книги из ГПНТБ / Орлов Л.В. Расчет и проектирование антенн гидроакустических рыбопоисковых станций
.pdfУ симметричных параболических зеркал искажение характеристики направленности усугубляется затеняю щим действием облучателей, располагающихся на пути следования лучей. Поэтому для формирования веера характеристик направленности целесообразно исполь зовать несимметрично усеченные параболоиды с облу чателями, расположенными за пределами раскрыва зеркала (рис. 17, в).
ПАРАБОЛИЧЕСКИЕ РЕФЛЕКТОРНЫЕ АНТЕННЫ С ВЕЕРОМ ХАРАКТЕРИСТИК НАПРАВЛЕННОСТИ
Параболические антенны целесообразно использо вать, если необходимо повысить разрешающую способ ность рыбопоисковой аппаратуры за счет применения остронаправленных характеристик с шириной основного лепестка 1—3°.
Ширину одновременного сектора обзора при этом следует выбирать, учитывая реальные возможности по созданию многоканального тракта станции, — в ази мутальной плоскости 20—40°, в угломестной плоскости
10— 20°.
Количество каналов должно соответствовать чис лу характеристик направленности, составляющих веер, относительный разворот которых должен быть та ким, чтобы соседние основные лепестки пересекались на уровне 0,7 по давлению (или 0,5 по мощности). Таким образом, для осуществления, например, одновременного обзора пространства в секторе 30° X 9° лепестками ши риной 3°ХЗ° или 1°Х9° потребуется веер из 30 характе ристик направленности.
Дальнейшее расширение сектора обзора можно осуществлять посредством механического вращения ан тенны.
Для формирования несимметрично усеченной пара болической антенной в плоскости симметрии (азиму тальной) в секторе 30—40° веера из 2—3-градусных характеристик направленности с приемлемыми их ис кажениями необходимо выбирать зеркала определенной
геометрии. Чем меньше отношение — , где D — размер
F
42
раскрыва зеркала, F — фокусное расстояние параболы, тем меньше искажения повернутых характеристик на правленности, но больше габариты антенны. Рациональ-
задачи находятся в пределах 1,6— 1,3.
При необходимости поворота характеристик направ ленности в угломестной плоскости в секторе 10— 15° степень асимметрии зеркала следует выбирать, ориенти
руясь на следующие цифры: H/D = 0,6ч-0,7. У |
зеркала |
с меньшими значениями H/D и сектором обзора |
10—20° |
в угломестной плоскости возможно затенение части по верхности облучателями, обеспечивающими поворот характеристик направленности по направлению к даль ней от фокальной оси кромке зеркала. Большая асим метрия зеркала уменьшает его коэффициент усиления, а габариты антенны увеличиваются.
Общее выражение II— I для определения дальнего поля (ненормированной характеристики направленно сти) любой параболической антенны в любой плос кости имеет сложный вид. Для доведения его до число вых результатов требуется применение больших элек тронно-вычислительных машин.
