Глава 11

ОБЛУЧАТЕЛИ МОНОИМПУЛЬСНЫХ АНТЕНН

11.1. Назначение. Принцип работы

Моноимпульсные антенны отличаются от обычных способом получения информации об угловом положении цели. В этом случае полная информация может быть получена за счет приема одного лишь импульса, отра­женного от цели. Эта задача решается путем сравнения амплитуд (или фаз) сигналов, принятых одновременно несколькими антеннами с разнесенными в простран­стве диаграммами направленности [Л. 1]. В настоящее время широкое распространение получили моноимпульс - ные антенны с суммарно-разностными характеристика­ми. В этом случае антенна обеспечивает формирование трех диаграмм направленности: суммарной (однолепест- ковой) и двух разностных (двухлепестковых) соответст­венно iB азимутальной и углом естной плоскостях (рис. 11.1).

Для формирования суммарной диаграммы направлен­ности вся поверхность антенны должна возбуждаться синфазно (рис. 11.2,а). Максимум такой диаграммы на­правленности совпадает с фокальной осью антенны (рис. 11.1 2Я, 2£).

Разностные диаграммы направленности формируют­ся при противофазном возбуждении левой и правой (рис. 11.2,6) или верхней и нижней (рис. 11.2,б) поло­вин раскрыта антенны. Эти две пары разностных диа­грамм направленности, имеющие нуль в направлении оси антенны и максимумы, разнесенные соответственно е азимутальной и угломестной плоскостях (рис. 11.1 А Я, Д Е), используются для получения сигнала ошибки в соответствующей плоскости [Л 1, Л 2, Л 3]. Формиро­вание требуемого фазового распределения (синфазного или противофазного) в раскрыве моноимпульсной антен­ны обеспечивается с помощью первичного источника или распределительной волноводной системы с соответству­ющим узлом возбуждения. В качестве первичных источ­ников в моноимпульсных антеннах могут быть исполь­зованы решетки из известных видов облучателей (вибра­торных, щелевых, рупорных, спиральных и др.), приме­няемых в обычных одноканальных антеннах, узел воз­буждения которых обеспечивает определенные фазовые

соотношения питающих напряжений решетки облучателя, состоящей из некоторого числа элементов, формирую­щих суммарную и две разностные диаграммы направ­ленности. Такие облучатели могут быть применены для построения антенных решеток с электрическим скани­рованием луча, а также моноимпульсных зеркальных, линзовых и других типов антенн. 278

11.2. Типы моноимпульсных облучателей

При проектировании моноимпульсных антенн могут быть применены облучатели, состоящие из системы полуволновых вибраторов, щелей, различных комбинаций открытых концов волноводов и вибраторов, рупоров и др., удовлетворяющие следующим основным требова­ниям:

1. Суммарная диаграмма направленности как в пло­скости вектора Н, так и в плоскости вектора Е, должна обеспечивать синфазное распределение поля в раскрыве антенны; одна разностная диаграмма направленности должна обеспечивать противофазное распределение поля только в плоскости вектора Н, другая — в плоскости вектора В.

2. Облучатель не должен излучать энергию в на­правлении, противоположном основному излучению, так как это излучение искажает суммарную диаграмму на­правленности и приводит :к отклонению «нуля» разност­ных диаграмм направленности.

3. Диаграмма направленности по суммарному кана­лу должна обеспечивать получение максимального ко­эффициента направленного действия, а по разностным каналам — максимальную крутизну пеленгационной ха­рактеристики [J1. 3].

4. Облучатель должен иметь минимальные попереч­ные габариты.

Рассмотрим принцип работы и расчет некоторых ти­пов облучателей.

Вибраторный облучатель

Простейший моноимпульсный вибраторный облуча­тель состоит из четырех полуволновых вибраторов, воз­буждаемых, например, коаксиальными линиями (рис. 11.3). Коаксиальные линии в свою очередь воз­буждаются с помощью гибридной волноводной схемы 5, выполненной в виде системы коаксиальных тройников, кольцевых мостов или свернутых двойных тройников, имеющей три входа: суммарный 2//, Е, разностный АН и разностный АЕ. Гибридная схема должна быть по­строена таким образом, чтобы полностью исключалась возможность попадания мощности из суммарного кана­ла в разностные, и наоборот.

