книги из ГПНТБ / Пелюхов П.И. Основы радиолокации учебное пособие

Плотность потока мощности — это плотность потока энер­ гии, переносимой радиоволнами в единицу времени через, единицу площади. Связь между величинами Е и S устанав­ ливается выражением:

где Е — в в/м, S — в вт1ма.

Для передающей антенны функция направленности пред­ ставляет зависимость напряженности или плотности потока электромагнитного поля, излучаемого антенной, от направле­

Эта зависимость может быть получена измерением Е или S на поверхности сферы, в центре которой находится антенна, при условии, что подводимая к антенне мощность постоянна.

Для приемной антенны функция направленности представ­ ляет собой зависимость напряжения или мощности сигнала на ее'выходе от направления приема:

функция направленности нормируется к единице, т. е. относится к своему максимальному значению:

(11,66)

^-шах

(П,67)

«пр max

Согласно принципу взаимности (обратимости) направлен­ ные свойства антенны не зависят от того, работает ли она на передачу или па прием. Следовательно, нормированные функции направленности данной антенны при излучении и приеме сигналов одинаковы:

КЕ (?, г) = Ки (?, г).

91

Графическое изображение нормированной функции, на­ правленности называется нормированной диаграммой на­ правленности. Эта диаграмма в общем случае представляет собой некоторую объемную фи­

В радиолокации очень часто вместо функций направ­ ленности Kg(®, г) и A'u(-f, г) пользуются функциями К-£ (-•?, г) и К~и (о, е). Согласно выражениям (И,66) и (11,67):

Па практике обычно пользуются двумя сечениями диа­ граммы направленности — в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Диаграмма направленности в соответствующей плоскости строится в прямоугольной или полярной системах координат. Наиболее широко распространено построение ди­ аграмм в полярной системе координат (рис. 59).

Для диаграммы направленности, построенной по мощности в полярной системе координат, расстояние от полюса (точка О на рис. 59) до каждой точки диаграммы пропорцио-

Количественная оценка направленности излучения (прие­ ма) антенны по ее диаграмме направленности в данной плос­ кости характеризуется величиной угла раствора (шириной) диаграммы.

92

Ширина диаграммы в данной плоскости характеризуется углом между двумя направлениями, в пределах которых на­ пряженность поля, создаваемого антенной в равноудаленных

Реальные диаграммы направленности антенн РЛС обыч­ но имеют сравнительно сложный многолепестковый характер. Однако при приближенных расчетах вполне допустима про­

сти на уровне 0,5 по мощности.

Мерой концентрации энергии, излучаемой антенной в дан­ ном направлении, является коэффициент направленного дей­ ствия (к. н.д.), который мы обозначим через G.

Коэффициент направленного действия равен отношению плотности потока энергии, создаваемого антенной на данном направлении, к плотности потока энергии, который был бы

93

■создан на таком же удалении идеализированной антенпоп ненаправленного действия при равной мощности их излучения:

точке пространства при переходе от антенны ненаправленного действия к антенне направленной пои неизменной Мощности излучения.

Плотность потока энергии (мощности) на расстоянии D от всенаправленного излучателя согласно определению равна:

направления зависит от функции направленности. Эту зави­ симость можно определить следующим путем.

раствора диаграммы направленности, коэффициент направ­ ленного действия — согласно принципу взаимности остаются такими же и для приемной антенны, улавливающей энергию радиоволн. Однако, кроме указанных характеристик, эффек­ тивность приемной антенны оценивается еще гак называемой

94

приемника и, следовательно, ее эффективная площадь зави­ сят от направления приема:

Зависимость эффективной площади приемной антенны от направления приема определяется, как и для к. н.д., функци­ ей направленности:

А (<р, г) = Лщах К2 (<р, г).

Для поверхностных антенн величина А пропорциональна геометрической площади антенны S: A max=AS, где k — коэф­

Виды радиолокационных антенн

Полуволновый вибратор является простейшей радиолока­ ционной антенной, широко используемой в составе более сложных антенн диапазона ультракоротких волн. Он пред­ ставляет собой сплошной ,или разрезанный. на две части прямолинейный провод, длина которого приближенно (с точ­

ксередине вибратора (рис. 60).

Вполуволновом вибраторе устанавливаются стоячие вол­ ны тока и. напряжения, причем на конце вибратора сущест­ вует наибольшая разность потенциалов, а в середине— наи­

большее значение тока. Распределение амплцтуд тока и на­ пряжения вдоль вибратора показано па рис. 60.

Функция направленности полуволнового вибратора имеет вид:

93

Диаграмма направленности вибратора в плоскости, про­ ходящей через ось, показана па рис. 61. Она имеет два оди­ наковых лепестка. Направления максимального излучения (приема) перпендикулярны вибратору. На направлениях, со­ впадающих с осью вибратора, излучение практически отсут­ ствует.

Диаграмма направленности в плоскости, перпендикуляр­ ной к оси вибратора, имеет вид окружности.

Коэффициент направленного действия полуволнового вибра­ тора очень мал: G= 1,64. Вслед­ ствие этого полуволновые вибра­ торы в радиолокационных стан­ циях самостоятельно обычно не применяются, а входя т в состав более сложных антенн.

В диапазоне метровых, а также дециметровых волн ши­ рокое распространение получила сложная антенна, состоя­ щая из системы вибраторов и называемая директорной ан­ тенной или антенной типа «волновой канал» (рис. 62).

