книги из ГПНТБ / Каплун, В. А. Обтекатели антенн СВЧ (радиотехнический расчет и проектирование)

При решении систем уравнений, позволяющих осуществить необходимую аппроксимацию, в данном случае находятся также волно­ вые сопротивления слоев и амплитудный множитель h, а затем для выбранного угла компенсации Ѳа — диэлектрические проницаемости материала слоев и их толщины.

Толщины слоев

соответственно для переходов с монотонным изменением слоев н пере­ ходов со слоями чередующейся плотности.

Здесь Lrpail = 1/1Т I граи определяется значением коэффициента прохождения на границе полосы пропускания.

Запишем соотношения, связывающие найденные параметры пере­ ходов с граничными волнами полосы пропускания:

соответственно для переходов первого и второго типов.

Приведенные соотношения позволяют определить параметры пе­ рехода (а затем и стенки в целом), отвечающего заданным требованиям по прозрачности в определенном диапазоне частот и секторе углов па­ дения.

Следует отметить, что диэлектрические стенки чебышевского типа при одних и тех же радиотехнических параметрах имеют меньшую толщину сравнительно с другими типами конструкций.

Спроектированные рассмотренными методами конструкции должны быть проверены прямым расчетом, например с помощью круговой диаграммы полных сопротивлений.

В некоторых случаях для определения параметров переходов чебышевского или максимально гладкого типа можно использовать приближенные методы. При этом для выбранного угла компенсации Ѳа коэффициент отражения перехода следует определять без учета многократных отражений, так же, как при выводе соотношения (3.40). Если при этом предположить, что электрические толщины слоев равны между собой, и потребовать, чтобы модуль полученного соотношения

100

аппроксимировался полиномом Чебышева Тп (х) (или характеристи­ кой максимально гладкого перехода), то можно получить, как и в рас­ смотренных случаях, систему уравнений для нахождения волновых сопротивлений слоев и масштабного коэффициента р. Далее порядок расчета не будет отличаться от рассмотренного выше. При таком методе существенно упрощается система уравнений, из которой находятся волновые сопротивления слоев. Это упрощение представляет несом­ ненный интерес при синтезе диэлектрических переходов с числом слоев более 3—4. Ошибки расчета будут тем меньше, чем меньше пе­ репад диэлектрических проницаемостей между соседними слоями*.*

При синтезе монолитных диэлектрических стенок с включенными в них реактивными решетками (рис. 3.2) при известной их толщине и е материала необходимо определять величину реактивного сопро­ тивления (проводимости) решетки для получения заданной прозрач­ ности в требуемом диапазоне волн и секторе углов падения. В этом случае также целесообразно использовать круговую диаграмму полных сопротивлений (проводимостей). Порядок расчета следующий.

На диаграмме (при пересчете проводимостей от нагрузки к ге­ нератору) строится кривая входной проводимости в зависимости от углов падения Ѳдля одной половины стенки (относительно среднего

к нагрузке. Изменение величины относительной реактивной проводи­

BSIY0 = (B'IY0) - (B/Y0).

Эту решетку нужно включить в сечение а—а (рис. 3.2) для полного согласования стенки, при заданном угле падения 0.

Построение для угла Ѳ = 40° показано на рис. 3.15, а.

Если реактивная решетка размещена в слое несимметрично, пол­ ной компенсации отражений не достигается.

Для определения толщины однослойной стенки (дающей нулевые отражения при угле падения Ѳ-,) при заданной величине реактивной проводимости решетки B*g* на круговой диаграмме для заданного угла падения 0Хнаходится точка, соответствующая входной проводимости Увхаа/У0 = (G/Y0) + / (Bg/2Y0) (рис. 3.15,6). Тогда проводимость

Увхаа = (G/Уо) — j (BJ2Y) соответствует проводимости в сечении а—а (при перемещении от нагрузки к генератору вдоль эквивалентной линии); а дуга А А г определяет электрическую толщину стенки срѳі, по которой находится геометрическая толщина d стенки.

*При е < 6 4- 7 ошибки не превышают 5—7%.

**Вопросы определения реактивного сопротивления различных решеток рассматриваются в гл. 4.

101

Диаграмма проводимости.

ѴД7 ЦзЗ

Диаграмма прободимоста

5)'

Рис. 3.15. Определение параметров диэлектрической стенки с реактивной решеткой:

а — при заданных толщине и материале слоя; 6 - при заданных параметрах реактивной решетки.

8

Аналогичными методами могут быть рассчитаны и трехслойные стенки с реактивными решетками в двух или одном силовом слое.

Эти методы оказываются пригодными также для конструирования электрических стенок, предназначенных для работы на двух разне­ сенных волнах одновременно. В этом случае толщину среднего слоя следует определять из условия’компенсации отражений более длинной волны Ямако при угле компенсации Ѳ1? расположенном в дальней об­ ласти рабочих углов падения [первое условие (3.39)]. Диэлектрические переходы должны рассчитываться так, чтобы осуществлялось опти­ мальное прохождение более короткой волны Хдпш при угле компенса­ ции Ѳ2, также лежащем в области дальних углов рабочего сектора. Если используются широкополосные переходы (чебышевского или максимально гладкого типов), полосу пропускания надо брать такой, чтобы А,макс и Кмшв находились внутри полосы. При этом в рабочем секторе углов падения будут два минимума отражений для волны ^макс и один или два минимума отражения для волны ЯМІШ.

