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

Подождите немного. Документ загружается.

здесь ti—координата текущей точки раскрыва (рис. 11-1).

Знак плюс в (11-25) соответствует точкам раскрыва,

которые лежат в направлениях, противоположных на-

правлению смещения, считая от места расположения

уже смещенного облучателя. Формула (11-25) справед-

лива при небольших смещениях облучателя от оси —

7?-< 1- При таких смещениях облучателя фронт волны

в раскрыве неглубоких зеркал незначительно отличает-

ся от плоского, причем он наклонен по отношению

к плоскости раскрыва на угол |3, определяемый из соот-

ношения

ып

~ sin a cos'

Фо

(11-26)

где угол а — угол между осью зеркала и направлением

в точку расположения облучателя из вершины парабо-

лоида.

Направление максимума ДН при небольших смеще-

ниях практически также отклоняется от оси зеркала на

угол р. Из (11-26) видно, что чем мельче зеркало, тем

ближе р к а.

При больших смеще-

ниях облучателя фронт

волны в раскрыве уже

значительно отличается

от плоского, что влечет за

собой расширение основ-

ного лепестка, искажение

его формы (лепесток ста-

новится несимметричным)

и увеличение уровня бо-

ковых лепестков со сторо-

ны,

противоположной на-

правлению отклонения

ДН от первоначального

направления (рис. 11-7).

Эти изменения вызывают-

ся главным образом кубической фазовой ошибкой, ко-

торая при больших смещениях облучателя оказывается

значительной.

Уменьшение КНД по отношению к КНД антенны

с облучателем в фокусе Do в зависимости от угла р, от-

несенного к ширине ДН на уровне 0,5 по мощности, для

551

к°-

Ч'

0,7

^^0

\*3 ' "^

Рис.

11-6. Уменьшение КНД зер-

кальной антенны при небольшом

выносе облучателя из фокуса па-

раболоида по оси х.

различных отношений f/R

дано на рис. 11-6. Данные

относятся к случаю облучения краев зеркал на уровне

0,1 по мощности.

Все изменения ДН при смещении облучателя зави-

сят и от амплитудного распределения по раскрыву. Чем

равномернее распределение амплитуды, тем сильнее при

прочих равных условиях проявляются все эффекты, свя-

занные с выносом облучателя из фокуса.

Максимальное отклонение ДН в одну сторону за счет

смещения облучателя без заметного увеличения уровня

боковых лепестков и снижения КНД для мелких зеркал

определяется выражением

Щ*-Д

2Д

(11-27)

Для обычных соотношений между / и Д

, равных

~ 0,35/:

Рмаьс ^ ~д~ ^ 2и

Таким образом, качание ДН параболического зеркала

без заметных искажений возможно в пределах угла, рав-

ного удвоенной ширине ДН на уровне 0,5 по мощности.

В [Л. 3] достаточно полно рассмотрены вопросы, свя-

занные с качанием ДН параболических антенн в широ-

ком секторе углов (до 10 ширин ДН). ДН рассчитыва-

лись для облучателей в виде пирамидальных рупоров,

ДН которых хорошо аппроксимируется функцией

(ф)

= е

"-р

ф2

« cos

^. (11-28)

где п

и п'р — коэффициенты, зависящие от уровня об-

лучения краев зеркала.

При исследовании считалось, что амплитудное распре-

деление по раскрыву при выносе облучателя не изме-

няется. Все расчеты произведены для антенны, имеющей

размер раскрыва Д

ЮОЯ(2G

= 1°). Ниже приводятся

некоторые результаты, приведенные в [Л. 3]. В работе

вынос облучателя нормирован к фокусному расстоянию

II R

зеркала a = m/f,

= — =

—^-;

размер раскрыва нормиро-

ван к единице,

= x/R

= ^-sin

у —уровень поля

на краю зеркала.

552

На рис. 11-7 приведены две ДН, рассчитанные для

23%;

одна для а = 2Я/Д

, а другая для а =

8Х/Д

Там

же приведены фазовые диаграммы этих антенн. Фазо-

вые диаграммы даны с изломом в точках, где фаза вы-

растает до величины, кратной я. Амплитудные ДН вер-

о,в

0,1

Фрад

г\- о,2

IEL„

- Ь=Я,8

•^

и.