При синфазном возбуждении электрических вибра­торов (рис. 11.3,6) формируется суммарная диаграмма направленности. Токи 1_и /₂, /₃ и /₄ в этом случае во всех четырех вибраторах имеют одинаковое направле­ние. Возбуждение этих вибраторов осуществляется через канал Е.

Формирование разностной диаграммы направленно­сти в магнитной плоскости (//) осуществляется с по-

мощью канала АН, который обеспечивает противофаз­ное возбуждение левой и правой пар электрических ви­браторов (рис. 11.3,б). В этом случае токи h и /₂ имеют одинаковое направление, а /₃ и /₄ — противоположные им.

Формирование разностной диаграммы направленно­сти в электрической плоскости (Е) осуществляется с по­мощью канала АЕ, который обеспечивает противофаз­ное возбуждение верхней и нижней пар электрических вибраторов. В этом случае токи U и /₃ имеют одинако­вое направление, а /₂ и /₄ — противоположные им (рис. 11.3,г).

Важно, чтобы гибридное устройство 5 обеспечивало одинаковый подвод мощности от суммарного Е и разностных АН, АЕ каналов к каждому из вибраторов (/, 2, 3, 4). Только в этом случае как суммарная, так и разностные диаграммы направленности будут иметь симметричную, относительно продольной оси облучате­ля, форму. В (рассматриваемом варианте облучателя гибридное устройство должно обеспечивать подвод к каждому вибратору как от суммарного, так и от раз­ностных каналов одну четвертую часть мощности. На­личие контррефлектора 6, который может быть выпол-- нен в виде прямоугольной пластины или пассивных ви­браторов, обеспечивает направленное излучение. Несим­метричность питания вибраторов при использовании коаксиальных линий может быть устранена с помощью различного рода симметрирующих устройств, например четвертьволновых стаканов.

Расчет диаграммы направленности вибраторного облучателя

Поле в любой точке пространства такого облучателя определяется как сумма полей всех вибраторов, а при наличии контррефлектора — с учетом их зеркальных изображений.

Для трехканального облучателя, состоящего из че­тырех электрических вибраторов с общим контррефлек­тором в виде прямоугольной пластины (рис. 11.3), полу­чаются следующие формулы для расчета диаграмм на­правленности:

— разностная диаграмма направленности в магнитной ■лоскости;

• разностная диаграмма направленности в электричес­кой плоскости;

Для трехканального облучателя, состоящего из полу­волновых вибраторов и контррефлектора, расположенно­го на расстоянии D = k/4, получаются следующие форму­лы для расчета диаграммы направленности в главных плоскостях

• суммарная диаграмма направленности в магнитной плоскости:

• суммарная диаграмма направленности в электричес­кой плоскости

• разностная диаграмма направленности в магнитной плоскости;

— разностная диаграмма направленности в электри­ческой плоскости,

где /с=2яД — волновое число; а — расстояние между вибраторами в магнитной плоскости; b — расстояние между вибраторами в электрической плоскости. 282

Ширина как суммарной, так и разностных диаграмм направленности такого облучателя зависит от размеров а и b (рис. 11.3). Выбор геометрических размеров облу­чателя и расчет входных сопротивлений может быть проведен по методике, рассмотренной в работе [JI 4].

Волноводно-вибраторный облучатель

Облучатели, состоящие из электрических вибраторов, возбуждаемых открытым концом волновода, широко ис­пользуются в качестве первичных источников различных типов одноканальных антенн. Возбуждая электрические вибраторы несколькими плоскими волноводами, можно сформировать суммарную и разностные диаграммы на­правленности. Моноимпульсный волноводно-вибраторный облучатель состоит из п — числа электрических вибра­торов, установленных на металлической пластине, воз­буждаемых, например, четырьмя плоскими волноводами (рис. 11.4). Волноводы в свою очередь возбуждаются

системой свернутых двойных тройников, образующих гибридную схему с тремя входами: суммарным (2//, Е) и двумя разностными (АН, АЕ).

