736

2. Определить размеры и параметры оптимального остроконечного пирамидального рупора, возбуждаемого на волне l = 7 см. Длина рупора Lопт

= 84 см.

3. Определить размеры раскрыва оптимального пирамидального рупора, максимальный КНД которого D0 = 240. Ширина ДН рупора на уровне 0,5 по мощности в главных плоскостях одинакова (2θ0Н,5 = 2θ0Е,5 ) , а длина волны

равна l = 2 см.

Решение. Для решения задачи воспользуемся формулами (4.23) и (4.1).

bP = 0,665aP = 0,665 ×15,3 @10,2(см) .

4. Рассчитать пирамидальный остроконечный рупор, который при возбуждении его прямоугольным волноводом МЭК – 100 на волне длиной l = 3 см имеет КНД в направлении максимума излучения не менее 40.

Решение. Размеры рупора в горловине определяются внутренними размерами волновода (см. Приложение) а = 22,85 мм; b = 10,16 мм.

дим, исходя из оптимального соотношения между ними (4.21):

5. Оптимальная коническая рупорная антенна имеет КНД в направлении максимума излучения D0 = 320. Длина рупора Lопт = 1,2 м. Определить длину волны, на которой работает антенна, и ширину ее ДН на уровне 0,5 по мощности в Н- и Е- плоскостях.

Рабочую длину волны определяем, используя соотношение (4.25) и учитывая, что dP = λ D0 / 5 . Тогда Lопт = λ (D0 /12 – 0,15), откуда

6. Определить фокусное расстояние зеркальной антенны в виде параболоида вращения c углом раскрыва ψр = 60°, максимальный КНД которой на волне длиной 3 см составляет D0 = 400. Коэффициент использования поверхности раскрыва принять равным 0,6.

Решение. Геометрическую площадь Sр раскрыва зеркала определяем

Диаметр параболического зеркала будет

7. Параболическая антенна с осесимметричным зеркалом диаметром dP = 4,5 м возбуждается полуволновым вибратором с дисковым контррефлектором и работает на волне длиной l = 20 см. Определить оптимальное фокусное расстояние зеркала, угол его раскрыва и электрические параметры антенны.

Решение. Показатель степени в выражении для нормированной амплитудной ДН полуволнового вибратора с дисковым контррефлектором равен

Вопросы для самоконтроля

Апертурные антенны

1.Схема расчёта волноводного излучателя апертурным методом.

2.С какой целью от волноводного излучателя переходят к рупорным антеннам?

3.Основные типы рупорных антенн и их ДН.

4.Конструкции и принципы действия антенн на замедляющих и ускоряющих линзах.

5.Антенна на основе линзы Люнеберга и её применение.

6.Однозеркальные параболические антенны, конструкции, применения.

7.Схемы построения двухзеркальных антенн Кассегрена и Грегори, особенности их характеристик по сравнению с однозеркальными антеннами.

8.Требования к облучателям зеркальных антенн.

123

5. Антенные решётки

Под антенными решётками (АР) понимают дискретную систему однотипных излучателей, расположенных в пространстве по определенному закону и определенным образом возбуждаемых. Число элементов в решётке может быть от единиц до нескольких тысяч.

5.1. Симметричный вибратор с плоским рефлектором и система двух связанных симметричных вибраторов

Симметричный вибратор в Н-плоскости имеет всенаправленную ДН. Для формирования в этой плоскости направленного излучения вибратор применяется с плоским рефлектором (экраном). Однонаправленное излучение можно получить также в двухвибраторной системе, состоящей из активного и пассивного вибраторов, расположенных в одной плоскости.

Симметричный вибратор с плоским рефлектором

Рефлектор обычно имеет прямоугольную форму и выполняется из металлического листа или сетки. Размеры рефлектора выбирают так, чтобы в его пределах укладывалась площадка, существенная для отражения волн. Например, для полуволнового симметричного вибратора, расположенного параллельно рефлектору на расстоянии d £ (0,2…0,3) l от него, размеры рефлектора выбирают в пределах L ³ (0,6…0,7) l. В инженерной практике при расчетах ДН и других параметров системы рефлектор указанных размеров можно считать бесконечным и таким образом пренебречь краевыми эффектами.

