книги из ГПНТБ / Вулконский Б.М. Основы теории радиолокационных устройств самонаведения ракет учебник

широкой стенки а оно распределено косинусоидально. Для волны Я 01 электрическое поле ориентировано вдоль широкой стенки а и имеет косинусоидальное распределение вдоль стенки Ь.

Как видно, плоский фронт волны, распространяющейся в волно­ воде, и в одном, и другом случаях трансформируется рупором в сферический с центром в вершине рупора. Объясняется это тем, что фронт волны в плоскости £ встречается со стенками рупора под углом 90°, так как тангенциальная составляющая электрического поля на проводящей поверхности равна нулю .То есть при переходе от оси рупора к его стенкам вектор электрического поля постепен­ но поворачивается, оставаясь все время направленным по касатель­ ной к дуге окружности с центром в вершине рупора. В плоскости Н

поле у стенок рупора остается параллельным им, что приводит к со-

—>

ответствующему повороту вектора магнитного поля Я.

У

ч

\ о

Рис. 5-11

Строго сферический фронт волны обеспечивает остроконечный рупор, в котором силовые линии поля в £ и Я плоскостях представ­ ляют дуги концентрических окружностей с общим центром в вер­ шине рупора. Клиновидный рупор, центры силовых линий которого в плоскостях £ и Я разнесены, имеет фронт волны, близкий к сфе­ рическому.

Распределение фаз по раскрыву остроконечного рупора a{z, у) легко определить из геометрии рупора (рис. 5-11)

или, так как обычно А Яр,

(5-32)

170

Для клиновидного рупора распределение фаз по раскрыву имеет вид

скости. Причем диаграммы направленности рупора в плоскостях Е и Н независимы, изменение геометрических размеров рупора в од­ ной плоскости приводит к изменению диаграммы только в этой пло­ скости.

Анализ диаграмм направленности рупорных облучателей с уче­ том распределения фаз полей по раскрыву приводит к сложным формульным зависимостям, содержащим интегралы Френеля [21, 24]. Анализ показывает, что диаграммы направленности имеют осе­ симметричный каплеобразный главный лепесток и небольшое число слабых боковых лепестков только в случае, если сдвиг фаз полей по

раскрыву в точках на оси и у кромки рупора не превосходит ■л .

При фазовом сдвиге, большем -^-.в раскрыве имеют место противо­

фазные поля, что приводит к увеличению боковых лепестков, рас­ ширению главного лепестка и даже, при большом фазовом сдвиге, к расщеплению последнего.

Вследствие значительного ослабления поля на краях в Н-пло­ скости в этой плоскости может быть допущен фазовый сдвиг до

3

— я, так как влияние поля у краев раскрыва в этой плоскости на

направленные свойства рупора незначительно, Для допустимых фа­

облучателя от углов <]»„ и <]>е(нормированные диаграммы направлен­

ности F„ (Фн) и F e (Фе)) при различных значениях и

(рис. 5-12 и 5-13).

Графики могут быть использованы для построения главного ле­ пестка диаграмм направленности рупора в Н и Е плоскостях по за­ данным ширине раскрыва рупора и длине волны, а также для выбо­ ра ширины раскрыва рупора в плоскостях Н и Е по заданному углу между направлениями, по которым уровень диаграммы падает до 0,3 (~0,1 по мощности) от максимума (по заданному углу раскры­ ва рефлектора параболической антенны).

171

Из условия допустимых фазовых сдвигов по раскрыву рассчиты­ ваются длина и углы раскрыва рупора в Е и Н плоскостях.

0,06

о./

о.г

о.з ол

0.5

0.6

ол

о,8

0,8

172

Рис. 5-13

Параболические антенны РГС имеют сравнительно большие углы раскрыва рефлектора, поэтому диаграмма направленности об­ лучателя должна быть достаточно широкой.

173

Для получения такой диаграммы применяются короткие рупоры с малой площадью раскрыва и даже просто открытые концы вол­ новодов. Открытый конец волновода имеет наиболее широкую диа­ грамму направленности, однако он плохо согласуется с волново­ дом [21]. Рупорный облучатель согласуется с волноводом лучше, особенно если переход от волновода к рупору выполнен по плавной кривой. . ; |

Достоинством рупорного облучателя является простота конст­ рукции, простота его изоляции (герметизации) от внешней среды (установкой слюдяной или полистироловой пластинки в раскрыве) и большая пропускаемая им мощность (при правильном согласоваг нии с волноводом не меньше чем мощность, пропускаемая волно­ водом) .

К недостаткам рупорного облучателя в общем случае относятся: заметный теневой эффект, создаваемый рупором и питающим вол­ новодом и деформация вторичного поля рефлектора за счет переизлучения энергии с поверхностей рупора и волновода. Однако ан­ тенны РГС имеют, как правило, большую площадь раскрыва, по­ этому как теневой эффект, так и эффект переизлучения в них отно­ сительно малы. Влияние этих эффектов можно снизить дополни­ тельно, если питающий волновод подвести к рупору под прямым уг­ лом к плоскости Е [23, 25].

Для параболических антенн, в которых сканирование диа­ граммы направленности осуществляется за счет механического вра­

174

щения облучателя вокруг оси рефлектора (см. § 23), в ряде случаев более удобным типом облучателя оказывается двухщелевой.

