -2,57 -2,78 -24,4 -29,4 -37,6 -44,7 -48,7 -50,6

66 -2,35 -3,59 -25,5 -30,4 -39,0 -45,9 -49,7 -51,6

68 -2,46 -4,50 -26,6 -31,1 -40,1 -46,9 -50,4 -52,6

70 -2,82 -5,23 -27,5 -32,0 -41,4 -47,8 -51,3 -53,5

72 -3,21 -6,28 -28,1 -32,3 -41,8 -48,3 -52,0 -54,2

74 -3,46 -7,37 -28,7 -32,8 -42,0 -48,7 -52,2 -54,6

76 -3,37 -8,61 -29,0 -33,0 -42,4 -48,7 -52,6 -55,0

78 -3,46 -9,75 -29,2 -33,2 -41,7 -48,4 -52,5 -55,7

80 -3,72 -11,0 -29,5 -32,9 -41,2 -48,1 -52,5 -54,7

82 -3,89 -12,1 -29,3 -33,0 -41,2 -48,0 -52,2 -54,2

84 -3,64 -12,9 -29,4 -33,0 -41,2 -48,1 -52,2 -53,9

86 -3,60 -14,4 -29,6 -33,1 -41,3 -48,2 -52,0 -53,9

88 -3,78 -15,8 -30,1 -33,4 -41,6 -48,4 -52,2 -53,8

90 -4,00 -16,9 -30,7 -33,8 -42,2 -48,9 -52,1 -54,1

92 -4,14 -18,1 -31,2 -34,3 -42,6 -49,3 -52,4 -54,4

94 -4,25 -19,3 -31,9 -35,0 -43,2 -49,9 -52,9 -55,3

96 -4,42 -20,4 -32,5 -35,7 -43,8 -52,0 -53,9 -55,7

98 -4,89 -21,6 -33,2 -36,4 -44,4 -50,6 -55,0 -56,8

100 -4,46 -22,8 -33,0 -37,7 -45,6 -51,2 -56,4 -58,1

Таблица 7.5

Функция F(u,x) - круглая апертура, u = 100...300 (760)

u Параметр x

0,005 0,01 0,02 0,03 0,04 0,1 0,15 1,0

100 -4,46 -22,8 -33,0 -37,7 -45,6 -51,2 -56,4 -58,1

110 -4,71 -24,3 -33,5 -37,0 -46,1 -51,9 -56,5 -57,9

120 -5,14 -25,8 -33,9 -37,5 -46,3 -53,0 -56,9 -58,1

130 -6,89 -27,1 -34,8 -38,2 -46,7 -53,9 -58,1 -59,1

140 -9,48 -28,5 -35,6 -38,9 -47,3 -54,9 -58,9 -60,4

150 -13,3 -29,9 -36,6 -39,7 -48,3 -55,9 -59,7 -61,2

160 -17,5 -30,8 -37,4 -40,5 -49,2 -56,9 -60,5 -61,9

170 -21,9 -31,8 -38,3 -41,3 -50,2 -57,9 -61,3 -62,7

180 -24,9 -32,7 -39,2 -42,1 -51,1 -58,9 -62,1 -63,5

190 -27,3 -33,7 -40,1 -42,9 -52,1 -59,9 -62,9 -64,3

200 -29,1 -34,7 -40,9 -43,9 -53,0 -60,8 -63,8 -65,1

210 -30,8 -35,7 -41,8 -44,6 -53,9 -61,8 -64,5 -65,8

220 -32,4 -36,6 -42,7 -45,5 -54,9 -62,8 -65,4 -66,6

230 -33,4 -37,6 -43,7 -46,3 -55,9 -63,7 -66,2 -67,4

240 -34,1 -38,4 -44,5 -47,3 -56,8 -64,7 -66,9 -68,2

250 -34,8 -39,3 -45,3 -48,2 -57,8 -65,7 -67,7 -68,9

174

Окончание табл. 7.5

260 -35,7 -40,0 -46,1 -49,1 -58,7 -66,6 -68,6 -69,7

270 -36,9 -40,7 -46,9 -49,8 -59,7 -67,5 -69,4 -70,5

280 -38,1 -41,7 -47,9 -50,7 -60,6 -68,4 -70,2 -71,3

290 -39,4 -42,7 -48,7 -51,6 -61,6 -69,2 -70,9 -72,0

300 -41,1 -44,4 -49,9 -52,8 -61,7 -70,1 -71,8 -72,8

...

