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

Подождите немного. Документ загружается.

5=к

где

^ = _2arctg-^-;

Ф^=1

= 2агс1г4-; *=т

t _ ^мии

a «

определяется в соответствии с (11-28).

Наиболее удачным с точки зрения получения опти-

мального распределения поля в раскрыве является опре-

деление •фоб

по третьему условию. При этом имеется

небольшая несимметрия в распределении амплитуд поля

по раскрыву, но зато скачки поля на его краях одина-

ковы. Однако значения г|з

бл, определяемые по всем трем

критериям, отличаются незначительно, поэтому расчеты

можно проводить по формуле (11-32), в особенности

для больших п

Несимметричная параболическая антенна принци-

пиально является широкодиапазонной антенной, так как

в такой антенне практически отсутствует реакция зерка-

ла на облучатель. Контур зеркала обычно выбирают

близким к контуру равноинтенсивного облучения. Необ-

ходимо отметить, что в несимметричной параболической

антеТше сдвиг облучателя вдоль оптической оси зеркала

ведет не только к расширению ДН, но и к отклонению

ее максимума. Это требует более точной установки фа-

зового центра облучателя в фокусе зеркала.

Удачной модификацией подобных антенн является

рупорно-параболическая антенна, которая описывается

ниже.

Облегченные конструкции зеркал. В целях облегче-

ния зеркала, а также уменьшения давления ветра на не-

го («парусности») зеркало изготовляют не из сплошного

металлического листа, а из сетки проводов или парал-

лельных пластин, а также из перфорированных листов

(рис.

11-13). Для характеристики работы такого зеркала

применяют коэффициент прохождения Т, определяемый

как отношение энергии волны, прошедшей за зеркало,

к энергии падающей волны:

36—2541

561

Зеркало можно считать хорошим, если коэффициент про-

хождения не превышает 1%. Коэффициент прохожде-

ния для параболоида вращения Т

пв

, определяемый по

формуле (11-35) как отношение мощностей, отнесенных

ооооо

Рис

-13 Облегченные конструкции отра-

жающих поверхностей

параллельные провода, б и й- параллельные

пластины, г — перфорированный лисг

к единице телесного угла, для прямого н обратного на-

правления вдоль оптической оси равен [ЛО. 30]:

(11-36)

Для параболического цилиндра коэффициент прохожде-

ния Т

пц

равен:

ИЦ

~Г/Т

•*

чЖ

(11-37)

В (11-36) и (11-37) Д

— размер раскрыва: диаметр —

у параболоида вращения и высота — у параболического

цилиндра; f — фокусное расстояние; Т

— коэффициент

прохождения для плоской поверхности тон же конструк-

ции, что и рассматриваемое зеркало; Ц\ и

— коэффи-

562

циенты неравномерности поля, определяемые форму-

лами:

Д,12

Дз

\Е{г')\

dr'\

-Л/

;

п-38)

4U\Bgun

dxd

(11

39)

Следует отметить, что интенсивность поля прошедшей

за зеркало волны для параболоида вращения обратно

пропорциональна первой степени отношения Д

/Х, а па-

раболического цилиндра — второй его степени. Поэтому

при тех же размерах раскрыва параболический цилиндр

имеет значительно большой коэффициент прохождения,

чем параболоид вращения. У параболоидов вращения

излучение в заднем полупространстве слабонаправлен-

ное,

а у параболических цилиндров — направленное.

Коэффициент прохождения зеркала определяется так-

же коэффициентом прохождения Т

бесконечной плоской

решетки, из которой оно изготовлено, при нормальном

падении волны. Этот коэффициент для плоских решеток

различных конструкций и для перфорированных тонких

металлических листов можно рассчитать по приводимым

ниже формулам или определить по графикам, приведен-

ным на рис. 11-14 и 11-15(ЛО. 1, 30, Л. 4, 5].

