Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств

Подождите немного. Документ загружается.

клонепнс ДН по азимуту контролируется горизонталь-

ными матрицами (№ 1—4), отклонение по углу места

—

вертикальными матрицами (№ 5—8). Схема обеспечи

вает наложение распределения фазы для отклонения ДН

Маггрицы

формирующие

луч

угломестной

л/

оскости

Входы матрицы

для различных лучей

Рис 8-G8 Схема параллельного

питания плоской решетки 4X4.

по углу места (от вертикальных матриц) на распределе-

ние фазы для отклонения ДН по азимуту (от горизон-

тальной матрицы). Этим обеспечивается выбор любой

из

ДН, перекрывающих определенный сектор про-

странства.

Следует отметить, что число гибридных соединений,

необходимое для питания двумерной решетки, в случае

применения только четырехполюсников определяется по

формуле (8-116). Здесь также пссьма выгодно примене-

ние многополюсников более высокого порядка. Напри-

мер,

схема питания решетки 4X4 может быть построена

всего из восьми восьмиполюсников.

Литература

к гл. 8

Bichmore

R W., A

Note

on the

Effective Aperture

Electrically Scanned Arrays, IRE Trans, vol AP-6, 1958, IV, № 2,

p 194.

2 Au lock W, Properties of Phased Arrays, Proc. IRE, vol 48,

1960,

№ 10, p 1715

В e н д и к О. Г , Синтез линейки облучателей с немехани-

ческим качанием луча, Ичвестия вузов СССР, Радиотехника, т 3,

1960,

№ 1, стр 11

29*

451

4 Вент, и к О Г, О рас преде юпнн тока п антенне с пе-

механическим качанием луча, Известия вузов СССР, Радиотехника,

т 4, 1961, № 1, стр 64

5 Конторович М И.ПетруиькинВ 10,0 наимень-

шем числе управляемых элементов в антенне с электрическим ка

чанием луча, «Радиотехника и электроника», т VI, 1961, № 12,

стр 1982

6 Пономарев Н Г, Диаграммы направленности антенн

с качанием луча, «Радиотехника и электроника», т VII, 1962, № 6,

стр 945

s u n g Shan Chen, Расчет параметров П- и Н волно

водов, «Вопросы радиолокационной техники», 1957, № 5, стр 36

8 Дерюгин Л Н, Расчет критической частоты П и Н вол

поводов, «Радиотехника», т 3, 1948, № 6

9 Антоньянц В Я, Волноводный фразовращатель, Бюлле

тень рационализации и изобретательства, № 8, 1956, Москва

10 Miller R Е, A Rapid Scanning Phased Array for Pro-

pagation Measurements, IRE Wescon Rec, 11958, pt 1, p 184

11 Fox A G, An Adjustable Waveguide Phase Changer, Proc

IRE, vol 35, 1947, XII, № 12, p 1489

12 Bar net t E, A New Precision X-Band Phase shifter, IRE

Trans , vol iPGI 4, 19Э5, X, № 5, p 150

13 Гостюхи и В Л, Точность работы механического фазо

вращателя СВЧ непрерывного действия В сб «Сканирующие

антенны ОВЧ», изд во «Машиностроение», 1964, стр 254

14 Reggia Ь, Spenser Е Q,A New Technique in Teintc

Phase Shifting for Beam Scanning of Microwave Antennas, Proc

IRE, vol 45, 1957, XI, № 11, стр 1510

15 Sharfman H, Thice New Fernte Phase Shifters, Proc

IRE, vol 44, 1956, X, № 10, p 1456

Некоторые применения ферритов в аптепно волновой технике

Сборник переводов, из

л,

во «Советское радио», 1958

16 Cachcris I, Miciowave Single sideband Modulator Using

Fernte, Proc IRE, vol 42, 1954, VIII, № 8, p 1242

17 Clavin A, Kurz L A, Rosen S A, Electronically

Scanned Microwave Arrays Employing Synchronous Fernte Phase

Shifters, IIRE Wescon Conv Rec, 1959, vol 3, pt U, p 25

18 Chanks H E, Galindo V, Fernte Excited Slots with

Controllable Amplitude and Phase, IRE Wescon Conv Rec, 1959,

v 3, pt 1, p 88

19 ShnitkinH, Антенны с электрическим управлением луча,

«Зарубежная радиоэлектроника», 1962, № 2, стр 127

20 Дерюгин Л Н, Зимин Д В, Коммутационные ска

