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

Г Л А В А 6

ОБТЕКАТЕЛИ С МАЛЫМИ УГЛОВЫМИ ОШИБКАМИ ПЕЛЕНГА

6.1. УГЛОВЫЕ ОШИБКИ ПЕЛЕНГА И ПРИЧИНЫ ИХ ПОЯВЛЕНИЯ

Искажения фронта волны, проходящей через обтекатель, являются причиной появления угловых ошибок в определении пеленга цели.

Угловые ошибки определяются либо угловым смещением в про­ странстве основного лепестка диаграммы направленности (при пеленге цели по максимуму сигнала), либо угловым смещением равиосигнального направления (при работе по методу равносигнальной зоны или с использованием моноимпульсных и дифференциальных схем). В обоих случаях эти ошибки отрицательно сказываются на характеристиках соответствующих РЛС, но особенно нежелательны они при исполь­ зовании РЛС в контуре самонаведения [91]. При использовании обте­ кателей в таких системах важно учитывать максимальную скорость изменения угловой ошибки (градиент угловой ошибки) при сканиро­ вании антенны под обтекателем.

Скорости, свойственные современным летательным аппаратам, заставляют использовать обтекатели хороших аэродинамических форм, а это создает невыгодные условия для распространения через их поверхность электромагнитной энергии, излучаемой или принимаемой антенной. Возникающие при этом искажения волнового фронта и,

следовательно, диаграммы направленности — причина появления уг­ ловых ошибок.

Степень этих искажений определяется формой обтекателя, радио­ техническими параметрами его стенок, характером диаграммы на­ правленности, конструктивными особенностями антенного устройства и его размещением относительно радиопрозрачной части обтекателя.

При пеленге по методу равносигнальной зоны или моноимпульсным способом искажения характеристик угловых ошибок происходят главным образом за счет изменения пространственной ориентации и уровня одного из лепестков сканирующей диаграммы сравнительно с другим лепестком или же за счет искажения формы этих лепестков (образующих пеленгационное направление).

Крутизна угловой ошибки (ее градиент) при выбранной форме обтекателей носового типа зависит от их удлинения и длины волны. На рис. 6.1 приведена зависимость крутизны угловой ошибки от уд­ линения оживального обтекателя [90]. Приведенная кривая связы-

172

вает также величину ошибки Да с длиной рабочей волны и размером

антенны через коэффициент —^ - (где 2а — диаметр антенны; X— длина

волны; R — коэффициент, равный для обычно используемых антенн единице). Видно, что при удлинении, равном 0,5, соответствующем полусфере, крутизна характеристики угловой ошибки равна нулю;

Асе. (f)

с увеличением удлинения крутизна ошибок растет. Приведенная кривая соответствует ожидаемой крутизне угловых ошибок на одной частоте. При работе в полосе частот крутизна увеличивается (рис. 6.2). Сопос­ тавление рис. 6.1 и 6.2 позволяет для данной формы обводов радиопроз-

у эквивалентного оживального обтекателя угол при вершине опреде­ ляется следующим образом: в точке поверхности рассматриваемого об­ текателя, находящейся на расстоянии от его вершины, равном 0,1

173

общей длины, строится касательная к его поверхности; угол между этой касательной и осью обтекателя будет равен половине искомого угла. При пользовании кривыми рис. 6.3 необходимо вначале опреде­ лить удлинение реально применяемого обтекателя и лишь затем из графика (для данного п) найти величину удлинения эквивалентного оживального обтекателя.

На самом деле у реальных обтекателей угловые ошибки и их гра­ диенты будут несколько отличаться от ожидаемых за счет влияния вторичных дифракционных волн, ошибок за счет статистических неод­ нородностей в стенках обтекателей и т. п. Все эти факторы, вместе взятые, могут быть выяснены лишь при экспериментальных исследо­ ваниях конкретных обтекателей.

