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

Подождите немного. Документ загружается.

имеет и целый ряд недостатков. Изучение фазовых ха-

рактеристик такою рупора показало, чго фазовые цент-

ры в Е- и //-плоскостях не совпадают. Это является при-

чиной, которая может ограничить использование сег-

ментно-параболического рупора в качестве облучателя

параболического зеркала. Другим недостатком сегмент-

но-параболического рупора является довольно сильное

отражение волны вблизи раскрыва. Однако применение

каких-либо согласующих устройств вблизи раскрыва

(например, диэлектрической пластинки, расположенной

параллельно плоскости раскрыва на расстоянии четвер-

ти длины волны после него) ведет к искажению ДН ру-

пора. Поэтому согласующее устройство следует поме-

щать внутри рупора, на некотором расстоянии от рас-

крыва.

Весьма эффективным методом уменьшения отраже-

ния является увеличение площади раскрыва путем пере-

хода к пирамидальному ipynopy и отражателю в виде

вырезки из 'параболоида вращения. Такая система назы-

вается рупорно-параболической антенной, которая рас-

сматривается в следующей главе.

Несимметричные рупоры. Несимметричный рупор

(рис.

10-6,г) представляет собой обычный секториальный

рупор, у которого раскрыв срезан под некоторым углом

к оси рупора. В этом случае основной лепесток ДН от-

клоняется на некоторый угол в сторону нормали к пло-

скости раскрыва. Если угол среза не очень велик, то

форма ДН несимметричного рупора будет такой же, как

и у О'бычнога рупора тех же размеров. Несимметричные

рупоры находят применение в качестве облучателей ци-

линдрических параболоидов, а также в качестве излуча-

телей в антенных решетках.

Рупоры с коррекцией фазы поля в раскрыве. Недо-

статков рупорных антенн является наличие в раскрыве

квадратичных фазовых ошибок, снижающих КНД рупо-

ра, а при значительной их величине даже искажающих

форму ДН (рост боковых лепестков, расширение и даже

раздвоение главного лепестка). Ограничения, наклады-

ваемые на максимальную величину фазовой ошибки,

приводят к необходимости выбирать длину рупора до-

статочно большой. Применение в раскрыве рупора

устройств, обеспечивающих синфазность поля по рас-

крьиву, позволяет с одной стороны повысить эффектив-

ность рупорной антенны, а с другой — уменьшить длину

рупора.

34*

531

Простейшим способом выравнивания фаз в раскрыве

рупора является применение линзы, расположенной

в раскрыве, причем фокус линзы совпадает с верши-

ной рупора. В этом случае длина рупора принципиаль-

но может быть любой, однако ее следует выбирать

исходя из рекомендуемых

соотношений для линз.

В случае секториальных

рупоров, имеющих фазо-

вые ошибки в одной пло-

скости, линзы будут ци-

линдрическими, а для пи-

рамидальных рупоров

—

телами вращения.

Для секториальных ру-

поров разработан еще це-

лый ряд методов коррек-

ции фазы в раскрыве

рупора.

Один из таких мето-

дов заключается в изгибании широких стенок рупо-

ра, причем так, чтобы центральные участки волны отста-

вали по фазе (рис. 10-19). Изгиб обычно сгроят для сред-

ней поверхности рупора. Изгиб же верхней и нижней

стенок рупора получают, откладывая в обе стороны по

нормали к изогнутой средней поверхности отрезки, рав-

ные 0,5 d. Поверхность изгиба срадней поверхности ру-

пора является частью поверхности параболоида враще-

ния, получаемой при вращении параболы

?R(k-7)

Рис.

10-19. Коррекция фазы поля

в раскрыве рупора с помощью па-

раболического углубления в стен-

ках рупора.

X-

;

(10-51)

вокруг прямой, перпендикулярной оси рупора. В (10-51)

— поперечный размер рупора в месте изгиба, R

—

длина рупора.

Еще один метод коррекции фазы поля в раскрыве

плоского секториального рупора заключается в изгиба-

нии рупора по некоторой кривой, форма которой выби-

рается исходя из условия получения в раскрыве рупора

плоского фронта волны (риг. 10-20). Для этого средняя

поверхность рупора изгибается таи, чтобы в сечении,

проходящем через вершину рупора, изгиб пре (сгавлял

собой окружность радиуса р. Уравнение линии касания

532

этих окружностей с верхней и нижней частями средней

поверхности имеет вид:

#(Y)

1 + cos

(10-52)

2 cos

где

/^ —

параметр некоторой вспомогательной параболы,

величина которого определяется из (10-52) при | = 0 и

заданных R (0) и р.