. П*г)
exp (—jkFcos 0) |
cos0 Г |
Г е(у, г , |
0, |
Я, |
F, к) X |
|
г |
! / = / ( * , ) |
|
|
|
Х Р ( у , г, х0, г0, у0, F, |
ЦЯ( у , |
г, х0, у0, г„, |
i|>, |
б, |
n)dydz — |
* </=№,)
X R (у, z, x0, y0, z0, |
6, n) zdydz , |
(II—1) |
где e ((/, z, 0, Q, F,X) = exp jk |
cos 0 -f- у sin Q sin 0 -f- |
|
+ г cos Я sin 0 |
|
|
43
P (у, г , x0, (/„, г0> f , Я) =
exp - J k Y |
Г / |
г2 |
ф |
|
\2 |
[ — [ |
f - - F - x |
0) + ( y - y o )2+ ( z - z 0)* |
|||
|
|
|
. -_ |
|
» |
|
|
------F — x^j |
+ |
(у — Уо)2 + (z — z0)2 |
|
|
О, |
Й — текущие углы характеристики направлен |
|||
|
|
|
ности; |
|
|
Хо, |
|
F — фокусное расстояние параболы; |
|||
Уо. zо— координаты, определяющие смещение об |
|||||
|
|
|
лучателя из фокуса параболоида; |
||
yi=f(zi)\ У2 = Н гг) — пределы |
интеграла, определяющие фор |
||||
|
Ф, |
|
му раскрыва зеркала; |
||
|
6 — углы ориентации максимума основного ле |
||||
|
|
|
пестка характеристики направленности об |
||
|
|
|
лучателя по отношению к фокальной оси; |
||
|
Я (у, г, х0, у0, г0, F, К) — |
||||
|
|
|
|
|
П |
г2 + У2 — F — х0 ) cos б cos ф — (у — уо) sin ф -f- |
|||||
4F |
|
|
|
|
|
|
|
-f- (г — г„) sin б cos ф |
|||
г2 + |
У2 |
F — хо |
1 + (У— Уо)2 + (г — го)2 |
||
|
4F |
|
|||
|
|
|
|
|
|
—сомножитель, характеризующий направ ленность облучателя. Размеры облучате
|
|
ля считаются малыми в сравнении с фо |
|||||
|
|
кальным пятном, а характеристика нап |
|||||
|
|
равленности с |
целью упрощения связи |
||||
|
|
с геометрией параболоида аппроксимиро |
|||||
|
|
вана косинусоидальной функцией степе |
|||||
Поясним |
|
ни п. |
|
и характеристики: |
|||
некоторые |
обозначения |
||||||
г2 + г/2 = 4F(x + F) — уравнение параболоида |
в |
принятой |
|||||
на рис. 17, в системе координат; |
D — размер |
раскрыва |
|||||
зеркала — проекции |
на |
плоскость, |
перпендикулярную |
||||
фокальной |
оси; Н — расстояние |
от |
оптической оси до |
||||
центра раскрыва; ра, |
РУМ— угол |
поворота |
максимума |
||||
основного лепестка характеристики направленности в азимутальной и угломестной плоскостях. Вследствие ко нечности длины волны параболоид фокусирует энергию не в точку, а в некоторую область, называемую фокаль ным пятном с периодическим спадающим распределе нием энергии от центра к краям. Размер фокального пятна по первому нулевому уровню
F |
(II—2) |
d0 = 2,44^ — . |
44
При расчете характеристик направленности в угло местной и азимутальной плоскостях соответственно Й =
= 90°, |
z0=O, 6 = 0 и Q — 0, уо= 0, поэтому |
выражение |
(II— I) |
несколько упрощается. |
|
С в я з ь с м е щ е н и я о б л у ч а т е л я из ф о к у |
||
са с |
п о в о р о т о м х а р а к т е р и с т и к и |
направ - |
Рис. 18. К определению мест расположения облу чателей при формировании веера характеристик направленности в угломестной плоскости.
л е н н о с т и . Уясним связь между поворотом характе ристики направленности на заданный угол и координа тами смещения облучателя из фокуса. В угломестной плоскости места расположения облучателей могут быть определены при помощи построения лучевой картины следующим образом. От трех точек (рис. 18) А, В, С — мест падения на рефлектор лучей (в центре и на краях) под углами, равными углу падения рум фронта плоской волны, строят отраженные лучи (обозначены соответ ствующими линиями) для каждого случая рум. Полу чают аберрационные треугольники а, Ь, с. Лучи, отра женные от точек, лежащих между точками А и С, не выходят за пределы треугольников.
45
Облучатели следует располагать в местах макси мальной концентрации лучей, отраженных от рефлек тора, так, чтобы их фазовые центры находились на пути прохождения лучей, отраженных от центра рефлектора, в минимальном поперечном сечении пучка. Ориентиро вать облучатели в угломестной плоскости целесообразно максимальным уровнем основного лепестка на центр зеркала. В некоторых случаях, особенно при больших углах наклона характеристики направленности и корот кофокусных зеркалах, линия расположения облучателей может оказаться вогнутой в сторону зеркала. Такое расположение облучателей нежелательно, так как воз можны фокусировка энергии облучателями и кавита ционные явления при излучении. Облучатели лучше располагать по прямой линии, допуская некоторые от клонения их (в пределах размера фокального пятна) от найденных мест расположения вдоль направления на центр зеркала. Прямолинейное расположение облуча телей упрощает конструкцию мозаики. При этом не возникнут искажения характеристик направленности, возможные при образованных облучателями криволи нейной или ступенчатой формах поверхностей.
