АНТЕННЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК И ИХ ИЗЛУЧАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Под редакцией профессора Д. И. В о с к р е с е н с к о г о

Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия для студентов радиотехнических специальностей вузов

ИЗДАТЕЛЬСТВО «СОВЕТСКОЕ РАДИО» МОСКВА—1972

УДК 621.396.67

Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Под редак­цией профессора Воскресенского Д. И.

Учебное пособие для вузов. М. Изд-во «Советское радио», 1972, стр. 320, т. .19 200 экз.,. ц. 75 коп.

Авторы: Воскресенский Д. И., Грановская Р. А., Гостюхин В. Л., Филиппов В. С. и др.

Излагаются методики расчета антенных решеток СВЧ и их эле­ментов. Приводятся методы расчета основных параметров электри­чески сканирующих антенн с частотным и коммутационным спосо­бами управления диаграммой направленности.

Рассматривается построение оптимальных решеток с дольф-че- бышевским распределением и проектирование волноводно-щелевых и рупорных решеток.

Приводятся расчеты различных типов облучателей для по­строения моноимпульсных сканирующих антенн и упрощенные ра­счеты диэлектрических стержневых, спиральных, рупорных и дирек- торных антенн, которые могут быть использованы в качестве элемен­тов решеток или самостоятельных антенн.

Методики расчетов различных антенных решеток и их элементов излагаются независимо друг от друга в отдельных главах, что суще­ственно упрощает их использование.

Книга предназначена для студентов вузов радиотехнических спе­циальностей как пособие при дипломном и курсовом проектирова­нии, а также будет полезна инженерам, занимающимся проектирова­нием подобных систем.

А в т о р ы :

Ардабьевский Альбин Иванович, Волков Олег Александрович, Воскресенский Дмитрий Иванович, Гостюхин Вадим Леонтьевич, Грановская Роза Алексеевна, Гринева Кира Ивановна, Крицын Василий Алексеевич, Мякишев Борис Яковлевич, Филиппов Владимир Сергеевич,Чебышев Вадим Васильевич

3-4-2

117-72

Предисловие

Настоящая книга является учебным пособием по проектированию и расчету антенных решеток и их излу­чающих элементов. В ней приводятся методы расчета современных электрически сканирующих антенн и от­дельных типов излучателей по заданным техническим требованиям и даются необходимые сведения для инже­нерных расчетов. В пособии собран и систематизирован широко известный материал, имеющийся в книгах и журнальных статьях, а также использованы опублико­ванные работы Проблемной лаборатории по технике СВЧ МАИ. Вопросы общей теории антенн не излагают­ся, так как считается, что читатель знаком с общим курсом «Антенны и устройства СВЧ», читаемым на ра­диотехнических факультетах вузов. Следует подчеркнуть, что рекомендованные в книге методики расчетов не пре­тендуют на исчерпывающую полноту, в них не включен ряд результатов научно-исследовательских работ по оп­тимизации некоторых характеристик антенн. Излагае­мые методики позволяют рассчитывать антенны, удов­летворяющие основным техническим требованиям в объеме, необходимом при курсовом и дипломном про­ектировании, а также при . предварительной проработке антенных систем.

Весь материал книги условно может быть разделен на три части. В первой (главы 1, 2, 3) рассматривается проектирование антенных решеток с электрическим уп­равлением лучам. Во второй части (главы 4, 5, 6) рас­сматриваются некоторые общие вопросы проектирования наиболее распространенных видов СВЧ антенных реше­ток, не связанные непосредственно с электрическим ска­нированием: построение оптимальных решеток, проекти­рование волноводно-щелевых и рупорных антенн с уче­том взаимодействия излучателей. В третьей части (гла­вы 7—11), рассматривается расчет антенн, которые при проектировании могут быть использованы как эле-

менты более сложных сканирующих антенных. решеток, как самостоятельные антенны, а также как облучатели для построения антенных решеток и других типов моноимпульсных антенн.

В конце книги приведен список литературы общей для всех глав, ссылки на которую даются в тексте в ви­де обозначения [ЛО]. Кроме того, в конце каждой главы приводится литература, рекомендуемая при расчете и проектировании каждого отдельного типа антенны, ссылки на которую даются в виде обозначения [Л].

Книга предназначена для студентов вузоа радиотех­нических специальностей при выполнении дипломного и курсового проектирования, а также может быть полезна инженерам, занимающимся проектированием антенных решеток.

Книга написана коллективом авторов в составе: Д. И. Воскресенский (гл. 1); Р. А. Грановская (гл. 2); В. С. Филиппов (гл. 3); Б. Я. Мякишев (гл. 4); В. Л. Гостюхин (гл. 5) ; К. И. Гринева (гл. 6); В. В. Чебышев (гл. 7 и соавтор гл. 8); О. А. Волков (гл. 9) ; А. И. Ардабьевский (гл. 10 и соавтор гл. 8); В. А. Крицын 1 (гл. 11). Под общей редакцией профессора Д. И. Вос­кресенского. Авторы выражают благодарность про­фессору д. т. н. Г. Т. Маркову и доценту, к. т. н. М. С. Жуку за ценные замечания и советы, высказанные при рецензировании рукописи.