Двухщелевой облучатель представляет собой объемный резона­ тор, выполненный в виде отрезка волновода круглого сечения, в торцевой стенке которого прорезаются две щели, расположенные симметрично относительно диаметральной плоскости резонатора (рис. 5-14). Облучатель питается от прямоугольного волновода, ко­ торый сужается к концу. Сужение волновода необходимо как для согласования его с резонатором, так и для уменьшения влияния его внешних поверхностей на конфигурацию поля щелей. Для согласо­ вания резонатора с питающим волноводом применяются также на­ страивающие штыри большого диаметра, которые устанавливают­ ся в торцевой стенке резонатора напротив открытого среза волно­ вода.

Рис. 5-15

При сочленении прямоугольного волновода, в котором возбуж­ дена волна Я 10 или Нои с волноводом круглого сечения в последнем возбуждается волна Ни (ТЕиу. Структура электромагнитного поля волны Нп показана на рис. 5-15'*). В теории, волноводов доказы­ вается, что условием возбуждения в круглом волноводе только од­ ной волны Нп является

Левый предел соответствует возбуждению волны Нп, правый — отсутствию волны следующего более высокого типа.

Из условия (5-38) определяется внутренний диаметр резонатора

•Орез-

*) Рис. 5-15 соответствует возбуждению волновода волной Я 10; при возбуж­ дении его волной Н01 направление силовых линий поля относительно осей коор­

динат изменится на Д .

175

Высота, или рабочая длина резонатора Арез выбирается из ус­ ловия образования в нем режима стоячих волн [26]

питающего волновода (параллельно его стенкам). При этом рас­

Для уменьшения возможных перенапряжений, щели выполняют­ ся не прямоугольной, а овальной формы с максимальными радиу­ сами закругления, как это показано на рис. 5-14.

176

Двухщелевой облучатель излучает электромагнитную волну, фазовый фронт которой близок к сферическому.

Нормированные диаграммы направленности облучателя описы­ ваются следующими приближенными формулами:

— в Е плоскости (плоскость XY)

от стенки волновода на расстоянии d, может рассматриваться как полуволновый вибратор, расположенный на высоте d над идеально проводящей, бесконечно протяженной поверхностью.

По этим формулам рассчитывается расстояние d так, чтобы диа­ граммы направленности в обеих плоскостях (Е и Н) имели одина­ ковую ширину по уровню 0,3 (0,1 по мощности). Полагая Р„ (ф„) = = 0,3, из (5-44) получим ф„ = 67°. Приравнивая значению 0;3 вы­ ражение (5-43) для фв= 67° имеем

Достоинством двухщелевого облучателя является малый тене­ вой эффект и малые искажения вторичного поля рефлектора за счет переизлучения энергии внешними поверхностями волновода, так как последний подводится к облучателю через центральное от­ верстие в рефлекторе. Недостатком является наличие двух фазовых центров излучения, расположенных посередине каждой из щелей и, следовательно, вне фокуса, что несколько снижает максимальный к.н.д. всей антенны.

§ 23. УПРАВЛЕНИЕ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ ПАРАБОЛИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ

Путем смещения облучателя (его фазового центра) из фокуса рефлектора можно управлять диаграммой направленности парабо­ лической антенны. При смещении облучателя вдоль оси рефлектора в обе стороны от фокуса главный лепесток диаграммы расширяется.

Рис. 5-16

I

Щ

При смещении облучателя из фокуса в сторону от оси главный ле­ песток диаграммы поворачивается в плоскости смещения в сто­ рону, противоположную смещению.

Возможность управления угловым положением оси симметрии главного лепестка диаграммы относительно оси рефлектора исполь­ зуется для формирования равносигнального направления в антен­ нах РГС.

Коническое сканирование диаграммы в устройствах с по­ следовательным сравнением осуществляется смещением облуча­ теля в сторону от оси рефлектора на расчетную величину и враще­ нием либо облучателя относительно оси рефлектора, либо рефлек­ тора относительно линии, соединяющей облучатель с центром реф­ лектора (рис. 5-16,я, б). При этом диаграмма сканирует как при работе антенны на излучение, так и на прием.

Формирование четырех независимых диаграмм в устройствах с одновременным сравнением, использующих амплитудный принцип, осуществляется установкой в фокальной плоскости рефлектора че­ тырех облучателей, фазовые центры которых смещены в сторону от фокуса (рис. 5-17). Такая система при синфазном питании всех об­ лучателей в режиме излучения имеет общую осесимметричную диа­ грамму на излучение (показана на рис. 5-17 пунктиром) и четыре независимые диаграммы на прием.

Причиной, вызывающей поворот диаграммы при поперечном смещении облучателя, является перераспределение фаз полей в раскрыве рефлектора. При совпадении фазового центра облучателя с фокусом плоскость раскрыва рефлектора является синфазной плоскостью и направление максимума диаграммы совпадает с на­ правлением оси рефлектора. При смещении фазового центра синфазность полей в раскрыве рефлектора нарушается. Возьмем две точки 1 и 2 на краях раскрыва параболоида (рис. 5-18). Пусть фа­ зовый центр облучателя смещен из фокуса F в точку F'. Рас­ стояние от фазового центра до точки 1 в этом случае уменьшится, а до точки 2 увеличится. Вследствие этого поле в точке 1 будет опе­ режать по фазе поле в точке 2 и синфазной плоскостью будет не плоскость раскрыва, а некоторая плоскость аа, повернутая на угол ©о' к плоскости раскрыва. На этот же угол 0 О' и отклонится от оси рефлектора максимум диаграммы.

Связь угла отклонения максимума диаграммы ©о' с углом боко­ вого смещения облучателя в фокальной плоскости ©i может быть найдена из анализа перераспределения фаз полей в раскрыве реф­ лектора. На рис. 5-19 приведена кривая зависимости отношения

за [21]. Угол ©о', как видно, всегда оказывается несколько меньшим

179