Долбик андрей иванович

УСТРОЙСТВА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ И АНТЕННЫ

Часть 2

Антенные системы

1.  АПЕРТУРНЫЕ АНТЕННЫ

Это наиболее распространенный тип антенн, обеспечивающий возможность создания узких ДН сравнительно простым способом, а также излучение большой мощности. Вследствие этого апертурные антенны нашли широкое применение в РЭС РТВ.

1.1.  Общие свойства и классификация

К апертурным относятся антенны, у которых излучающая система выполнена в виде плоской поверхности, ограниченной замкнутой кривой (чаще всего – прямоугольником или окружностью). Возбуждение антенны стараются осуществить таким образом, чтобы поле в апертуре оказалось синфазным, что обеспечивает остронаправленное излучение, максимум которого совпадает с нормалью к апертуре.

Как было показано ранее, диаграмма направленности апертурной антенны с прямоугольным раскрывом определяется выражением:

. (1.1)

Аналогичное выражение может быть получено для круглой апертуры:

. (1.2)

Ширину главного лепестка в любой плоскости, проходящей через нормаль к апертуре, можно оценить с помощью соотношения:

, (1.3)

где L – размер апертуры в рассматриваемой плоскости; – коэффициент, величина которого определяется видом амплитудного распределения.

Соответственно максимальный КНД раскрыва определяется выражением:

, (1.4)

где SГ – геометрическая площадь антенны; xА – коэффициент использования площади.

Согласно соотношениям (1.3) и (1.4), увеличение волновых размеров апертуры (L/l и Sг/l2) приводит к сужению главного лепестка в любой плоскости qb, qe и росту Dmax. В реальных условиях максимально достижимая величина КНД составляет 106…107. Таким образом, апертурные антенны являются наиболее направленными, а также характеризуются достаточно широким диапазоном, что обуславливает их широкое применение в радиолокации.

К апертурным относят следующие антенны:

волноводные;

рупорные;

линзовые;

зеркальные.

1.2.  Волноводные антенны

Волноводными называются антенны, выполненные в виде открытых концов волноводов различного типа. Наиболее широко на практике используются излучатели на базе прямоугольных и круглых волноводов, возбужденных на основной волне Н10 и Н11 соответственно. Это наиболее простой тип апертурных антенн.

Поскольку размеры поперечного сечения волноводов не превышают длину волны, то волноводные антенны являются слабонаправленными. Они применятся в качестве облучателей более сложных антенн (линзовых, зеркальных), а также излучателей ФАР.

сопротивления волновода rв и свободного пространства r0 существенно различаются. Строгое решение задачи расчета поля волноводной антенны достаточно сложно, поэтому в инженерной практике используются приближенные методы. Для приближенных расчетов принимаются следующие допущения:

1) пренебрегают затеканием токов на внешнюю поверхность раскрыва и образованием в раскрыве волн высшего типа;

2) полагают, что структура поля в раскрыве такая же, как в поперечном сечении непрерывного волновода.

В этом случае использование формулы (1.1) для синфазного раскрыва с разделяющимися амплитудными распределениями (равномерным для стороны в и косинусным для стороны а) позволяет рассчитать АДН открытого конца прямоугольного волновода в каждой плоскости.

Для волноводов стандартных размеров (а=0,72l, в=0,32l) ширина диаграммы направленности

; (1.5)

(1.6)

в плоскости узкой и широкой стенки соответственно. Таким образом, прямоугольный волноводный излучатель формирует широкую диаграмму направленности, несколько сплюснутую в плоскости широкой стенки.

У круглого волноводного раскрыва ДН имеет почти игольчатую форму, а ее ширина составляет

. (1.7)

Поляризация поля у обоих волноводных антенн является линейной и совпадает с направлением вектора электрического поля в раскрыве.

Большим недостатком рассмотренных типов антенн следует считать их плохое согласование со свободным пространством. Поскольку волновое сопротивление прямоугольного волновода составляет rв=480…590 Ом, а для окружающего пространства r0=377 Ом, то в питающем волноводе устанавливается режим смешанных волн с коэффициентом стоячей волны КС=1,6…1,9. У круглого волновода КС=1,2…1,3.

