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

Подождите немного. Документ загружается.

Из геометрии антенны следуют также следующие,

полезные при расчетах, соотношения:

1 —-

sin

~2 (Фо

— fo)

sin у

(Фо

+ ?о)

= 2'f.

/м

(11-85)

(11-86)

Параметры антенны Дб, /б, /м и ф

определяются

обычно требованиями к диаграмме и габаритам антен-

ны.

Диаметр большого зер-

кала £>б определяется по за-

данной ширине диаграммы

антенны на уровне половин-

ной мощности:

= (65-75)^-. (11-87)

26о.

Фокусное расстояние пара-

болоида ff, выбирается рав-

ным (0,35—0,5)£>б и может

изменяться в зависимости

от конкретных условий. Ве-

личина /

и фо определяют-

ся исходя из конструктив-

ных соображений При этом

следует стремиться получить

меньший диаметр малого

зеркала D

, чтобы уменьшить экранировку (затенение)

раскрыва антенны, и удобное расположение реального

облучателя

При уменьшении D

необходимо увеличивать на-

правленность реального облучателя, что ведет к увели-

чению размеров последнего, а следовательно, к увеличе-

нию затенения раскрыва облучателем. Оптимальное

соотношение размеров будет, очевидно, в случае, когда

затенение, создаваемое малым зеркалом, равно затене-

нию раскрыва облучателем (рис. 11-39). При этом имеет

место следующее приближенное равенство:

Рис 11-39 Минимально воз-

можное затемнение раскрыва

двухзеркальной антенны.

/ м

2 оХ/

Ом'

(11-88)

601

где

— длина волны;

Д,

—

диаметр раокрыва облучателя;

а — коэффициент, учитывающий амплитудное рас-

пределение поля

по

раскрьиву облучателя (а

1,1-1,3).

Соотношения (11-88) можно записать

другом виде:

Об

•

—

(11-89)

где б

0|5

—ширина диаграммы антенны

на

уровне поло-

винной мощности.

Оценить влияние затенения раскрыва антенны мож-

но

так

же,

как это

сделано

в §

11-6

при

рассмотрении

за-

тенения раскрыва зер-

кала облучателем.

Диаграмму направ-

ленности двухзеркальной

антенны

большим зер-

калом

виде параболои-

да вращения можно най-

ти,

рассматривая эквива-

лентную однозеркальную

антенну.

Это

можно сде-

лать двумя путями. Если

оставить большое зерка-

ло

без

изменения,

то

сле-

дует щайти диаграмму

виртуального облучателя.

Последнее можно сде-

лать,

зная диаграмму

ре-

ального облучателя

форму поверхности малого зеркала. Однако проще

ис-

пользовать другой путь. Можно най,ти такое параболи-

ческое зеркало, имеющее диаметр, равный диаметру

большого зеркала, которое

при

облучении реальным

источником, используемым

двухзеркальной антенне,

имеет

>в

раскрыве такое

же

распределение амплитуды

фазы поля,

что и

двухзеркальная система

(рис.

11-40).

Такое зеркало называют эквивалентным параболиче-

ским зеркалом (эквивалентной параболой). Фокусное

расстояние

эквивалентного зеркала можно найти

из

соотношения

Рис 11-40. К понятию эквивалент-

ного параболического зеркала.

—

реальное параболическое зеркало;

—

эквивалентное параболическое зер-

кало (эквивалентная парабола).

ОТ) л f

(11-90)

602

Уравнение эквивалентной параболы, позволяющее

построить профиль эквивалентного зеркала (в коорди-

натах х

, у

), будет:

*.= £•

(И

91)

Из рис. 11-38,а видно, что в антенной системе с выпук-

лым гиперболическим зеркалом фокусное расстояние

эквивалентной параболы больше, чем фокусное расстоя-

ние большого зеркала. Отношение этих фокусных рас-

стояний равно:

Таким образом, переход от однозеркальной антенны

к двухзеркальной с выпуклым малым зеркалом увели-

чивает фокусное расстояние системы. Однако получить

это отношение больше двух на практике не удается

[Л.

11].

Недостатком двухзеркальной антенны является зате-

нение раскрыта антенны малым зеркалом. Однако в слу-

чаях, когда используются волны с линейной поляриза-

цией, затенение раскрыва антенны малым зеркалом мож-

но значительно уменьшить. С этой целью в антенне

используются поверхности, при отражении от которых

поляризация волны поворачивается на 90°.