Электромагнитное поле — векторное, и поэтому радиотехнические параметры обтекателей существенно зависят от поляризационных ха­ рактеристик антенн и падающей волны: для одних и тех же обтекателя

ориентациях вектора поляризации (вектора Е) относительно плоскости пеленга цели (плоскость сканирования антенны, в которой определяют­ ся характеристики угловых ошибок) различны. Эти характеристики изменяются также и при переходе к круговой или наклонной поляризациям относительно плоскости пеленга. Поэтому при про­ ектировании и оценке качества обтекателей следует принимать во внимание характер поляризационных характеристик антенны и поля.

При разработке остроконечных обтекателей с малыми угловыми ошибками их коэффициент прохождения в большинстве случаев не является определяющим параметром и им в разумных пределах можно жертвовать за счет улучшения характеристик угловых ошибок. Вероятно, предельным значением коэффициента прохождения для сов­ ременных обтекателей с удлинением 2,5—3,0, с которым еще можно мириться, является 70—80%. При этом зависимость коэффициента прохождения обтекателей от угла сканирования | Т | 2 = f (а) должна быть возможно более равномерной.

Действительно, изменение уровня коэффициента прохождения через обтекатель в зависимости от углов сканирования антенны при­ водит к искажениям основного лепестка диаграммы направленности антенны, что, в свою очередь, является причиной смещения ее мак­ симума или равносигнального направления. Приближенная зави­

симость между крутизной характеристики коэффициента прохожде-

d I т I2

ния обтекателя— пространственным смещением лучей диаграммы

2у (при работе по методу равносигнальной зоны) и величиной соот­ ветствующей угловой ошибки Да определяется следующим соотноше­ нием [92]:

Аа = 2у й\Т \г da

174

на градус и 2у = 4° величина угловой ошибки Да составляет « 5 угло­ вых минут, что для большинства используемых систем является суще­ ственной величиной, которую необходимо учитывать. Приведенный пример, соответствующий реальной ситуации, подтверждает необхо­ димость тщательного радиотехнического расчета при проектировании обтекателей с уменьшенными угловыми ошибками.

Получение угловых ошибок, соответствующих идеальным обтека­ телям, определяемых кривой рис. 6.1, еще не означает удовлетворение требованиям, которые диктуются данной системой и данной РЛС.

Фмакс І'мин

80

ВО

W

го

0

Рис. 6.4. Фазовые искажения за счет полуволновой диэлектри­ ческой стенки в зависимости от диэлектрической проницаемо­ сти материала:

В большинстве случаев для получения допустимого уровня угловых ошибок и их градиента необходимы специальные меры, приводящие к дальнейшему уменьшению этих ошибок.

Анализ показывает, что для достижения минимально возможных угловых ошибок, для обтекателей должны использоваться радиопрозрачные диэлектрические стенки с минимальными фазовыми искаже­ ниями фронта проходящей волны в широком секторе углов падения и обладающие вместе с тем высоким коэффициентом прохождения (т. е. полуволновые стенки и стенки с реактивными решетками).

При этом для полуволновых конструкций стенок важно правильно выбрать величину диэлектрической проницаемости материала е, позволяющую получить оптимальные фазовые (и амплитудные) харак­ теристики прошедшей электромагнитной волны в заданном секторе

углов падения. Кривые я|>макс— фмип = f (е) Для углов падения 0—85° при двух видах поляризации падающей волны (параллельной и перпендикулярной относительно плоскости падения), приведенные на рис. 6.4, показывают, что максимальные фазовые искажения имеют место при е = 1,4-h 1,8; при увеличении е эти искажения уменьшаются.

175

6.2. ОПТИМИЗАЦИЯ ОСТРОКОНЕЧНЫХ ОБТЕКАТЕЛЕЙ ПО КОЭФФИЦИЕНТУ ПРОХОЖДЕНИЯ

Получение максимального и равномерного в зависимости от углов сканирования антенны коэффициента прохождения обтекателей при наименьших угловых ошибках — задача весьма сложная. Для выб­ ранных конструкций радиопрозрачных стенок, отвечающих требова­ ниям минимальных фазовых искажений, коэффициент прохождения обтекателей при заданной их форме всегда может быть оптимизирован за счет специального профилирования стенок (для остроконечных обтекателей — вдоль образующей) [93].