Рис 10-20 Коррекция фазы поля в раскрыве ру-

пора с помощью параболического изгиба

а — общий вид изогнутого рупора, б — изгиб средней по-

верхности, / — нижняя часть средней поверхности;

2 — верхняя часть средней поверхности 3 — линия, па-

раллельная плоскости раскрыва 4 — вершина рупора:

5 — ось симметрии рупора

Величину радиуса внутреннего изгиба выбирают из

условия

мин

> 0.25Я; радиус внешнего изгиба тогда равен

Р.м

кс=

рмин-'-^- Радиус изгиба средней поверхности ра-

'р"

с в

Рис 10-21 Рупор типа R—2R

вен р==0,5(р

МШ[

+ Рмшс)- Величину R (0) выбирают такой,

чтобы размер раскрыва рупора соответствовал требуемой

ширине ДН.

Другой вариант изогнутого рупора с синфазным по-

лем в ракрыве, который называют системой R—2 /?",

приведен на рис.

10-21.

Изгибание пластины ВВ"А"А

должно производиться без растяжеггпя и при сохранении

прямолинейности линии АВ.

534

10-8.

СОГЛАСОВАНИЕ РУПОРОВ

Входное сопротивление рупора определяется главным

образом отражением от его раскрыва. Величину отраже-

ния можно оцепить, сравнивая волновое сопротивление

поля в раскрыве рупора с волновым сопротивлением

/—

свободного пространства р

=Ъ

—

^12(Ь. Так как

в Я-плоскостных секториальных рупорах скорость рас-

пространения волны приближается к скорости в сво-

бодном пространстве, то отражения от таких рупоров

невелики. Уже при расширении в Я-плоскости до вели-

чины (1,5—2) А, отражения таковы, что КБВ в возбуж-

дающем рупор волноводе равен 0,75—0,8. Это оказы-

вается достаточным для большинства практических слу-

чаев.

То же самое можно сказать и о всех рупорах

(пирамидальных, конических и т. д.), которые имеют

расширение в Я-плоскости. В весьма широком диапазоне

волн величина входного сопротивления этих рупоров

остается практически неизменной.

Для ^-плоскостных рупоров волновое сопротивление

поля в раскрыве значительно отличается от волнового

сопротивления свободного пространства. Это вызывает

большие отражения от раскрыва рупора и требует спе-

циальных мер для повышения КБВ в питающем волно-

воде.

Хотя как Е-, так

Я-плоскостные рупоры могут быть

рассчитаны так, что согласование их с возбуждающим

волноводом будет почти полным, однако на практике

к таким трудоемким расчетам обычно не прибегают.

Рупор проектируют, исходя из заданных требований

к полю излучения (например, по заданному значению

КНД или ширине ДН), а согласование обеспечивают

с помощью специальных устройств. Обычно для этой

цели используют индуктивную диафрагму, расположен-

ную в волноводе вблизи горла рупора (применение ем-

костной диафрагмы хотя и возможно, но снижает про-

пускную мощность). Следует иметь в виду, что примене-

ние диафрагм снижает широкополоспость рупоров. Более

широкополосны согласующие устройства в виде отража-

теля, расположенного в раскрыве рупора, причем так,

чтобы отражения от него и раскрыва были равны по

величине и сдвинуты на 180° по фазе. В качестве такого

отражателя очень удобно применять диэлектрическую

пластинку, расположенную в раскрыве (рис. 10-22,а).

Толщину диэлектрической пластинки подбирают из ус-

534

>т

N1 -Ч

"И

а)

Рис.

10-22. Устранение отражений

от раскрыва рупора с помощью ди-

электрических пластин (а я б) и

кожухов (в).

ловия получения полной компенсации отраженной

волны.

Особенно хорошее согласование можно получить,

применяя согласующее устройство в раскрыве рупора

в виде двух диэлектрических пластинок, помещенных па

некотором расстоянии друг от друга (рис. 10-22,6). Вы-

бором толщины пласти-

нок и расстояния между

ними можно обеспечить

согласование в широкой

полосе частот. Так, напри-

мер,

в 10-сантиметровом

диапазоне волн согласо-

вание было таким, что

КБВ не падал ниже 0,87

в полосе 400 Мгц, а в 3-

сантиметровом — в поло-

се

200 Мгц, причем раз

меры рупора были мень-

ше трех длин волн. Со-

гласующие диэлектриче-

ские пластинки служат одновременно и герметизирую-

щими устройствами.

