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

Подождите немного. Документ загружается.

Зная токи на поверхности зеркала, ДН антенны мож-

но определить, используя формулу (2-30). При этом ока-

зывается, что в главных плоскостях (плоскостях xOz

и yOz) поле имеет чисто линейную поляризацию, так

как составляющая поверхностного тока )

в точках, сим-

метричных относительно этих плоскостей, противофазна.

Составляющая ]

участвует в создании поля в плоскости

хОу, по вклад ее заметен только в направлениях, состав-

ляющих большой угол с осью Oz. Составляющие тока

/х и Н участвуют в создании поля в боковых направле-

ниях, причем оно оказывается эллиптически поляризо-

ванным

На рис. 11-3 приведены ДН зеркала в виде парабо-

лоида вращения с облучателем, состоящим из элементар-

ного вибратора с рефлектором, для различных отноше-

ний R

:p. В табл. 11-1 приводятся параметры этих ДН;

1 аблица 11-1

Jh.

0,4

0,6

0,8

Л -плоское 1ь

1,07

1,73

1,90

2,17

сч

1,00 1/Д,

1,10 "А///,

1,21 Л//Л

1,38 \//1

Уровень бо-

ковых лепе-

стков, Об

— 16

—24

—27

п о

11 V*

—

—20

-21

—40

£ -плоскость

о"

о;

1,73

1,45

2,27

2,03

1,10 X///,

1,24 X///,

1,44 Х/,Я

1,67 Х//7,,

Уровень бо-

ковых ле-

пестков, дб

1 к

С О

-О

—20

—

—2Ь

сч

с о

к;

—

—25

—29

—31

Е-

te л

Е ~ „

Oj щ £

та Е-

со

° °

•§•2 5

£55-

0,98

0,84

0,66

0,47

ширина ДН па уровне 0,5 по мощности — 2б

0>5

, соот-

ветствующее ей значение коэффициента ее, коэффициент

использования поверхности раскрыва — v. Эти ДН по-

лезны потому, что ДН широко применяемого облучателя

в виде полуволнового вибратора с рефлектором и многих

других облучателей незначительно отличаются от ДН

элементарного вибратора с рефлектором, который ис-

пользовался в качестве облучателя при расчете ДН на

рис.

11-3.

Определение ДН зеркальной антенны по полю в ее

раскрыве. Если известно поле в раскрыве антенны, то ее

ДН можно определить, используя одну из формул (2-52),

(2-55),

(2-57), (2-59).

Для определения поля в раскрыве антенны по из-

вестной ДН облучателя обычно пользуются методами

541

геометрической оптики. Используя закон отражения

закон равенства энер1ии

трубке лучей, получают сле-

дующие выражения

для

функции распределения поля

в раскрыве

/':

Рис

11-3 ДН

параболоида вращения

с облучателем

виде элементарного виб-

ратора

рефлекюром

а — ДН

в Н

плоскости,

— ДП

в Г

плоскости

для параболоида вращения

(r,?)

= i(^?)

(11-Ю)

где f

(ф,

ф) — ДН облучателя;

для параболического цилиндра

f (х)

[(<(>)

cos

(11-11)

где /(т|з) —ДН линейного облучателя

плоскости

xOz.

Зьая распределение поля в раскрыве зеркала, ДН опре-

деляют по одной из формул (2-52), (2-55), (2-57), (2-59).

542

Так

как ДН

облучателя обычно задана графически,

то функции распределения поля получают также в виде

графика.

Для

определения

ДН

антенны полученную

функцию распределения аппроксимируют одной из функ-

ций, для которых выполнено интегрирование по формуле

(2-52),

(2-55), (2-57), (2-59). Аппроксимирующую функ-

цию определяют методом, приведенным

гл.

2 (§

2-3).

Для антенн

круглым раскрывом

симметричным рас-

пределением поля

по

нему такие функции сведены

в табл. 2-4,

для прямоугольного раскрыва—-втабл.2-1.

В этих таблицах даны выражения для ДН и их основные

параметры.

тех случаях, когда поле

раскрыве пара-

болоида изменяется

главных плоскостях по разным

за-

конам, следует воспользоваться формулами (2-88),

(2-89).

Необходимо отметить,

что ДН

антенны

зеркалом

в виде параболического цилиндра

плоскости

yOz

пред-

ставляет собой

ДН

линейного облучателя

этой пло-

скости.