Рис. 6.5. К определению оптимального (по коэффициенту прохождения) профиля сечения стенок обтекателя.

В результате подбора соответствующих размеров слоев диэлектри­ ческой стенки, обеспечивающих оптимальные амплитудно-фазовые характеристики, выбирается равномерная по толщине диэлектриче­ ская стенка, как правило, обеспечивающая получение близких к опти­ мальным радиотехнических характеристик обтекателя. Следующая задача — дальнейшее улучшение этих характеристик в нужном на­ правлении.

Очевидно, наибольший коэффициент прохождения обтекатель будет иметь в том случае, когда для каждой точки его профиля при каждом положении антенны будет реализован максимальный коэффициент прохождения его стенок. Профиль сечения радиопрозрачных стенок такого обтекателя должен быть переменным.

Применяя «лучевую» аппроксимацию электромагнитной волны (из­ лучаемой или принимаемой антенной) для заданной формы обтекателя (рис. 6.5, а), нетрудно найти профиль сечения стенок, удовлетворяю­ щий такому условию. Для этого в каждой точке профиля обтекателя для данного положения излучающего раскрыва определяется усред­ ненный угол падения 0Эфф с учетом «веса» каждого луча в общем зна­

177

чении коэффициента прохождения, а затем с помощью графика рис. 6.6 по известному углу Ѳэфф — оптимальная толщина стенки в данной точке профиля обтекателя.

Последовательность операций следующая [941:

а) задается координата я для каждой точки профиля и координата у для луча на раскрыве антенны (рис. 6.5, а);

б) для каждого угла поворота антенны а относительно обтекателя строятся кривые 0 = / (х) при различных значениях у (у = ѵаг), которые затемобъединяются в номограмму, подобную рис. 6.7;

Рис. 6.6. Графики для опредеРис. 6.7. К определению углов Ѳэфф. ления оптимальной (по коэф­ фициенту прохождения) "толщи­

ны стенки обтекателя.

в) по известной функции распределения поля в раскрыве N (у) и данным графика рис. 6.7 для каждого х определяется усредненный угол падения 0эфф:

£Ѳг(у) Ni (у)

г) по найденным Ѳэфф с помощью рис. 6.6 находится оптимальная толщина диэлектрической стенки обтекателя в каждой точке профиля х.

Примерная кривая Ѳэфф = f (х) для рассматриваемого обтекателя показана на рис. 6.7 (кривая 1), а соответствующее изменение толщины стенки обтекателя вдоль образующей — на рис. 6.5, б (кривая 1). В дальнейшем при необходимости должна проводиться дополнительная корректировка профиля с учетом той особенности, что при малых углах падения изменение толщины стенки влияет на радиопрозрачность об­ текателя в меньшей степени, чем при больших углах.

178

Данный метод определения переменного профиля может быть рас­ пространен на различные случаи усреднения углов падения для каж­ дой точки профиля. Например, для получения равномерного коэф­ фициента прохождения обтекателя следует определять средний угол падения так, чтобы для максимальных и минимальных углов в данной точке профиля обеспечивался одинаковый уровень коэффициента про­ хождения стенки.

При этом используются семейства кривых | 7" j2 = f (Ѳ) для поля­ ризации, соответствующей взятому сечению обтекателя при различных толщинах стенки. Из них выбирается одна, у которой для реализую-

Рис. 6.8. К определению профиля сечения стенки о’бтекателя с мак­ симально гладкой характеристикой |Т |2= /(а ):

а — выбранная кривая; б — метод совмещения графиков.

щихся в данной точке профиля обтекателя углов падения Ѳмако и Ѳшш обеспечивается равенство уровней коэффициентов прохождения (рис. 6.8, а). Выбранная кривая накладывается на график рис. 6.7 так, чтобы линия аб совпадала с ординатной для взятой координаты X, а точки а и б совместились бы с кривыми г/мпн и у мако (рис. 6.8, б). В этом случае вершина кривой | Т |2 = f (0), соответствующая уровню I ТI2 « 1 (точка б), определит «средний» угол "падения Ѳэфф. Описан­ ный процесс повторяется многократно (для всех координат профиля),

Рассчитанные таким образом обтекатели будут иметь увеличенный коэффициент прохождения и уменьшенные угловые ошибки сравни­ тельно с обтекателями при равномерной толщине стенок (рис. 6.9).