760 -51,0 -54,0 -58,0 -63,0 -71,0 -78,0 -83,0 -88,0

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

F(u,x), дБ

1 - x = 0,005

2 - x = 0,010

3 - x = 0,020

4 - x = 0,030

5 - x = 0,040

6 - x = 0,100

7 - x = 1,000

Рис. 7.20. Огибающие функций F(u,x) – круглая апертура, u =0...100

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

F(u,x), дБ

1 - x = 0,005

2 - x = 0,010

3 - x = 0,020

4 - x = 0,030

5 - x = 0,040

6 - x = 0,100

7 - x = 1,000

Рис. 7.21. Огибающие функций F(u,x) – круглая апертура, u =100…300

175

7.5.4. Гарантированная огибающая характеристики направленности

антенны с учетом излучения облучателя

На рис. 7.22 показаны схемы соответственно короткофокусной (а) и

длиннофокусной (б) антенн.

Рис. 7.22. Короткофокусная (а) и длиннофокусная (б) антенны

Для конкретного значения

по кривой

(

)

xuF ,

можно всегда рассчи-

тать и построить гарантированную огибающую апертурной характеристи-

ки направленности

(

)

– рис. 7.23,а (рассматривается случай коротко-

фокусной антенны).

В соответствии с концепцией усредненной модели антенны облучатель

в области углов

≤

имеет характеристику направленности

(

)

10−== constF

обл

дБ – рис. 7.23,б.

Совместим две этих характеристики направленности в одной системе

координат – рис. 7.23,в. При совмещении следует учесть, что нулевые

уровни характеристик направленности отличаются на

DDD

обл

−=∆

дБ.

Характеристики направленности будут иметь одинаковый уровень при

θθ

(в точке пересечения).

В области

θθ

<≤0

уровень

(

)

превышает

(

)

обл

, а в области

βθθ

≤≤

уровень

(

)

обл

превышает

(

)

. Примем, что в области

θθ

<≤0

характеристика направленности усредненной модели будет в

основном определяться апертурной составляющей, в области

βθθ

≤≤

–

составляющей облучателя, в области

πθβ

≤<

– вновь апертурной со-

β π ψ

= −

б)

−

а)

176

ставляющей. Тогда характеристика направленности усредненной модели

будет иметь вид, представленный на рис. 7.23, в – сплошная линия.

Если антенна длиннофокусная (рис. 7.22, б) и

πψ

, то второго

сектора углов

, где направленные свойства будут определяться в основ-

ном апертурной составляющей, не будет.

∆

D =D

обл

-D

∆

- 10

-10

(

дБ

а)

б)

в)

обл

(

), дБ

π − ψ

дБ

π − ψ

Рис. 7.23. Диаграммы направленности: апертурная (а), облучателя (б),

результирующая (в)

177

На рис. 7.24 сплошной линией показана характеристика направленно-

сти, взятая из [57], прерывистой – построенная с использованием концеп-

ции усредненной модели для

В заключение заметим, что формула (7.8), исходя из физических сооб-

ражений, применима лишь в секторе углов

πθ

≤≤

. Точность расчета

по ней будет падать по мере приближения угла

Рис. 7.24. Сравнение диаграмм направленности

7.5.5. Облучатель универсальной модели антенны

Характеристика направленности облучателя параболической антенны

однозначно связана с амплитудным распределением поля по апертуре

(

)

(см. рис. 7.15.б) [54]:

(

)

(

)

ργγ

обл

F=Ε

. (7.15)

В универсальной модели антенны амплитудное распределение имеет

вид (7.2), поэтому:

( )













































−−+=

11)(

обл

ααργ

. (7.16)

Известно, что:

cos1

; (7.17)

(

)

ftgr =

; (7.18)

ftgd =

. (7.19)

С учетом приведенных выражений нетрудно получить выражение для

нормированной характеристики направленности облучателя в области уг-

лов

ψγ

≤≤

10 20 30 40 50 60 70 80

-10

-20

-60

-30

-40

-50

дБ( ),

Реальная

Усредненная модель

Апертурная ДН

178

( )

