Хорошее согласование можно получить, выбирая

надлежащим образом размеры диэлектрического кожу-

ха, закрывающего раскрыв рупора и устраняющего воз-

действие атмосферных условий на рупор и волноводныи

тракт. В отличие от диэлектрической пластинки поверх-

ность кожуха расположена за раскрывом рупора

(рис.

10-22,6).

Весьма высокое качество согласования рупора с ма-

лым размером раскрыва обеспечивается при экспонен-

циальной форме рупора (рис. 10-6,5). ДН при этом ока-

зывается почти такой же, как у открытого конца волно-

вода, возбуждающего такой рупор. На практике исполь-

зуются некоторые модификации этого рупора (рис. 11-86).

Рупорные антенны являются весьма широкополосны-

ми антеннами по входному сопротивлению. Однако ши-

рина ДН при изменении частоты изменяется, как обыч-

но,

обратно пропорционально длине волны. Поэтому

рабочий диапазон волн, как правило, определяется допу-

стимыми изменениями ширины ДН.

535

Глава

ЗЕРКАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ

Зеркальные антенны являются наиболее широко рас-

пространенным типом антенн в дециметровом и особенно

в сантиметровом диапазонах воли. Такое широкое при-

менение зеркальных антенн объясняется относительной

простотой их конструкции, возможностью получения ДН

почти любого типа из применяемых на практике, высо-

ким к. п. д., малой шумовой температурой и т. д. Зер-

кальные антенны легко позволяют получить равносиг-

нальную зону, а некоторые их типы могут применяться

для быстрого перемещения (качаний) ДН в пространст-

ве без заметных искажений ее формы в значительном

секторе углов.

Зеркальные антенны являются наиболее распростра-

ненным типом антенн, используемых для радиотелеско-

пов,

и антенн с очень большой направленностью, приме-

няемых для целей космической связи.

В настоящее время применяются главным образом

зеркала с параболической формой поверхности (парабо-

лоид вращения и параболический цилиндр), однако

в последнее время получают распространение сфериче-

ские зеркальные антенны, а в двухзеркальных антен-

нах— зеркала специальной формы для получения необ-

ходимого распределения поля по раскрыву антенны или

широкоугольного качания ДН.

11-1.

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ

ДЛЯ ПАРАБОЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Параболоид вращения (рис. 11-1,а). Поверхность па-

раболоида вращения образуется вращением вокруг

оси z параболы

4fz=2pz, (П-1)

536

где / — фокусное расстояние;

p =

2f — параметр параболы.

Уравнение этой параболы в полярной системе коор-

динат с центром в фокусе имеет вид:

= ,-Д-г=—Ц- (

"2)

1 + COS ф „ Ф '

cos

Полученная таким образом поверхность определяется

в декартовой системе координат уравнением

= 2pz.

(11-3)

Диамегр раскрыва параболоида Д

и его фокусное рас-

стояние / связаны между собой соотношением

Лз-4/tg^, (11-4)

1де 2г|эо — угол раскрыва параболоида (рис. 11-1,а).

Радиус-векгор р образует с нормалью в какой-либо

точке поверхности параболоида угол я^/2.

Рис.

11-1 Геометрия параболических зерьап

а — параболоид вращения, 0 — параболически!! цилиндр.

Параболический цилиндр (рис. 11-1,6). Поверхность

параболического цилиндра образуется при движении

параболы (11-1), (11-2) вдоль оси оу, причем парабола

все время параллельна плоскости xOz. Фокус параболы

при этом образует фокальную прямую FF'. Соотношение

(11-4) в этом случае связывает размер раскрыва зеркала

537

в направлении Ох с фокусным расстоянием / и углом

раскрыва i|)

Зеркало называют короткофокусным Глубоким),

если Щй^п (Дз^4/), и длиннофокусным (мелким), если

2>|)

<я; (#,<4f)