Схема такой антенны показана на рис. 11-41,а. Ма-

лое зеркало представляет собой решетку из вертикаль-

ных (горизонтальных) проводов или пластин

(рис.

11-13), расстояние между которыми много меньше

длины волны. Такое зеркало отражает вертикальную

(горизонтальную) поляризацию и почти полностью проз-

рачно для волны с горизонтальной (вертикальной) поля-

ризацией.

Если такое малое зеркало использовать в антенне,

у которой поверхность большого зеркала осуществляет

поворот поляризации на 90°, то ясно, что малое зеркало

не будет являться препятствием для волны, отраженной

большим зеркалом. Таким образом, в антенне имеет ме-

сто только затенение облучателем, и поэтому целесооб-

разно использовать небольшой облучатель при малом

зеркале значительных размеров.

603

На рис. 11-41,6 показана схема, в которой устранено

затенение, вызванное облучателем. В этом случае раз-

меры облучателя можно сделать значительными, а раз-

меры малого зеркала небольшими. Облучатель при этом

конструируется так, чтобы фокусировать волну в мни-

мом фокусе малого зеркала. При этом нужно помнить,

Рис.

11-41 Устранение затенения раскрыва

антенны

—<

малым зеркалом б — облучателем, / — вер-

тикальная поляризация, 2 — горизонтальная поля-

ризация; 3 — поверхность, отражающая волну

с горизонтальной поляризацией и пропускающая

волну с вертикальной поляризацией 4 — поверх

ность, отражающая волну с поворотом поляриза-

ции на 90°

что фронт волны облучателя может отличаться от сфери-

ческого, что вызовет необходимость в изменении формы

малого зеркала. Расчет такой антенны сложнее, чем рас-

смотренных выше.

Конструктивно зеркало, прозрачное для волны одной

поляризации и отражающее волну, у которой поляриза-

ция повернута на 90°, выполняется в виде тонких метал-

лических проволок, запрессованных в диэлектрическую

пластину. Если расстояние между (проволоками много

меньше длины волны, то такая структура является хо-

рошим отражателем волны, поляризация которой парал-

лельна проволокам, и прозрачна для волны с поляриза-

цией, перленднкулярной им. Очень малое расстояние

между проводами также нежелательно, так как из-за ко-

нечной толщины проволок в этом случае будет возра-

стать отражение волны, для которой зеркало прозрачно.

При больших же расстояниях волна, которая должна от-

ражаться, будет все же частично проходить через решет-

чатое зеркало. Величину проходящей мощности можно

604

Рис II 42 Конструкция поверхности,

пропускающей волну с вертикальной

поляризацией и отражающей волну

с горизонтальной поляризацией

/ — вертикальная поляризация, 2— гори

зонтальная поляризация 3 — провода

(пластины)

рассчитать, пользуясь формулой (11-40) или графиками

на рис 11 15 для зеркала из пластин. С целью умень-

шения мощности, проходящей через решатчатое зерка-

ло,

можно применить многослойные структуры

(рис 11-42) Чтобы волна, отраженная от первой решет-

ки,

была бы в фазе с волной, отраженной от второй ре-

шетки, расстояние

между решетками

должно быть кратно

четверти длины волны

в среде, заполняющей

пространство между

этими решетками

Конструкция по-

верхности, поворачи-

вающей поляризацию,

была рассмотрена в

§ П-6.

Двухзеркальные ан-

тенны рассмотренных

типов позволяют осу-

ществить целый ряд

интересных конструк-

тивных решений Так, например, при наклоне малою

зеркала ДН антенны отклоняется, причем величина от-

клонения может быть порядка трех значений ширины

диаграммы без заметных искажений формы последней.

