Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Техническая электродинамика. Антенны, распространение радиоволн. Учебно-методическое пособие
.pdf
хвата);
Е
определяемый фазовыми ошибками;
явление кроссполяризации;
– множитель, определяемый затенением;
2
– множитель, учитывающий
4
– множитель, учитывающий дифрак-
5
– множитель,
3
цию зеркала.
Если при заданной форме зеркала
(/2 const)Df
з
расширять ДН
облучателя (кривая 1 на рис. 3.3), то амплитудное распределение в
раскрыве зеркала становится более равномерным (
растет). Однако
a
вместе с тем увеличивается доля энергии, проходящей мимо зеркала
(уменьшается
ся
и увеличивается
a
зультирующие КИП и КНД фактора при постоянной величине
или угла раскрыва зеркала
). При сужении ДН облучателя наоборот: уменьшает-
1
. Два противоположно действующих на ре-
1
и изменяемой ширине ДН облучателя
max
/2Df
з
определяют условие оптимального КНД. Условие оптимального облучения примерно обеспечивается при
где
– напряженность на краю зеркала. При этом
кр
кр кр 0
/0,316(10дБ)ЕЕ
0,7...0,8
1
a
.
,
Рис. 3.3. Диаграмма направленности облучателя
ЗПА
31
С точки зрения получения максимального КНД при заданных раз-
мерах зеркала идеальной является ДН облучателя, изображенная на
рис. 3.3 (кривая 2). Она должна быть осесимметричной, имеет два максимума в направлениях на края зеркала. Амплитудное распределение
раскрыва зеркала в данном случае получается близким к равномерному, т. е. каждая точка пространства излучает
с одинаковой амплитудой
(с учетом разных расстояний от фокуса зеркала до его вершины и кра-
1
ев), т. е.
имеет бесконечную крутизну ската), таким образом,
; переливание энергии за края зеркала отсутствует (ДН
a
Для обеспечения высокого
1
.
1
ДН облучателя должна иметь
рез
форму, по возможности приближающуюся к идеальной (например,
кривая 3 на рис. 3.3). Близкие к ней ДН можно получить с помощью
расфазированных рупоров и их модификаций. Кроме того, необходимо
исключить или уменьшить влияние других факторов, снижающих результирующий КИПР антенны (устранить затенение раскрыва облучателем, снизить кроссполяризацию и
т. д.).
В качестве облучателей параболических зеркал применяются различные слабонаправленные антенны: вибраторные с рефлектором,
волноводные, рупорные, спиральные и т. д. К ним предъявляются следующие требования:
ДН облучателя должна быть близкой к осесимметричной, а уро-
1)
вень боковых лепестков – минимальным;
2) фронт волны, создаваемый облучателем, вблизи поверхности
зеркала должен быть близким к сферическому, т. е. облучатель должен
иметь точечный фазовый центр;
3) облучатель должен иметь небольшие размеры, чтобы меньше за-
тенять раскрыв зеркала;
4) облучатель должен иметь нужную поляризацию, обеспечивать
требуемую электрическую прочность и необходимую полосу пропускания;
5) конструкция облучателя должна обеспечивать защиту от метео-
условий и допускать возможность герметизации тракта.
Отклонение фронта волны от сферического приводит к искажению
фазового распределения в раскрыве зеркала, что ухудшает характеристики излучения антенны. Затенение облучателем части раскрыва зеркала вызывает рассеяние энергии на облучателе, уменьшение КПД антенны и увеличение уровня боковых лепестков.
32
Наиболее перспективными являются волноводные и рупорные об-
D
D
DfDf
x
лучатели с внутренней ребристой поверхностью, имеющие осевую
симметрию.
Параболическую антенну с осесимметричным зеркалом (параболоид вращения) и облучателем линейной поляризации при оптимальном
фокусном расстоянии характеризуют параметры:
ширина ДН (в радианах) в плоскости Н:
H
21,2
0,5 з
; (3.3)
ширина ДН (в радианах) в плоскости Е:
Е
21,3
0,5 з
; (3.4)
КБВ в фидере облучателя:
1(4)
D
где
обл
Смещение
К ,
БВ
– КНД облучателя.
фазового центра облучателя из фокуса в направле-
обл
1(4)
обл
(3.5)
нии, перпендикулярном оси зеркала, вызывает отклонение максимума
ДН антенны в сторону, противоположную смещению облучателя, на
угол (в радианах)
Kxf
, (3.6)
K
где
– коэффициент, зависящий от размеров и фокусирующих
свойств антенны, определяемый по формуле
10,5(0,25 /)KDf
2
з
. (3.7)
ЗАДАЧИ
1. Определить фокусное расстояние зеркальной антенны в виде па-
раболоида вращения с углом раскрыва
КНД которой на волне 3 см составляет
2 120, максимальный
max
400D
; КИПР принять рав-
ным 0,6.
2.