При возбуждении суммарного канала в гибридной схеме возникают колебания типа Ню, которые распро­страняются в волноводах (/, 2, 3, 4) и обеспечивают синфазное возбуждение электрических вибраторов (рис. _П.4,б). В результате этого, как в плоскости век­тора Ы, так и в плоскости вектора Ё формируется сум­марная диаграмма направленности.

При возбуждении разностного канала АН в волно­водах 1, 2 и 3, 4 возбуждаются волны Н₁₀ с фазами, отличающимися на 180° (рис. 11.4,в), в результате чего токи в вибраторах 5 и 6 имеют противоположные на­правления. Это обеспечивает формирование разностной диаграммы направленности в магнитной плоскости.

Разностная диаграмма направленности в электриче­ской плоскости формируется за счет возбуждения с по­мощью канала АЕ противофазных волн Ню соответст­венно в волноводах 1, 3 и 2, 4 (рис. 11.4,г). В этом слу­чае токи в вибраторах 5 и 6, находящихся над метал­лической пластиной 7, отличаются по фазе на 180° от токов этих же вибраторов, находящихся под металличе­ской пластиной. Контррефлектор 8, как и в случае ви­браторного облучателя, обеспечивает направленное из­лучение в сторону зер'кала. Число вибраторов выбирает­ся в зависимости от требований к ширине суммарной и разностной диаграммам направленности.

Расчет диаграмм направленности вол н о в о д н о -в и б р а торного облучателя

Решение задачи сводится к определению амплитуд­ных и фазовых соотношений токов всех излучающих эле­ментов моноимпульсного облучателя, обеспечивающих формирование суммарной и разностных диаграмм на­правленности. При решении этой задачи предполагает­ся, что вибраторы и плоские волноводы, предназначен­ные для возбуждения электрических вибраторов — идеа­лизированные электрические и магнитные излучатели. Соотношения амплитуд и фаз токов облучателей, со­стоящих только из электрических или только из маг­нитных вибраторов, вычисляются по взаимным сопро­тивлениям 1[Л0 6], для расчета которых применяется ме- 284 т

тод наводимых э. д. с. Этот метод может быть применен и для расчета введенных 'нами «коэффициентов связи» между электрическим вибратором и плоским (а^>Ь) волноводом с произвольным размером широкой стенки а (рис. 11.5).

Используя выражение для вектора электрического поля через векторные потенциалы

и принимая во внимание, что

распределения токов

в электрическом вибраторе (/_э) и волноводе («магнит­ном вибраторе») /_м имеют вид

после соответствующих преобразований получаем сле­дующие выражения для активной (Е_уа) и реактивной (E_yv) составляющих поля, наведенных у поверхности электрического вибратора

— безразмерные коэффициенты, характеризующие связь между вибратором и волноводом в зависимости от а, L, Z, С. Интегралы, входящие в (11.6) и (11.7), не вы­ражаются известными функциями, поэтому зависимости К= f(a, L, Z, С) были определены путем численного интегрирования и приведены в табл. 11.1 и 11.2.

Расчет суммарной и разностных диаграмм направ­ленности волноводно-вибраторного облучателя основам на следующих предположениях:

Активные и реактивные мощности, расходуемые на из­лучение электрическим вибратором за счет влияния вол­новода, соответственно равны

1. Влияние стенок волновода и кромок металличе­ской пластины, предназначенной для крепления вибра­торов, не учитывается. 28 6

2. Размеры контррефлектора и пластины для креп­ления вибраторов принимаются неограниченными.

3. Отраженные волны отсутствуют (к. б. в.= 1).

Перечисленные предположения существенно упроща­ют решение задачи и в то же время позволяют с до­статочной для инженерной практики точностью прово­дить оценочные расчеты таких облучателей.

