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

длиннофокусных параболоидов при -d- 1 практически можно

Но

считать ©о' *=»©!.

При боковом выносе фазового центра облучателя из фокуса синфазная поверхность не только наклоняется относительно оси

Рис. 5-18

А

9.

рефлектора, но и искажается, то есть становится неплоской. Иска­ жение оказывается тем больше, чем больше вынос облучателя. Это искажение сопровождается.расширением основного лепестка и на­ рушением его симметрии, увеличением боковых лепестков и соот­ ветственным уменьшением максимального к.н.д. антенны. Однако

180'

при небольших выносах облучателя, соответствующих углам

0 о'<11Оо, в длиннофокусных параболоидах

фазового фронта незначительны и можнс| считать, что вынос облу­ чателя приводит только к повороту диаграммы без какой-либо ее деформации.

При расчете антенн РГС заданным является угол отклонения максимума диаграммы от оси ОХ—0 О. В случае, когда ось ОХ совпа­ дает с осью рефлектора и относительно нее смещается облучатель (коническое сканирование в варианте вращения облучателя — рис. 5-16,а и одновременное сравнение — рис. 5-17), угол 0 Оравен углу отклонения диаграммы от оси рефлектора 0</. В случае, когда облучатель установлен на оси ОХ и от нее отклоняется ось рефлек­ тора (коническое сканирование в варианте вращения рефлектора — рис. 5-16,6), угол 0о есть сумма углов 0i и ©о'.

Угловое смещение облучателя 0i в фокальной плоскости и соот­ ветственно его линейное смещение относительно оси рефлектора 6 = /sin 0 1 «=/0i, необходимое для обеспечения требуемого откло­ нения диаграммы ©о от оси ОХ, при сделанном допущении можно

наити по условию или по кривой рис. 5-19.

Более точный расчет нужного выноса облучателя с учетом дефор­ мации диаграммы может быть выполнен при необходимости по ме­ тодике, изложенной в работе [27].

§ 24. ОБТЕКАТЕЛИ АНТЕНН

Обтекатели параболических антенн РГС представляют собой защитные колпаки, выполненные из радиопрозрачного материала. Они предназначены для сохранения аэродинамических свойств ра­ кеты, в головной части которой размещена аппаратура самонаведе­ ния, и для защиты этой аппаратуры от внешних механических воз­ действий.

Обтекатель должен плавно вписываться в конфигурацию носо­ вого отсека ракеты и в зависимости от аэродинамических характе­ ристик последней может иметь сферическую, оживальную или ко­ ническую (остроконечную) форму. Антенный обтекатель является ответственным элементом РГС. Низкое качество материала обтека­ теля может резко снизить расчетную дальность действия устройст­ ва, неудачная форма может привести к ухудшению точности его ра­ боты.

Потери в дальности действия обусловлены ослаблением элек­ тромагнитной энергии при прохождении ее через толщу материала обтекателя. Ослабление энергии происходит как за счет ее погло­ щения, так и за счет отражений от поверхностей обтекателя.,

Обычно для обтекателей антенн используется материал с ди­ электрической проницаемостью, равной 4—7, и тангенсом угла по-

181

терь меньше 0,02. При этом потере мощности при однократном про­ хождении энергии через обтекатель составляют 10—30%' и зависят от угла падения радиоволн. Такие потери приводят к уменьшению дальности действия РГС примерно на 2—8%'.

Для дозвуковых ракет в качестве материала обтекателей могут использоваться диэлектрики, имеющие органическую основу.

Обтекатель может иметь однослойную структуру с толщиной стенки, примерно равной половине длины волны, что уменьшает по­ тери энергии на отражение. Однако однослойные структуры с орга­ нической основой либо не обладают необходимой механической прочностью, либо имеют высокую диэлектрическую проницаемость.

t'.c

В последнем случае внутри и на поверхности обтекателя возникают интенсивные отражения энергии. Лучшие результаты в этом смысле дают «слоеные» структуры, состоящие из нескольких слоев состав­ ных материалов, имеющих разные толщины и диэлектрические про­ ницаемости.

Для обтекателей РГС сверхзвуковых ракет используются мате­ риалы, устойчивые к высоким температурам, которые возникают на головной части ракеты в результате ее аэродинамического нагрева. Кривые зависимости температуры передней части обтекателя раке­ ты от ее скорости и высоты полета в установившемся режиме при­ ведены на рис. 5-20 [12]. Наиболее полно температурным условиям рис. 5-20 в настоящее время удовлетворяют специальные виды ор­ ганических пластмасс и жаропрочной керамики. Специальная ж а­ ропрочная керамика является весьма перспективным материалом.

182

По температурному пределу, при котором сохраняется достаточная прочность, и по температуре плавления этот материал соответствует нержавеющей стали. Вместе с тем, по удельному весу он близок к алюминию. Диэлектрическая проницаемость его равна шести, а тангенс угла потерь невелик [12].

