 f= Е cosθ sin 4 (1-τ) ctg 2 (1 cos ) (9.36)
f= (1 ) ctg
2 (1 cos )
(9.37)
 H sin 4
При определении диапазонных свойств ЛПА опираются на принцип подобия и понятие активная зона ЛПА.
Принцип подобия: две антенны, одинаковые по форме, но раз- ные по размерам, так что у одной линейные размеры в nраз больше, чем у другой, будут иметь все электрические характеристики одина- ковыми, если большая антенна возбуждается колебаниями на волне в nраз более длинной, чем волна, на которой возбуждается меньшая антенна.
Активная зона ЛПА – это часть ее структуры, интенсивно из- лучающая или принимающая ЭМВ и состоящая из 35 вибраторов наиболее близко расположенных к вибратору, длина которых 𝑙 0,5.
297
Диапазонные свойства ЛПА определяются по коэффициентом перекрытия К:
К fmax
fmin
1
n
, (9.38)
где n – полное число вибраторов антенны; – число вибраторов ак- тивной зоны; – период структуры.
Коэффициент усиления ЛПА невысок, имеет величину порядка
(6 – 9) дБ.
Входное сопротивление антенны определяется входным сопро- тивлением собирательной двухпроводной линии. Так как собиратель- ная линия работает в режиме бегущей волны тока, то её сопротивле- ния определяется классическим выражением:
Zвх
а
120ln d/r, (9.39)
где d– расстояние между проводами; r– радиус провода собирательной линии. Практическое применение ЛПА находят как в комплексах радио и радиорелейной связи, системах теле и радиовещания. Характеристика направленности ЛПА  180˚ 0˚ Рис. 9.40. Характеристика направленнсти ЛПА в Еи Нплоскостях Максимум характеристики направленности во всех типах лого- периодичекой антенны формируется вдоль оси собирательной линии в направлении уменьшения длины вибраторов (рис. 9.40). 298
ЛПА по сравнению с АВК обладает существенно большей по- лосой рабочих частот, что объясняется изменением линейных разме- ров вибраторов. При этом коэффицент усиления падает из-за сокра- щения рабочей зоны антенны.
9.3.3. Рамочные многовибраторные антенны
Для создания диапазонных антенн в метровом диапазоне волн широко применяются системы из синфазно питаемых и параллельно расположенных вибраторов. Однонаправленное излучение в таких антеннах создается обычно за счет установки за системой вибраторов плоского решетчатого экрана.
С помощью системы синфазных вибраторов создаются антенны с относительно небольшим усилением, так как с увеличением числа излучателей усложняется система питания и согласования, уменьша- ется КПД распределительных фидеров, затрудняется соблюдение до- пусков на точность изготовления. Эти трудности возрастают с укоро- чением волны и уменьшением размеров вибраторов.
Учитывая отмеченные особенности, а также необходимость обеспечения устойчивости антенны к значительным ветровым на- грузкам, синфазные многовибраторные системы создаются умеренно направленными с КУ от 10 до 20 дБ и наиболее простой системой пи- тания.
К указанному типу антенн относится зигзагообразная антенна, широко применяемая в военных системах радиорелейной связи и из- вестная как Z-образная (рис. 9.41, а).
 I
 I I
I I
I
I
а б
Рис. 9.41. Z– образная антенна:
а– внешний вид Z – образой антенны; б– эквивалентная схема антенны
299
Эквивалентная электрическая схема такой антенны, поясняющая характер распределения тока в ее элементах при работе на средней частоте рабочего диапазона, показана на рисунке 9.41, б.
Очвидно, что вертикальные проекции токов оказываются проти- вофазными, а горизонтальные синфазными. Поэтому в направле- нии, перпендикулярном плоскости рамок, такой элемент создает го- ризонтально поляризованное ЭМП, эквивалентное полю трех гори- зонтальных разнесенных в пространстве вибраторов (из них средний
Синфазность горизонтальных проекций токов сохраняется при- мерно в двукратном диапазоне частот, так как при изменении длины волны узлы тока перемещаются вдоль вертикальных сторон рамки, а горизонтальные ее участки обтекаются токами одного направления.
Экран, устанавливаемый на расстоянии в четверть длины волны, делает элемент однонаправленным. Дальнейшее повышение направ- ленности антенны достигается за счет увеличения числа синфазно питаемых элементов.
Следует также иметь в виду, что не только направленность, но и входное сопротивление антенны зависит от ее конфигурации.
Так, например, одна рамка имеет входное сопротивление 300 Ом; две, соединенные параллельно (один элемент), 150 Ом; два же синфазных элемента 75 Ом.
Z-образная антенна симметрична и не требует применения уст- ройств симметрирования, а ее излучающие элементы можно жестко крепить к экрану с помощью металлических стоек (металлических изоляторов), установленных в пучности тока рамок. Все это значи- тельно упрощает конструкцию антенны и повышает ее надежность. В диапазоне с 22,5-кратным перекрытием четырехэлементная антенна имеет усиление порядка 10–20 дБ и КБВ 0,5.
Элементом данной антенны является возбуждаемая коаксиаль- ным фидером система из двух параллельно питаемых и расположен-
ных в одной плоскости рамок со сторонами длиной /4 .
Зеркальные антенны и фазированные антенные решетки
Зеркальные параболические антенны
Зеркальные антенны (ЗА) – наиболее распространенный тип остронаправленных антенн диапазона УКВ. Они состоят из двух ос-
300
новных частей (элементов): первичного источника электромагнитных волн (облучателя) и металлического зеркала той или иной формы (рис. 9.42).
Рис. 9.42 Зеркальная антенна
Электромагнитная волна облучателя, достигнув проводящей поверхности зеркала, наводит на нем токи высокой частоты. Эти то- ки являются источниками вторичного излучения, т.е. они создают по- ле отраженной волны.
