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

Подождите немного. Документ загружается.

в пластине (рис. 11-18,6). При использовании волны

ТЕМ следует обеспечить особенно хороший электриче-

ский контакт пластин с параболической отражающей

полоской и облучателем. Для волны Hi требования к ка-

честву контакта могут быть снижены, так как эти сое-

динения не будут прерывать токов, текущих по пласти-

нам и полоске.

Рис.

11-18. Возможные типы стоек в сег-

ментно-параболическои антенне.

—

для волны типа Hi; 6

—

для волны типа

ТЕМ; /

—

пластины; 2

—

стойка; 3

—

резонанс-

ная полость.

Сегментно-параболическая антенна также имеет оп-

тимальный угол раскрыва. Для обычно применяемых

облучателей (открытый конец волновода) этот угол не-

много меньше 90°. В этом случае коэффициент исполь-

зования поверхности антенны довольно высок и дости-

гает величины, несколько большей 0,8.

Источником рассогласования в сегментно-параболи-

ческои антенне являются отражения от параболической

полоски. Мегод устранения отражений заключается

в применении компенсирующей пластинки, размещенной

у вершины зеркала (§ 11-6).

Как уже указывалось, для уменьшения воздействия

отраженной волны на облучатель последний выносят из

зоны с большой интенсивностью поля. В этом случае по-

лучается несимметричная сегментно-пара-

болическая антенна (рис. 11-16,(5). Для этой ан-

тенны справедливо все сказанное выше о симметричной

сегментно-параболическои антенне и несимметричных

вырезках из параболоида вращения (§ 11-6). Частным

случаем такой антенны является сегментно-параболиче-

ский рупор (§ 10-7). Несимметричные сегментно-парабо-

лические антенны часто используются в качестве облу-

чателя симметричной сегментно-параболическои антенны

с большой высотой h из-за очень удобного подвода энер-

гии.

571

11-8.

СФЕРИЧЕСКИЕ И КРУГЛОЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ

ЗЕРКАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ

Для широкоугольного качания ДН антенны путем

перемещения только облучателя очень удобны сфери-

ческие и круглоцилиндрические зеркала [Л. 6, 7].

Поверхность сферического зеркала представляет со-

бой часть поверхности сферы, а конструкция антенны

с таким зеркалом аналогична

конструкции антенны с зерка-

лом в виде параболоида вра-

щения. Круглоцилиндрическое

зеркало аналогично зеркалу

в виде параболического ци-

линдра, но кривая, при движе-

нии которой образуется по-

верхность зеркала, представ-

ляет собой часть окружности.

Естественно, что подобные

зеркала не могут создать

в своем раскрыве при сфериче-

ском или цилиндрическом

фронте волны облучателя пло-

ский фронт, однако можно

найти такие положения облу-

чателя и размеры зеркала,

когда фазовая ошибка в рас-

крыве не будет превышать допустимую. Обычно распре-

деление амплитуды поля по раскрыву всегда спадает

к краям, и поэтому выбор параметров антенны должен

производиться таким образом, чтобы максимальная фа-

зовая ошибка была бы на краю раскрыва.

Так как сферическое зеркало обладает осевой сим-

метрией, то достаточно рассмотреть распределение фа-

зы по раскрыву в плоскости, проходящей через ось сим-

метрии. Полученные при этом результаты будут спра-

ведливы и для круглоцилиндрических зеркал в плоскости

xOz. Не ограничивая общности, можно положить радиус

сферы 7?

ф, поверхность которой образует зеркало, рав-

ным единице. Таким образом, все геометрические разме-

ры антенны будут нормированы к действительному ра-

диусу сферы.

Если плоскость раскрыва сферического или кругло-

цилиндрического зеркала удалена от вершины зеркала

на расстояние h, а облучатель смещен из центра сферы

572

Рис.

11-19. Сферическое зер

кало.

на величину d, то нормированная разность длин Д/ опти-

ческих путей произвольного и центрального лучей будет

равна (рис. 11-19) ••:

д/

|Л +

—

, VT^Tx* +

h — 1

Vl_^

+ 2d^

—

1—A-frf,

(11-45)

где

л;

—

координата точки отражения, которая связана

с соответствующей ей координатой х' в раскрыве соотно-

шением

х =х

1—(1 —А —

/1—

)

—

2d |/

— х*

К1

(11-46)