11-3.

КОЭФФИЦИЕНТ НАПРАВЛЕННОГО ДЕЙСТВИЯ

И ОПТИМАЛЬНЫЙ УГОЛ РАСКРЫВА ЗЕРКАЛЬНОЙ

АНТЕННЫ

Максимальная величина КНД зеркальной параболи-

ческой антенны

может быть вычислена по формуле

здесь

Doci.i

— максимальное значение КНД облучателя;

/(Ф> ф) —ДН облучателя.

В случае симметричной относительно оси

ДН

об-

лучателя (11-12) упрощается

DH'^.'iWlg'**

~оод-&

Фо

(11-13)

J /(*)tg

Из приведенных соотношений видно,

что при

заданных

диаметре зеркала

и ДН

облучателя

КНД

антенны

является функцией только угла раскрыва зеркала

Эта функция имеет максимальное значение при некото-

ром угле раскрыва, который

для

данного облучателя

543

называют оптимальным

— гро

опт-

Наличие максимума

КНД зеркальной антенны при оптимальном угле раскры-

ва объясняется следующими обстоятельствами. При уве-

личении угла гро все большая часть энергии облучателя

перехватывается зеркалом и отражается им в направле-

нии основного лепестка ДН антенны. Это должно увели-

чивать КНД антенны, однако его росту препятствует

возрастающая при увеличении гр

неравномерность рас-

пределения амплитуды поля по раскрыву. При уменьше-

нии лр

равномерность распределения амплитуды потя

по раскрыву увеличивается, и это вызывает рост КНД,

но все большая часть энергии облучателя проходит мимо

зеркала в боковые лепесгки, что должно снижать КНД

Наличие двух противоположно действующих на КНД ан-

тенны факторов при изменении угла гр

и объясняет су-

ществование оптимального угла раскрыва зеркала, при

котором КНД антенны максимален.

Исследование на максимум функции D(\p

) дает сле-

дующее уравнение для определения

гро

опт-

2к

Фоопт2п

2 sin

^\ НФ.,

?)d<P=

f \f(t ?)1g|rf'W?. (П-14)

О 0 0

При осевой симметрии ДН облучателя уравнение имеет

вид:

2sin

^= j fMtg-J-df (Н-15)

Так как часто ДН облучателя задана графически, то ре-

шение уравнений (11-14) и (11-15) проводится также

графическим путем. Возможно также просто построить

функцию D(ty) и по полученному графику найти

%1 опт-

Многие типы облучателей имеют ДН, которые хоро-

шо аппроксимируются функцией вида /(ip) =cos

ар

в про-

межутке СХф'-^у Приф^у полагают /(ip)=0.

В этом случае КНД облучателя равен:

бл = 2(и+1). (11-16)

На рис. 11-4 показана зависимость эффективности ан-

тенны с зеркалом в виде параболоида вращения для об-

544

лучателей с указанной выше ДН при п=\, 2, 3. Эффек-

тивность такой антенны определяется по формулам

(11-12) и (11-J3), в которых опускаются множители

в скобках. Следует учесть, что эффективность антенны,

определяемая с помощью рис. 11-4, больше реальной.

Рис П-4 Зависимость эффективности

антенны g от угла раскрыва; сплош-

ные кривые

—

для параболоида вра-

щения при аппроксимации ДН облу-

чателя функциями cos"

Ф>

пунктир-

ная кривая

—

для параболического

цилиндра.

Это вызвано тем, что пренебрегают излучением облу-

чателя при ф>л/2. Величина g для антенны с реальным

облучателем может быть определена из соотношения

o6n

"2(n+l)

(11-17)

где D

— КНД реального облучателя;

ц-„

—эффективность антенны, определенная из

рис.

11-4 или по соответствующей формуле

для ДН облучателя вида f

(<jj)

= cos

35-2541

545

Для параболического цилиндра, облучаемого линей-

ным облучателем, КНД рассчитывается по формуле

1/2

-1/2

Фо

х{ f

[f»m'

^\d^,

(н-18)

—Фо

где 5 = /Д

— площадь раскрыва;

—

распределение поля вдоль линейного ис-

точника;

^вСФ) — ДН по полю в плоскости xOz;

— длина цилиндра;

— КНД антенны в плоскости хОу, вычислен

в предположении, что /

(г/) = 1.

