лабы / лаба 106 / лаба_106_аррт_метода

План УМД на 2005/2006 уч. г.

Лабораторная работа № 106

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАБОЛИЧЕСКИХ АНТЕНН

по курсу АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА (специальности 200700, 201100, 701100)

Составитель: А. А. Пресс

Утверждено советом факультета Р и Т. Протокол № 8 от 20 апреля 2006 г.

Рецензент В. М. Седов

3

1.Цель работы

1.1.Изучение принципа действия параболической антенны.

1.2.Изучение влияния фазовых искажений в раскрыве антенны на диагра-

мму направленности.

1.3. Изучить влияние затенения раскрыва антенны облучателем на диаг-

рамму направленности.

2. Принцип действия и основные свойства параболических антенн

Зеркальная параболическая антенна состоит из металлического зеркала в виде параболоида вращения и антенны-облучателя, размещенного в фокусе

(рис. 1). Раскрывом или апертурой антенны называется плоская поверхность,

перпендикулярная оси Z и ограниченная кромкой параболоида. Радиус этой поверхности R0 называется радиусом раскрыва; угол 2 0 – углом раскрыва.

Расстояние между фокусом F параболоида и его вершиной О – фокусное рас-

стояние f. Прямая, проходящая через вершину параболоида и его фокус, назы-

вается оптической или фокальной осью. Если 2 0 или R0 f 2 , то зеркало называется длиннофокусным, если 2 0 или R0 f 2 , то – короткофокус-

ным.

Согласно геометрическим свойствам параболы, лучи, идущие из фокуса и отраженные от параболоида, параллельны его оси. Сумма расстояний от фокуса до параболоида и от его поверхности до плоскости раскрыва одинакова для лю-

бого угла (рис. 1). Таким образом, с некоторой погрешностью можно считать,

что в раскрыве параболической антенны образуется синфазная поверхность [1,

с. 312…315] и максимум излучения совпадает с осью Z.

Для определения направленных свойств параболической антенны в ин-

женерной практике, в основном, используются два приближенных метода: то-

ковый и апертурный [1, с. 319…325; 2, с. 172…176].

4

По апертурному методу, вначале по законам геометрической оптики вы-

числяется распределение поля в раскрыве зеркала, а затем интегрированием по поверхности раскрыва находится поле в дальней зоне. Амплитудное распреде-

ление на поверхности раскрыва зеркала зависит от геометрических параметров зеркала и направленных свойств облучателя и определяется по формулам

где Fоблучат. – диаграмма направленности облучателя; r – расстояние от фокуса до выбранной точки внутренней поверхности параболоида; – угол между направлением на выбранную точку и осью зеркала; – радиальная координата

В плоскости раскрыва, R0 (рис. 1).

Для некоторых типов облучателей параболической антенны (вибратор-

ные, волноводно-рупорные) амплитудное распределение поля в раскрыве,

7

искажений в раскрыве зеркала, и, следовательно, к искажению формы ДН. При одинаковом смещении облучателя из фокуса фазовые искажения больше в ко-

роткофокусных зеркалах, чем в длиннофокусных [1, с. 332, 336…342; 2, с.

184…185].

При смещении облучателя из фокуса вдоль оси зеркала на поверхности раскрыва возникают фазовые искажения, симметричные относительно верши-

ны зеркала (квадратичные, биквадратичные и т.д.). Это влечет за собой умень-

шение уровня напряженности поля в главном направлении, расширение главно-

го лепестка ДН, рост боковых лепестков, "заплывание" нулей ДН. При больших продольных смещениях облучателя излучение в главном направлении значите-

льно уменьшается, и появляются два направления максимального излучения,

симметричные относительно фокальной оси зеркала.