Такой вибратор с рефлектором бесконечных размеров можно представить в виде дискретной системы, состоящей из двух идентичных вибраторов: реального и его зеркального изображения. Вибраторы разнесены в пространстве на расстояние 2d. Распределение амплитуды тока в обоих вибраторах одинаковое, а их фазы отличаются на π. На основании принципа перемножения диаграмм направленности – формула (1.22), для системы из двух вибраторов можно записать

Прежде чем записать выражения для характеристик излучения рассматриваемой системы необходимо подчеркнуть, что в отличие от одиночного вибратора в данном случае направление оси z выбирают вдоль оси системы и от нее ведется отсчет угла θ. Используя выражения (2.29) и (2.30), подставив в них N =2, DФ =π, после некоторых преобразований для нормированного множителя направленности системы получим

124

существенное влияние на форму ДН. Это объясняется тем, что поле в дальней зоне образуется в результате интерференции волн, излученных непосредственно вибратором и отраженных от рефлектора. У отраженных волн фаза зависит от kdcosθ.

В случае полуволнового вибратора ДН при d/λ = 0,25 имеет один лепесток, максимум которого совпадает с нормалью к плоскости экрана (θ =0). С увеличением расстояния (d/λ > 0,25) ДН расширяется, в направлении нормали появляется относительный минимум. Поэтому расстояние d обычно выбирают в пределах (0,2…0,3) λ. Для примера на рис. 5.1 изображены нормированные ДН вибратора с квадратным рефлектором со стороной L

= 0,64λ. Расстояние Рис. 5.1. Диаграммы направленности в Е- и Н-плоскостях симмет-

ричного вибратора с плоским рефлектором

между вибратором и рефлектором d = 0,236λ. Пунктиром изображены нормированные ДН для вибратора с рефлектором бесконечных размеров. Видно, что диаграммы близки и для оценки влияния рефлектора можно пользоваться формулами (5.3) и (5.4), записанными для рефлектора бесконечных размеров.

125

КНД электрического вибратора с плоским рефлектором зависит от kd и при kd = π 2 (d = λ/4) достигает своего максимального значения.

Входное сопротивление можно записать в виде

Zвх= Z11 – Zвн = (Rвх1 – Rвн) + i(Xвх1 – Xвн),

– соответственно активная и реактивная составляющие входного сопротивления одиночного вибратора; Rвн, Xвн – активная и реактивная составляющие вносимого сопротивления.

Система из активного и пассивного симметричных вибраторов

Процесс излучения такой антенной системы заключается в следующем. Под воздействием электромагнитного поля активного вибратора в пассивном наводится ток I2 и этот вибратор сам становится источником излучения. Поле в дальней зоне является результатом интерференции полей активного и пассивного вибраторов. Фаза тока в пассивном вибраторе, а следовательно и поле в дальней зоне, определяются соотношением между длинами вибраторов и расстоянием d между ними. Соответствующим подбором расстояния d и длин вибраторов можно создать систему активный – пассивный вибратор с преимущественным излучением в направлении оси системы.

Например, при d = λ/4, равенстве амплитуд токов активного и пассивного вибраторов и разности фаз между ними Ф1 – Ф2= π /2 все излучение направлено в сторону пассивного вибратора. При тех же условиях, но при разности фаз (Ф1 – Ф2= – π /2), излучение направлено в сторону активного вибратора. Таким образом, излучение всегда направлено в сторону вибратора с отстающей фазой. Пассивный вибратор с отстающей фазой называется директором, а с опережающей фазой – рефлектором.

Диаграмму направленности симметричного вибратора с пассивным линейным рефлектором или директором можно найти, применяя принцип перемножения диаграмм. Для ДН системы справедлива формула (5.1). Подста-

127

Рис. 5.2. Взаимный импеданс полуволновых вибраторов

Сопротивление излучения системы, отнесенное к максимуму тока в активном вибраторе, рассчитывается по формуле

где R∑1 – собственное сопротивление излучения активного вибратора, отне-

сенное к максимуму тока; R12 – активная составляющая взаимного сопротивления вибраторов, отнесенная к максимуму тока.