Определить места расположения облучателей при формировании веера характеристик направленности в азимутальной плоскости простым образом не удается, так как картина хода лучей, падающих на зеркало и отраженных от него, не является плоской. Наиболее точ ным из известных аналитических способов, естественно, является расчет по формуле (II— 1). Однако проведение такого расчета на первом этапе проектирования не всег да удобно, поскольку могут отсутствовать готовые программы для электронных вычислительных машин. Процесс проектирования антенны затягивается, так как величина смещения облучателя является одним из тех параметров, без которого расчет и выбор геометрии антенны фактически невозможны, тем более что величи на смещения входит в состав параметров, определяющих габариты антенны.
Возможен приближенный метод расчета величины смещения облучателей с использованием выражений (II—5) по координатам следов лучей, отраженных от зеркала, на плоскостях, параллельных раскрыву, в за висимости от углов наклона лучей к оси антенны.
46
|
|
|
|
2„ |
Хй— X |
|
|
|
|
— 2 |
|
I/o “ У |
|
|
+ |
|
2F |
2F |
|
(II—3) . |
|||
|
|
2F tg pa + |
|||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
2F |
|
2„ = 2 |
1 |
- ^ - |
> |
(*o — x) X |
|
0 |
|
|
||
X
(II 4)
j^gPa +-^rjsinj3a
|
|
V |
4f2 |
tg| |
Z \ * |
|
|
|
|
|
2F |
|
|
||
где xa, |
уо, |
Z o — координаты следа отраженного луча на плоскости, |
|||||
|
|
параллельной раскрыву антенны; |
отношению к |
||||
|
|
ра — угол наклона падающего |
луча |
по |
|||
х, |
у, |
оси антенны в азимутальной плоскости; |
|||||
г — координаты |
следа падающего |
луча |
на зеркале; |
||||
|
|
F — фокусное расстояние. |
|
|
|
||
Выражения справедливы для случая, когда вершина параболоида проходит через начало координат. В ра венства (II—3), (II—4) следует подставлять положи тельные значения ра, если лучи приходят из бесконеч ности со стороны положительного направления 2 , и от рицательные значения ра, если лучи приходят со сторо ны отрицательного направления 2 (см. рис. 19 и 17, в).
47
Процесс нахождения мест расположения облучателя заключается в следующем. Определяют в фокальной плоскости (x0 = F) смещение h облучателя для равно великого (симметричного относительно оси параболо ида) зеркала по формуле
(II—5)
Рис. 19. К определе нию мест расположе ния облучателей при формировании веера s характеристик направ ленности в азимуталь-
ной плоскости.
Затем при помощи формулы (II—4) ищут такое верти кальное сечение параболоида плоскостью, параллельной плоскости хоу, чтобы след луча, отраженного от точки зеркала, лежащей на плоскости xoz, совпал с точкой, полученной по формуле (II—5). Как правило, в прак тически интересных случаях след такого сечения прохо дит через ось z в области z = ± 1 0 см. После того как будет найдено вертикальное сечение параболоида, рас считывают след луча на фокальной плоскости, отражен ного от точки на поверхности зеркала, образованной вертикальным сечением его плоскостью, параллельной плоскости хоу, плоскостью, проходящей через центр зеркала в параллельной плоскости xoz, и поверхностью зеркала. В эту точку и следует помещать центр облуча теля.
Если необходимо найти координаты следов лучей, отраженных от зеркала на плоскостях, параллельных
48
раскрыву, при наклоне в угломестной плоскости можно воспользоваться выражениями (II—6 ), (II—7):
|
|
|
г„ — г |
__ Хр— х \ |
|
|
Хй— X |
|
2F I |
||
Уо = У |
_]_ 2F --------- |
||||
2F |
------------ - X |
||||
|
|
|
г |
||
|
X ^tgpyM+ ~ Г ^ . |
( I I - 6) |
|||
го ~ г |
х0 —х |
— (х0 |
|
||
|
2F |
|
|||
|
|
|
|
||
(II ?)