При смещении облучателя из фокуса перпендикулярно оси зеркала на по-

верхности раскрыва возникают несимметричные фазовые искажения (линей-

ные, кубические и т.д.). Это приводит к отклонению главного максимума ДН в сторону, противоположную смещению облучателя. Кроме того, форма ДН ста-

новится асимметричной относительно максимума, увеличивается уровень бо-

фазовое распределение в раскрыве близко к линейному. При этом максимум ДН поворачивается на угол, равный угловому смещению облучателя, а форма ДН практически не искажается:

где max – угол отклонения максимума ДН, а – линейное смещение облучателя из фокуса.

Это свойство параболических антенн используется при сканировании ДН

8

в небольших пределах.

Коэффициент направленного действия параболической антенны можно рассчитать по формуле [2, с. 146…180, табл. 7.1]:

(КИП); а – апертурный КИП, определяемый амплитудным распределением в синфазном раскрыве [2, с. 101…102], 1 – коэффициент перехвата, определяю-

щий долю мощности облучателя, проходящей мимо зеркала, 2 , 3 – коэффици-

енты, учитывающие уменьшение КИП из-за затенения части поверхности рас-

крыва облучателем и элементами его крепления, кросс-поляризации излучаемо-

го поля, фазовых ошибок в раскрыве и т.д.; S – площадь поверхности раскрыва:

S = R02 .

9

Для получения высокого коэффициента направленного действия необхо-

димо иметь равномерное ( = 1) ИЛИ близкое к равномерному распределение поля в раскрыве антенны и минимальную утечку энергии облучателя мимо зер-

кала. Эти требования противоречат друг другу. Так, чем равномернее распреде-

ление поля в раскрыве антенны, тем больше его уровень на краю антенны и тем большей утечки энергии следует ожидать. С другой стороны добиться высокого коэффициента перехвата можно лишь при низком уровне облучения края ан-

тенны, что противоречит требованию равномерного освещения поверхности и снижает апертурный КИП. Поэтому для достижения максимальной эффектив-

ности необходим компромисс между требованием равномерного распределения и требованием минимальной утечки. Для большинства облучателей параболи-

ческих антенн этот компромисс заключается в том, что кромка антенны воз-

буждается примерно на 10 дБ слабее, чем центр раскрыва антенны. Чтобы обеспечить такое возбуждение раскрыва при помощи облучателя с более широ-

кой ДН (например, вибраторного) требуется зеркало с большим отношением

R0 f , чем для облучателя с более узкой ДН. Таким образом, для каждого облу-

чателя существует оптимальное значение R0 f , при котором кромка зеркала освещается уровнем – 10 дБ и обеспечивается максимум коэффициента направ-

ленного действия.

Оценить влияние затенения раскрыва параболической антенны облучате-

лем на форму ДН можно следующим образом. На фронте волны, отраженной от зеркала, в результате частичного затенения раскрыва облучателем образуется поверхность, на которой напряженность поля равна нулю. Следовательно, ее можно рассматривать как поверхность, возбужденную двумя полями с одина-

ковой амплитудой и противоположной фазой. Одно из этих полей имеет такую же амплитуду и фазу, как и поле отраженной от зеркала волны в этом месте без учета влияния затенения. Оно дополняет фронт основной волны. Второе поле имеет одинаковую с первым амплитуду, но противоположную фазу. Таким об-

10

разом, поле, создаваемое антенной, можно представить в виде разности полей незатененного раскрыва параболоида и затененной части раскрыва. ДН незате-

ненной части раскрыва определяется размером и формой проекции облучателя на фронт волны. Так как эта поверхность мала по сравнению с раскрывом пара-

болоида, то ее ДН значительно шире ДН антенны (рис. 3).

Таким образом, теневой эффект облучателя уменьшает излучение в глав-

ном направлении и увеличивает уровень нечетных боковых лепестков. Одним из радикальных методов устранения эффекта затенения зеркала облучателем является использование несимметричного параболического зеркала, т.е. зеркала со смещенным облучателем (рис. 4). В этом случае облучается только часть