Определить диаметр раскрыва и фокусное расстояние параболи-
ческой антенны с осесимметричным зеркалом, ширина ДН которой в
33
плоскости Н составляет
см, а половина угла раскрыва
3, 2
3.
Рассчитать диаметр
требуемая ширина ДН в плоскости Н составляет
см, отношение радиуса раскрыва к двойному фокусному рас-
2,5
стоянию равно
Определить КБВ в фидере рупорного облучателя параболической
4.
з
20,6Rf
Н
2 17, 5
0,5
D
и фокусное расстояние f ЗПА, если
з
мрад. Длина волны равна
0,86
max
рад.
1
, длина волны
.
антенны с осесимметричным зеркалом, относительный диаметр раскрыва которого
12D
з
, а полный угол раскрыва
облучателя в направлении на зеркало равен
КБВ в фидере рупорного облучателя параболической антенны с
5.
20,86
обл
max
5, 6D
.
рад. КНД
осесимметричным зеркалом равен 0,75. Во сколько раз нужно увеличить фокусное расстояние антенны, чтобы КБВ стал равным 0,9?
6.
Фазовый центр облучателя параболической антенны с осесим-
метричным зеркалом, фокусное расстояние которого равно радиусу
зеркала и составляет 50 см, смещен на 6 см в направлении, перпендикулярном фокальной оси. Определить угловое смещение (в радианах)
максимума ДН антенны относительно оси зеркала.
7.
Рассчитать, на какое расстояние необходимо вынести из фокуса
3, 5D
параболоида вращения (
з
м; 2,1f
м) фазовый центр облуча-
теля, для того чтобы направление главного максимума ДН антенны
составляло с фокальной осью угол, равный ширине ДН по уровню по-
10
ловинной мощности в плоскости Е. Длина волны
см.
34
4. РУПОРНЫЕ АНТЕННЫ
Рупор представляет собой часть волновода с плавно расширяющимся раскрывом. Это позволяет существенно увеличить КНД, а
плавный переход к окружающему пространству увеличивает коэффициент бегущей волны в волноводе (КБВ).
Рупорные антенны широко применяются в диапазоне СВЧ как самостоятельные антенны, а также в качестве облучателей зеркальных и
линзовых антенн, элементов антенных
странение получили секториальные, пирамидальные и конические рупорные антенны.
Секториальные рупоры получаются путем плавного расширения
одной из стенок прямоугольного волновода. Если расширение прямоугольного волновода происходит в плоскости Е, рупор называют
Е-плоскостным (рис. 4.1, а); если в плоскости Н, то называется
Н-плоскостным (рис. 4.1, б). Плавное линейное
угольного волновода в обеих плоскостях образует пирамидальный
рупор (рис. 4.1, в). Такое же расширение круглого волновода образу-
ет конический рупор (рис. 4.1, г). Пирамидальные и конические ру-
поры приемлемых размеров позволяют формировать ДН с шириной
порядка
9...12
. Во всех рупорных антеннах происходит плавная
трансформация структуры поля волноводных типов волн в поле пространственных волн.
решеток. Наибольшее распро-
расширение прямо-
а
а б в г
Рис. 4.1. Виды рупорных антенн:
а – Е-секториальный; б – Н-секториальный; в – пирамидальный; г – конический
35
В соответствии с граничными условиями плоский фронт волны,
R
L
L
распространяющейся в волноводе, в рупоре трансформируется в сферический (рис. 4.2), и раскрыв становится несинфазной поверхностью.
Разность фаз (фазовая «ошибка») полей в центре и на краю рупора
равна
kr
, (4.1)
где ∆r – разность хода лучей от фазового центра рупора О до края и до
центра раскрыва.
Очевидно, что величина фазовой ошибки зависит от угла раскрыва
рупора
, а угол, в свою очередь, зависит от размера раскрыва L и дли-
ны рупора R.
Если зафиксировать длину рупора и увеличивать угол раскрыва
,
то эффективная площадь раскрыва вначале будет увеличиваться за
счет увеличения размеров раскрыва, а затем уменьшаться из-за больших фазовых искажений в раскрыве. Соответственно ведет себя и КНД
(рис. 4.3).
О
Фазовый центр
сферической волны
Рис. 4.2. Образование сферической
волны в раскрыве рупора
r
2
2
Рис. 4.3. Зависимость КНД
от угла раскрыва рупора
Рупор, который имеет максимальный КНД при заданной длине,
называется оптимальным.
Подробный анализ показывает, что в случае равноамплитудного
раскрыва оптимальный угол раскрыва
соответствует разности
опт
хода лучей от фазового центра рупора до его края и до центра раскрыва
/2r , что соответствует разности фаз лучей /2
36
. В рас-
крыве рупора существует тот же тип волны, что и в волноводе. Поэто-
Н
му все сказанное выше справедливо для волны
в рупоре с прямо-
10
угольным раскрывом. В плоскости Е, как следует из рис. 4.3,
22
2
kr R R R R
E
21
RR
EE
22
LL
EE
22
1,
EE E
22
LL
EE
24 4 2
RR
EE
1
1
2
R
откуда
где
опт 2
RL , (4.2)
EE
опт
R
– оптимальная длина (расстояние от раскрыва до вершины
E
2
рупора).
