книги из ГПНТБ / Каплун, В. А. Обтекатели антенн СВЧ (радиотехнический расчет и проектирование)
.pdfСоотношение (6.9) в прямоугольной системе координат, связанной с плоско стью раскрыва антенны, дает следующие составляющие угловой ошибки:
xfm Афб2 cos Ѳ
Да. |
4k |
|
|
Да„ = ijfm |
cos0 |
|
4k |
где я н у — координаты проекции центра пластинки на плоскости раскрыва. Связь между координатами точек, лежащих в плоскости раскрыва, и коор
динатами точек, лежащих на поверхности обтекателя (рис. 6.30), выражается следующими соотношениями:
х = — г sin і -f-У? cos V cos t',
y = R sin V,
cos Ѳ = cos і sin ß -fsin i cos ß cos V,
, |
sin V |
tg у — -------------------------------- |
|
|
cos V cos i — tg ß sin ( ’ |
где z, R , v — координаты точки |
поверхности обтекателя; |
і и Ѳ— угол наблюдения |
и угол падения волны на стенку обтекателя со |
ответственно; |
|
ß 11 Y — угол, образованный осью обтекателя и касательной к его поверхно сти (в случае конического обтекателя касательная совпадает с его
образующей), и угол наклона плоскости падения волны к плоскости пеленга.
Для обтекателя конической формы с радиусом R0 в плоскости, содержащей центр вращения антенны,
R = Ro — ztg ß.
Если определять положение диэлектрической пластинки на обтекателе ко ординатами г и V, то для конического обтекателя координаты центра ее проек ции на плоскости раскрыва будут
*= (R — Z tg ß) COS V cos i — zsini,
У= (R — z tg ß) sin V.
Анализ воздействия пластинки на угловые ошибки соответствую щих обтекателей показывает, что величина создаваемых ею ошибок пропорциональна наклону кривой «набег фазы — толщина обтекателя». Отсюда следует, что при больших углах падения наклон кривой зна чительно изменяется с толщиной (особенно для перпендикулярной по ляризации), причем максимум достигается при толщине стенки обте кателя, равной половине длины волны.
На основании изложенного можно сделать следующие заключения:
1)угловые ошибки максимальны, когда пластина устанавливается на обтекателе с толщиной стенки, равной половине длине волны;
2)угловые ошибки, вызываемые пластиной, установленной на обтекателе с толщиной, равной половине длины волны, всегда больше при перпендикулярной поляризации, чем при параллельной;
3)угловые ошибки минимальны, когда пластина устанавливается на обтекателе, толщина стенок которого равна четверти длины волны.
Сувеличением диэлектрической проницаемости при пепендикулярной
202
поляризации влияние пластинки приближается к нулю, а при парал лельной к величине, получаемой при толщине стенки, равной половине длины волны;
4) влияние пластинки на обтекатель с толщиной стенки, равной половине длины волны, повышается с увеличением диэлектрической проницаемости материала стенки.
Зависимость величины угловой ошибки при ее экстремальных зна чениях от положения пластинки на образующей ѵ = 0 полуволнового конического обтекателя и зависимость положения точки перехода угло вой ошибки от положительных ее значений к отрицательным (по'углу
9-)
Рис. 6.31. Величина угловой ошибки и изменение угла перехода ошибки от положительной к отрицательной в зависимости от положения пластины на образующей обтекателя (ѵ=0):
а — угловая ошибка; б — изменение угла перехода; -------- — рассчитанная кривая;
--------- — экспериментальные данные.
отклонения антенны относительно оси обтекателя) от положения плас тинки на образующей ѵ = 0 (также для полуволнового обтекателя) приведены на рис. 6.31. Следует отметить, что точки такого перехода ошибки от плюсовых к минусовым значениям соответствуют углам наблюдения, под которыми центр пластины и центр раскрыва антенны совпадают.