•X

-3 -10 1

а)

0,8

0,6

0,1

0,2

it-i мак

—

'Л

С~"~

rfl-I

/.'

ли.

,.SA _

Д,

• 0 = 0,8 -

/ f

1 '

1 1

б)

РИС

11-7. ДН параболоида при различном смещении облуча-

теля по оси х

ны для любых антенн с одинаковым Ь, фазовые же при

изменении Я и Д

следует пересчитать по следующей

формуле:

•(£)=«*».£

Л'

дг

(11-29)

где (Di(u/n) —величина, взятая из графика;

Я'

— длина волны;

— диаметр зеркала антенны, для которой

строится фазовая диаграмма.

На рис. 11-8 приведены обобщенные данные для от-

клонения максимума ДН, ее ширины—2б

0>5

, КИП ан-

тенны для плоскости xOz — v

и уровня первого и второ-

го боковых лепестков при смещении облучателя. Гра-

фики даны для уровня поля на краю зеркала 7 =

23%.

При расчете КНД антенны КИП в плоскости yOz -

определяется по известному распределению в пло-

скости yOz с помощью формулы (2-159) или табл. 2-1,

2-4, и результирующее значение КИП равно произведг-

553

нию v

. Данные работы

(Л. 3]

позволяют сделать

следующие выводы:

линейность угла качания относительно смещения

об-

лучателя

из

фокуса соблюдается только

до

определен-

ных значений

а;

угол качания уменьшается

по

мере увеличения

Ь —

Рис.

11-8. Обобщенные данные по качанию ДН зеркальной парабО'

лической антенны за счет смещения облучателя.

М 1 Т

С 1

а —зависимость отклонения максимума

ДН —— = —

sln

анс ширины

ДН

и коэффициента использования поверхности

v от

величины смещения облучателя

-у- ;

о —

зависимость изменения уровня первого (сплошные кривые)

второго

{пунктирные кривые) боковых лепестков

от

величины смещения облучателя.

направление максимума

ДН при

заданных геометрии

антенны

смещении облучателя уменьшается

по

мере

возрастания облучения краев. Таким образом, увеличе-

ние облучения краев зеркала равносильно уменьшению

фокусного расстояния;

при отклонении

ДН

происходит

ее

расширение, уве-

личение боковых лепестков

падение

КНД.

Характерным

во

всех случаях является наличие силь-

ной нелинейности рассматриваемых зависимостей, кото-

рая увеличивается

при

увеличении смещения облуча-

теля.

Как

уже

указывалось, линейная поляризация поля

параболической антенны имеет место только

главных

554

плоскостях. В других направлениях наблюдается также

поле с перпендикулярной поляризацией (паразитная

или кроссполяризация), и результирующее поле в этих

направлениях эллиптически поляризовано. На рис. 11-9

-? -' 0 1 2 град

Рис II-9. ДН прямоугольной вырезк-i из пара-

болоида вращения размером 69X83, 1 и /=

X с увеличенным до 85% освещением края;

облучатель в фокусе. Сплошные кривые

—

ДН

на основной, а пунктирные кривые

—

на пара-

зитной поляризации. Максимум паразитной по-

ляризации (цифра 1 на пунктирных линиях

уровня) равен 2% максимума главного лепест-

ка ДН на основной поляризации.

изображена в прямоугольной картографической проек-

ции ДН параболоида с рупорным облучателем в фокусе

85%

(повышенный уровень облучения взят для по-

лучения более наглядной картины поля). Видно, что

эллиптичность невелика, так как поле основной поляри-

зации значительно превосходит поле паразитной поля-

ризации.

При смещении облучателя из фокуса поле паразит-

ной поляризации возрастает. На рис. 10-10,а показана

ДН параболической антенны на основной, а на

рис.

10-10,6 — на паразитной поляризации при большом

выносе облучателя (19X) и

у~\0%.