' О О,? О,^ 0,5 ff,</ 0,5 0,6 0,7 0,8

Рис 11-20 Разность длин оптических путей

от облучателя до раскрыва для сферическо-

го зеркала с относительной глубиной Л=0,4

На рис. 11-20 приведены кривые, показывающие из-

менение нормированной разности длин оптических путей

Д/ по раокрыву при относительной глубине зеркала

ft=0,4. Очевидно, что расстояние фазового центра облу-

чателя от центра сферы целесообразно выбирать таким,

* Приводимые ниже соотношения и кривые заимствованы из

неопубликованной работы А С Лаврова

573

чтобы максимальное отклонение фазы по раскрыву бы-

ло бы наименьшим. Соответствующее этому положению

источника расстояние от вершины зеркала до фазовою

центра облучателя называют оптимальным фокусным

расстоянием сфериче-

ского или круглоци-

линдрического зеркала

(/опт

1—"опт). На

град

ИС

П-21 показана за-

висимость [

оит

и donx от

глубины зеркала h. На

этом же рисунке дана

зависимость макси-

мальной разности оп-

тических путей Л/

ма

кс

для оптимального фо-

кусного расстояния.

Очевидно, что макси-

мальная фазовая

ошибка в раскрыве

действительной антен-

ны при этом равна:

0,0

0,5

0,4

т опт

О. опт

о,ш макс \

-fKHA

Jonm

•опт

U-ortm

диу

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 03

Рис.

11-21.

Зависимость оптимально-

го расстояния от центра зеркала до

фазового центра облучателя й

пт, оп-

тимального фокусного расстояния, оп-

ределенного по минимуму максималь-

ной фазовой ошибки /опт, оптималь-

ного фокусного расстояния, опреде-

ленного по максимуму КНД f^

71,

антенны с амплитудным распределе-

нием /'(л/) =0,3 + 0,7*cos

-тг- ,

максимальной разности оптических

путей Л/

акс и минимальной ширины

CiS

от относительной глуби-

ны зеркала.

Д?*

" А /

макс",

ф-

(11-47)

С помощью (11-47) и

рис.

11-21 можно при

заданных радиусе сфе-

ры и допустимой фазо-

вой ошибке найти глу-

бину зеркала h и опти-

мальное фокусное рас-

стояние /опт- Радиус

сферы /?

ф, относительная глубина зеркала h и радиус

раокрыва R

связаны простым соотношением

ДН-

•Ямакс —

п~~

—' у и (2 Л),

Дсф

(П-48)

позволяющим определить всю геометрию антенны.

Из (11-47), (11-48) видно, что увеличение раскрыва

зеркала Д

=2#

для сужения ДН требует при допусти-

мой величине фазовой ошибки применения мелких зер-

574

кал с большой величиной #

j, и, следовательно, с боль-

шим действительным фокусным расстоянием.

Если допустить

Афмакс

= я/2 и считать

26°

70-

7Г

то из (11-47) следует выражение для минимально воз-

можной ширины ДН при заданном размере раскрыва

или в силу (11-48) при заданной глубине зеркала. Полу-

ченная зависимость дапа графически па рис.

11-21.

В па-

раболических антеннах отношение /

пт/*макс равно 0,3—

0,4. Из рис. 11-21 видно, что при таком же отношении

в сферических зеркалах возможно получить ДН не уже

2—3°.

Эта величина определена исходя из получения

минимума максимальной фазовой ошибки в раскрыве

зеркала. Однако, как уже отмечалось, заметное влияние

на ДН в этом случае может оказать закон изменения

амплитуды поля по раскрыву. Если максимальное зна-

чение фазы ошибки будет на том же участке раскрыва,

где амплитуда поля мала, то влияние фазовой ошибки

на ДН антенны также будет невелико. Исследование

сферических зеркал показало, что для получения мак-

симума КНД фокусное расстояние следует несколько

увеличить по сравнению с /опт- На рис. 11-21 показано

оптимальное по КНД фокусное расстояние для ампли-

тудного распределения, спадающего к краям по закону

ТС

f (х) =

0,3~\-7

cos

— .Существенного улучшения ха-

рактеристик сферических и крухлюцилиндрических

антенн можно достичь путем применения в антенне эле-

ментов, корректирующих фронт волны облучателя так,

чтобы в раскрыве антенны был плоский фронт волны.

Это,

например, можно сделать с помощью второго не-

большого зеркала. Такие двухзеркальные антенны опи-

саны ниже в этой главе.

При качании ДН используют только часть сфериче-

ского или круглоцилиндрического зеркала (рис. Г1-19),

перемещая фазовый центр облучателя по окружности

d=d

uT Из рисунка видно, что сектор качания всегда

меньше 180°, причем он уменьшается при увеличении

части зеркала, участвующего в формировании ДН при

данном положении облучателя. Так как необходимо

обеспечить облучение только части поверхности зеркала,

то это ставит весьма жесткие требования к ДН облуча-

теля. Так, например, следует исключить облучение зер-

кала боковыми лепестками ДН облучателя при любом

его положении, иначе могут появиться вредные зоны и

575

это приведет к искажению основного лепестка ДН и

снижению КИД.

