книги из ГПНТБ / Молодов Б.И. Антенны (учебное пособие)

Для этого достаточно в (5.9) положить -^- = Х.

Кривая сгиба в линзе должна быть такой, чтобы длина путт: любого луча от вершины рупора до выходного отверстия (3) была одинаковой. Для этого необходимо выполнить условия:

откуда получаем:

Следовательно, форма сгиба должна быть параболической..

5. Антенны с параболическими рефлекторами

Широкое распространение в диапазонах сантиметровых, деци­ метровых и частично метровых волн имеют антенны с параболиче­ скими рефлекторами. Составными элементами таких антенн явля­ ются относительно слабо направленный первичный излучатель, называемый облучателем, и металлический рефлектор параболиче­

ского профиля.

Существует несколько разновидностей антенн с параболически­ ми рефлекторами. Основными являются антенны с рефлектором в виде параболоида вращения (рис. 5-26, а) и антенны с реф-

Рис. 5-26. Основные виды антенн с параболическими рефлекторами:

а —рефлектор в виде параболоида вращения; б — рефлектор — параболический цилиндр, F—F— фокальная линия

140

лектором, представляющим собой параболический цилиндр

(рис. 5-26, б ).

Заметим, что зеркало в виде параболоида вращения представ­ ляет собой поверхность вращения, получаемую при вращении сим­ метричного отрезка параболы вокруг фокальной оси. Параболиче­ ский цилиндр, в свою очередь, является как бы следом, остающим­ ся при прямолинейном и параллельном перемещении отрезка па­ раболы.

В силу свойств параболических рефлекторов в результате

во всех точках имеет одинаковую фазу и практически одинаковую

с направленностью плоской синфазной решетки такой же площади, состоящей из вторичных излучателей, распределение амплитуд которых соответствует распределению амплитуд поля в, раскрыве параболического рефлектора.

Аналогично случаю плоской синфазной решетки максимум излучения антенн с параболическими рефлекторами лежит в на­ правлении нормали к плоскости фронта волны, отраженной от рефлектора.

При больших по сравнению с длиной волны размерах раскрыва можно обеспечить высокую направленность излучения.

Обычно размеры параболических зеркал велики по сравнению с длиной волны, поэтому отражение волн от рефлектора и измене­ ние волнового фронта можно рассматривать, применяя методы геометрической оптики.

Волна со сферическим волновым фронтом в этом случае может быть представлена в виде пучка лучей, расходящихся в радиаль­ ных направлениях из точки, в которой расположен облучатель зеркала.

Можно показать, что при расположении облучателя в фокусе параболоида вращения в результате отражения все лучи направ­ ляются параллельно фокальной оси.

Для этого рассмотрим некоторые соотношения, характеризу­ ющие параболическую кривую, получаемую при пересечении пара­ болоида вращения плоскостью, проходящей через фокальную ось (рис. 5-27). Расположим вершину параболы в начале прямоуголь­

141

Рис. 5-27. Парабола, образуемая при сечении параболоида вращения плоскостью, совпадающей с фокальной осью

Вторым важным для нас свойством параболы является то, что касательная,, проведенная в любой ее точке, например В ь состав­

уходящий от зеркала, будет параллелен фокальной оси, поскольку равенство углов падения и отражения соответствует равенству

.углов между направлениями луча FB\ и,В\С\ с касательной в точ­ ке В].

Таким образом, любой луч, выходящий из точки F, после отра­ жения направлен параллельно оси параболы.

Определим теперь длины путей, проходимых лучами от фокуса

142

Таким образом, длины всех лучей от точки F до плоскости раскрыва одинаковы, следовательно, будут одинаковы и фазы поля в раскрыве. Поскольку это справедливо для любой плоскости, про­ ходящей через фокальную ось, то волновой фронт в раскрыве па­ раболоида является плоским и с учетом принципа Гюйгенса — Френеля раскрыв эквивалентен в отношении направленных свойств плоской синфазной решетке, состоящей из вторичных излучателей.

ПАРАБОЛОИД ВРАЩЕНИЯ

Рассмотрим некоторые особенности и диаграммы направлен­ ности антенны, имеющей рефлектор в виде параболоида вращения.

Для того, чтобы в раскрыве параболоида поле было синфаз­ ным, необходимо применять облучатели, создающие волны со сфе­ рическим волновым фронтом. Кроме того, облучатель должен излучать волны, главным образом, в направлении рефлектора, так как вся энергия, миновавшая его, будет теряться на вредное боко­ вое излучение.

-Указанным требованиям практически удовлетворяют многие конструкции облучателей.

Могут быть применены вибратор с пассивным настроенным рефлектором (рис. 5-28, а) или плоским рефлектором (рис. 5-28,6),

а) б.) 6)

-энергии, подводимой к антенне, направленность облучателя выби­ рается обычно такой, чтобы поле на краях рефлектора составляло около 0,3 от поля в центре.

143

Распределение поля в раскрыве параболоида зависит в основ­ ном от типа облучателя и величины отношения диаметра парабо­ лоида к фокусному расстоянию. Поляризация волн, создаваемых антенной с параболическим рефлектором, остается такой же, как у облучателя.

Для длиннофокусных параболоидов, когда облучатель вынесен

оценки диаграммы направленности можно считать амплитуду и ориентировку электрического поля в раскрыве постоянной.

При этом допущении нормированная диаграмма направлен­ ности параболоида вращения может быть приближенно рассчита­ на по формуле:

2Ji [ ^-sin 1

Пространственная диаграмма обычных параболоидов представ­ ляет собой приблизительно поверхность вращения, т. е. имеет при­ мерно одинаковую ширину во всех плоскостях, проходящих через фокальную ось.