Максимум основно-

го лепестка ДН (26

0>5

»1°) смещен на 24 ширины ДН

на уровне 0,5 по мощности. На рисунке хорошо вид-

555

ны искажения ДН типа комы, рост первого бокового

лепестка (0,5 по полю вместо 0,1) и заплывание ну-

лей ДН

3 град

Рис 11-10. ДН прямоугольной вырезки из пара-

болоида вращения на основной (а) и паразит-

ной (б) поляризациях при выносе облучателя по

оси х на 19Л. (у=10%). Максимум кроссполяриза-

ции составляет —4% по тюлю от главного

Отношение осей эллипса поляризации в направле-

ниях максимумов ДН паразитной поляризации равно

в этом случае ~

1,5%L

55G

Приведенные результаты рассчитаны токовым мето-

дом, который необходимо применять в случае выноса

облучателя на угол, больший, чем 10 ширин ДН антен-

ны.

В [Л. 3] приведено большое количество графического

материала для расчета ДН параболических антенн при

выносе облучателя из фокуса.

11-6.

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ

ЗЕРКАЛЬНЫХ АНТЕНН

При проектировании зеркальных антенн необходимо

определить не только электрические параметры антен-

ны,

но и решить целый ряд конструктивных вопросов.

Такими вопросами являются вопросы о точности изго-

товления поверхности зеркала, о точности установки фа-

зового центра облучателя в фокусе зеркала, о мерах по

уменьшению воздействия волны, отраженной от зеркала,

на облучатель, о конструкции зеркала и т. п. Решения

многих из этих вопросов взаимозависимы и неоднознач-

ны.

Задачей конструктора является нахождение реше-

ния, наилучшим образом удовлетворяющего поставлен-

ным техническим и экономическим требованиям. Ниже

приводятся возможные решения некоторых конструк-

тивных вопросов.

Допуск на точность изготовления зеркала. Если до-

пустимые отклонения ширины ДН и ее положения мо-

гут достигать ~10°/о, то при определении допуска па

точность изготовления зеркала исходят из допустимой

фазовой ошибки в раскрыве, равной л/2. Это дает:

ЛР<±Й7ГПГ^Т> (П-30)

cos

ф)

где Др—допустимое отклонение радиуса вектора по-

верхности зеркала. Допуск в центральной части зеркала

равен, таким образом, ±7г>

а на

периферии зеркала мо-

жет быть менее жестким.

При

необходимости получить

более полные сведения

возможных отклонениях пара-

метров антенны, вызванных неточностью изготовления

зеркала, необходим статистический подход

к их

опреде-

лению

(см. § 2-7).

Допуск

на

точность установки облучателя

фокусе.

Любое смещение фазового центра облучателя

из

фокуса

параболоида

или

фокальной линии параболического

ци-

линдра можно представить состоящим

из

смещения

вдоль оптической

оси

зеркала

смещения, перпендику-

557

лярного этой оси. Последний случай разобран в преды-

дущем разделе, и допуск на установку облучателя

в перпендикулярном к оси направлении может быть опре-

делен по допустимому отклонению максимума основного

лепестка ДН.

При смещении облучателя вдоль оптической оси воз-

никают четные фазовые ошибки и прежде всего квадра-

тичная. Такие искажения фронта волны возникают как

при смещении облучателя в направлении зеркала, так

и от зеркала. В обоих случаях ДН расширяется, но

в случае смещения облучателя ог зеркала расширение

ДН меньше, так как изменяющееся при смещениях

облучателя вдоль оси распределение амплитуды поля

в этом случае становится более равномерным. Однако

уровень боковых лепестков при этом возрастает, в то

время как при смещениях к зеркалу он уменьшается.

Это следует учитывать при корректировке фокусного

расстояния (в соответствии с формулами (11-19) или

(11-20).

Уменьшение воздействия отраженной от зеркала вол-

ны на облучатель. Отраженная от центральной части

зеркала волна попадает в облучатель и тем самым

уменьшает КБВ в фидерном тракте. По этой причине

применяют меры для уменьшения интенсивности волны,

попадающей в облучатель. На практике нашли приме-

нение следующие способы:

установка компенсирующей пластины у вершины

зеркала;

развязка по поляризации между отраженной от зер-

кала волной и облучателем;

удаление облучателя из отраженной от зеркала

волны.