Для получения кругового обзора применяют сфери-

ческие и сферопараболические зеркала, состоящие т

параллельных пластин,

наклоненных под уг-

лом 45° и расположен-

ных на небольшом рас-

стоянии друг

о г

друга

[Л.

7]. Расстояние меж-

ду пластинами выби-

рается в соответствии

с приведенными выше

соотношениями. Зерка-

ло в этом случае пред-

ставляет собой пол-

ную или почти полиую

сферу, причем пласти-

ны,

образующие зерка-

ло,

на противополож-

ных сторонах оказы-

ваются перпендикуляр-

ными друг к другу.

Сказанное ясно видно

из рис. 11-22, где пока-

зано зеркало, образо-

ванное вращением

части окружности вокруг вертикальной оси. Такое

зеркало позволяет осуществить качание ДН в горизон-

тальной плоскости на 360°. Поле антенны имеет линей-

ную поляризацию, причем плоскость поляризации накло-

нена тоже на 45°. По этой причине вектор Е волны об-

лучателя оказывается параллельным пластинам, обра-

зующим зеркало. Для волн такой 'поляризации коэффи-

циент отражения близок к единице. У противополож-

ной части зеркала плоскость поляризации отраженной

от зеркала волны 'перпендикулярна пластинам, поэтому

волна почти без потерь проходит через эту часть зерка-

ла. На прием эта система работает аналогичным обра-

зом, Расположение облучателя определяется по графи-

кам рис. 11-21 в зависимости от требований, предъяв-

ляемых к ДН антенны.

Для осуществления кругового обзора облучатель пе-

ремещается по дуге, окружности, концентричной, с от-

ражающей поверхностью антенны.

576

Рис.

11-22. Сферопараболическая ан-

тенна.

/ — рупорный облучатель; 2

—

решетчатый

отражатель; 3 — окружность, по которой

перемещается облучатель.

В зависимости от требовании, предъявляемых к ДН

антенны в вертикальной плоскости, профиль зеркала

в этой плоскости может быть заменен на 'параболиче-

ский или на профиль специальной формы.

П-9.

ЗЕРКАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ ДЛЯ СОЗДАНИЯ

ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ СПЕЦИАЛЬНОЙ ФОРМЫ

В некоторых случаях необходимо, чтобы антенна ра-

диолокационной станции (РЛС) имела узкую ДН

в одной плоскости (обычно горизонтальной) и специаль-

ной формы в другой, перпендикулярной к первой, пло-

скости (вертикальной плоскости) (рис. 11-23).

типа.

Форма ДН в вертикальной плоскости обычно опреде-

ляется требованием, чтобы отраженные от одинаковых

объектов, находящихся на одной высоте, сигналы на вхо-

де приемника были одинаковой величины независимо

от удаления объектов. На практике это требование обыч-

но должно выполняться в пределах углов 6

=arcsin

''мак с

и О

=60—70°; здесь г

макс

—максимальная дальность

действия Станции; h — высота полета.

Для объектов, равномерно отражающих во всех на-

правлениях, условие постоянства величины сигнала на

входе приемника выполняется при ДН, соответствующей

функции

(0)

=-Е2?^А. (Ц-49)

' cosec

во

Для плоскостных объектов ДН должна соответствовать

функции

cosec4fcgi_

' cosec

Y cos 8

37—2541 577

В случае применения индикатора

радиально-круговой

разверткой

ДН

должна определяйся функцией

Я (б):

cosec

9 cos

cosec

cos во'

(11-51)

Во всех этих формулах основным множителем, опре-

деляющим форму

ДН по

мощности, является множитель

cosec

б, который соответствует множителю cosec

в выражениях

для ДН по

полю. Поэтому

ДН

подобного

1,0-

Рис.

11-24. Построение требуемой ДН косекапского

типа,

а—идеальная

ДН

косекансного типа;

—построение реаль-

cosec"fl

ной

ДН

косекансного типа;

—

кривая вида

—;

— кри-

cosec» во

sin

х „

вая вида

;

S—результирующая кривая.

типа носят общее название косекансных

ДН.

Изображе-

ние

ДН

косекансного типа

прямоугольной системе

ко-

ординат дано

на рис.

11-24. Однако такая

ДН не

может

быть реализована

на

практике. Можно лишь приближен-

но получить распределение поля

пространстве, соот-

ветствующее выражениям (11-49)

—

(11-51).

Основное от-

клонение формы реальной

ДН от

идеальной косекансной

будет иметь место

области максимума

ДН

(точка

на

рис.

11-24).