Результирующий КНД системы вибраторов находится как

где D0 – КНД одиночного вибратора, определяемый по формуле (3.12).

Максимальное значение КНД не превышает пяти. Для его увеличения к активному вибратору добавляют рефлектор и несколько директоров, т.е. переходят к директорным антеннам, которые рассматриваются в 5.2.

Входное сопротивление активного вибратора в системе может быть записано в виде

где Z11 – собственное сопротивление активного вибратора;

128

Z21 – взаимное сопротивление, вносимое пассивным вибратором в активный.

После преобразования выражения (5.16) получим

Следует отметить, что расчет укорочения вибраторов при настройке в системе проводится с учетом взаимного сопротивления.

Система из двух активных симметричных вибраторов

Пусть оба вибратора являются активными, соединены с фидером и токи, питающие их, связаны между собой соотношением

Тогда нормированные амплитудные ДН такой двухвибраторной системы

где RΣ1 и RΣ 2 – собственные активные сопротивления излучения вибраторов, отнесенные к максимумам токов.

5.2. Директорные антенны

Директорные антенны или антенны типа «волновой канал» представляют собой дискретную систему расположенных в одной плоскости параллельных симметричных вибраторов, размеры которых близки к полуволновым. В диапазоне 100...1000 Мгц выполняются из жестких трубок, а на более высоких частотах по печатной технологии. Один из вибраторов, обычно петлеобразный, подсоединяется к фидерной линии и является активным, а другие – пассивными. Пассивный вибратор, располагаемый позади активного, играет роль рефлектора, а остальные, располагаемые впереди активного, называются директорами (рис. 5.3). Центры вибраторов можно крепить непосредственно к металлическому стержню, который не возбуждается из-за того, что силовые линии электрического поля перпендикулярны ему. Для защиты входных цепей приемников от грозовых разрядов стержень заземляется.

129

Рис.5.3. Директорные антенны

Принцип работы антенны заключается в следующем. Электромагнитное поле, излучаемое активным вибратором, направляется рефлектором и первым директором в сторону остальных директоров, которые при определенных условиях посредством электромагнитной связи возбуждаются, образуя своеобразный волновой канал. Естественно, более удаленные директоры возбуждаются слабее. Вдоль антенны распространяется бегущая волна с замедленной фазовой скоростью и коэффициентом замедления ξ > 1. Поэтому максимум излучения совпадает с осевым направлением. Замедляющая структура образуется системой директоров. Размеры вибраторов: активного 2l λ / 2 , рефлектора 2l > λ / 2 , директоров 2l < λ / 2 . Размеры пассивных вибраторов и их положения должны быть подобраны такими, чтобы обеспечить вдоль решетки вибраторов бегущую волну в режиме осевого излучения. Поляризация поля излучения линейная. Плоскость поляризации совпадает с плоскостью, в которой лежат вибраторы.

По своим свойствам директорные антенны относятся к антеннам бегущей волны. Они просты по конструкции и удобны в эксплуатации, поэтому нашли широкое применение в качестве приемных телевизионных антенн коллективного пользования в метровом и дециметровом диапазонах длин волн. Решётки таких антенн применяются в радиолокационных системах. В сантиметровом диапазоне длин волн они используются в качестве элементов ФАР. КНД одноканальных директорных антенн не превышает двадцати.

Диаграмму направленности можно рассчитать по приближенной методике, считая, что:

∙длины всех вибраторов одинаковы;

∙амплитуды токов во всех вибраторах одинаковы и равны амплитуде тока в активном вибраторе;

∙фаза тока от вибратора к вибратору меняется по линейному закону;

∙расстояния между вибраторами одинаковы и равны среднему значению dср = L(N − 1), где L – физическая (геометрическая) длина антенны, N

–число вибраторов.