Если проектируемая диэлектрическая стенка предназначается для работы в широком ^непрерывном диапазоне волн, но в узком секторе углов падения, все расчеты следует проводить лишь для одного угла компенсации 0lt расположенного ближе к концу рабочего сектора

шевского типа и их расчет проводить так, чтобы крайние волны ра­ бочего диапазона А,д;ин и Хмакс лежали внутри полосы пропускания. При более широкой' полосе (когда Ямак0 > 2ЯМ1Ш) следует использо­ вать диэлектрические стенки с непрерывным изменением показателя преломления или те стенки, толщины которых существенно меньше рабочей волны А,ЛШЙ.

Рассмотренные методы позволяют синтезировать конструкции диэлектрических’стенок с заданными требованиями по коэффициенту прозрачности. Однако в ряде случаев наряду с требованиями по проз­ рачности необходимо иметь нужные фазовые характеристики фронта прошедшей волны.

Синтез таких конструкций — задача более сложная. Для ее реше­ ния целесообразно использовать совмещенные графики постоянной отраженной мощности и постоянного набега фазы, позволяющие выб­ рать конструкцию стенок с оптимальными радиотехническими ха­ рактеристиками и наглядно оценить всю картину их поведения в за­ данном диапазоне волн и секторе углов падения.

3.6. ГРАФИКИ ДЛЯ СИНТЕЗА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТЕНОК С ОПТИМАЛЬНЫМИ РАДИОТЕХНИЧЕСКИМИ

ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Количественные значения амплитудных и фазовых характеристик прошедшей и отраженной волн, а также характер зависимости их от углов падения волны тесно связаны со структурой, размерами

104

и параметрами слоев диэлектрических стенок. Удачный выбор этих параметров может обеспечить достаточно малое изменение характе­ ристик прошедшей волны от угла падения или же отсутствие скачков фазы (на 180°) для отраженной^ волны.

При конструировании обтекателей необходимый характер ампли­ тудно-фазовых характеристик прошедшей и отраженной волн задает­ ся. Рассчитанная диэлектрическая’стенка должна обеспечивать полу­ чение этих характеристик. Таким образом, при синтезе соответствую­ щих диэлектрических стенок необходимо в заданном секторе углов па­ дения оценивать их амплитудные и фазовые характеристики для каждого значения толщины слоев (илгфразмера реактивных решеток — для реактивных стенок) и величины диэлектрической проницаемости е.

Отсутствие скачков фазы|для отраженной волны, накладываемой на прошедшую в одном или нескольких заданных направлениях, легко

•можно проверить расчетом. Для определениями« оптимальных разме­ ров стенки по прошедшей волне (по ее фазе и амплитуде) целесообраз­ но использовать графики постоянной отраженной мощности* и пос­ тоянного набега фазы. Такие графики связывают величину отраже­ ний и набега фазы проходящей волны (при изменении углов падения от 0 до 90°) с размерами стенки [36]. Графики строятся для двух видов поляризации падающей волны — параллельной и перпендикулярной относительно плоскости падения. В заданном секторе углов падения эти графики позволяют определить номинал и допуски на размеры диэлектрических стенок заданной структуры, при которых лучшим образом сочетаются заданные требования по прозрачности и допусти­ мым фазовым искажениям фронта прошедшей волны в заданном сек­ торе углов падения. На рис. 3.16, 3.17 и 3.18 приведены некоторые совмещенные графики для однослойных, трехслойных стенок и одно­ слойных стенок с реактивными решетками.

Рассмотрим пример выбора размеров диэлектрической стенки, коэффициент прохождения которой в секторе углов падения 30—70е не хуже 0,75 {\R |2 ^ 0,25), а фазовые искажения прошедшей волны не более 20° для двух случаев поляризации (перпендикулярной и па­ раллельной).

Остановимся на стенке с] реактивной решеткой при е = 4,0

зовым искажениям показывает, что (фмакс—фмин) ^ 20° имеет место при d/X = 0,0584-0,075. На рис. 3.18 области, удовлетворяющие заданным условиям, ограничены прямыми I—I и II—II. В этих пре­ делах лежат искомые размеры. Итак, найденная диэлектрическая стенка с решеткой'имеет:

S/X = 0,25, р/Х = 3.13.10-3, е = 4,0, d/X = 0,058 -5- 0,075.

* Принцип построения кривых | R |2 = const изложен в [8], там же подробно

описано правило пользования ими.

105

«Параллельная поляризация ■ . Перпендикулярная поляризация

5)

107

а)

108

Аналогичным образом могут быть оценены стенки любой другой структуры (однослойные, трехслойные, семислойные), для которых построены аналогичные графики.

3.7. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ НАПРАВЛЕННЫХ АНТЕНН ДЛЯ СИНТЕЗА СТЕНОК С ПЛАВНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ

Синтез диэлектрических стенок с плавным изменением показателя преломления сводится к определению закона изменения диэлектри­ ческой проницаемости по толщине стенки, исходя из допустимого уровня коэффициента отражения в заданном диапазоне волн и секторе углов падения. При этом толщина стенки (из всех возможных вариантов) должна быть наименьшей. Это важно с точки зрения умень­ шения активных потерь и веса.

Неоднородную диэлектрическую стенку (рис. 3.19) условно можно разбить на три участка: оа, ab и Ъс, законы изменения диэлектрических проницаемостей для которых следующие:

■ *oa(y)=fl(y)> гаЪ(у) = const, 6Ьс (у) = h (у).

Таким образом, рассматриваемая конструкция представляет со­

коэффициента отражения для диэлектрической стенки с непрерывным изменением е в полосе частот зависит от диэлектрической проницае­ мости и толщины среднего слоя, от закона изменения диэлектрической проницаемости и толщины переходов оа и Ъс.

При зафиксированных параметрах среднего слоя и соблюдении

стенки в целом составляют | R | 2Д0П (в заданной полосе частот), то для

109