этой области

ДН

косекансного типа

аппроксимируют функцией

Рг

т-

[

па 1

у sin (9, — 6)

И"* ~„ „Л

sin(B„ —9)

(11-52)

удовлетворительно описывающей дифракционные

ДН па-

раболических

или им

аналогичных антенн. Построив

эту

578

функцию на том Же графике, гДе построена требуемая

ДП (рис. 11-24,6), плавно соединяют обе кривые. В об-

ласти больших углов 0 (угол 6

) ДН плавно умень-

шают до нуля. Полученная таким образом кривая и бу-

дет требуемой ДН косекансного типа.

Величина а в формуле (11-52) является то существу

размером той части раскрыва антенны, который форми-

рует центральную часть ДН. Учитывая, что ширина ко-

секансной ДН на уровне 0,5 по мощности определяется,

как правило, функцией (11-52), величину а можно найти

по необходимой ширине ДН. Для этого полагают

(6)=0,5,

и решают (11-62) относительно а.

Как показывают расчеты, в формировании той части

косекансной ДН, которая соответствует функции (11-52),

принимают участие приблизительно

/з всего раскрыва

антенны. Поэтому если задан максимально возможный

размер раскрыва всей антенны Д

, то величина а равна

/зД

Зная а, можно теперь определить ожидаемую ши-

рину ДН косекансного типа на уровне 0,5 по мощности.

Что касается ДН антенны в горизонтальной плоско-

сти,

то обычно она имеет симметричную форму и за-

дается только ее ширина на уровне 0,5 по мощности, ко-

торая определяет разрешающую способность РЛС в этой

плоскости.

Косекансную ДН с помощью зеркальных антенн мож-

но сформировать несколькими способами:

а) методом парциальных ДН;

б) применением в параболоиде вращения рассеиваю-

щего «козырька»;

в) с помощью цилиндрического зеркала специальной

формы;

г) с помощью зеркала двойной кривизны.

а) Метод парциальных диаграмм направленности. Для

получения требуемой ДН применяется параболоид вра-

щения, облучаемый решеткой облучателей с убывающей

амплитудой (рис. 11-25). Каждый элемент решетки вме-

сте с параболическим зеркалом дает свою ('парциаль-

ную) ДН. Максимум главного лепестка парциальной ДН

зависит от мощности, излучаемой данным облучателем;

ширина лепестка несколько увеличивается по мере уда-

ления облучателя из фокуса зеркала. Первый облучатель

помещается в фокус. Общая ДН антенны получается пу-

тем сложения парциальных ДН с учетом соотношения

фаз полей. При соответствующем подборе положения

облучателей, а также амплитуд и фаз полей общая ДН

37*

579

Рис 11-25. Параболоид вращения

с несколькими облучателями, при-

меняемыми для получения ДН ко-

секансного типа.

с некоторой точностью приближается к требуемой.

Проектирование такой антенны 'приходится проводить

методом последовательных приближений. Он основывает-

ся на предложении, что в областях максимума лепестков

суммарная ДН определяется только одной парциальной

ДН. Исходя из этого

предположения, задаем-

ся размерами зеркала,

числом облучателей и

определяем соотношение

мощностей облучателей.

Затем, пользуясь дан-

ными § 11-7, рассчиты-

ваем парциальные ДН по

напряженности поля и

производим их суммиро-

вание с учетом фазы по-

лей в нескольких проме-

жуточных направлениях.

При этом полагаем, что поле в этих направлениях опре-

деляется как сумма только двух прилегающих к ним

парциальных ДН. Если общая ДН получается сильно

изрезанной, то производится корректировка положения

облучателей, и расчет повторяется. Эту операцию по-

вторяют до тех пор, пока получаемая ДН не будет близ-

ка к требуемой.

К недостаткам метода парциальных ДН следует от-

нести изрезанность общей ДН, а также разную ее ши-

рину в горизонтальной плоскости. Последнее вызвано

тем, что при выносе облучателя из фокуса параболоида

ДН расширяется и, следовательно, в своей косекансноп

части ДН в горизонтальной плоскости будет заметно

шире, чем в области максимума.

б) Параболическое зеркало с «козырьком». При этом

методе формирования косекансной ДН часть параболи-

ческого зеркала заменяют сферопараболической поверх-

ностью, которая и создает косекансную часть ДН. Эта

поверхность получается путем вращения образующей

параболы БГВ вокруг горизонтальной оси АА', проходя-

щей через фокус параболоида (рис. 11-26,а). Нижняя

часть зеркала формирует главный лепесток ДН, а верх-

няя («бочкообразная») — ее косекансную часть.

Аналогичную ДН можно получить, заменив нижнюю

часть параболоида выпуклой сферопараболической по-

верхностью (рис. 11-60,6). Эта поверхность получается

580