На рис. 6.32 показаны семейства теоретических кривых угловых ошибок для пластин толщиной 0,04 X, лежащих на образующих
V =-. 0, V = 45° и V — 90° на расстояниях — 16 Л., — 24 Л. и ~ 32 X от основания обтекателя. Из рисунка видно, что эти кривые имеют при мерно синусоидальный характер, а при данном осевом положении их амплитуда уменьшается с увеличением ѵ (до ѵ =90°). При ѵ = 90° вы званные пластинкой угловые ошибки минимальны, а кросс-ошибки — максимальны; кроме того, приѵ = 90° кривые, характеризующие угло вые ошибки, становятся симметричными относительно нулевого угла наблюдения, а кривые, характеризующие кросс-ошибки, делаются равносимметричными (типичные результаты для кросс-ошибок при V = 90° и параллельной поляризации относительно плоскости пеленга показаны на рис. 6.33).
203
Результаты, полученные с пластинками, могут быть использованы для анализа влияния тонких колец на угловые ошибки обтекателей. При заданном осевом положении кольца его влиние на угловые ошиб ки можно определить с помощью рассмотренного выше принципа супер позиции по эффекту воздействия прямоугольной пластины, находящей ся в том же осевом положении, но при различных положениях ее на окружности. Обычно вполне достаточно информации о влиянии пла стины, расположенной через интервалы 30° по углу ѵ.
Рис. 6.32. Семейства кривых, характеризующие влияние диэлектрической пластины (перпендикулярная поляризация)-
---------- L = I 6 X ; -------- L = 24?.; ................ |
L = 3 2 X . |
При заданном угле наблюдения угловые ошибки, обусловленные эквивалентным кольцом, определяются как результат суперпозиции ошибок от составляющих пластинок (рис. 6.34):
Да = 2 |
Д ар^ |
— — — , |
? |
|
2/ 12 10 to |
где 2 Да-р — суммарное воздействие 12 пластинок, имеющих одинако-
р
вое осевое положение и угол наблюдения;
2 f, / 0 и t 0 — соответственно размер прямоугольной пластины по окружности и вдоль образующей и толщина пластины; I, t — ширина и толщина эквивалентного кольца.
204
На рис. 6.35 приведена кривая угловых ошибок для кольца. Теоре тическая кривая соответствует пластинам квадратной формы, распо ложенным на полуволновом коническом обтекателе, выполненном из стеклоткани. Толщина кольца 0,03 X, ширина 0,12 X [97].
Рис. 6.33. Типичное влияние пластинки на величину кросс-ошибки (параллельная поляризация, v=90°, L = 18Я).
Рис. 6.34. Диэлектрическое кольцо на обтекателе как суперпозиция пластинок.
------- — рассчитанная кривая; ,----- —. — экспериментальные
данные.
Асе, м и н у т ы |
L = 1GX |
Рис. 6.35. Влияние кольца при перпенди кулярной поляризации относительно плос кости пеленга:
.--------— рассчитанная кривая; |
— — — |
— |
экспериментальные |
данные. |
|
Хорошее соответствие расчетных результатов с эксперименталь ными позволяет использовать такой метод выбора компенсирующих колец и определения места их установки.
ГЛАВА 7
САМОЛЕТНЫЕ ОБТЕКАТЕЛИ
7.1. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Практически все современные самолеты оборудуются радиолока ционными станциями различного назначения. Требования большой разрешающей способности приводят, как правило, к большим размерам антенных систем и соответствующих им обтекателей. Зтп особенности, а также большие скорости современных самолетов заставляют конст рукторов при проектировании обтекателей наряду с радиотехниче скими требованиями существенное внимание уделять вопросам их механической прочности, теплостойкости и надежности [91].
