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

Рис. 5-34. К выводу диаграммы антенны, обеспечивающей равномерное облучение целей, расположенных на различных дальностях

Напряженность поля у цели в соответствии с формулами (1.18) и (1.23а) можно определить по излучаемой мощности Pi, расстоя­ нию до цели R и параметрам антенны:

„ / 6 0 Pi D Я (р) Си = ----------—---------,

где D — максимальный коэффициент направленного действия антенны;

/^(S) — нормированная диаграмма антенны в вертикальной плоскости;

R ■— наклонная дальность до цели.

Полагая Pi и D постоянными, запишем выражение для напря­ женности поля у цели в виде:

с/Ч Р )

— R

где С\ — постоянная величина.

Определим форму диаграммы, при которой напряженность поля у цели Ец не зависит от наклонной дальности R.

При постоянной высоте цели наклонную дальность можно вы­

Подставляя это выражение в формулу для Ел и налагая требо­ вание постоянства напряженности поля у цели, получаем:

где с2 — некоторая постоянная величина.

150

Такая диаграмма называется косекансной, и антенны, имеющие в одной из плоскостей подобную диаграмму направленности, именуются косекансными.

По форме косекансная диаграмма подобна треугольнику, верх­ няя сторона которого параллельна поверхности земли, а боковые стороны составляют с землей углы 3Mlj„ и Змакс, в пределах которых определена диаграмма (см. рис. 5-34).

На практике нашли применение два основных метода создания косекансных диаграмм веерного типа:

1)метод парциальных диаграмм (смещенных облучателей),

2)метод видоизменения формы рефлектора.

Первый метод основан на том, что при смещении облучателя параболоида в фокальной плоскости в какую-либо сторону от фо­ кальной оси главный лепесток диаграммы направленности сме­ щается на некоторый угол в противоположную сторону.

Угловое смещение облучателя и угол смещения главного лепест­ ка при этом приблизительно одинаковы.

Пояснить это смещение диаграммы можно следующим образом. Известно, что если облучатель находится в фокусе параболиче­ ского рефлектора, то все отраженные лучи параллельны и на вы­ ходе зеркала плоский фронт волны перпендикулярен фокальной оси. При смещении облучателя в сторону от фокальной оси нарасстояние А, соответствующее угловому смещению 3, луч, пада­ ющий на вершину зеркала, отразится под таким же углом 3 к фо­

кальной оси (рис. 5-35, а).

фронт отражен­ ной болны

Рис. 5-35. Отклонение лучей, отраженных от параболоида при смещении облучателя:

1. - главньи» лепесток диаграммы направленности при облучателе, помещенном в фокусе; 2 —главный лепесток при смещении облучателя

Лучи, отраженные в других точках рефлектора, также будут направлены приблизительно под углом 8 к фокальной оси. Таким образом, фронт волны, отраженной от рефлектора, при смещении облучателя с фокальной оси окажется наклоненным по отношению к ней приблизительно на угол 8. На такой же угол сместится глав­ ный лепесток диаграммы антенны (рис. 5-35,6).

151

Таким путем образуется диаграмма при построении косеканспых антенн по методу видоизменения формы рефлектора.

Рассмотрим косекансную антенну с видоизмененным цилиндри­ ческим рефлектором, длина которого значительно больше высоты. На рис. 5-37 показаны вертикальный профиль зеркала и ход отра-

Рис, 5-37. Схема отражения лучей от видоизмененного зеркала косекансной антенны

жениых лучей. Лучи, отраженные от верхней части зеркала, име­ ющей параболический профиль, образуют параллельный пучок

•л обеспечивают излучение основной части энергии в направлении фокальной оси.

Если бы нижней части зеркала не существовало, диаграмма антенны в вертикальной плоскости имела бы обычную приблизи­ тельно симметричную форму. Ширина ее определялась бы верти­ кальным размером рефлектора.

Однако нижняя половина рефлектора имеет профиль, отлича­ ющийся от параболического, видоизмененный таким образом, что отраженные лучи образуют расходящийся пучок, направленный выше фокальной оси. Часть излучаемой энергии оказывается рас­ сеянной по одну сторону от главного направления, и диаграмма антенны в целом оказывается вследствие этого несимметрично».

Путем расчета можно выбрать профиль нижней части зеркала так, что результирующая диаграмма. антенны будет косекансной.

Косекансная диаграмма может быть получена также при ана­ логичном видоизменении профиля параболоида вращения.

Указанные методы используются при конструировании косекансных антенн на сантиметровых и в некоторых случаях на деци­ метровых волнах.

153

7.Методы быстрого качания луча

Вряде радиолокационных станций оказывается необходимым быстро изменять направление главного лепестка антенны в одной плоскости, например «качать» его в пределах некоторого угла.