Для решетки, состоящей из тонких проводов (г

<^ Я,

€

) (рис. 11-13,а), коэффициент прохождения Т

определяется выражением

Т =

1 —

!и[//<,

(*/-.)+

V Hpikns)}

(11-40)

где г

— радиус провода;

s— расстояние между осями проводов;

2TI

п — номер провода;

{2)

—

функция Ганкеля второго рода нулевого по-

рядка.

3G* 563

0,4

0,3

0,2

0,1

<?к/

г/

^ 1

^ /

^/* /

04 0,5

0,<?

7,0 ?,г

(,6 7, я

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0 9 1,0

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0 0,05 01 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5

Рис.

11-14. Зависимость коэффициента прохож-

дения по мощности Т

от расстояния между

осями соседних проводов S для бесконечной

плоской решетки.

ТУ

\ 1

Л .

,**• /

—

^64

При очень малых значениях г

/Х и s/k вместо форму-

лы (11-40) можно пользоваться соотношением

Го^

2s г

In 2к —

(11-41)

Формулой (11-40) можно пользоваться при значениях

S5 (0,05—0,07) X; формулой (11-41)—при /о<0,05 и

b,:s

0,30

и,25

0,20

о,и

0,10

o,os

0,05 010 0,15 0,20

0,25

0,30 0,35 0,40

0,45

OfO

Рис.

11-15 Параметры отражающей поверхно-

сти из параллельных пластин при заданных ко-

эффициентах прохождения Т

j=0,0175

0,001-

о,оо

a,at

/ J

^•0,03-

-7

= 0,05

s<0,2X.

Чем меньше отношение r

/s, тем точнее резуль-

таты. Результаты расчетов Т

по формуле (11-40) при-

ведены на рис. 11-14.

Для решетки, состоящей из более толстых проводов

(го соизмеримо с А), для определения Т

можно пользо-

ваться графиками, приведенными также на рис. 11-14.

Расстояние между проводами решетки надо выбирать

заметно меньше

0,5/1.

Значительно меньшие значения коэффициента про-

хождения дают решетки из параллельных пластин

(рис.

11-13,6). Зависимости коэффициента прохождения

от относительных размеров такой решетки показаны

на рис. 11-15. Кривые вычислены для отношения толщи-

ны пластин / к длине волны, равном 0,0175. Однако ими

можно пользоваться до величины этого отношения, раз-

ной 0,05.

565

Коэффициент Прохождения для металлического ли-

ста с малыми круглыми отверстиями при их радиусе,

мною меньшем длины волны, определяется формулой

'.=(TTI)"'

1142

где г

—

радиус отверстия;

yVnr

—

суммарная площадь всех отверстий;

—

площадь листа.

Формула (11-42) получена для большого расстояния

между отверстиями в пренебрежении их взаимодейст-

вием.

Теория и эксперимент |[ЛО. 30] показывают, что диа-

метр отверстий не должен превышать 0,3

А,

При этом

диаметре и s

= X

формула (11-42) дает для Т

величину

~0,0025,

а при s

0,5X значение Т

возрастает до 0,01.

Таким образом, расстояние между центрами отверстий

надо выбирать в пределах от Х/2 до X.

11-7.

МОДИФИКАЦИИ ПАРАБОЛИЧЕСКИХ

ЗЕРКАЛЬНЫХ АНТЕНН

Кроме рассмотренных выше зеркальных антенн с зер-

калом в виде параболоида вращения и параболического

цилиндра, для получения игольчатых н веерных ДН на-

ходят широкое применение некоторые модификации этих

антенн. К ним можно отнести (рис. 11-16):

а) симметрично-усеченный параболоид вращения;

б) несимметрично-усеченный параболоид вращения;

в) рупорно-параболическую антенну;

г) симметричную сегментно-параболическую антенну;

д) несимметричную сегментно-параболическую ан-

тенну.

Проектирование этих антенн проводится на основа-

нии соображений, уже изложенных в настоящей главе.