Уа пр а <£/?« ни*

иаиоо/м>ш*гс

Директорная антенна в большинстве случаев имеет один активный и несколько пассивных вибраторов, выполненных из алюминиевых труб.

К активному вибратору подключается линия' передачи, соединяющая антенну с приемо-передающим устройством.

Один из пассивных вибраторов, называемый рефлектором, устанавливается на расстоянии, примерно равном четверти длины волны относительно активного вибратора. Длина реф-

лектора вместо вибратора применяется металлическая сетка. При помощи рефлектора ослабляется излучение радиоволн

96

в заднюю полусферу и уменьшается угол раствора диаграм­ мы направленности.

Перед активным вибратором укрепляется несколько пас­

экспериментально.

Пассивные вибраторы применяются с целью обострения Диаграммы направленности полуволнового вибратора. Угол раствора диаграммы направленности и коэффициент направ­ ленного действия директорной антенны зависят от числа Ди­

ректоров.

Приближенно к. н. д. антенны (7 = 5 п, где п — число ди­ ректоров. Антенна с пятью директорами на волне 4 м имеет Угол раствора 40—459 и G - 20—25. В радиолокационных стан­ циях метрового диапазона для обострения диаграммы направ­ ленности применяют несколько директорных антенн, разнесен­ ных по высоте.

Действие пассивных вибраторов основано на использова■ нии вторичного излучения: радиоволны, излучаемые актив­ ным вибратором, возбуждают пассивные вибраторы, вследст­ вие чего последние становятся вторичными излучателями радиоволн.

Установка пассивных вибраторов относительно активного излучателя осуществляется с таким расчетом, чтобы волны, излучаемые всей системой вибраторов, ослабляли результи­ рующее излучение в сторону рефлектора и, наоборот, усили­ вали его в противоположном направлении.

Директорпые антенны широко применяются в диапазоне метровых и дециметровых волн. К недостаткам этих антенн следует отнести сложность настройки и сравнительно малую диапазопность (примерно 7% от средней рабочей частоты).

Рупорные антенны. Одним из распространенных методов излучения радиоволн на сантиметровых волнах является при­ менение рупоров. Как уже отмечалось выше, линии передачи

В случае применения секториалыюго рупора (рис. 63,а) диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях различны. Более острая диаграмма получается в той плоскости, которая имеет более широкую сторону рупора.

Рупорные антенны просты по конструкции и обладают хорошей направленностью. Однако получение очень узких диаграмм направленности (порядка нескольких градусов) при помощи рупорных антенн связано с большими техничес­ кими трудностями, так как необходимо, чтобы длина рупора во много раз превышала длину волны. По этой причине ру­ порные антенны в большинстве случаев используются в ка­ честве облучателей в более сложных антеннах. Рупорная антенна очень часто применяется для облучения параболиче­ ских отражателей.

Коэффициент направленного действия рупорных антенн

Щелевые антенны (рис. 64,а) выполняются в виде узких щелей, прорезаемых в стенке волновода, объемного колеба­ тельного контура (резонатора) или коаксиальной линии. Дли-

Рис. 64

98

па щели обычно выбирается равной половине длины вол-

XIt

ны • Излучение радиоволн через щели ооъясняется нару­

шением экранировки волновода. Щелевые антенны позволяют получить такие же по форме диаграммы направленности, как и в случае применения простых и сложных вибраторных ан­ тенн. Большую направленность имеют антенны с нескольки­ ми щелями.

Диаграммы направленности щелевой антенны в двух вза­ имно-перпендикулярных плоскостях изображены на рис. 64,6.

где а — длина щели;

в— ширина щели.

Врадиолокационных станциях щелевые антенны применя­ ются на сантиметровых волнах в качестве облучателей пара­ болических зеркал. Простота выполнения, отсутствие частей, выступающих за пределы поверхности, на которой прорезана щель, — все это является наиболее важными достоинствами щелевой антенны. Однако щелевые антенны не обеспечивают излучения в широком диапазоне частот и сложны в настройке.

Антенны с параболическим отражателем являются основ­

ным видом антенн радиолокационных станций сантиметрового и дециметрового диапазонов. Они позволяют получить узкие

А кт а бмыс

бобре*mopt>!

а \ П а с с и 6»ь/е £1

Диаграммы направленности и диаграммы специальной формы. Антенна представляет собой металлическое зеркало (от­ ражатель), перед которым устанавливается облучатель (рис. 65). Форма и размеры зеркала определяют вид диа­ граммы направленности. На рис. 66 изображена антенна с усеченным параболическим отражателем. .Металлическое зер­ кало имеет форму параболоида вращения или параболиче­ ского цилиндра из сплошных металлических листов или ме­

таллических сеток.

В качестве облучателей мо­ гут использоваться полуволно­ вый вибратор, рупор или щеле­ вая антенна. Для предотвраще­ ния излучения электромагнитной энергии, помимо зеркала, перед полуволновым вибратором уста­ навливают контррефлектор в виде вибратора, металлического диска или полусферической по­ верхности.

Ширина диаграммы направленности с параболическим от­ ражателем антенны зависит от соотношения между диамет­

лическим отражателем может быть определен приближенно по формуле:

остронаправленных диаграмм основано на использовании гео­ метрических свойств параболы. Если в фокусе О параболиче­ ского зеркала (рис. 67) поместить излучатель, то все лучи, падающие па поверхность параболоида, при отражении со­ здают пучок параллельных лучей.

100