1.3.  Рупорные антенны

У антенн данного типа отсутствуют недостатки, свойственные волноводным излучателям, – слабая направленность и плохое согласование со свободным пространством.

1.3.1.  Типы рупорных антенн

Рупор образуется путем увеличения поперечных размеров волновода

чение поперечного сечения волновода обеспечивает хорошее согласование со свободным пространством. Достоинствами рупорных антенн являются также простота конструкции, малые потери, хорошая диапазонность, что обусловило их широкое применение в миллиметровом, сантиметровом и дециметровом диапазонах.

В настоящее время в антенной технике наиболее широко используются секториальные, пирамидальные, коробчатые, конические и биконические рупоры (рис. 1.3).

Рис. 1.3

Секториальные рупоры образуются путем плавного расширения пары противоположных стенок прямоугольного волновода. Если расширяются стенки волновода, лежащие в Н-плоскости, то рупор называется Н-сек-ториальным (рис. 1.3, а). При увеличении размеров узких стенок (Е-плос-кость) получается Е-секториальный рупор (рис. 1.3, б). Секториальные рупоры используются для получения диаграммы направленности существенно различной ширины во взаимноперпендикулярных плоскостях. При плавном увеличении размеров всех стенок волновода образуется пирамидальный рупор (рис. 1.3, в). При скачкообразном расширении стенок получается коробчатый рупор. В зависимости от типа увеличиваемых стенок различают коробчатые Н - (рис. 1.3, г), Е - и ЕН-рупоры.

При плавном линейном расширении поперечных сечений круглых и

ние игольчатой диаграммы направленности с шириной главного лепестка порядка 9…12о.

1.3.2.  Понятие об оптимальных рупорных антеннах

Известно, что увеличение раскрыва антенны приводит к уменьшению ширины главного лепестка и увеличению коэффициента направленного действия антенны. Чем шире раскрыв рупора, тем уже диаграмма направленности и больше КНД. Однако это справедливо до некоторых пределов, после которых данные характеристики антенны ухудшаются. Причина названного явления заключется в изменении закона распределения фазы в раскрыве рупора, который вместо равномерного становится квадратичным.

чтобы определить вид фазового распределения в плоскости Н, рассмотрим геометрические соотношения в рупоре. Как видно из рис. 1.5, на краях рупора фронт волны отстает относительно центра. Максимальную разность хода (а значит, и разность фаз) можно определить из геометрических соотношений (см. рис. 1.5):

. (1.8)

Так как и , то . Следовательно, максимальная разность хода из выражения (1.8) определяется как

. (1.9)

Следовательно, закон изменения фазы в Н-плоскости раскрыва (фазовое распределение) приобретает вид:

. (1.10)

Таким образом, вдоль размера L рупора фаза распределена по квадратичному закону. Ранее было показано, что квадратичный закон изменения фазы в раскрыве расширяет главный лепесток диаграммы направленности по сравнению с равномерным распределением. Расширением главного лепестка можно пренебречь, если отклонение фазы на краях раскрыва не превышает p/4, т. е. . Следовательно, если выполняется условие

, (1.11)

то считеатся, что фаза в раскрыве постоянна.

Из вышеиложенного можно сделать следующие выводы:

1) ширина главного лепестка в плоскости Н зависит от величины отношения L/l. Чем больше отношение, тем уже главный лепесток;

2) ширина главного лепестка в плоскости Н зависит от фазового распределения вдоль размера L, при увеличении которого возрастает неравномерность фазового распределения в раскрыве и главный лепесток расширяется;

3) очевидно, существуют некоторые оптимальные размеры рупора, при которых главный лепесток наиболее узок.

Рупорная антенна с такими размерами называется оптимальной.

В таблице приведены основные параметры рупорных антенн и их оптимальные размеры (d – диаметр раскрыва конического рупора, – его площадь).