Однако при этом следует учитывать специфические осо-

бенности, присущие тому виду, к которому относится

проектируемая антенна

Симметрично-усеченный параболоид (рис. 11-16,а)

применяется для получения веерных ДН. Размеры рас-

крыва в двух взаимно перпендикулярных плоскостях

определяются по заданной дппне волны и требуемой шн-

566

рине ДН в этих плоскостях из обычных соотношений:

26'..,

= .' А-;

26".,.

= ."-^. (Ц-43)

где а' и а" — коэффициенты, учитывающие распределе-

ние амплитуды в соответствующих плоскостях (§ 2-4).

Рис 11-16. Модификация параболических зеркальных ан-

тенн

а — симметрично-усеченный параболоид вращения; б

—-

несимме-

трично-усеченный параболоид вращения; в — рупорно параболи-

ческая антенна, г — симметричная сегментно параболическая

антенна; д — несимметричная сегментно-параболическая антен-

на; / — параболоид вращения; 2 — фокус параболоида; 3 — усе-

чение по прямым линиям; 4 — усечение по контуру равиоинген-

сивного облучения; 5 —рупор, 6 — плоскопараллельные пласти-

ны,

7 — параболическая полоска (параболический цилиндр),

S — облучающий рупор

К ДН облучателя предъявляется требование, чтобы ее

ширина на уровне 10% по мощности равнялась углам

раскрыва зеркала в соответствующих плоскостях. Очень

удобно в этом случае применять рупорные облучатели,

но следует помнить, что при большом соотношении

Д'

/Д"

, а следовательно, и сторон раскрыва рупора фа-

зовые центры облучателя в основных плоскостях не бу-

дут совпадать. Целесообразно вырезку из параболоида

осуществлять по контуру равноинтенсивного облучения,

что уменьшает боковые лепестки и увеличивает КНД.

Несимметрично-усеченный параболоид (ряс. 11-16,6)

был рассмотрен в этой же главе выше (§ 11-6)—вынос

облучателя из поля отраженной от зеркала волны.

Рупорно-параболическая антенна (РПА) (рис. 11-

16,в) по существу представляет собой вариант несим-

метричной вырезки из параболоида вращения. Облу-

чающий рупор здесь

продолжен до поверх-

ности параболоида и

23В"

<>"1"210°200°190'W°<70't60'1SO'

1'10

Рис.

11-17. Рупорно-параболическая антенна и ее ДН.

нижнего края раскрыва, причем фокус парабо-

лоида совпадает с вершиной рупора, а нижний край

раскрыва должен быть на одном уровне с линией перз-

сечения поверхности параболоида и задней стенки рупо-

ра. Угол наклона оси рупора по отношению к оптической

оси параболоида можно выбрать из тех же соотношений,

что и в случае выноса облучателя из отраженного от

зеркала поля (§

11-6).

Практически же

этот

угол берут

близким к 90°. Угол при вершине рупора для обеспече-

ния хорошего согласования его с питающим волноводом

берут порядка 30—40°, причем между рупором и волно-

водом обычно применяют плавный переход достаточной

длины.

РПА по сравнению с другими типами зеркальных ан-

тенн имеет очень небольшой уровень побочного излуче-

ния. Это объясняется тем, что в РПА пет никакого за-

тенения раскрыва, а боковое излучение облучателя пол-

ностью исключено. На рис. 11-17 приведена ДН и

основные размеры РПА, работающей на волне

А,

см.

Видно, что уровень бокового и заднего излучения менее

—50 дб. Малое побочное излечение обеспечивает высо-

568

кую степень развязки между двумя близко расположен-

ными антеннами, которая достигает значений 40 дб для

антенн, расположенных рядом, и 120 дб при противопо-

ложно направленных раскрывах (антенны расположены

«спина» к «спине»).