Специфичным требованием для самолетных обтекателей является необходимость обеспечения достаточно высокой прозрачности во всем рабочем диапазоне волн: в сравнительно узком, на совмещенных вол нах, в широком непрерывном диапазоне воли и т. п. Ограничения же по угловым ошибкам, допустимым искажениям диаграммы направлен ности и т. п. не столь жестки, и обычно достижение требуемого коэф фициента прохождения обтекателя гарантирует выполнение также и этих требований. Несколько обособленно в этом отношении стоят обте катели навигационных станций допплеровского типа, для которых важным является также обеспечение постоянства пространственной ориентации диаграмм направленности.
Современным самолетным обтекателям свойственно широкое из менение углов падения ВЧ энергии (от 0 до 70—85°), излучаемой (или принимаемой) антенной, на их стенки. Лишь в отдельных случаях конструкция антенных устройств и их размещение на самолетах таково, что углы падения лежат в пределах 0—50° [8], [92], [103].
Достижение необходимой радиопрозрачности обтекателей в задан ных диапазонах волн осуществляется выбором соответствующей конст рукции их стенок. При выборе стенок необходимо учитывать все осо бенности условий работы обтекателей на самолетах, их габариты и форму и гарантировать выполнение всего комплекса требований с не обходимым коэффициентом запаса, обусловливающим надежность экс плуатации в летных условиях. Определение таких оптимальных кон
струкций — одна из главных задач разработчиков радиопрозрачных обтекателей.
Анализ показывает, что практически все рассмотренные в гл. 1 структуры диэлектрических стенок находят применение в современ-
206
ных самолетных обтекателях: однослойные, многослойные (компенса ционного и согласующего типов не сложнее семислойных), монолитные с реактивными согласующими решетками, многослойные с реактив ными решетками, стенки с плавным изменением показателя пре ломления и т. п.
7.2. ОБТЕКАТЕЛИ ДЛЯ РАБОТЫ В УЗКОМ ДИАПАЗОНЕ ВОЛН
Для самолетных обтекателей, предназначенных для работы в срав нительно узком диапазоне сантиметровых волн при широком секторе углов падения (от 0 до 70—85°), свойственных современным формам обводов, перспективными являются многослойные конструкции стенок, в том числе и с реактивными решетками в силовых слоях, позволяющи ми увеличить толщины силовых оболочек и тем самым повысить проч ность всей конструкции.
1 2 3 4- '5. 6 7 8
& II
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
ч |
Ч |
4 |
е4 |
е 5 Ч |
|
|
|
|
|
|
|
|
X |
1 |
П |
^4 25 Ч Z 7 |
V Z 1 Ч z u• ^ |
Ч |
Z B |
|||
п |
_ П |
П . |
|
|
U — |
I—I |
|
|
_| |
—LJ |
U |
'"”1—1----- X |
J |
— |
X |
||
d-f |
d-2, |
^4 ^ 5 |
^7 |
d, |
dz |
d3 dif |
dg |
|
|
di=d3=(i5=(i7 |
|
|
d-1~dj =d5 |
|
|
||
|
£ 1 ~ е 3 ~ е 5 = е 7 |
|
£ 1 ~ е з = £ 5 |
|
|
|||
|
|
£г -Ец |
|
|
||||
|
ег=£Ѵ £е |
|
|
|
||||
|
|
|
|
f) |
|
|
||
|
|
а) |
|
|
|
|
|
Рис. 7.1. Эквивалентные схемы многослойных диэлектрических стенок:
а — семнслойиая; б — пятнслойная.