Эффективность антенны с зеркалом в виде параболи-

ческого цилиндра и облучателем, имеющим ДН вида

(ф)

=cos

гр

и /

(г/) =

в зависимости от угла г^о, показа-

на на рис. 11-4 пунктиром.

Из рис. 11-4 видно, что величина г|зоопт слабо зави-

сит от вида ДН облучателя. Для большинства приме-

няющихся на практике облучателей ifooirr соответствует

направлениям, в которых поле облучателя ослабевает

на 9—10 дб. Поэтому на практике считают, что угол

раскрыва зеркала должен равняться ширине ДН на

уровне 0,1 по мощности.

11-4.

БОКОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЗЕРКАЛЬНЫХ АНТЕНН

На уровень бокового излучения антенны влияют сле-

дующие факторы:

а) величина скачка поля на краю раскрыва зеркала;

б) скорость изменения поля (токов) у краев рас-

крыва;

в) влияние затенения раскрыва облучателем и дру-

гими конструктивными элементами антенны, находящи-

мися в поле излучения;

г) отличие волны, излучаемой облучателем, от сфе-

рической (цилиндрической);

д) неточность изготовления зеркала;

е) неточность установки облучателя в фокусе;

ж) токи, возбуждаемые на краях зеркала.

546

Уровень первых боковых лепестков, т. е. лепестков,

прилегающих к основному лепестку ДН, и их положение

в пространстве довольно точно могут быть рассчитаны

как по токам на поверхности зеркала, так и по распре-

делению поля в раскрыве. Влияние на боковые лепестки

ДН двух из указанных выше факторов рассмотрено

в гл. 2 (§2-4).

На уровне бокового излучения сказывается также

излучение облучателя, не попадающее на зеркало. Воз-

действие задних лепестков облучателя на главный ле-

песток ДН обычно мало, однако на уровень боковых

лепестков оно оказывает большое влияние. Если же ДН

облучателя имеет значительный задний лепесток, то сле-

дует выбирать такое фокусное расстояние зеркала, что-

бы удовлетворить следующие соотношения: если основ-

ной и задний лепестки ДН облучателя синфазны (вибра-

торные облучатели), то

= (2n-l)±-,n =

0,\,2...,

(Ц-19)

если же они противофазны (рупорные и щелевые облуча-

тели),

то

= n~-, «=1,2,3.... (11-20)

В этих случаях поле антенны в основном и в четных бо-

ковых лепестках складывается, а в нечетных боковых

лепестках вычитается из поля заднего лепестка облуча-

теля. Вообще же следует стремиться к уменьшению

уровня заднего лепестка облучателя.

Влияние затенения (экранировки) раскрыва облуча-

телем и другими металлическими элементами антенны

можно" учесть, считая, что препятствие возбуждает на

занимаемой им площади раскрыва поле, амплитуда ко-

торого равна амплитуде поля без затенения на этом же

участке, а фаза противоположна. Наиболее серьезное

влияние оказывает экранировка раскрыва облучателем,

так как он обычно располагается в центре зеркала, где

плотность энергии наибольшая. В этом случае выраже-

ние для ДН имеет вид:

1 5

П")=4[

f®e"*dt- ]7(е)е"**й], (11-21)

—1 —5

35*

547

где

— размеры раскрыва антенны;

/(g) —распределение поля

по

нормированному

рас-

крыву;

б — нормированная ширина препятствия;

= AJA;

— размер препятствия (размер раскрыва облу-

чателя).

•

[

ж'

Рис.

11-5 Влияние экранировки средней ча-

сти раскрыва.

—

распределение поля

раскрыве

без

экрани-

ровки; б

—

распределение поля, эквивалентное

препятствию;

—•

распределение поля

антенне

с учетом затенения;

—

ДН

без

затенения (пунк-

тир)

и с

затенением (сплошная кривая).

Таким образом,

ДН

антенны

учетом экранировки

части раскрыва будет представлять собой разность

ДН

антенны

без

затенения

и ДН

раскрыва, эквивалентного

препятствию

(рис.

11-5). Влияние препятствия сводится

к уменьшению главного максимума

ДН и

росту уровня

нечетных боковых лепестков.

Если

пределах препятствия

f(x)

можно считать

постоянной

равной единице,

то

+ i

F(u)=4[

j/(*)*"*#-28^].

