книги из ГПНТБ / Орлов Л.В. Расчет и проектирование антенн гидроакустических рыбопоисковых станций

приложении. С увеличением размера облучателя в азиму­ тальной плоскости происходит расширение основного лепестка. При больших размерах облучателя основной лепесток приобретает П-образную форму с незначитель-

Рис. 32. Характеристики направленности несимметрично усечен­ ной параболической антенны с круглым раскрывом и прямоуголь­

ными осцилляциями максимального -уровня. Аналогично ведут себя характеристики направленности в угломестной плоскости с той лишь разницей, что при максимальных значениях основной лепесток асимметричен.

Ширина основного лепестка на уровне 0,7 при раз­ мерах облучателя больше 3 к растет линейно (рис. 3 3 ), в то время как в области меньших размеров облучателя заметно отклонение от линейной зависимости.

Коэффициент усиления уменьшается по двум причи­ нам: расширяется основной лепесток и шунтирующее влияние на электрический потенциал оказывают участки облучателя, не облученные фокальным пятном в момент ориентации антенны по текущему направлению.

62

Ближайшие к основному боковые лепестки с увели­ чением размера облучателя до 2 к уменьшаются, а затем растут до уровня 5—7%.

Закономерности изменения параметров параболиче­ ских антенн, полученные в результате расчета по форму­ лам (II— 1) и приведенной в приложении, совпадают в пределах примерно до размеров облучателя, не пре­ вышающих размер фокального пятна.

О 1 2 3 4 J 6 7 8 9 L/Л

Рис. 33. Изменение ширины 2в0,т основного лепестка, уровня о бо­

иметь характеристику направленности с шириной основ­ ного лепестка по крайней мере не более 15°. Преимуще­ ство такой антенны (если нет ограничений по удельной

63

са меньше, чем антенны, весь раскрыв которой состоит из электроакустических преобразователей.

Поскольку каждая антенна должна излучать опре­ деленную мощность, удельная величина которой огра­ ничивается кавитационной прочностью воды и механи­ ческой прочностью облучателя, диаметр облучателя должен быть таким, чтобы обеспечивалась необходимая площадь излучающей поверхности.

Однако чрезмерное увеличение диаметра облучате­ ля невыгодно экономически, к тому же при слишком большом диаметре уменьшается длина облучателя, так как уже меньшая часть высоты конуса может быть использована для его размещения. Центральная часть раскрыва, занятая торцом облучателя, не работает, в связи с чем происходит увеличение.боковых лепестков характеристики направленности, причем тем большее, чем больше диаметр облучателя D0. Реальные отноше­

От облучателя (см. рис. 17, а) исходят цилиндриче­ ские волны (предполагается, что он имеет протяжен­ ность несколько длин волн, так что выполняются усло­ вия лучевого распространения), которые сохраняют свою форму до момента соприкосновения с поверхно­ стью рефлектора, после чего постепенно, к моменту прихода в раскрыв, превращаются в плоские. Посколь­ ку расстояния от облучателя до поверхности конуса (вдоль его высоты) разные, в раскрыве. конуса в любом сечении образуется амплитудное" распределение вида

-7 = , где р — текущий радиус раскрыва конуса (рис. 34,

у Р

кривая 1, нормированная к R).

Формулу (II—9) для расчета характеристики на­ правленности конической антенны можно представить разностью выражений, определяющих характеристики направленности двух круглых поршневых антенн с нало­ женными на их раскрывы амплитудными распределе­ ниями. Диаметр одной антенны должен быть равным

04

^Интегралы с подынтегральным выражением вида p/o(&psin0) сложны в решении, поэтому целесооб­ разно упростить функцию y rJ~ (см. рис. з4; крИвая 2, нормированная к R), заменив ее линейной зависимо­ стью (график 3), которая для конуса с углом расхож-

Рис. 34. К определению ам­ плитудного распределения в раскрыве конической реф­ лекторной антенны:

дения 90° при условии нормирования текущего радиуса конуса к радиусу раскрыва имеет вид:

В таком приближении интегралы (II—9) в резуль­ тате решения дают следующее выражение для норми­ рованной к единице в осевом направлении характери­ стики направленности конической антенны:

~~R '*

*Выражение (II— 11) справедливо при г^0,05.

1,41 — нормирующий множитель;

/о (г), h (г) —табулированные функции Бесселя нулевого и первого порядков (см. рис. 2) [22];

So (z), Si (г) —табулированные функции Струве нулевого и первого порядков (см. рис. 35) [22].

вым раскрывом и равномерным распределением ампли­

крыва амплитудным распределением и антенны с коль-

66

цевым раскрывом при равномерном амплитудном рас-

ния во всех случаях обостряется основной лепесток и увеличивается уровень боковых. С уменьшением тол-

Рис. 36. Зависимость функции, определяющей харак­ теристику направленности конической антенны, от аргумента:

/ — < = 0,1; 2 — 1 = 0,2; 3 — < - 0 ,3 ; 4 — i - 0 , 4 ; 5 — / = 0,5.