Компенсирующая пластина у вершины зеркала уста-

навливается так, чтобы отраженная от нее волна была

противофазна волне, отраженной от зеркала. В парабо-

лоиде вращения в качестве такой пластины используют

диск диаметром d, устанавливаемый в центральной ча-

сти зеркала на расстоянии а от вершины. Оптимальные

величины d и а определяются по формулам [[ЛО. 34]:

«=-0,1,2 (11-31)

Во второй формуле (11-31) обычно берут

558

Развязка

по

поляризации применяется

антеннах

с линейной поляризацией. Поверхность зеркала выпол-

няется таким образом, чтобы отраженная

от нее

волна

имела поляризацию, перпендикулярную поляризации

па-

дающей

на

зеркало волны.

Для

этого

на

поверхности

зеркала перпендикулярно

ей

устанавливаются пластины,

Рис.

11-11.

Плоское зеркало с поворотом плоскости поляризации.

о.

—

конструкция зеркала

либо

ребрами

либо

проводами

б—раз-

ложение падающей

на

зеркало волны

на две

волны

перпендикулярными

поляризациями,

—

сложение волн после отражения

причем

так,

чтобы плоскости пластин были наклонены

на

45° по

отношению

вектору

падающей

на

зеркало

волны

(рис.

11-11,6). Расстояние между пластинами

берут меньше

К/2 и

обычно

его

выбирают

пределах

Я/4—Я/8.

Между пластинами

при

этом может распро-

страняться только волна типа

ТЕМ,

вектор

которой

перпендикулярен пластинам. Составляющая вектора

падающей волны, перпендикулярная пластинам, — Е'пад

отражается

от

поверхности зеркала,

в то

время

как со-

ставляющая, параллельная пластинам,— Е"

пад

отража-

ется

от

поверхности, проходящей примерно

по

верши-

нам пластин (ребер).

обоих случаях отражение будет

происходить

потерей полуволны. Через половину

пе-

риода вектор Е'пад вновь будет

поверхности ребер,

причем

он

будет повернут

на 180° за

счет отражения

ог

металлическою зеркала

ориентирован

так, как

показа-

559

но на рис. 11-11,6, где этот вектор обозначен через Е'

отр

За это время вектор Е"

па

д изменит фазу времени на

180°,

да еще потеряет столько же при отражении и бу-

дет ориентирован, как вектор Е"

0Т

р на том же рисунке.

Таким образом, результирующий вектор Е отраженной

волны Е

отр

будет повер-

нут на 90° относительно

вектора Е падающей вол-

ны.

Кроме ребер, для по-

ворота плоскости поляри-

зации можно применить

металлические провода,

расположенные над по-

верхностью зеркала на

расстоянии Л/4 (рис.

11-11,а). Провода укла-

дывают на диэлектрик,

расположенный на зер-

кале,

и поэтому толщина

диэлектрика должна рав-

няться четверти длины

волны в диэлектрике—\

Вынос облучателя из поля отраженной от зеркала

волны получают, поворачивая его на некоторый угол

•фобп относительно зеркала и используя только часть по-

верхности зеркала, расположенную выше оптической оси

(рис.

11-12). Угол •фобп выбирают, исходя из различных

условий:

а) так, чтобы центральный луч прошел через середч-

ну раскрыва;

б) так, чтобы обеспечить совпадение максимума рас-

пределения поля с серединой раскрыва;

в) так, чтобы поле у краев зеркала имело бы одина-

ковое значение.

Угол гробл в зависимости от выбранного критерия

определяется для облучателя с ДН вида (11-28) одной

из,

соответственно, формул [Л. 3]:

Рис.

11-12. Несимметричная пара-

болическая антенна.

<!'o6n

= 2arctg-

(l— д;

(11-32)

<i»oen

= 2arctg-

•*,)

•0-5,);

(П-33)

560