Формулы выводятся для облучателя, представляю­щего собой решетку, состоящую из системы волновод-

ных и вибраторных точечных источников, взаимные фа­зы и амплитуды тока которых определяются по коэф­фициентам связи «К» (табл. 11.1 и 11.2) и взаимным сопротивлениям [JI0 1, JIO 6].

Для волноводно-вибраторного облучателя (рис. 11.6) получаем следующую общую формулу для расчета 'сум­марной и разностных диаграмм направленности (по мощности):

при этом 9О°^0°^27О^О.

Для расчета суммарной диаграммы направленности Ро(0) и Р₀(180°—0) определяются по следующей фор­муле:

где mi, т₂ и г|л, г|)2—модули и фазы токов электриче­ских вибраторов 1 и 2 относительно волновода:

К_л, Яр — активные и реактивные коэффициенты связи из

табл. 11.1 и 11.2 (К_я и К —из табл. 11.1, а К_я К — из

\ р, d₂ р_а к

— диаграммы направленности сдвоенного волновода и

288

табл. 11.2); R\ Х\ R_n; R_iZ; Хц\ X_i2 — собственные (R, X) и взаимные (/?ц, Хц, X_i2) —активные и реактивные сопротивления электрических вибраторов {«710 1, Л0 4];

вибратора в плоскости Н, где sin 6₀ = соответственно cos 9₀=|/ 1—

=i/'-0

— диаграммы направленности волновода и вибратора в плоскости Е.

Для расчета разностной диаграммы направленности в магнитной плоскости P₀(Q) и Р₀(180°—0) определя­ются по следующей формуле:

М8) и /^(0)—по формулам (11.10).

Разностная диаграмма направленности в электриче­ской плоскости, формируемая противофазными волнами #io, рассчитывается для каждой полуплоскости по фор­мулам (11.8), (11.9), (11.11), при этом поле в секторе углов 90°5^180° (верхняя полуплоскость) берется со знаком +, а в секторе 180°^10^1270° (нижняя полу­плоскость) со знаком —.

Щелевой облучатель

Щелевой моноимпульсный облучатель состоит из че­тырех полуволновых щелей, прорезанных в металличе­ском экране (рис. 11.7). Возбуждение этих щелей мож­но осуществить так же, как и в случае вибраторных об­лучателей: коаксиальными линиями или волноводами. При синфазном возбуждении всех щелей (рис. 11.7,а) как и в плоскости вектора Н, так и в плоскости вектора Е формируется суммарная диаграмма направленности. При противофазном возбуждении левой и правой пар щелей (рис. 11.7,6) и верхней и нижней пар щелей (рис. 11.7,8) формируются разностные диаграммы на­правленности соответственно в плоскостях векто­ров Н и Е.

Суммарная и разностные диаграммы направленности щелевого облучателя рассчитываются как ДН решеток, 19—479 289

возбуждаемых си нф аз но или попарнопротивофазно: — суммарная диаграмма направленности, где

• разностная диаграмма направленности в магнитной плоскости;

• разностная диаграмма направленности в электриче­ской плоскости.

Для облучателя, состоящего из четырех полуволно­вых щелей (/ = Х/2), формулы для расчета диаграмм на-

правленностй <в главных плоскостях принимают вид

• суммарная диаграмма направленности в магнитной плоскости (9=0°);

• суммарная диаграмма направленности в электриче­ской плоскости (ср<=90°);

• разностная диаграмма направленности в магнитной плоскости (<р = 0°);

• разностная диаграмма направленности в электриче­ской плоскости (ф!=90°).

Синфазное и попарнопротивофазное возбуждение ще­лей обеспечивается гибридной схемой с тремя входными каналами: суммарным Е и двумя разностными АН, АЕ. Расчет проводимости, резонансной длины и других параметров щелей может быть проведен по методике, приведенной в работе [JI 4].