щины (R—г) кольца характеристики направленности в пределе стремятся к характеристике, определяемой

функцией /0 ^2л -у- sin 0^, с первым боковым лепестком,

'равным 40%. Наложение амплитудного распределения

3* 67

женно (при условии 2Я » Я) может быть __найден по формуле (как отношение площадей активной части раскрыва и боковой поверхности облучателя)

Рис. 37. Зависимость функции, определяю­ щей характеристику направленности ан­ тенны с кольцевым раскрывом при равно­ мерном амплитудном распределении, от ар­

гумента!:

0 ' 1 2 3 4 5 6 7 8 а г

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ И ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ РЕФЛЕКТОРНЫХ АНТЕНН

В симметрично усеченных параболических и кониче­ ских рефлекторных антеннах из-за особенности их гео­ метрии, исключающей нормальное падение на поверх­ ность зеркала звуковых волн, идущих от облучателя, не возникает стоячих волн между поверхностями облу­ чателя и рефлектора. Поэтому электроакустический коэффициент полезного действия антенны цЭар рав­ няется электроакустическому коэффициенту полезного действия облучателя (см. «Пьезоэлектрические пре­ образователи» и «Пьезомагнитные преобразователи» в главе VII), умноженному на коэффициент отражения от поверхности зеркала по энергии В (см. «Конструк­ тивные особенности гидроакустических антенн и преоб­ разователей» в главе X),

Чэар^ 'Пэа^* (II 1^)

68

Чувствительность рефлекторной антенны ур опреде­ ляется произведением чувствительности облучателя у на коэффициент усиления антенны и коэффициент от­ ражения от поверхности зеркала по полю (давлению) [см. выражения (II—8), (II— 13)]:

Глава III

МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ АНТЕННЫ

Многоэлементные дискретные антенны (антенные решетки), составленные из отдельных вибраторов не­ больших волновых размеров, получили широкое рас­ пространение в антенной технике, так как позволяют формировать характеристики направленности различ­ ной формы и управлять их ориентацией в пространстве. Чаще других в гидроакустике применяются прямоли­ нейные и цилиндрические антенны. В большинстве слу­ чаев эти антенны используются для формирования вее­ ра или качающихся относительно острых характеристик направленности в азимутальной плоскости: линейные — в ограниченном секторе, как правило, не более 90°, а цилиндрические — в секторе до 360°.

Сканирование или формирование веера характери­ стик направленности такими антеннами [2], [7], [14] осу­ ществляется путем введения по преобразователям с помощью электронной аппаратуры изменяющихся фа­ зовых и амплитудных распределений.

Прямолинейные и цилиндрические дискретные ан­ тенны допускают осуществление поворота характери­ стики направленности не только в азимутальной, но одновременно и в угломестной плоскости, однако при этом значительно усложняются конструкция антенны и электронные тракты. В связи с этим формирование пространственного веера и двумерное сканирование ха­ рактеристики направленности с помощью одной антен­ ны вряд ли может быть экономически оправдано в ры­ бопоисковой аппаратуре, по крайней мере для малых судов.

69

ПЛОСКИЕ АНТЕННЫ СО СКАНИРОВАНИЕМ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАПРАВЛЕННОСТИ

Рассмотрим сначала основные закономерности про­ цесса формирования характеристики направленности дискретной плоской антенной на примере линейной ан­ тенны, составленной из идеализированных точечных-- не­ направленных преобразователей (рис. 38). Предполо-

Нис. 38. К пояснению процесса формирования харак­ теристики направленности плоской дискретной ан­ тенной.

жим вначале, что возбуждение преобразователей вдоль оси х синфазное и с одинаковыми амплитудами. Раз­ ность хода лучей А и направление 0 связано зависимо­ стью

новного лепестка ориентируется по направлению 0= 0°. Если при изменении 0 разность хода принимает зна­ чения, кратные Л:

/sin0 = ?u, (III—2)

где /= 1, 2, 3 ...,

то вследствие синфазного сложения колебаний в соот­ ветствующих таким значениям А направлениях 0 воз­ никают боковые лепестки, равные по уровню основно­ му лепестку. В соответствии с выражением (III— 1)

70

ния между центрами преобразователей и от длины волны.

Р а с п р е д е л е н и е м и н и м у м о в . При отклоне­ нии, лучей of нулевого направления находятся такие направления, при которых происходит противофазное сложение колебаний, амплитуда поля уменьшается до нуля, в характеристике направленности образуются нулевые уровни.

Условия возникновения минимумов:

Хс

выражения (III—3) ясно, что между двумя лепестками со 100%-ным уровнем располагается п— 1 минимумов, следовательно, между этими лепестками должно укла­ дываться п—2 боковых лепестка, уровень которых меньше 100%.

посредине между минимумами в соответствии с равен­ ством

71