Ниже рассмотрено применение изложенных в гл. 3 приближенных методов к синтезу наиболее, приемлемых для самолетных обтекателей многослойных диэлектрических стенок: семислойных, пятислойных,
трехслойных и семислойных с реактивными |
решетками. |
||
Вначале |
рассматриваются семислойные |
|
и пятислойные стенки. |
Из (3.34) |
с учетом преобразования (3.35) |
для семислойной стенки |
(рис. 7. 1, а) можно получить следующее приближенное соотношение
для коэффициента |
отражения: |
|
Я |
Гі[1_ |
е- і 2Фі] [1 _l е-і'гкф.+ф.)] [і_|-е-/2'(2Ф>+фН-(Р<>]. (7.1) |
Нули этого выражения, определяющие максимумы коэффициента прохождения, получаются при следующих условиях:
207
1) |
е-/2ф<= 1, т. |
е. ерх = |
я я , |
я = |
1, 2, 3, |
...; |
|
2) |
е-/2 |
(фі+ф=) = |
— j, т. е. фі -f ср2= |
> h I |
ni — 1. 3, 5,... ; |
||
3) |
ег‘2 |
(2Фі+ф2+ф4) — — і, |
т. е. |
2срх-|- ф2 + ф., = я2-у-', я2 = 1,3,5,... |
Первому условию соответствует толщина плотных слоев, равная полуволне. На практике для волн длинее 15 мм этот случай не прием лем, поскольку вся стенка оказывается слишком громоздкой, и обте катель тяжелым*. Использование же таких конструкций на более ко ротких волнах наталкивается на технологические трудности в связи с жесткими производственными допусками.
Второе и третье условия определяют электрические толщины слоев малой плотности (ф2 и ф4) при заданной электрической толщине сило вых слоев (фх) и углах компенсации Ѳх и Ѳ2. Для нахождения толщин
этих слоев |
d2 и d4 необходимо |
положить |
Фі |
+ |
ф2 = ях у при |
угЛе |
|
падения 0 = |
0 !, атакжеН? фх -f- ф2 + ф4 = |
я 2 |
у |
при 0 = |
02и решить |
||
полученную |
систему из двух |
уравнений |
относительно |
ф2 |
и ф4, |
имея в виду связь между геометрической и электрической толщинами (между ф и d).
Величины я х н п 2 определяют порядок стенки: для |
стенки порядка |
||
у я х = |
1 и /г2 = |
1; для стенки порядка у я х — 1 и п 2 |
= 3; для стенки |
порядка |
9 |
3 и я 2 = 1 и т. д. Лучшие характеристики прохож |
|
у п 1 = |
дения в диапазоне углов соответствуют стенкам меньшего порядка. Аналогично получается соотношение для стенки пятпслойной
структуры (рис. 7.1, б):
Я в і ^ М І —е-/2ф'] [1 -f е-/2 (фі+фг) -і-е_;Ч (фН-фз)]. |
(7.2) |
||
Нули R BX имеют место при |
|
|
|
1) е- / 2фі = і, т. е. ф4 = ял, |
я = 1 ,2 ,3 ,...; |
|
|
2 ) е - / 2 ( Ф і + Ф = ) + е - / 4 (Ф1+ ф ! ) = |
_ і „ т . е . ф і - ) - ф 2 = - Д - ) |
3 |
, - 1 - я , . . . |
|
3 |
3 |
Первому условию соответствует толщина плотных слоев, равная полуволне; такой конструкции обтекателей свойственны все ограни чения, оговоренные выше. Второе условие определяет электрическую толщину слоев с малой плотностью ф2 при заданной электрической толщине силовых слоев фх. По известным фх и ф^, а также величине диэлектрической проницаемости материала слоев определяются их геометрические толщины d1 и d 2. При условии фх + ф2 = я/З (или 2л/3) для угла падения Ѳх и полном согласовании стенки при угле паде ния Ѳ2 за счет рационального выбора толщины среднего слоя** диэ-
*Такие обтекатели могут найти использование в наземных условиях.