Рупорные облучатели

Рупорный моноимпульсный облучатель (рис. 11.8,а) состоит из одного общего раск;рыва, разделенного пере­городками на четыре или две секции. В случае четырех- секционного рупора формирование суммарной диаграм­мы направленности осуществляется за счет синфазного возбуждения всех секций волнами #ю (рис. 11.8,6), а разностных — попарнопротивофазного возбуждения: в магнитной плоскости левой и правой пар секций (рис. 11.8,в), в электрической—верхней и нижней пар секций (рис. 11.8,г).

19* 291

В двухсекционном рупо,ре (рис. 11.8Д е, ж, верти­кальной пластины нет) суммарная диаграмма направ­ленности формируется за счет синфазного возбуждения верхней и нижней секций волнами Н₁₀ (рис. 11.8,д). Раз­ностная диаграмма направленности в магнитной плоско­сти формируется за счет возбуждения в верхней и ниж­

Рис. 11.8. Схема моноимпульсного рупорного облучателя.

ней секциях синфазных волн Я₂о (рис. 11.8,е), так как устранение вертикальной перегородки и горизонтальный размер рупора обеспечивают возникновение и распрост­ранение этого типа колебаний. Формирование разност­ной диаграммы направленности ib электрической плоско­сти достигается за счет возбуждения противофазных волн #ю в верхней и нижней секциях рупора (рис. 11.8,ж).

Диаграммы направленности по полю такого рупор­ного облучателя получены с учетом явления дифракции на прямоугольном отверстии, возбуждаемом соответ-

—- суммарная диаграмма направленности © плоскости Н и Е, формируемая синфазными волнами Ню;

— разностная диаграмма направленности в плоскости Н, формируемая синфазными волнами Н₂о;

— разностная диаграмма направленности в плоскости Е, формируемая противофазными волнами #ю, где

11.3. Возможные схемы построения моноимпульсных облучателей

В зависимости от назначения и технических требо­ваний моноимпульсный облучатель может быть выпол-

нен в виде системы, состоящей из электрических вибра­торов, магнитных (щелей) или волноводов, и их различ­ных комбинаций. Для синфазного или противофазного возбуждения излучающих элементов гибридная схема должна иметь три входных канала (суммарный и два разностных) и обеспечивать между ними развязку (про- лезание сигнала из одного канала в два другие) не ме­нее 20 дб. На рис. 11.9 показан один из вариантов ги­бридного волноводного соединения, состоящий из систе­мы свернутых Я- и ^-тройников.

При возбуждении канала 2Я, Е в волноводах 1 и 2 возбуждаются две синфазные волны Ню, которые рас­пространяются по волноводам 3 и 4 и далее возбуждают синфазные волны Ню в волноводах 5, 6, 7, 8, образован­ных с помощью перегородок 9. При возбуждении кана­ла iAЕ в волноводах 1 и 2 возбуждаются противофазные волны Ню, которые далее, распространяясь по волно­водам 3 я 4, возбуждают в противофазе верхнюю пару волноводов 5, 6 по отношению к нижней паре 7, 8. Связь канала АЕ с волноводами 1 и 2 осуществляется через резонансную щель 10. При возбуждении канала АЯ в волноводах 3 и 4 возбуждаются синфазные волны Я₂о, которые в свою очередь возбуждают в противофазе левую пару волноводов 5, 7 по отношению к правой па­ре 6, 8. Связь канала АН с волноводами 3 и 4 осущест­вляется через резонансные щели 11 и 12.

Развязка между всеми каналами обеспечивается тем, что каналы 2Я, Е и АЕ возбуждают в волноводах 1, 2 ортогональные волны Ню, а канал АН — волну Я₂о, ко­торая не может распространяться по волноводам 1 и 2 в силу их заотр сдельности для этого типа колебаний.

С другими вариантами гибридных схем можно по­знакомиться в работах [Л 2, J1 5 и др.].

Если с помощью волноводных каналов 5, 6, 7, 8 рассмотренной гибридной схемы (рис. 11.9) возбуждать гистему электрических вибраторов (рис. 11.10), щелей или рупоров (рис. 11.11), то можно сформировать сум­марную и две разностные диаграммы направленности и использовать такие устройства в качестве первичных ис­точников для построения различных типов моноимпульс­ных антенн.