Механическое качание антенны в целом, при котором, конечно, можно обеспечить изменение направления главного лепестка в пределах любого угла, пригодно только для небольших скоростей обзора. Увеличение числа качаний антенны приводит к быстрому росту механических нагрузок, поэтому данный способ непригоден для быстрого качания диаграммы.

Практическое применение нашли методы качания диаграммы,

при которых в процессе работы движется не вся антенна в целом, а какой-либо составной элемент облучателя параболического ци­ линдра.

Дело в том, что для изменения направления главного лепестка диаграммы совершенно не обязательно поворачивать всю антенну, достаточно лишь изменить направление лучей, отраженных от реф­ лектора или, иными словами, изменить ориентировку плоского фронта волны, уходящей через раскрыв зеркала. При этом глав­ ный максимум диаграммы, всегда направленный вдоль нормали к плоскости волнового фронта, изменит направление на такой же угол, на какой изменится наклон фронта волны.

Как отмечалось выше, параболический цилиндр в фокальной плоскости, параллельной фокальной линии, не изменяет направлен­ ных свойств линейного облучателя, поэтому для качания диаграм­ мы достаточно обеспечить изменение наклона фронта волны, созда­ ваемой линейным облучателем.

. Рассмотрим действие одного из устройств, обеспечивающих возможность быстрого изменения наклона фронта волны в раскрыве линейного облучателя путем вращательного движения облуча­ ющего рупора.

Как показано на рис. 5-38, а, исходное устройство представляет систему из двух параллельных, близко расположенных металличе­ ских пластин, с линзой на выходе и облучателем в виде рупора, примыкающего вплотную к верхнему срезу пластин АВ.

Волна,'создаваемая облучателем между пластинами, имеет ци­ линдрический волновой фронт. После прохождения через линзу фронт волны становится плоским. Если рупор расположен на фокальной оси в точке О, то поле в раскрыве системы параллель­ ных пластин синфазно и максимум диаграммы ориентирован вдоль фокальной оси линзы.

При смещении рупора в положение А (или В) лучи, прошедшие через линзу, отклонятся от фокальной оси, соответственно будет наклонен фронт волны на выходе системы, а также отклонится в сторону и максимум диаграммы, лежащий, как указывалось выше, в-направлении нормали к фронту волны.

Таким образом, перемещение рупора вдоль верхнего среза пластин обеспечивает «качание» диаграммы в некоторых пределах.

154

ный характер движения рупора, препятствующий увеличению ско­ рости качания луча.

Видоизменение конструкции, однако, позволяет перейти к вра­ щательному движению рупора.

Это достигается следующим образом. Во-первых, установив между плоскими поверхностями перпендикулярную им наклонную прямую металлическую пластину-зеркало (рис. 5-38,6), можно перенести облучающий рупор к левому краю пластин. При распо­ ложении его в точках А' и В', для которых точки А я В являются мнимыми изображениями, наклон волновых фронтов на выходе устройства будет точно таким же, как если бы рупор располагался в точках Л и В системы пластин без зеркала (рис. 5-38, а).

Таким образом, путем перемещения рупора вдоль бокового среза между положениями А' и В' можно обеспечить качание диа­ граммы в прежних пределах.

Для того, чтобы перейти к вращательному движению рупора в процессе качания диаграммы, система параллельных пластин без изменения расстояния между пластинами на участке А'В' сворачивается в круглый цилиндр, образующие которого перпен­ дикулярны линии среза А'В' (см. рис. 5-38,6 и в). При этом уча­ сток А'В', в пределах которого в процессе качания луча должен перемещаться рупор, образует кольцо, показанное на рис. 5-38, в.

Пути лучей, показанные.на рис. 5-38,6, после свертывания пла­ стин в круглый цилиндр по-прежнему остаются кратчайшими путя­ ми распространения электромагнитных колебаний, по которым -они всегда проходят (принцип Ферма). Вследствие этого наклон фронта волны после свертывания пластин будет таким же, как и в плоской системе, если в обоих случаях рупор расположен в одних

155

ках во вращающихся элементах устройства.

которого диаграмма равномерно движется в левую сторону и после достижения крайнего левого положения возникает снова справа, без обратного хода диаграммы.

Рассмотренное устройство применяется в качестве линейного облучателя несимметричного цилиндрического рефлектора, анало­ гичного изображенному на рис. 5-31.

Известным недостатком рассмотренного устройства является наличие в фидерной линии быстро вращающегося сочленения, через которое должны проходить к рупору мощные сигналы пере­

датчика.

Возможно использование устройства другого вида, в которо.м такое сочленение отсутствует.

Это устройство, называемое развертывающим, также приме­ няется в антеннах с рефлектором в виде несимметричного парабо­ лического цилиндра (рис. 5-39,а). Облучателем может служить любая антенна, создающая цилиндрическую волну.