(П-22)

—1

В области основного

первых боковых лепестков поле

препятствия (облучателя) можно считать постоянным,

так

как

ширина

ДН

препятствия велика (размер

пре-

548

пятствия мал). В этом случае влияние препятствия на

Д11 сводится к вычитанию из ДН раскрыва без зате-

нения величины 26.

Уровень первого бокового лепестка раскрыва с за-

тенением р можно оценить по формуле

Р'+ р-

= of, (П-23)

где F

и р' — величины максимумов основного и перво-

го бокового лепестков соответственно ДН антенны без

затенения. Для параболоида вращения с облучателем,

имеющим круглый раскрыв радиуса /?

бл. уровень пер-

вого бокового лепестка можно определить по формуле

Р'

2АО6

где v — КИП раскрыва без затенения. Влияние затене-

ния от других элементов в раскрыве может быть рассчи-

тано аналогичным путем.

Отличие волны облучателя от сферической (цилинд-

рической) ведет к появлению в раскрыве ошибок в рас-

пределении фазы. Влияние фазовых ошибок на ДН ан-

тенны рассмотрено в гл. 2. Для нахождения формы

поверхности фронта волны в раскрыве и, следовательно,

закона изменения фазы удобно воспользоваться вектор-

ной записью поверхностей фронтов и зеркала [формулы

(2-196) и (2-199)].

Факторы, указанные в пп. «д» и «е», могут быть оце-

нены с вероятностной точки зрения (§ 2-7).

Поле облучателя возбуждает токи на краях зеркала,

которые создают вторичное поле и в освещенной, и

в теневой области антенны. Эти токи создают боковое

излучение, в том числе и задний лепесток ДН, так как

токи на кромке синфазны. Расчет поля, возбуждаемого

токами на кромке и токами, затекающими на заднюю

поверхность зеркала, достаточно сложен (см., например,

[Л.

1]). Основной мерой борьбы с этим видом бокового

излучения является уменьшение поля облучателя у кра-

ев зеркала. Для уменьшения токов на краях следует

549

заменить острые края зеркала плавным загибом его по-

верхности. Уменьшение токов, затекающих на заднюю

поверхность зеркала, возможно путем применения чет-

вертьволновых «ловушек» па краях зеркала, дополни-

тельной экранировки и поглощающих покрытий.

Некоторого снижения уровня боковых лепестков мож-

но достигнуть путем применения контура зеркала, сов-

падающего с контуром равноинтенсивного облучения.

Это особенно полезно в зеркалах с веерной ДН, когда

размеры раскрыва в разных плоскостях различны.

В этом случае зеркало представляет собой вырезку из

параболоида вращения, сделанную по

кон гуру

равноич-

тенсивного излучения на поверхности зеркала. Способ

определения контура зеркала, совпадающего с контуром

равноинтенсивного облучения, приводится ниже (§ 11-9).

В последнее время находят применение новые мето-

ды уменьшения боковых лепестков, идея которых заклю-

чается в создании дополнительною поля, аналогичного

полю бокового излучения, но противофазного ему (на-

пример, [[Л. 3]). При этом, однако, параметры основного

лепестка будут в какой-то степени ухудшаться.

11-5.

УПРАВЛЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЕМ ДИАГРАММЫ

НАПРАВЛЕННОСТИ В ПАРАБОЛИЧЕСКИХ АНТЕННАХ

На практике часто требуется изменять положение

ДН антенны в пространстве. Для смещения ДН, кроме

поворота всей антенны, стремятся использовать переме-

щение какого-либо элемента антенны, обладающего,

естественно, меньшим весом и габаритами. В параболи-

ческих антеннах изменение в пространственном положе-

нии ДН (качание ДН) можно получить, смещая (выно-

ся) облучатель из фокуса в направлении, перпендику-

лярном оси параболоида. Главный лепесток ДН при этом

отклонится в сторону, противоположную смещению об-

лучателя, примерно на такой же угол.

Смещение облучателя из фокуса приводит к измене-

нию распределения поля по раскрыву антенны, причем

основную роль играет изменение фазового распределе-

ния. Изменение фазы по раскрыву при смещении облу-

чателя в направлении оси х на величину m можно опре-

делить по формуле

Д«р

An mp Д

mpW—rtf

550

2sM

(р

/•?)»

±Г,

(11-25)