пирующие антенны В сб «Сканирующие антенны СВЧ», изд во

«Машиностроение», 1964, стр 124

21 Зимин Д Б, Должен ков 'V А, К теории полупро

водниковых выключателей СВЧ диапазона В сб «Сканирующие

антенны СВЧ», изд во «Машиностроение», 1964, стр 195

22 Зимин Д Б, Должен ков А А, Коммутационные фа

зовращатели В сб «Сканирующие антенны СВЧ», изд во «Машино

строение», 1964, стр 217

23 Зимин Д Б, Влияние фазовых ошибок фазовращателей

на характеристики сканирующих антенн В сб «Сканирующие аптен

ны СВЧ», изд во «Машиностроение», 1964, стр 177

452

24 Зимин Д Б, Сиойппа антенн со ступенчатым фазовым

распределением В сб «Сканирующие антенны СВЧ», изд-во Маши-

ностроение», 19Ь4, стр 159

25 Зимин Д Б, Должен ков А А, Исследование комму-

тационных свойств серийных полупроводниковых диодов в санти

метровом диапазоне В сб «Сканирующие антенны СВЧ», изд во

«Машиностроение», 1964, стр 207

26 М о г t е n s о п К Е , Полупроводниковые управляющие

устройства СВЧ диапазона, «Зарубежная радиоэлектроника», 1965,

№ 3, стр 102

27 Levey L, Silber L М, A Fast-switching X-Band Cir-

culator Utilizing Fernte Toroids, IRE Wescon Conv Rec, 11960,

pt 1, p 11

28 Silber L M,

e l s A, A Fast switching High Power

C-Band Fernte Circulator, IEEE International Convention Record,

1964,

pt 2, p 32

29 Allen J L, Phased Arrays — theie is a Future, Microwave

Journal, vol 8, 11965, VI, № 6, p 108

30 Кузнецов M Г, Свойства и расчет змейковых волно-

во

1,0В

для антенны € частотным сканированием В сб «Скани-

рующие антенны СВЧ», изд во «Машиностроение», 1964, стр 33

31 Байстром А, Хилл Р, Меттер Р Е , Антенны с ча-

стотным качанием луча для радиолокационной съемки карт земной

поверхности, «Зарубежная радиоэлектроника», 1960, № 12, стр 114

32 Дерюгин Л Н, Кузнецов М Г, Вопросы общей

теории антенн частотного сканирования В сб «Сканирующие ан-

тенны СВЧ», изд во «Машиностроение», 1964, стр 5

33 Ардабьевский А И, Применение регулярных волново-

дов в антеннах с часютным сканированием В сб «Сканирующие

антенны СВЧ», изд во «Машиностроение», 1964, стр 18

34 Кузнецов М Г, Применение и расчет замедляющих

систем с двухъярусным расположением ячеек в антеннах частотно-

го сканирования В сб «Сканирующие антенны СВЧ», изд во «Ма-

шиностроение», 1964, стр 51

35 Егорычсв Б А, Частотное качание луча в антенных

решетках, Труды МФТИ, 1962, вып 8, стр 67

36 Воскресенский Д И, 1рановская Р А, Кана-

лизирующие антенны специальной формы с частотным сканирова-

нием В сб «Сканирующие антенны СВЧ», изд во «Машинострое-

ние»,

1964, стр 111

37 Соловьев Е Г, К теории «гребенки со скошенным з>

бом», «Радиотехника», т 17, 1962, IV, N° 4, стр 34

38 В I a s s I , Multidirectional Antenna, IRE Internet Conv

Rec,

11960, pt 1, p 48

39 Shelton I, Kelleher K, Multiple Beams from Linear

Arrays, IRE Trans, vol AP-9,

11961,

III, № 2, p 154

40 A

1 1

e n G L, Theoretical Larmtation on the Formation of

Lossless Multiple Beams in Linear Arrays, IRE Trans, vol AP-9,

1961,

VII, № 4, p 35

41 Butler I, Lowe R, Beam forming Matrix Simplifies

Design of Electronically Scanned Antennas, Electronic Design, vol 9,

1961,

IV, № 8, p 170

42 Коган К Л, Машков ц ев Б М, Цибизов К Н,

южные полноводные системы, Судпромиздат, 1963

Глава

АНТЕННЫ ОСЕВОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ

Антенны осевого излучения в принципе представляют

собой линейные непрерывные системы или решетки, воз-

буждаемые так, что фазовая скорость вдоль оси систе-

мы имеет значение, несколько меньшее скорости света.