Ширина диаграммы может быть оценена по формуле;

Боковые лепестки диаграммы не превышают 55-7% . Коэффи­ циент направленного действия можно рассчитать по известной формуле (1.42):

на, как показано на рис. 5-30.

141

а

Рис. 5-30. Симметрично усеченные параболоиды:

а — по прямой линии: о — но контуру ранной напряженности поля

При этом ширина диаграммы может быть увеличена в 2—3 ра­ за в плоскости, в которой за счет срезания краев размеры рефлек­ тора уменьшаются. В другой плоскости диаграмма практически не изменяется.

Ширина диаграммы для усеченного параболоида имеет вели­ чину:

(см. рис. 5-30, б).

В качестве облучателей усеченных параболоидов применяются секториальные рупоры, позволяющие обеспечить необходимое сужение диаграммы облучателя в плоскости меньшего размера зеркала.

Усеченные параболоиды во многих случаях изготовляются ре­ шетчатыми или из сетки для уменьшения механических нагрузок, возникающих при ветре.

или щелей, либо антенны, излучающие синфазное поле через длин­ ное прямоугольное отверстие малой ширины, например, секториальный рупор с расширением в Н плоскости, имеющий на выхо­ де линзу (см. рис. 5-25).

Такие облучатели на расстояниях порядка своей длины обра­ зуют поле с цилиндрическим волновым фронтом, образующие ко­ торого параллельны оси линейного облучателя.

Параболический цилиндр видоизменяет фронт волны облучате­ ля только в одной плоскости, перпендикулярной фокальной линии. В фокальной плоскости, проходящей через вершину параболиче­ ского цилиндра и фокальную линию, направление лучей волны облучателя в результате отражения не изменяется, поэтому харак­ теристика направленности антенны в целом и поляризация излу­ чаемых волн в этой плоскости остаются такими же, как у облуча­ теля без рефлектора.

Если распределение амплитуд токов в линейном облучателе равномерно, то ширина диаграммы антенны в фокальной пло­ скости будет

= 51 -!1,

где а — угол с нормалью к плоскости раскрыва антенны.

Обычно имеется некоторое спадание к краям распределения амплитуд токов или полей вдоль линейного облучателя, предусмат­ риваемое с целью уменьшения боковых лепестков. Поэтому в реальных условиях ширина диаграммы в фокальной плоскости более точно выражается формулой:

аа - 7 0 - ^ .

Е1

В плоскости, перпендикулярной фокальной линии, направлен­ ность определяется в основном размером зеркала L>.

Ширина диаграммы приближенно определяется в этой плоско­ сти по формуле:

0 а = 60

^2

ИГ)

Коэффициент направленного действия определяется с помощью формулы (1.42) при /Сип ~ 0,6.

Одной из особенностей антенн с рефлектором в виде параболи­

Для устранения этих явлений применяют несимметричные па­ раболические цилиндры. На рис. 5-31 схематически показана

Рис. 5-31. Несимметричный параболический цилиндр:

7 — параболический рефлектор; 2— плоские металлические поверхности

антенна с несимметричным цилиндрическим рефлектором. Лучи, отраженные от рефлектора, проходят в этом случае мимо облуча­ теля. Как и в симметричном параболическом цилиндре, линейный облучатель располагается здесь вдоль фокальной линии, находя­ щейся в данном случае ниже, чем нижний край зеркала.

Следует заметить, что в ряде случаев в таких же целях приме­ няют несимметрично усеченные параболоиды вращения, в которых облучатель оказывается вне поля, отраженного от рефлектора.

СЕГМЕН'ГНО-ПАРАБОЛИЧЕСКАЯ АНТЕННА

В качестве облучателей параболического цилиндра, а также для создания веерных диаграмм применяются сегментно-параболи­

ходится цилиндрический параболический рефлектор.

Рис. 5-32. Сегментно-параболическая антенна:

вполусегментной антенне

Вфокусе параболического зеркала располагается волноводный излучатель или рупор.

РУПОРНО-ПАРАБОЛИЧЕСКАЯ АНТЕННА

В радиорелейных линиях на сантиметровых волнах применяют­ ся рупорные антенны, возле раскрывд которых установлен рефлек­

148

Рис. 5-33. Рупорно-параболическая антенна:

о — общий вид антенны; б — схема отражения лучей от параболического рефлектора

6. Косекансные антенны

Веерная диаграмма, изображенная на рис. 5-29, а, обеспечивает при радиолокации высокую разрешающую способность в горизон­ тальной плоскости и одновременный обзор в пределах большого утла в вертикальной плоскости, однако излучаемая энергия при такой форме диаграммы используется недостаточно эффективно.

Более целесообразной формой диаграммы антенны радиолока­ ционной станции обнаружения в вертикальной плоскости является косекансная, показанная на рис. 5-29,в.

При такой форме диаграммы в направлении дальних целей, то есть под малыми углами с горизонтальной плоскостью, энергия, излучаемая антенной, максимальна, но по мере приближения цели, с увеличением ее угла места, плотность потока мощности в направ­ лении на цель равномерно уменьшается.

Можно определить форму диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости, при которой излучаемая мощность будет использоваться наиболее эффективно. Рациональной формой диа­ граммы будет такая, при которой амплитуда сигналов, отражен­ ных от цели, не изменяющей высоту полета, независима от рас­ стояния. Для этого необходимо, чтобы напряженность поля, создаваемая передающей антенной у цели, при изменении расстоя­ ния не изменялась.

Определим форму диаграммы, удовлетворяющую этим требо­ ваниям.

Пусть на высоте Н над поверхностью земли, которую мы будем для простоты считать плоской, находится цель (рис. 5-34),

149