Для облучения параболоида следует применять ис-

точник, излучающий сферическую волну, а для облуче-

ния параболического цилиндра

—

источник, излучающий

волну, поверхность фронта которой представляет собой

поверхность кругового цилиндра Фазовый центр источ-

ника, облучающего параболоид, должен находиться в его

фскусе, а линия фазовых центров линейного источника

—

вдоль фокальной линии параболического цилиндра Толь

ко в этом случае фронт волны в раскрыве антенны будет

плоским

11-2 РАСЧЕТ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ

ЗЕРКАЛЬНЫХ АНТЕНН

Поле излучения зеркальной аигеппы предиавляет

собой сумму полей, создаваемых самим зеркалом, его

облучателем непосредственно и металлическими кон-

структивными элементами, на поверхности которых воз-

буждаются высокочастотные токи Энергия облучателя,

не перехваченная зеркалом, и энергия, рассеянная на

элементах конструкции, увеличивают побочное излучение,

а это может существенно ухудшить характеристики ан-

тенны с точки зрения применения ее в радиотехническом

устройстве Влияние этих факторов па основной иг пер

вые боковые лепестки ДН зеркальной антенны незначи-

тельно, и им обычно пренебрегают, считая, что поле из-

лучения в этой области создается только самим зерка-

лом

ДН зеркальной антенны может быть рассчитана дву-

мя методами по токам на поверхности зеркала или по

распределению поля в его раскрыве Первый метод яв

ляется, вообще юворя, строгим, если точно известны

токи на поверхности зеркала Однако токи возможно

определить обычно только приближенно, и поэтому точ-

ность первого метода оказывается юю же порядка, что

и второго [Л 1]

Распределение токов на поверхности зеркала и рас-

пределение поля по раскрыву определяются формой зер-

кала и ДН облучателя При расчетах полагают, что рас

стояние от облучателя до зеркала достаточно велико и

538

ДН облучателя остается такой же, как и в свободном

пространстве

Определение ДН по поверхностным токам на зеркале.

В этом методе поверхность зеркала принимается иде-

ально проводящей. Плотность поверхностного тока j

в некоторой точке па зеркале принимается равной плот-

ности тока на идеально проводящей плоскости, касатель-

ной к поверхности зеркала в той же точке и равной:

= 2(nXH,), (11-5)

где п — единичный вектор, нормальный к поверхности

зеркала;

Н! — вектор напряженности магнитного поля облу-

чателя у рассматриваемой точки.

Такое определение поверхностного тока на зеркале

является приближенным и допустимо, когда радиус кри-

визны поверхности зеркала велик по сравнению с дли-

ной волны.

В прямоугольной системе координат соотношение

(11-5) имеет вид:

} =

2[(nyH

—n

+(n

—n

)ey +

+ {n

—n

], (11-6)

а' единичная нормаль к поверхности параболоида вра-

щения

п = f— cos

ср

sin ~Y)&X +

-}-

Г— sin 9sin

-|~)

+ (

cos

4")

(

)

Для параболического цилиндра очевидно, что п

= 0. На-

правление, амплитуда и фаза вектора Н

могут быть опре-

делены с помощью соотношения

H=I^%L»(p.Xe.)M, ?)е'\ (П-8)

120лр(ф)

где Р

—

мощность, подводимая к облучателю;

бл

—

КУ облучателя;

f(t> ?)

—

Д^ облучателя;

—

единичный вектор, коллинсарный с радиусом-век-

тором поверхности зеркала;

539

—

единичный вектор, коллинеарный с вектором на-

пряженности электрическою ноля К, [вектор N

в формуле (2-30)];

('W

—

определяется формулой (11-2), а

/г

2т1/А.

При пользовании формулой (11-8) возникают трудно-

сти,

связанные с тем, что ДН облучателя обычно опре-

деляется эксперименталь-

но и задана графически.

В этом случае ДН ап-

проксимируют наиболее

подходящей функцией.

Так как зеркало облу-

чается главным лепестком

ДН облучателя, то прак-

тически приходится ап-

проксимировать только

эту часть ДН.

В [Л. 2, ЛО. 1, 9, 30]

определяются токи на по-

верхности параболоида

вращения, облучаемого

простейшими облучателя-

ми;

элементарным вибра-

тором, элементарным ви-

братором с рефлектором.

Проведенный анализ по-

зволяет сделать следую-

щие выводы, которые

в общем справедливы и для других типов облучателей.

Токи на поверхности параболоида вращения при ли-

нейной поляризации поля облучателя имеют все три со-

ставляющие jr, j

, jz- На поверхности короткофокусного

зеркала

(-rj>\,0)

образуются полюсы, г. е. точки, где

Рис 11-2. Распределение поверх-

ностных токов на параболическом

зеркале (сплошные кривые) и по-

ля в его раскрыве (те же силош

ные кривые

—

линии вектора Е,

пунктирные — линии вектора //)

поверхностный ток равен нулю (рис. 11-2). Эти точки со-

ответствуют нулям ДН облучателя. На зеркале, если

ширина ДН облучателя по нулям меньше 2

\\>

образуют-

ся вредные зоны, токи в которых текут в направлениях,

противоположных направлениям токов па основной по-

верхности, и создают поэтому в направлении основного

лепестка противофазное поле. На практике следует из-

бегать появления вредных зон. Из рис. 11-2 видно, что

вредные зоны будут отсутствовать при Rj\ р < (0,8—

0,7), что соответствует соотношению

f= (0,3-0,35) Д,. (11-9)

540