−−+

cos1

)(

αα

обл

(7.20)

Характеристика направленности облучателя, реализующая амплитуд-

ное распределение типа (7.2) и обеспечивающая уровень 0,316 вне сектора

углов перехвата энергии зеркалом

(

)

πγψ

≤≤

, имеет вид:

( )

πγ

ψγ

αα

































−−+

316,0

cos1

)(

обл

. (7.21)

Симметрия характеристики направленности вокруг оси

позволя-

ет записать следующее выражение для КНД облучателя:

( )

∫

γγγ

sin

обл

. (7.22)

На рис. 7.25 приведено значение D

обл

, рассчитанное для усредненной

модели антенны с различным значением угла

В заключение еще раз отметим, что в универсальной модели антенны

термин «облучатель» следует понимать как собственно облучатель в одно-

зеркальной антенне, так и систему «облучатель-вспомогательное зеркало»

в двухзеркальной антенне.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

обл

,дБ

Рис. 7.25. Коэффициент направленного действия облучателя усредненной модели антенны

179

7.5.6. Порядок расчета ППЭ в области I

Постановку задачи иллюстрирует рис. 7.26 , на котором центр аперту-

ры – это О, а его высота над землей –

. Угол

характеризует отклоне-

ние направления максимального излучения от плоскости горизонта. Ось Y

системы координат XYZ совмещена с проекцией направления максималь-

ного излучения на плоскость XOY. Горизонтальная плоскость, на которой

определяется ППЭ, находится на высоте

над землей. Расчетная точка

задается либо через координаты

(расстояние до точки М вдоль поверх-

ности земли) и

, либо через y и x.

Заданными параметрами считаются: P – мощность, излучаемая антен-

ной, Вт;

– длина волны, м; d – диаметр апертуры, м;

– КНД антен-

ны в направлении максимального излучения в дальней зоне;

– угол

раскрыва антенны (угол перехвата энергии зеркалом).

Рис. 7.26. Постановка задачи

180

В области I рекомендуется следующий порядок расчета:

1. Вычисляется расстояние от центра апертуры до расчетной точки М:

( )

+−=

ΤΑ

HHR

. (7.23)

2. Рассчитывается угол между направлением максимального излучения

и направлением линии «центр апертуры - расчетная точка М»:

(

)

[

]

{

}

RHH /sincoscosarccos

ααϕρθ

ΤΑΜ

−−=

. (7.24)

3. Определяется граничное расстояние

гр

R :

гр

. (7.25)

4. Вычисляются параметры

по формулам:

(

)

λθπ

/sindu

гр

RRx

= . (7.26)

5. По графику рис. 7.17 находится значение функции

(

)













lg20

, дБ

(ее огибающей).

6. По табл. 7.4 или табл. 7.5 находится значение

(

)

xuF ,

, дБ.

7. По формуле (7.8) рассчитывается значение составляющей

Π :

(

)

( )

3,lg20lg20lg10lg10













++=Π

xuF

, дБ. (7.27)

Расчет ППЭ для относительных расстояний

005,0

можно выпол-

нять с помощью интерполяции [56]. Для этого сначала по формуле (7.27)

вычисляется П(0,005) – величина ППЭ при

005,0

. Далее определяется

– усредненная величина ППЭ на апертуре [22] по формуле:

/200)65,0/(400 dPdP

≈=

, мкВт/см

. (7.28)

При этом интерполяционная формула принимает вид:

























−

=Π

)005,0(

005,0

)005,0(lg

10)(

, мкВт/см

. (7.29)

8. По графику рис. 7.25 определяется

облобл

DD lg10дБ, =

9. С помощью формулы (7.9) находим значение составляющей

обл

10lg10

lg10

++=Π

облобл

, дБ. (7.30)

10. Суммарная ППЭ рассчитывается по формуле:

[

]

[

]

1010

дБдБ

облa

ΠΠ

∑

+=Π

, мкВт/см

. (7.31)

Предложенная методика и порядок расчета имеют ограничение по ми-

нимальному удалению расчетной точки от центра апертуры –

min

dR >