Снижение точности работы РГС из-за влияния обтекателя объ­ ясняется прежде всего рефракцией радиоволн на его поверхности. Рефракция возникает во всех случаях, когда угол между направле­ нием падения волны и нормалью к поверхности обтекателя отличен от нуля. Это явление приводит к смещению равносигнального на­ правления и, следовательно, к ошибкам в определении угловых ко­ ординат цели. Величина и направление рефракции для различных зон обтекателя различны, а значит и ошибка измерения координат цели для различных углов поворота антенны внутри корпуса раке­ ты будет также различна.

Дополнительным источником ошибок для устройств активного типа при неудачном выборе формы и материала обтекателя^является отражение излучаемой антенной электромагнитной энергии от внутренней поверхности обтекателя. Это приводит к увеличению уровня боковых лепестков и может снизить качество автоматиче­ ского сопровождения цели по направлению. Кроме того, отражен­ ная часть энергии проникает в тракт передатчика РГС и создает эффект затягивания его частоты.

Снижение вредного влияния перечисленных факторов может быть достигнуто выбором соответствующей формы обтекателя. Так, например, полусферическая форма вследствие ее симметрии практически исключает смещение равносигнального направления за счет рефракции. Однако выбор формы обтекателя, оптимальной в радиотехническом отношении, к сожалению, никогда не согласуется полностью с аэродинамическими требованиями к ней. Поэтому что­ бы выбор формы обтекателя не оказался задачей неразрешимой, следует предъявлять к ней требования по вносимым искажениям, сообразуясь с общими требованиями к точности работы РГС на различных этапах. Жесткие требования по форме обычно имеет смысл предъявлять не ко всему обтекателю, а лишь к той его части, которая в действительности используется на ответственном этапе работы РГС.

Расчет и проектирование обтекателей параболических антенн является задачей не менее сложной и трудоемкой, чем расчет и про­ ектирование самих антенн. Поэтому на практике обычно в большей своей части эта задача решается эмпирически.

§ 25. ВОЛНОВОДЫ

Для передачи энергии высокочастотных 'колебаний сантиметро­ вого диапазона от облучателя антенны к элементам электрической схемы радиолокационного устройства и наоборот используются волноводы. Это объясняется тем, что другие виды фидерных линий

183

на сантиметровых волнах имеют конструктивно неудобные размеры и уступают волноводам по таким параметрам как затухание энер­ гии и величина передаваемой мощности.

Волновод представляет собой обычно полую, тонкостенную трубку, выполненную из металла с малыми электрическими поте­ рями, как правило, из латуни. Для увеличения проводимости и сни­ жения потерь в передаваемой мощности стенки волновода тщатель­ но обрабатываются, полируются и покрываются медью или сереб­ ром.

Наиболее широко в настоящее время применяются волноводы прямоугольного и круглого сечений.

При проектировании волноводных линий передачи энергии ин­ терес представляют прежде всего вопросы передаваемой мощности и потерь энергии, методы согласования отрезков волноводов по по­ лосе пропускаемых частот и способы возбуждения в них электро­ магнитных волн. Ответы на эти вопросы находятся в прямой зави­ симости от структуры электромагнитного поля в волноводе.

Напомним основные положения общей теории волноводов.

При любой форме волновода в нем могут существовать волны

в поперечном сечении волновода. В случае прямоугольного сечения

тесть число полуволн поля, укладывающихся вдоль широкой стен­ ки волновода, а п — число'полуволн, укладывающихся вдоль узкой

волны низших типов: Я 10 или Н01— в прямоугольных и Е01 или

# п — в круглых.

Прямоугольные волноводы

Прямоугольный волновод является основным видом линии пе­ редачи высокочастотной энергии сантиметрового диапазона. Это обусловлено простотой его конструкции, малым затуханием энер­ гии, большой передаваемой мощностью и устойчивостью конфигу­ рации электромагнитных полей в нем (стабильностью положения плоскости поляризации). Основным типом волны, для прямоуголь­

. 184

ного волновода является волна Я 10 (см. рис. 5-10). Волна типа Я ]0 возбуждается в прямоугольном волноводе при помощи штыревого электрического диполя (внутреннего проводника коаксиальной ли­ нии), либо при помощи магнитной петли связи, один конец которой соединен с центральным.проводником коаксиальной линии, а дру­ гой — со стенкой волновода.

Штырь и петля вводятся через отверстие в середине широкой стенки волновода на расстоянии — (Хв— длина волны в волно­

воде) от короткозамкнутого торца волновода (рис. 5-21). Эти уст­ ройства используются для связи волноводной линии с передатчи­ ком и приемником РГС.