Это частный случай антенн бегущей волны (см. гл. 5).

Замедленные волны, распространяющиеся вдоль той или

иной поверхности, обладают рядом особенностей и полу-

чили наименование поверхностных волн. Таким

образом, антенны осевого излучения являются антен-

нами поверхностных волн.

В настоящей главе не удается рассмотреть все ан-

тенны этого класса: некоторые из них были разработа-

ны самостоятельно и уже рассмотрены с другой

точки зрения, а другие обладают сиецифическими

особенностями, благодаря которым их удобно рас-

смотреть отдельно. К первым относятся антенны

типа «волновой капал», в частности антенна

Уда — Яги; они были разработаны как много-

вибраторные и поэтому рассмотрены в гл. 3. Ко вторым

относятся спиральные антенны, являющиеся характер-

ными антеннами вращающейся поляризации; они рас-

сматриваются ниже во второй части. Однако положения,

общие для антенн поверхпосшых волн (изложенные

в § 9-1), в равной степени относятся и к указанным ан-

теннам.

9-1.

ОБЩИЕ СООТНОШЕНИЯ

Направленные свойства линейной непрерывной систе-

мы или решетки осевого излучения определяются замед-

лением a

/k м длиной L (см. гл. 5). Однако нельзя ста-

вить знак равенства между реальной антенной поверхно-

454

стных волн

идеализированной линепнои непрерывной

системой. Дело

в том, что

имеется

еще ряд

факторов,

влияющих

на

свойства антенны:

это

наличие возбудите-

ля поверхностных воли

возникновение отражений

на

конце антенны. Влияние этих факторов прежде всего

проявляется

появлении

в ДН

значительных боковых

лепестков

(до

30—40%

по

мощности).

11111111111111111111

h-v-

Рис.

9-1. Рациональные конструкции антенн поверх-

ностных волн.

а — несимметричная антенна типа «волновой канал»; б

—

ди-

электрическая стержневая антенна;

ПП

— плавный переход

у возбудителя; ПП

—

плавный переход

конца антенны;

—

распределение амплитуды поля

Е(г)

вдоль антенны

по-

верхностной волны.

Для создания благоприятных условий возбуждения

поверхностных волн между регулярной частью антенны

и возбудителем делают плавный переход.

Для

устране-

ния отражений

конце антенны замедляющую структуру

постепенно сводят

нулю

или к

такой высоте,

при ко-

торой Рфя*£.

'результате правильно сконструированные

антенны поверхностных волн имеют строение, показан-

ное

на

рис. 9-1,а

и б на

примере несимметричного волно-

вого канала

диэлектрической стержневой антенны.

Первая антенна

(рис.

9-1,а) возбуждается

помощью

четвертьволнового штыря

в с

рефлектором

р,

вторая

(рис.

9-1,6) получает питание

от

круглого волновода

с волной

#ц.

Распределение амплитуд поля вдоль

антенн такого типа показано

на рис.

9-1,е. Вблизи

воз-

будителя имеется максимум амплитуды, затем поле бы-

стро спадает на расстоянии! /

М1Ш

Далее устанавливается

режим бегущей волны: амплитуда поля вплоть до кон-

ца антенны остается постоянной. Если плавный переход

в области, прилегающей к возбудителю, отсутствует, то

^мин уменьшается, а подъем поля в области питания воз-

растает. Расстояние /

мип

, на котором 'происходит уста-

новление поверхностей волны, соответствует соотноше-

нию (ЛО. '11]:

г'мин й/м

ин

= -тг. \"~ Ч

Сложное распределение амплитуд и фаз по антенне

делает очень трудным проведение общего анализа ее

ДН. Поэтому роль отдельных факторов была выяснена

главным образом с помощью теоретических исследова-

ний идеализированных моделей и сравнения результатов

этих исследований с результатами экспериментов.

Для равномерной линейной непрерывной системы

С a

осевого излучения оптимальное замедление — =-£—^-

(соответствующее максимальному КНД) определяется

в зависимости от длины антенны соотношением (5-57).