В плоскости Н амплитуда поля на краю раскрыва равна нулю. Поэтому фазовая ошибка может быть увеличена до (3 / 4)
опт 2
RL . (4.3)
HH
3
. Тогда
Из выражений (4.2) и (4.3) следует, что длина оптимального рупора
растет в квадрате размера его раскрыва, т. е. оптимальные рупоры
имеют слишком большую длину. Из этих выражений также видим, что
фазовые искажения в раскрыве рупора подчиняются квадратичному
закону.
Поэтому оптимальные рупоры в качестве самостоятельной антенны применяются только тогда, когда КНД не
превышает 25...30 дБ.
Получить большой КНД (>30 дБ) короткого рупора можно, если в его
раскрыве установить линзу, которая трансформирует сферический
фронт волны в плоский.
Длина оптимального конического рупора определяется по формуле
опт 2
(2,4 ) 0,15Rd
p
, (4.4)
где
– диаметр раскрыва.
d
p
37
КНД рупора определяется так же, как для апертурных антенн. Для
R
L
R
E
D
L
E
E
E
Е-секториального (
D
) и Н-секториального (
E
D
) рупоров КНД мож-
Н
но определить по графикам (рис. 4.4).
КИПР для Е-секториального (
) и Н-секториального (
E
) рупо-
Н
ров равен 0,64. КИПР пирамидального рупора равен 0,49, конического – 0,51.
= 100
DН
Н
E
Н
= 100
E
а
б
Рис. 4.4. Определение КНД:
а – H-секториального рупора; б – E-секториального рупора
Ширина ДН рупора оценивается по следующим формулам:
для H-секториального:
H
21,4
0,5
для E-секториального:
H
21,18
0,5
для пирамидального:
H
21,4
0,5
L
L
L
H
E
,
20,89
H
0,5
E
,
20,93
H
0,5
E
,
20,93
0,5
38
L
L
;
;
L
;
для конического:
E
21,23Hd
0,5 p
,
21,05Ed
0,5 p
.
Для H-плоскостного секториального рупора КСВ лежит в пределах
1,2..1,4. E-плоскостной рупор по сравнению с H-плоскостным хуже
согласован со свободным пространством и для него КСВ лежит в пределах 1,3…1,7. КСВ для оптимальных пирамидальных рупоров составляет 1,04…1,15. Хорошее согласование пирамидального рупора обеспечивается тем, что он в обеих плоскостях плавно
трансформирует
волноводную волну в пространственную.
ЗАДАЧИ
1
L
1. Определить КНД рупора следующих размеров:
1
L
H
.
2.
Определить размеры пирамидального рупора из первой задачи,
E
если требуется повысить КНД на 20 дБ.
Определить диаметр конического рупора с КУ 20 дБ, работаю-
3.
щего на частоте 10 ГГц. Потерями пренебречь.
4.
Определить ширину диаграммы направленности в Е и Н плоско-
10
стях Е-секториального рупора с размерами
L
менить размер
, чтобы ширина ДН сузилась в два раза в плоско-
E
L
E
;
0,7
L
H
. Из-
сти Е.
5.
Определить ширину диаграммы направленности в Е и Н плоско-
0, 4
стях Н-секториального рупора с размерами
L
E
;
5
L
H
. Какой
размер рупора нужно изменить и на сколько, чтобы ширина ДН расширилась в два раза в плоскости Н.
6.
Максимальный КНД оптимального Н-плоскостного секториаль-
ного рупора равен
. Определить ширину ДН рупора по уров-
17,5D
ню половинной мощности в плоскости Н, если ширина ДН на указанном уровне в плоскости Е равна
7.
Определить размеры раскрыва оптимального пирамидального
рупора, максимальный КНД которого
E
21,15
0,5
рад.
240D
. Ширина ДН рупора по
уровню половинной мощности в главных плоскостях одинакова
H
22
0,5 0,5
), а длина волны равна 2 см.
;
39
8. Рассчитать пирамидальный рупор, который при возбуждении его
волноводом МЭК – 100 (22,85
10,16 мм) на волне длиной 3 см имеет
КНД в направлении максимума излучения не менее 40.
9.
Эффективная поверхность пирамидальной рупорной антенны
составляет
эф
максимальный КНД антенны при работе на частоте 3f
10.
Определить угол и диаметр раскрыва конического рупора опти-
мальных размеров, длина которого
8
равна
см.
2
. Определить ширину ДН в главных плоскостях и
1 мS
ГГц.
опт
см. Рабочая длина волны
40R
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]