В выражения (И—6 ), (II—7) следует подставлять положительные значения рум, если лучи приходят из бесконечности со стороны положительного направления у, и отрицательные значения |Зум, если лучи приходят со стороны отрицательного направления у.
На рис. 20 |
показаны зависимости углов |
поворота |
||
характеристики |
направленности от |
относительного сме- |
||
. |
» |
|
Я |
зеркала-, |
щения облучателей и степени асимметрии — |
||||
полученные рассмотренным способом |
(сплошные линии) |
|||
и в результате |
точного расчета |
по |
формуле (II— 1) |
|
49
(пунктир), с аппроксимацией характеристики направ ленности облучателя косинусоидальной функцией вто рой степени. При углах поворота [За>20°, особенно в случаях использования зеркал с большими значениями
Н
точность приближенного расчета снижается.
F D
. 6
Рис. 20. Зависимости угла поворота характеристики направленности в азимутальной плоскости (плоскости симметрии зеркала) от отно сительного смещения облучателя по фокальной плоскости:
а — 0 / Г = 1 , 6 : |
/ — Я / Я = 0: |
2 — H / D = 0 ,2 ; |
3 - Я / £ > = 0 , 4 ; |
4 - Я / Я = 0,65; |
|
|
5 — / // £ > = 0 ,8 ; |
|
|
6 — |
D / F = 1,3; / — |
Я /£ > = 0; 2 — Я /£ > = 0,35; 3 — Я / О = 0,65. |
||
В таких случаях полезно выполнять контрольный рас чет поворота характеристики направленности по фор муле (II— 1).
Обратимся к акустическим параметрам несимметрич но усеченных рефлекторных антенн с круглым раскрывом (во всех случаях смещение облучателей осуществ ляется по фокальной плоскости).
К о э ф ф и ц и е н т у с иле ния . Под коэффициентом усиления рефлекторной антенны подразумевается ко рень квадратный из отношения коэффициента концен трации антенны Ко в целом к коэффициенту концентра ции облучателя Ко, т. е.
К р |
] / |
(II—8) |
|
Ко |
Коэффициент усиления определяют по максимальным значениям ненормированных характеристик направлен ности по формуле (II— 1). На рис. 21, 22 построены
50
графики, характеризующие изменение коэффициента усиления рефлекторной антенны при повороте характе ристики направленности в угломестной и азимутальной
плоскостях в |
зависимости |
от |
„ D |
D |
отношении — , |
— , на- |
|||
правленности |
облучателя |
и |
F |
Я, |
асимметричности |
зеркала. |
а
-12 -В -и 0 ц 8 12/3^
6
\ |
-12 -8 ~k 0 4 8 12 Ц°ум |
|
|
6 |
г |
Рис. |
21. Изменение коэффициента |
усиления рефлекторной антенны |
в зависимости от угла поворота характеристики направленности в
угломестной плоскости |
(H/D=0,65): |
|
||||
a — D / F = 1,3; Я Д = 2 0 : 1 — |
П - 1; |
2 — |
л = 2; 3 — |
л = 4; |
4 — п ~ 6 ; |
|
6 — D/F= 1.3; |
Л Д = 3 3 : |
/ — |
1; |
2 — л = 2 ; |
— я - 6 : |
|
s —D / F - 1 , 6 ; |
ЙД=20: |
/ — |
л = 0: |
2 — л = 2; |
3— п=6; |
|
s — D/F= 1,3; D/k—20', л = 2: / - |
Я / Л = 0 ,65; 2 - Я / Я |
= 0 ,5 ; |
3 — H/D=0,35. |
|||
С увеличением угла поворота р характеристики направ ленности коэффициент усиления падает тем быстрее,
чем больше — , — , — и меньше направленность
облучателя. Коэффициент усиления уменьшается при