Его график показан па рис. 9-2 штрих-пунктиром. Этому

соотношению соответствует разность фаз у конца антен-

ны между поверхностной волной и волной, 'пришедшей

от первых элементов антенны по свободному простран-

ств),

равная я, т. е.

L—kL

(9-2)

Экспериментальные исследования антенны типа

«волновой канал» без плавного перехода у возбудителя

[Л.

1] показали, что оптимальная разность фаз указан-

ных выше волн у конца антенны зависит ог длины по-

следней. Для очень коротких антенн разность фаз имеет

величину около 60°, для L между

А%

и 8Х она увеличи-

вается до 120° и постепенно достигает 180° для наиболее

длинных антенн (L =

20-A,).

Зависимость замедления от

длины антенны, построенная по этим данным, показана

на рис. 9-2 сплошной линией. При наличии около возбу-

дителя плавного перехода оптимальные значения замед-

ления лежат несколько ниже этой Кривой.

Эффективность возбуждения поверхностной волны

оценивается отношением мощности поверхностной волны

к общей мощности возбудителя.

45G

Обычно эффективность возбуждения поверхностной

волны имеет порядок 65—75%; это значит, что заметная

часть (25—35%) всей мощности излучается непосредст-

венно возбудителем (этим вызвано наличие максимума

поля вблизи возбудителя). Поэтому ДН антенны по-

верхностной волны можно рассматривать как результат

) 2 3 ч ь 7 10 15 20 30 50 70 100

Рис 9-2 Зависимость оптимальных замедлении

от длины

/ — для равномерно!! системы, 2 — при 100%-ном воз-

будителе, 3 — экспериментальная кривая

взаимодействия непосредственного излучения возбуди-

теля и излучения эквивалентного синфазного раскрыва

у конца антенны, амплитуда толя в котором экспонен-

циально спадает по мере удаления от направляющей

поверхности (рис. 9-1,а). С этой точки зрения чем совер-

шеннее возбуждение поверхностной волны, тем короче мо-

жет быть антенна. При идеальном возбудителе, когда

все 100% энергии переходят в поверхностную волну,

длина антенны может быть равна /

шга

[см. выражение

(9-1)].

График соответствующего этому случаю замедле-

ния нанесен на рис. 9-2 штриховой линией. Заштрихован-

ная область па этом рисунке включает замедления, кото-

рые соответствуют максимальным значениям КНД, по-

лученным от реальных стержневых антенн поверхност-

ных волн. Эти значения КНД для не очень длинных

антенн могут быть определены по формуле [ЛО. 11]:

Так как при этом потери в антенне малы, то можно счи-

тать,

что коэффициент усиления определяется этим же

выражением. Для коротких антенн (L~l—1,5А,) коэффи-

циент А! имеет порядок 8—10. Для более длинных антенн

коэффициент пропорциональности в формуле (9 3) т-

457

степенно уменьшается; его зависимость от длины L для

антенн типа волновой канал приведена ниже на

рис.

9-32.

Зависимость максимального КУ G от длины антенны

представлена сплошной кривой на рис. 9-3. Там же по-

граб

1)6

ад

2 3 5 7 10 20 30

Ю 100

Рис.

9-3. Зависимости ширины главного

лепестка ДН на уровне 0,5 по мощности

и КУ от длины антенны.

Сплошные кривые соответствуют антен-

нам с максимальным КУ, пунктирные

—

антеннам, имеющим минимальный уро-

вень боковых лепестков, и широкополос-

ным антеннам.

казана ширина ДН па уровне 0,5Р; ее величина может

быть ориентировочно определена по формуле [ЛО. 11]

20„,

~ 55° |/£. (9-4)

Формула (9-4) дает средние значения

;

ширина ДН

в ^-плоскости обычно несколько уже, а в //-плоскости—

несколько шире.

Значения КУ и ширины ДН, приведенные на рис. 9-3,

справедливы для антенн, имеющих платные переходы

как в области возбуждения, так и на конце антенны.