Таблица

1.3.3.  Способы создания остронаправленных рупорных антенн

Как видно из таблицы направленность рупорных антенн тем больше, чем больше площадь раскрыва. С другой стороны, чем больше ширина раскрыва (А или В), тем больше должна быть глубина оптимального рупора Ropt. Применение длинных рупоров для получения узких ДН неудобно с конструктивной точки зрения. Поэтому на практике используют следующие способы формирования высокой направленности рупорных антенн:

1) применение различных устройств, выравнивающих фазу в раскрыве. В качестве последних используются диэлектрические линзы, помещаемые в

Рис. 1.6

раскрыве рупора (рис. 1.6, а). В этом случае его длина приблизительно равна фокусному расстоянию линзы. В секториальных рупорах могут быть использованы геодезические (металловоздушные) линзы (рис. 1.6, б);

2) свертывание секториального рупора в рулон вокруг оси, параллельной его раскрыву. Данный способ сопряжен со значительными техническими сложностями;

1.4.  Линзовые антенны

1.4.1.  Основные типы линзовых антенн

Линзовые антенны предназначены для формирования узких (2q0,5<10°) диаграмм направленности игольчатой или веерной формы. Они являются апертурными антеннами оптического типа и используются в диапазоне сантиметровых волн и верхней части дециметрового диапазона. Линзовая антен-

и излучающей (поверхностью раскрыва). В качестве облучателя используются те же типы излучателей, что и в зеркальных антеннах.

Принцип действия линзовой антенны, заимствованный из оптики, заключается в преобразовании расходящегося пучка лучей слабонаправленного точечного источника в параллельный пучок или в преобразовании сферического фронта волны в плоский.

Радиолинзы классифицируются по нескольким признакам (рис. 1.9):

1) по фазовой скорости –

замедляющие – (рис. 1.9, а, б);

ускоряющие – (рис. 1.9, в, г);

геодезические – (рис. 1.9, д);

неоднородные – (рис. 1.9, е);

2) по способам технической реализации –

диэлектрические – (рис. 1.9, а);

металлодиэлектрические – (рис. 1.9, б);

металлопластинчатые – (рис. 1.9, в, е);

Рис. 1.9

металлические дырчатые – (рис. 1.9, г);

металловоздушные – (рис. 1.9, д);

3) по количеству преломляющих поверхностей:

одно и двухповерхностные.

1.4.2.  Замедляющие линзы

К замедляющим относятся линзы из естественного или искусственного диэлектрика, коэффициент преломления которого больше коэффициента преломления свободного пространства. В качестве материала для диэлектрических линз используется однородный диэлектрик – полистирол, фторопласт, тефлон и др. (см. рис. 1.8). В диэлектрике линзы , так как и относительная диэлектрическая проницаемость больше единицы.

Определим профиль замедляющей линзы в полярной системе координат , , начало которой поместим в фазовый центр облучателя F (рис. 1.10).

нение:

. (1.13)

Исключая из (1.12) и (1.13) величину z, находим уравнение профиля линзы:

. (1.14)

Формула (1.14) при n>1 представляет собой уравнение гиперболы с фокусом в точке F и эксцентриситетом n.

Толщина такой линзы обычно составляет d=(0,15…0,3)D. Для обеспечения оптимальной стоимости линзы, уменьшения ее веса, а также сокращения потерь в ней желательно, чтобы толщина была минимальной. Этого можно достигнуть, увеличивая коэффициент преломления n, либо фокусное расстояние f.

Увеличение n в замедляющих линзах приводит к возрастанию коэффициента отражения от поверхности линзы. Поэтому обычно выбирают n=1,3…1,6.

Увеличение фокусного расстояния f также нежелательно, так как при этом возрастает продольный размер антенны. Как правило, считается приемлемым соотношение f»d.

Уменьшение толщины линзы при больших апертурах достигается путем ее зонирования (рис. 1.11), основаного на том, что уменьшение толщины линзы в пределах зоны не должно нарушать синфазности поля в раскрыве линзы, т. е. величина Df должна выбираться так, чтобы разность полей каждой зоны была кратной 2p. Можно показать, что эта величина определяется как

жет быть значительно меньше толщины обычной линзы. Недостаток зонированных линз – появление так называемых "вредных зон" (см. рис. 1.11). Они обусловлены тем, что часть энергии от облучателя падает на ступеньки и отражается к источнику, что ведет к росту боковых лепестков и падению КНД антенны. Зонирование также уменьшает диапазонность антенны, так как ступеньки рассчитываются для определенной длины волны l.