Следует указать на то, что после поворота малого зер-

кала можно путем небольшого перемещения его вдоль

оси несколько улучшить форму фронта волны в раекры-

ве,

нарушенную поворотом

Весьма интересным является ва1риант антенны, пока-

занный на рис. 11-43,а. Такая антенна является двух-

зеркальной для частоты f\ и однозеркальной для частоты

Если при этом частота /г выбрана так, что большое

зеркало не поворачивает поляризацию этой волны, то

антенна будет работать с очной поляризацией для обеих

волн В этом случае затенение раскрыта малым зерка-

лом не будет иметь места ни для волны с частотой f\, ни

для волны с частотой [

Еще одной интересной двухзеркальной антенной

с большим параболическим зеркалом является антенна

с плоским вспомогательным зеркалом больших разме-

ров (рис 11-43,6). Параболическое зеркало прозрачно

для волн одной поляризации и отражает волны с поля-

605

ризацией, перпендикулярной первой Поверхность пло-

ского зеркала выполнена так, что поворачивает поляри-

зацию на 90° Это обеспечивает прохождение отражен-

ной от плоского зеркала волны через параболическое

Вариант интересен тем, что позволяет легко осуществить

неискаженное качание ДН антенны в широком секторе

Рис 11 43 Схемы двухзеркальных антенн

а — антенна для двух частот б — антенна с плос

ким зеркалом / — вертикальная поляризация

2 — горизонтальная поляризация 3—поверхность

пропускающая волну с вертикальной поляриза

цией 4 — поверхность отражающая волну с по

воротом поляризации на 90°

углов путем поворота плоского зеркала При этом угол

поворота ДН будет в 2 раза больше, чем угол поворота

плоского зеркала

б) Сферические двухзеркалыше антенны. Рассмотрен-

ные в § 11-8 сферические зеркальные антенны очень удоб-

ны в случае качания ДН в широком секторе Однако их

недостатком является отклонение фронта волны в рас-

крыве от плоского Применение вспомогательного зер-

кала позволяет полностью устранить фазовые ошибки

в раскрыве антенны и, следовательно, получить более

высокие характеристики последней

На рис 11-44 показана схема сферической двухзер-

кальной антенны Легко заметить, что максимально воз-

можный действующий раскрыв £)

системы равен

£>™

= 0,707D

, (11-93)

где

1>б

— диаметр большого сферического зеркала

Ограничение величины D

связано с экранировкой

части малого зеркала противоположной его частью.

606

В сферической двухзеркальной антенне качание ДН

можег быть достигнуто путем поворота вспомогательно-

го зеркала и облучателя относительно центра большого

зеркала. Угол отклонения ДН равен углу поворота си-

стемы из малого зеркала и облучателя, причем форма

ДН при этом не искажается.

При D

=D™

aKC

максимальный телесный угол качания,

как легко видеть, равен 90°. При увеличении угла кача-

ния величина отношения

/D5

должна быть

уменьшена, что ясно из

геометрии антенны. Необ-

ходимо отметить, что ес-

ли большое зеркало изго-

товить в виде поляриза-

ционной решетки, прово-

да которой ориентирова-

ны под углом 45°

пло-

скости поляризации вол-

ны облучателя, то угол

качания может быть зна-

чительно увеличен (рис.

11-22).

Расчет поверхности

малого зеркала может

быть произведен двумя

методами '[Л. 12]. В пер-

вом методе, методе фо-

кальной кривой ', малое

зеркало представляет со-

бой огибающую эллипсов или гипербол. Один из фокусов

эллипса (гиперболы) совпадает с фазовым цензом

облучателя, а второй — с точкой касания отраженного

ог сферического зеркала луча и фокальной кривой.

Уравнение фокальной кривой имеет вид (рис. 11-45):

Рис 11-44. Схема сферической

двухзеркальной антенны.

с/, cos29\

х =

— cos о

1 н— 1;

г/

—sin

(11-94)

Фокальная кривая (в трехмерном случае фокальная поверх-

ность) представляет собой геометрическое место точек схождения

лучей, отраженных от участка большого зеркала.

607

Построив фокальную кри-

вую,

можно графическим пу-

тем относительно легко по-

строить профиль малого зерка-

ла. При этом нужно помнить,

что если малое зеркало нахо-

дится между большим зерка-

лом и фокальной кривой

(предфакальная область), то

его профиль является огибаю-

щей гипербол, если же малое

зеркало находится в зафокаль-

ной области (т. е. за фокаль-

ной кривой), то профиль его

есть огибающая эллипсов.