Так как отраженная от зеркала волна не воздейст-

вует на рупор, а сам рупор может быть легко и хорошо

согласован с волноводом, то РПА является очень диа-

пазонной антенной, перекрытие которой по частоте мо-

жет быть 3—4-кратным. РПА может излучать волны как

с линейной, так и с круговой поляризацией. Благодаря

низкому уровню побочного излучения РПА имеет не-

большую шумовую температуру.

Указанные выше достоинства РПА обеспечили ее ши-

рокое применение в качестве антенны радиорелейных

линий, систем космической связи и радотелескопов.

Симметричная сегментно-параболическая антенна

(рис.

11-6,г) является модификацией антенны в виде

параболического цилиндра. Узкий параболический ци-

линдр (полоска) заключен между двумя параллельными

металлическими пластинами, причем размеры их выби-

рают такими, чтобы они достигали фокальной линии

параболического цилиндра или даже несколько заходили

за нее. Этим обеспечивается цилиндрический фронт пер-

вичного облучателя, в качестве которого обычно исполь-

зуют либо конец волновода, либо небольшой рупор.

Между параллельными пластинами могут распро-

страняться волны различных типов. Основным типом

волны является волна ТЕМ, которая может распростра-

няться при любом расстоянии h между пластинами, при-

чем если h<\j2, то другие типы волн в такой системе

возникнуть не могут. При h>X/2 могут существовать как

электрические (Е), так и магнитные (Я) волны. Если

Я>/г>к-,то могут существовать только низшие типы

Е- и Я-волн— Ei и Н\. Обычно на практике используют

волну ТЕМ и Я|. У волны ТЕМ вектор электрического

поля перпендикулярен пластинам, а у Я]— параллелен.

При выборе типа волны в сегментно-параболической

антенне следует руководствоваться следующими сообра-

жениями. При применении волны ТЕМ расстояние меж-

ду пластинами h должно быть меньше половины длины

волны, что обеспечит отсутствие высших типов волн.

При очень большой мощности излучения или при необ-

ходимости сузить ДН в ^-плоскости может оказаться,

569

ЧТО размер h следует увеличить. В этом случае требует-

ся тщательно сконструировать облучатель, чтобы исклю-

чить возможность возбуждения волн других типов.

Применение волны типа ТЕМ обеспечивает спадаю-

щее к краям антенны распределение амплитуды поля

вдоль большой стороны раскрыва и, следовательно, не-

большие боковые лепестки. Однако при этом коэффи-

циент направленного действия соответственно упадет.

При применении волны Н

}

распределение поля вдоль

большой стороны раскрыва равномерное. По этой при-

чине коэффициент направленного действия будет боль-

ше,

чем при использовании волны ТЕМ, однако при

этом, естественно, возрастут боковые лепестки. Фазовая

скорость волны Hi зависит от расстояния между пласти-

нами и равна:

v = — . (11-44)

|/'-(я.

Это обстоятельство накладывает весьма жесткие требо-

вания на сохранение постоянного расстояния между пла-

стинами, так как изменение этого расстояния ведет

к фазовым искажениям в раскрыве. Для поддержания

расстояния применяются диэлектрические или чаще тон-

кие металлические стержни, устанавливаемые между

пластинами. Так как вектор электрического поля волны

#i перпендикулярен стержням, то наличие их между

пластинами вызывает лишь незначительное искажение

поля в раскрыве. Искажение поля можно уменьшить,

применяя стержни специальной формы (рис. 11-18,а),

размеры которых подбираются экспериментальным пу-

тем.

Если применяется волна ТЕМ, то требования к со-

хранению расстояния между пластинами снижаются,

так как фазовая скорость этой волны не зависит от ве-

личины h и равна скорости света. Применение обычных

металлических стержней между пластинами для прида-

ния жесткости системе недопустимо, так как поле волны

ТЕМ будет ими очень сильно искажено. Необходимую

прочность в этом случае вполне обеспечивает установка

ребер жесткости на внешней поверхности пластин. При

очень больших размерах антенны следует применять,

например, ме1аллические стойки, изолированные от пла-

стин по высокой частоте с помощью резонансной выемки

570