Длина волны колебаний типа Я 10 в прямоугольном волноводе определяется формулой [21]

X

X

Z 1- 2а

(5-46)

где К— длина' волны в воз­ душной среде (дли­ на волны, генери­ руемая передатчи­ ком);

а— ширина стенки вол­ новода, перпенди­

кулярной силовым линиям электриче­ ского поля.

Критическая длина вол­ ны колебаний, распростра­ няющихся в волноводе, рав­ на

ХКр — 2<х. (5-47)

Более длинные волны распространяться по волно­ воду не будут.. Из (5-47) следует, что размер стенки

а. волновода должен удовлетворять условию

185

Сдругой стороны, для подавления волн высших типов, начиная

сЯго, которые могут возникнуть на различных неоднородностях в волноводном тракте (фланцы, разрядники, переходы и т. д.), нуж­ но, чтобы для этих типов волн размеры волновода были меньше критических.

Критическая длина волны для колебаний типа Я 20 равна

Следовательно, для подавления волны типа Я 2о и выше необхо­ димо, чтобы выполнялось условие

Таким образом, размер широкой стенки волновода для возбуж­ дения в нем только волны Я 10 должен удовлетворять неравенству

(5-51)

Размер узкой стенки выбирается из условия отсутствия в волно­ воде волны типа Я01. Это условие выполняется, если

= 2 Ь. Неравенства (5-51) и (5-52) являются отправными для вы­ бора геометрических размеров прямоугольного волновода.

Максимальная мощность, передаваемая через сечение волново­

где £ пр — пробивная напряженность электрического поля, опреде­ ляемая по формуле (5-42), в/см.

При распространении вдоль волновода энергия электромагнит­ ных колебаний затухает. Причинами потерь энергии являются: на­ грев стенок волновода протекающими по ним токами основной вол­ ны, отражение волны от неоднородностей (стыков, изгибов, перехо­ дов и т. д.), образование волн высших типов. Затухание энергии в волноводе измеряют либо в неперах, либо в децибелах. При этом предйолагается, что волновод имеет постоянное затухание на еди­ ницу длины.

Коэффициент затухания р в неперах на метр длины волновода

где Ро— мощность в начале волновода, вт; Pt — мощность в его конце, вт\

I — длина волновода, м.

186

В децибелах на метр коэффициент р определяется как

Связь единиц измерения р устанавливается зависимостью

Р дб/м — 8,686 р неп/м.

Коэффициент затухания прямоугольного волновода может быть рассчитан по формуле [25]

=5,8- 107-г 5,3-107 ом4 -м~1);

/— частота, соответствующая длине волны К, гц.

Зная коэффициент затухания, легко определить коэффициент полезного действия волноводной линии. Если волновод согласован с нагрузкой, то на ней выделяется вся мощность, проходящая через сечение в конце волновода (Рн = Pi), следовательно, к.п.д. линии равен

длины, возбуждаемого волной Яю, можно найти по формуле [21]

где А — постоянный множитель, зависящий от выбора исходных величин, по которым определяется сопротивление;

W\0— удельное волновое сопротивление волновода для волны

Я,о.

Знание волнового сопротивления необходимо для решения вопросов согласования волновода с нагрузкой и отрезков волновод­ ной линии между собой.

187

Волновое сопротивление волновода можно определить одним из трех способов:

а) как отношение максимальной амплитуды напряжения U между широкими стенками к амплитуде полного продольного тока /;

б) как отношение квадрата максимальной амплитуды напряже­ ния U к удвоенному значению передаваемой мощности Рг;

в) как отношение удвоенного значения передаваемой мощности Pi к квадрату амплитуды полного продольного тока I.

Все три определения волнового сопротивления условны и дают не сильно отличающиеся результаты, поэтому безразлично, которое из них принять.

Удельное сопротивление полого волновода равно

Круглые волноводы

Круглые волноводы в качестве основных линий передачи энер­ гии обычно не используются, так как конфигурация 'полей в них сложнее и менее стабильна, чем в прямоугольных. Отрезки круглых волноводов находят применение лишь в качестве объемных резона­ торов, циркуляторов и вращающихся сочленений линии передачи.

В круглых волноводах возбуждают волны низших типов £ 0i (рис. 5-22) или # и (см. рис. 5-15). Волна типа £ 01 вследствие осе­ вой симметрии поля удобна для вращающихся сочленений. Приме­ ром использования волны типа Я п является щелевой облучатель с круглым резонатором, рассмотренный в § 22. Волна Е01 возбуж­ дается в круглом волноводе при прямоугольном переходе к нему от прямоугольного волновода с волной Я 10, а волна Ни — при соосном переходе (рис. 5-23).

188

(5 -6 1 )

Типа Ни

(5-62)

где i? — радиус сечения волновода.

Рис. 5-22

Радиус R выбирается из условия возбуждения в волноводе толь­ ко волн низшего типа Е 01 или Нп.

189