**Это можно сделать с помощью диаграммы полных сопротивлений.
208
лектрыческая стенка будет иметь два минимума коэффициента отра жения R 1JX (при 0 J и Ѳ2), что обеспечивает для нее высокий коэффи циент прохождения в широком секторе углов падения, свойственном современным обтекателям. -
Данный приближенный метод синтеза позволяет достаточно просто выбирать размеры семислойных или пятислойных конструкций стенок проектируемого обтекателя. Для уточнения характеристик прозрач ности необходимо проводить контрольный расчет (например, методом эквивалентных линий). Если при этом характеристики не удовлет воряют требованиям прозрачности, следует проводить дополнитель ную корректировку, задаваясь либо новыми значениями толщин слоев, либо новыми углами компенсации Ѳ( и 02.
Рис. 7.2. Эквивалентные схемы многослойных диэлектрических стенок с реактивными решетками.
Рассмотренный метод чрезвычайно удобен на начальной стадии разработки обтекателей, когда еще окончательно не определена ни конструкция стенки, ни ее основные размеры и требуется прикинуть возможные варианты и основные ожидаемые характеристики.
Если данный метод синтеза по каким-либо причинам не приемлем, следует пользоваться более строгими методами: например, методами, применяемыми при синтезе ступенчатых переходов (гл. 3, § 3), кривы ми постоянной отраженной мощности (гл. 3, § 4) и т. п.
Рассмотрим далее многослойные стенки с реактивными решетками. Приближенный расчет параметров трехслойных стенок с реактив ными решетками в силовых слоях (рис. 7.2) можно осуществить с по мощью выражения для коэффициента прохождения, аналогичного
(7.1):
== гг [1 — е—/2<р>] [1 + е- і 2(Ф,+Фг)]. |
(7.3) |
Нули данного выражения имеют место при
1)е—/‘2<р*= 1, т. е. ф1 = 0,
2)е—/2 <фі+ ф.) = — 1, т. е. фі-Е фа = п - | - ,
где п = 1, 3, 5,...
8 Зак. 424 |
209 |
Тип стенки
семислойная
dj ^2 dj dt,0; ^2^7 ifcditzfcj
1 2' 1 Н 1 2 1
семислойная
df dz dj dtf.djdzd]
1 2 1 tf 1 2 1
семислоиная ■
d j d 2 d j dtf d , d z ei..
BJ= " -■
13
1 2 1 0 1 2 1
пятислойная dj d2 dj йгdj
1 2 3 2 1
пятислойная dj dz d3 dz d:
1 2 3 2 1
Слон
• = 2,8 - 10_а
-Г- = 0,2
X di
т = ° -08
di
= 4 , 7 - 1 0 “
d2
T = °-19
di
-T- = 0,07
-Y = 2,6-10- a
d7
-r - = 4 - 1 0 - 2
dn
f = ° - 4:
' Т ' = 0 ,1 3
X
de
- f = 0 , 3
- l = 2,8-10-2
Л
d3
~ t = 0’1
dn
- = 0,2
di
-^- = 4,4-10-2
d3
т= ° - п
т= 0' 16
Материал
стекло текстолит
сотовая
структура
стекло текстолит
сотовая
структура
стекло текстолит
сотовая
структура
стекло текстолит
сотовая
структура
стекло текстолит
сотовая
структура
Т а б л и ц а 7.1
|
|
Радиотехнические |
|||
|
|
характеристики |
|||
ІГ |
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
|
0,8 |
|
-первн. поляр. |
|||
О,В |
|
||||
|
|
-парад; поляр. |
|||
О |
20 |
0 0 |
60 В,зрад |
||
Irl2 |
|
|
|
||
1,0 |
|
|
|
|
|
0,8 |
-----перпен. поляр. \ |
||||
0,6 |
|||||
----- парал. поляр. |
|||||
О |
|
20 |
60 |
60 8,град |
О 20 НО бОО.граЗ
Iт\г
1,0
0,80,6 - — перпен. поляр.
------парал. поляр.
О 20 W 608}град
ігі2
1,0 |
г |
г |
т ч і |
|
0,8 |
||||
---- перпен. поляр. |
||||
0,6 |
||||
---- парал. поляр. |
||||
|
29 |
*і9 |
§08ггрр§ |
210