Глава 1

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНТЕНН СВЕРХВЫСОКИХ

ЧАСТОТ

Введение

Антенно-фидерное устройство, обеспечивающее из­лучение и прием радиоволн, является неотъемлемой частью любой радиотехнической системы. К антенне предъявляется ряд технических требований, вытекающих из назначения радиосистемы, в которой она применяет­ся. Условия размещения и работы антенны влияют на ее характеристики. Реализуемость требуемых направ­ленных, частотных, энергетических и других характеристик антенны во многом определяется рабочим диапа­зоном волн. Последние два десятилетия ознаменовались широким внедрением в радиотехнику сверхвысоких частот (СВЧ). В диапазоне СВЧ антенны обеспечивают остронаправленное излучение с шириной луча единицы и доли градусов и коэффициент усиления, достигающий десятки и сотни тысяч. Эти направленные свойства поз­волили использовать антенну не только для излучения и приема радиоволи, но и для пеленгации (в радиолока­ции, навигации, радиоастрономии), борьбы с помехами, обеспечения скрытности работы и для других целей.

Начав своё применение в радиолокации, техника СВЧ распространилась на телевидение, радиоуправле­ние, радионавигацию, радиосвязь, телеметрию, ускори­тельную технику и другие отрасли электроники.: Успеш­ное развитие радиоастрономии и освоение космоса во многом обязаны достижениям техники СВЧ.

В настоящее время получили широкое распростране­ние остронаправленные сканирующие антенны СВЧ. Сканирование позволяет осуществлять обзор окружаю­щего пространства, сопровождение движущихся объек­тов и определение их угловых координат. При механи­ческом сканировании, которое выполняется вращением всей антенны, максимальная скорость движения луча в пространстве ограничена и при существующих в на­стоящее время скоростях летательных аппаратов оказы­вается недюстаточной. Поэтому возникла необходимость в разработке новых типов антенн, удовлетворяющих бо­лее высоким требованиям.

Наметившееся в последнее время применение антен­ных фазируемых решеток .для построения сканирующих остронаправлснных антенн позволяет реализовать высо­кую скорость обзора пространства, что способствует уве­личению объема информации о распределении источни­ков излучения или отражения электромагнитных волн в окружающем пространстве. Современные устройства СВЧ с электровакуумными или полупроводниковыми при­борами и электрически управляемыми средами позво­ляют не только создать управляемое фазовое распреде­ление, т. е. получить электрическое сканирование, но и осуществить первоначальную обработку поступающей информации (суммирование полей, преобразование ча­стот, усиление и т. д.) непосредственно в фидерной тракте антенны. Таким образом, применяемые на практике антенны из простых устройств превратились в сложнейшие системы, имеющие до десятков тысяч и более излучателей, фазовращателей, управление которы­ми осуществляется специальной ЭВМ. Конструкция таких антенн оказывается весьма сложной и определяет в основном габариты и стоимость всей радиосистемы. Все это привело к изменению роли антенн в современ­ных радиосистемах.

Реализуемые характеристики антенн в настоящее время предопределяют ряд основных параметров всей радиосистемы. Так, в радиолокационных станциях раз­решающая способность и точность определения угловых координат, скорость перемещения луча в пространстве, помехозащищенность и т. д. определяются антенными характеристиками.

Усложнение антенн в процессе их развития и возра­стание их роли в радиосистемах привело к расширению круга радиоспециалистов, работающих непосредственно в области антенно-фидерных устройств. Расчетом основ­ных характеристик антенн и устройств СВЧ приходится заниматься не только этим специалистам, но и разра­ботчикам; всей радиосистемы и отдельных ее устройств, связанных с антенной подобные расчеты на стадии предварительного проектирования позволяют выяснить предельно достижимые характеристики всей радиосисте­мы с учетом реализуемости отдельных устройств и их совместной работы.

Возрастание роли и появление новых типов антенн привели к существенному расширению, углублению тео­рии антенн и разработке новых методов расчета. Этим вопросам в технической литературе уделено значитель­ное внимание: издан ряд специальных монографий [ЛО7, ЛО9, ЛО10, и Л1, Л2, ЛЗ, Л4, Л5], опубликовано зна­чительное число работ в периодике. Однако использование этих материалов радиоинженерами, а также студен­тами, выполняющими дипломное и курсовое проектиро­вание, встречает еще значительные трудности. Это и при­вело к написанию настоящего учебного пособия, в кото­ром сделана попытка облегчить проектирование сканирующих антенн СВЧ.

В пособии излагаются инженерные методы электри­ческого расчета антенных решеток СВЧ и отдельных типов излучателей, которые могут быть как элемента­ми решеток, так и самостоятельными антеннами. Изла­гаемые ниже методики расчета являются достаточно простыми, основаны на приближенных методах расчета антенн СВЧ и пригодны в большинстве случаев для инженерной практики. Эти методики на первых этапах проектирования антенн позволяют приближенно опреде­лить основные параметры и характеристики антенны, которые в дальнейшем, при необходимости, могут быть уточнены с помощью различных известных в литературе более строгих методов расчета. Излагаемый ниже ма­териал рассчитан на читателя, уже знакомого с общим курсом антенн и устройств СВЧ радиотехнических фа­культетов высщих технических учебных заведений.