Второй способ расчета про-

филя малого зеркала основан

на методе, изложенном в

§ 2-13. Прежде всего необхо-

димо найти поверхность фрон-

та волны, отраженной от боль-

шого зеркала. Считая, что на

сферическое зеркало падает волна с плоским фронтом,

можно найти, что вектор Y, определяющий отражен-

ный от большого зеркала фронт, выражается уравнения-

ми [Л. 12]:

Рис.

11-45 Фокальная кри-

вая сферического зеркала

/ — поверхность зеркала, 2 — фо

кальная кривая

• —Ух^х г Уу£ц\

= [\ —2 cos

б (1

— cos

б)];

= [sin

б —

sin

(1 —cos 6)].

(11-95)

При этом считается, что радиус большого зеркала нор-

мирован к единице.

Сферический фронт волны облучателя (его центр)

можно представить в виде

X =

, (11-96)

а единичную нормаль к поверхности Y как

= — cos28e

—

sm28e

. (11-97)

Подставляя (11-95)

—

(П-97) в (2-194), получаем

уравнение профиля малого зеркала:

"м — АэсмСх+АумСи; (11-98)

608

здесь

где

#ам—У* — C0S26P,

(11-99)

— (у* - d)

У«

2[Л — cosier, — d) — sin2fl(/„J ^

Xi u

В (11 100) величина II есть длина оптического пути

в толь луча от фронгл Y до фронта X, равная, как это

следует из рис 11 44,

II=l—2k

(11-101)

где d—расстояние or центра сферического зеркала до

фазового центра облучателя,

k — расстояние ог центра сферического зеркала до

вершины зеркала

При проектировании двухзеркальнои сферической

антенны следует учитывать некоторые особенности, так

как, вообще говоря, выбор местоположения источника

и малого зеркала в достаточной мере произволен Преж-

де всего нужно помнить о том, что если не принять спе-

циальных мер для устранения экранировки раскрыва

малым зеркалом (см выше), то диаметр малого зеркала

не должен превышать 0,25£>б Необходимо также, чтобы

профиль малого зеркала не пересекал фокальную кри-

вую,

так как иначе форма зеркала будет неприемлемой

Размеры большого зеркала Dg, действующего рас-

крыва 1)

, раскрыва малого зеркала D

и его положение

связаны между собой Действующий раскрыв, диаметр

зеркала и величина угла 6, соответствующего действую-

щему раскрыву 6

, связаны между собой простым соот-

ношением

sme„ =

(11-102)

На рис 11-46 показана зависимость угла б

от отно-

шения положения раскрыва малого зеркала к диаметру

большого при различной величине раскрыва малого зер-

кала Выбор с помощью JTHX кривых величин /?

жм

и б

обеспечивает при заданном D

максимальную величину

и отсутствие пересечения профиля малого зеркала

с фокальной кривой.

609

При проектировании следует учитывать следующее

обстоятельство Максимально возможная величина дей-

ствующего раскрыва

—0,707

имеет место при

/Г

кс

^=0,707 Ц-, причем в этом случае

= 0,43D

Таким

образом, диаметр вспомогательного зеркала значитель-

ный, что вызовет большое затенение раскрыва антенны.

01 02 Р1 04 0

0,6 0J 0~§ 0$ 1,0

Рис 1146 Кривые зависимости угла 8

or положения

раскрыва малого зеркала R

ДЛЯ

различных раскрывов ча

лого зеркала D

= 2Y

P к

J-D

-0,05D

, 2-D„=0,01B

; 3 - D

-=0,15 D

, 4-D

=0,18D

;

5 —D

=0,2D

, б — D

=0,25D

Кривые в правой части графикч

относятся к предфокальным зеркалам, в левой — к зафокальным.

Однако при снижении D

до величин

= 0,18D6 дей-

ствующий раскрыв уменьшается не очень сильно (£>

0,7£>б),

а затенение будет в значительной степени сни-

жено.

Эти примеры справедливы для малых зеркал, рас-

положенных в зафокальной области. Зеркала, располо-

женные в зафокальной области, предпочтительней, так

как они имеют при одинаковой величине действующего

раскрыва меньшее значение D

, а следовательно, HR

™

Это важно, потому что позволяет уменьшить габариты и

вес подвижной части антенны.

Определив с помощью кривых на рис. 11-46 величины

, D

и R

M, задаются положением фазового центра

облучателя — d, которое выбирают вблизи раскрыва ма-

лого зеркала. Тогда необходимую для расчета по фор-

610