На указанном рисунке в качестве линейного облучателя исполь­

также по всей его длине, имеется диаметральная прорезь, расстоя­ ние между параллельными стенками которой равно величине зазо­ ра между ротором и кожухом.

В зазоре между кожухом и ротором по всей длине прорезей имеются гребенки из тонких радиально расположенных пластинок, расстояние между которыми мало по сравнению с длиной волны.

156

ч

цилиндра с сегментно-параболическим облучателем и развертывающим устройством:

а — устройство антенны без качания луча; о — антенна с присоединенным развертывающим устройством; в —сечение развертывающего устройства в плоскости расположения неподвижных гребенок (в момент прохождения гребенок ротора)

вследствие чего они полностью отражаютволны, вектор поля ко­ торых перпендикулярен поверхностям ротора и кожуха.

Две гребенки прикреплены к кожуху» возле прорезей, как по­ казано на рис. 5-39. б, причем между концами гребенок и ротором имеется небольшой зазор, достаточный для свободного вращения ротора. Две таких же гребенки закреплены вдоль краев продольной прорези в роторе. Пластинки гребенок расположены по длине прорезей таким образом, что при вращении ротора его гребенки проходят через промежутки между пластинками неподвижных гребенок кожуха (рис. 5-39, в).

Рассмотрим работу развертывающего устройства. На вход устройства поступает волна ТЕМ с плоским фронтом, электриче­ ский вектор которой расположен перпендикулярно металлическим поверхностям кожуха и ротора. Войдя в развертывающее устрой­ ство, волна, распространяясь в зазоре между ротором и кожухом, огибает коническую поверхность ротора, как указано стрелками на рис. 5-39, б.

На своем пути через развертывающее устройство волна прохо­ дит по зазору через прорезь ротора и отражается от всех четырех, гребенок.

К моменту отражения от последней, выходной, гребенки фронт волны, оставшись плоским, оказывается несколько повернутым в силу того, что путь, проходимый волной вблизи основания кону­ са, будет больше, чем возле вершины, поэтому чем ближе участки

. 157

фронта к оснрзанию конуса, тем с большим запозданием они будут приходить к выходной прорези развертывающего устройства.

Степень поворота, или изменения направления, фронта плоской волны на выходе развертывающего устройства зависит от положе­ ния прорези в роторе относительно прорезей в кожухе. В момент, когда гребенки прошли одна через другую и прорезь в роторе с обеих сторон примыкает к прорезям в кожухе, изменение наклона фронта волны при прохождении через развертывающее устройство минимально.

По мере дальнейшего поворота ротора разница в путях, прохо­ димых волнами, на противоположных краях конической поверх­ ности возрастает, поэтому возрастает и изменение наклона волно­ вого фронта на выходе устройства. Наибольший наклон фронта волны соответствует моменту, непосредственно предшествующему проходу подвижных гребенок через неподвижные. Примерно это положение ротора изображено на рис. 5-39, б.

Таким образом, в процессе вращения ротора изменяется наклон волнового фронта на выходе облучателя, а следовательно, меняет­ ся и направление главного лепестка диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости.

За один оборот ротора главный лепесток диаграммы совершает два качания между своими крайними положениями в одну сторону (без обратного хода). -

Данное развертывающее устройство позволяет осуществлять качание луча до 60 раз в секунду в пределах угла до 45° без суще­ ственного изменения ширины диаграммы в обеих плоскостях.

Отмечается возможность использования устройства в широкой полосе частот [Л.5].

S;. Антенны, создающие поле с вращающейся поляризацией

Антенны, рассмотренные в предыдущих разделах, создают поле с линейной (плоской) поляризацией, электрический вектор которо­ го в удаленных точках в любой момент времени находится в какойлибо одной плоскости. В некоторых случаях требуется создание поля с круговой поляризацией, при которой электрический вектор поля, не изменяя своей величины, за каждый период колебания поворачивается на 360° в плоскости, перпендикулярной направле­ нию распространения радиоволны.

Простейшая антенна, позволяющая получить поле с круговой поляризацией, состоит из двух взаимно-перпендикулярных полу­ волновых вибраторов, расположенных в одной плоскости, питаемых таким образом, что токи в вибраторах сдвинуты по фазе на 90°. Рассмотрим поле такой антенны.

Пусть вибраторы’ ориентированы вдоль осей X и Y прямоуголь­ ной системы координат (рис. 5-40). Токи в вибраторах одинаковы по амплитуде, по фазе же ток во втором вибраторе отстает на 90° относительно тока в первом вибраторе.

158

X

2

У

т. е. по амплитуде суммарное поле во времени не изменяется, сле­ довательно, конец вектора описывает окружность в плоскости, перпендикулярной оси Z (рис. 5-40).

Определим угол между плоскостью XZ и вектором Е.

159