Отражения, хотя и меньшие, происходят от незонированных линз. Для их устранения на поверхность наносят дополнительный (так называемый "просветляющий") слой диэлектрика. Его толщина и коэффициент преломления подбираются так, чтобы волны, отраженные от обеих поверхностей слоя, были равны и сдвинуты по фазе на p. Уменьшения влияния отражений на режим в фидере можно также добиться за счет небольшого наклона линзы.

Достоинством диэлектрических линз является их широкополосность, некритичность к поляризации. К недостаткам относятся значительные потери в диэлектрике, а также сложности, связанные с изготовлением однородной линзы, и большой вес.

В линзах из искусственного диэлектрика (металлодиэлектрических) в качестве преломляющей среды используется диэлектрик с небольшим удельным весом, малыми потерями и коэффициентом преломления, близким к единице, в массу которого вкраплены металлические частицы – шарики, диски, полоски и т. д. (рис. 1.9, д). Размеры этих частиц в направлении, параллельном вектору падающей волны, малы по сравнению с длиной волны. Как известно, в обычном диэлектрике под действием электрического поля молекулы поляризуются за счет смещения связанных зарядов. Степень поляризации диэлектрика определяет его диэлектрическую проницаемость. В случае использования искусственного диэлектрика роль отдельных молекул играют металлические частицы, а поляризация обусловлена смещением свободных зарядов – электронов.

Достоинства металлодиэлектрических линз – некритичность к поляризации падающей волны (если вкраплены шарики или диски), диапазонность, сравнительно малый вес.

С конструктивной точки зрения, более удобными являются дырчатые структуры. В диэлектрической дырчатой линзе в качестве преломляющей среды используется набор пластин из диэлектрика с отверстиями, распределенными неравномерно. Эффективное значение коэффициента преломления такой структуры меньше коэффициента преломления сплошного диэлектрика и зависит от числа и величины отверстий в единице объема.

К замедляющим также относят геодезические (металловоздушные) линзы (рис. 1.9, д и е), для которых . Они могут представлять собой системы из параллельных плоских (рис. 1.12) или гофрированных металлических пластин. Формирование плоского фронта в раскрыве геодезических линз достигается за счет "геометрического замедления" – выравнивания геометрических путей различных лучей без изменения фазовой скорости. При этом (вектор Е перпендикулярен пластинам), однако общий ре-

ловлено их широкое применение в радиолокационной технике для получения веерных диаграмм направленности.

1.4.3.  Ускоряющие линзы

Наиболее характерной разновидностью этого типа является металлопластинчатая линза, показанная на рис. 1.3, в. Она состоит из пластин, расстояние между которыми . Выбор такого расстояния обеспечивает распространение между пластинами только одного типа волны – Н10. Металлические пластины, ориентированые параллельно вектору , как бы создают плоские волноводы. Фазовая скорость волны и коэффициент преломления такой среды определяется следующими выражениями:

, (1.16)

где а – расстояние между пластинами.

Можно показать, что преломляющая поверхность рассматриваемой линзы должна иметь эллиптическую форму. При этом центральные лучи проходят меньший участок в волноводе и ускоряются меньше, чем крайние лучи, проходящие больший участок с , что приводит к выпрямлению волнового фронта.

Если облучатель создает сферический фронт волны, то освещенная поверхность линзы должна представлять собой часть поверхности эллипсоида вращения. В случае использования линейного облучателя (цилиндрическая волна) – освещенная поверхность линзы будет являться частью эллиптического цилиндра. Металлопластинчатая линза такого типа, изображенная на рис. 1.9, в, фокусирует лучи в Е-плоскости (Е-плоскостная линза). Линза, фокусирующая лучи в Н-плоскости (Н-плоскостная линза), представляет собой набор пластин разной ширины, которые образуют эллиптический профиль.

Ускоряющие линзы по сравнению с диэлектрическими имеют меньший вес и меньшие потери. Однако, они узкодиапазонны, так как в данном случае коэффициент преломления n зависит от частоты. Кроме того, ускоряющие линзы характеризуются поляризационной избирательностью, поскольку не фокусируют волну, у которой вектор перпендикулярен пластине.

пестков из-за рассеяния части мощности на ступеньках.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6