Необходимость в первом плавном переходе объяс-

няется тем, что эффективность возбуждения поверхност-

ной волны тем выше, чем больше замедление. Однако

замедления, требуемые для хорошего перехода энергии

в поверхностную волну, заметно выше оптимальных

458

с точки зрения КНД значении (см. § 5-2). Это требует

постепенного снижения замедления ог значений

1,2—1,3

до оптимального значения, определяемого длиной ан-

тенны. Переход должен 'простираться не меньше чем на

20%

всей длины антенны.

Переход на конце антенны должен иметь длину по-

рядка 0,5Я и обеспечивать плавный подход замедления

к единице. Например, для диэлектрической антенны

с е

=2,56 (полистирол) достаточно довести диаметр

стержня примерно до 0.23А, (см. § 9-2). Уровень боковых

лепестков для антенн длиной от ЗА, до 8Х имеет поря-

док —11 дб в Я-плоскости, —10 дб в ^-плоскости для

диэлектрических стержневых антенн и —14 дб для

антенн типа «волновой канал». Для коротких антенн

уровень боковых лепестков несколько выше, а для длин-

ных— несколько ниже. Вообще уровень бокового излу-

чения падает с увеличением длины антенны (для

а<шт)-

Характерной особенностью ДН антенн поверх-

ностных волн является отсутствие нулей. Поле в прова-

ле между лепестками имеет порядок половины поля

в максимуме следующего бокового лепестка. Это объяс-

няется воздействием непосредственного излучения воз-

будителя. Если известна ширина ДН антенны поверхно-

стных волн в обеих плоскостях, то ее КУ может быть

приближенно определен как

20 000 н- 25 000

(Я).

(Н) • ^'

0.5

0,5

Больший коэффициент в числителе этой формулы от-

носится к антеннам, сконструированным для получения

максимального КНД, меньший — к антеннам с наимень-

шим уровнем боковых лепестков или с наибольшей ши-

риной рабочей полосы частот.

Рабочая полоса частот антенны, е которой КУ не

падает 'больше чем на 3 дб, лежит в пределах

±(Ю-М5%). На нижних частотах диапазона КУ мед-

ленно падает с расширением ДН; на высоких частотах

ДН быстро портятся, так как главный лепесток дробится

и боковые лепестки растут.

Весьма полезно сравнить размеры антенны поверх-

ностных волн (ее длину L) с диаметром параболиче-

ской антенны D

(см. гл. 11), дающей такой же КУ при

459

одинаковом уровне боковых лепестков. Сравнение приво-

дит

выражению [ЛО. 11]:

($)"•

L' ~

Сравнение этих двух типов антенн показывает, что обыч-

ные антенны поверхностных волн длиннее чем ЮЛ при-

менять не имеет смысла. (Следует указать, что известны

антенны

модуляцией

за-

медления длиной 801 [Л. 2],

но это антенны другого клас-

—**

са,

которые подробно рас-

смотрены

во

второй части.)

Следовательно, от одиночной

антенны поверхностной вол-

ны нельзя ожидать КУ, пре-

Рис

9-4.

Антенна обратного вышающего

дб. Если

от

излучения. антенны требуется более вы-

В-

вибратор, _

экр

Р-рефлекгор.

соки

ку> TQ

следует

при

менять синфазную решетку,

состоящую

из

нескольких антенн осевого излучения.

Уменьшение длины антенны

в 2

раза достигается

в антенне

обратным излучением [Л. 3]. Она состоит

из

направляющей поверхности, например

из

ряда директо-

ров (рис. 9-4), заканчивающейся

плоского металличе-

ского экрана

Э.

Экран отражает поверхностную волну

обратно

возбудителю, она проходит антенну еще

раз

и далее излучается

пространство. Механизм излучения

этой антенны не совсем ясен, так как при обратном рас-

пространении поверхностная волна проходит мимо воз-

будителя. Несмотря

на

это, можно рекомендовать про-

водить ее проектирование по приведенным выше кривым,

считая,

что

длина антенны

2Z/.

Плавный переход

у возбудителя следует уменьшить по длине или совсем

опустить. Диаметр экрана должен быть достаточно боль-

шим, чтобы отражать большую часть мощности поверх-

ностной волны. Он связан

длиной антенны соотноше-

нием

£«

1.5/f-

(9-7)

Наличие экрана сильно увеличивает вертикальный раз-

мер антенны. Для Ь'

2кКУ равен 19 дб, уровень боко-

вых лепестков ниже —12 дб,

ширина рабочей полосы

частот ^20%.

460