Рассмотренный путь дает возможность находить профиль сечения стенок обтекателей не только в какой-либо плоскости его сечения, но и по всей поверхности. Для этого необходимо знать углы падения лучей*

* При совмещении кривых на рис. 6.8, б должен быть выдержан одинако­

вым масштаб по оси 0.

179

Рис. 6.9. Радиотехнические параметры полуволнового обтекателя с равномер­ ной и профилированной по толщине стенками:

цилиндрического пучка, излучаемых раскрывом антенны, на поверх­ ностьобтекателя при учете того обстоятельства, что вращающаяся вокруг точки подвеса антенна обладает двумя степенями свободы. Решение такой задачи требует значительно больших усилий и оказы­ вается целесообразным лишь при использовании ЭВМ.

6.3. ВОПРОСЫ КОМПЕНСАЦИИ УГЛОВЫХ ОШИБОК

Угловые ошибки являются следствием деформации обтекателем проходящего через него волнового фронта и могут быть уменьшены с помощью специальных элементов, помещаемых в поле антенны внутри обтекателя.

Так как угловые ошибки связаны с нечетными искажениями вол­ нового фронта в раскрыве антенны, то действие компенсирующих элементов должно сводиться либо к внесению искажений в волновой фронт, противоположных по знаку существующим, либо к созданию дополнительных искажений, приводящих к компенсации только не­ четных составляющих в искаженном фронте, т. е. симметрирующих его.

Анализ показывает, что наиболее гибким является способ сим­ метрирования фазового фронта, так как его можно применить, почти не нарушая симметрии фронта при других положениях антенны. Для этого используются различные симметрирующие фазосдвигаю­ щие элементы: диэлектрические линзы и стержни, диэлектрические диски и диафрагмы, кольцевые утолщения и проточки в теле обтека­ теля [95]. Большинство из этих элементов рассчитывается лишь приб­ лизительно, и окончательная подстройка производится эксперимен­ тальным путем.

В качестве примера покажем один из путей выбора элементов ком­ пенсации угловых ошибок остроконечного полуволнового обтекателя с характеристикой рис. 6.10,а.

180

При выборе элементов компенсации и места их установки обтекатель удобно представлять в виде диэлектрической линзы сложного профиля, выраженного функцией угла сканирования антенны. Функциональная зависимость, определяющая профиль эквивалентной линзы, очевидно, весьма сложна и для реального обтекателя со всей массой случайных неоднородностей, являющихся следствием недостатков технологии

Рис. 6.10. Угловые ошибки (а) и соответствующая им эквивалентная лин­ за (б).

производства, нестабильности материалов и других причин, определен­ ной функцией вообще описана быть не может. Однако этот профиль

точно и не нужно знать.

Полагая, что угловые ошибки связаны только с нечетными иска­ жениями фронта прошедшей волны, по имеющемуся закону распреде­ ления этих ошибок в зависимости от угла сканирования антенны можно

Рис. 6.11. Компенсация угловых ошибок (рис. 6.10а) специальным профили­ рованием сечения стенок:

а — компенсирующий профиль; б — скомпенсированные угловые ошибки.

построить приближенный профиль эквивалентной линзы (рис. 6.10, б), а затем профиль компенсирующего элемента, сводящего угловую ошиб­

ку к минимуму (рис. 6.11).

Аналогичные рассуждения для угловых ошибок (рис. 6.12) полу­ волнового обтекателя (L/2D « 2,6), имеющего радиус закругления у вершины порядка 4 X, показывают, что их компенсация_может быть достигнута введением в носовую часть обтекателя фигурной диэлектри­ ческой вставки из пенопластмассы. Разумеется, окончательное поло­ жение и конфигурация элементов должны определяться эксперимен­ тальным путем.

181