Облучатель, как правило, имеет широкую ДН, которая с по- мощью зеркала преобразуется в узкую (например, игольчатую) ДН или ДН другой специальной формы.
Зеркала выполняются из металлических листов или пленок (фольги), наносимых на диэлектрическую основу. С целью умень шения веса и ветровых нагрузок зеркала могут выполняться также из металлической сетки или перфорированных листов (рис. 9.43).
Рис. 9.43 Сетчатые и перфорированные зеркала
301
Диаметр отверстий перфорированного зеркала не должен пре- вышать 0.2, а их (отверстий) суммарная площадь должна составлять не более 0.5…0.6 всей площади зеркала. При этих условиях суммар- ная мощность, просачивающаяся через отверстия, не превышает 1% от мощности, падающей на зеркало волны. В сетчатых зеркалах раз- меры ячеек должны составлять не более 0.1. По количеству зеркал антенны бывают: однозеркальные и многозеркальные. В радиосвязи зависимости от требований к форме ДН в зеркальных антеннах нахо- дят применение следующие основные типы зеркал: параболоид вращения и усеченный параболоид вращения.
Параболическое зеркало трансформируют сферическую волну облучателя в плоскую. В результате этого при достаточно больших размерах раскрыва зеркала обеспечивается узкая ДН антенны в це- лом. С точки зрения геометрической оптики параболическое зеркало преобразует расходящийся от облучателя пучок лучей в параллель- ный пучок (рис. 9.44).
Рис. 9.44 Геометрия параболоида
Поверхность параболоида вращения (рис. 9.49) образуется при вращении вокруг фокальной оси (ось ОZ) параболы, описываемой уравнением
x2 4 fz 2 pz, (9.40)
где f– фокусное расстояние;
p=2f– параметр параболы.
302
Точка О пересечения параболоида вращения и его оси (ось ОZ) называется вершиной зеркала. Параметрами параболоида являются радиус 0 раскрыва, 0 – угол раскрыва и глубина Z0 зеркала.
Если Z0 < f (20 < 180), то зеркало называют мелким или длин- нофокусным, если Z0 > f (20 > 180) – глубоким или короткофо- кусным. На практике, как правило, используются длиннофокусные зеркала. У них отсутствует поле поперечной (кроссполяризации) и противоположной поляризации (вредные зоны).
Облучатель должен быть расположен так, чтобы его фазовый центр находился в фокусе F. К облучателям предъявляются следую- щие требования:
фронт излучаемой волны должен быть близким к сферическо- му (по крайней мере в пределах угла раскрыва зеркала 20), т.е. об- лучатель должен иметь фазовый или условный фазовый центр;
ДН облучателя должна быть односторонней, близкой к осе- симметричной и иметь определенную ширину, согласованную с уг- лом 20 раскрыва зеркала. Уровень боковых лепестков должен быть минимальным;
облучатель должен иметь небольшие размеры (во избежание большого теневого эффекта), пропускать заданную мощность излу- чения и обеспечивать хорошее согласование с питающим фидером в заданном диапазоне частот.
С учетом перечисленных требований практическое применение находят малоразмерные («точечные») облучатели:
двухвибраторные с коаксиальным питанием;
двухвибраторные с волноводным питанием;
вибратор с плоским рефлектором;
спиральная антенна;
открытый конец волновода;
рупор;
двухщелевой излучатель.
простоты обеспечения требуемой ДН.
303
Р
Рис. 9.45 Пояснение методики расчета ЭМП в раскрыве зеркала
Наибольшее распространение получили рупорные облучатели из-за простоты их конструкции, хорошей диапазонности и сравни- тельной Для расчета поля излучения и ДН зеркальных антенн приме- няется, как правило, апертурный метод. Для определения ДН парабо- лоида вращения необходимо определить амплитуду, фазу и поляри- зацию ЭМП в раскрыве зеркала. Волна, падающая на зеркало, и само зеркало полагаются локально плоскими. Поле облучателя пересчиты- вается в поле в раскрыве зеркала (рис. 9.45)
Для зеркала в виде параболоида вращения и точечного облучателя с линейной поляризацией излучаемого поля амплитуда поля в точке М раскрыва зеркала равна
EM EM' F, , (9.41)
0
 r
где Р - мощность, излучаемая облучателем;
D0 – максимальное значение КНД облучателя;
F0(,) – нормированная ДН облучателя;
r – расстояние от фокуса до точки на поверхности зеркала. Предполагается, что зеркало находится в дальней зоне облуча-
теля и после отражения от зеркала к его раскрыву распространяется
плоская волна, амплитуда этой волны на участке пути MM не меня-
ется. Фаза поля во всех точках раскрыва зеркала одинакова (раскрыв
синфазный), т.е. x 0 .
304
КНД антенны с зеркалом в виде параболоида вращения рассчи- тывается по обычной для синфазного раскрыва формуле
D 4 КИПАS0
2
где S 0 = 2
геометрическая площадь раскрыва;
КИП A s п – пол-
0
ный коэффициент использования площади антенны (коэффициент
эффективности антенны); s
КИП раскрыва, зависящий от закона
АР; P пер п P
коэффициент перехвата, равный отношению мощно-
сти
P пер , перехватываемой зеркалом, к полной мощности P
излу-
чения облучателя.
20
20
Рассмотрим качественно зависимость КИПа от ширины ДН об- лучателя и угла раскрыва зеркала (рис. 9.46). 
а б Рис. 9.46 Использование раскрыва зеркала: а– при широкой; б– при узкой ДН облучателя
При 20.5P обл 20
(рис. 9.46, а) зеркало облучается равно-
мерно и его раскрыв используется эффективно (значение s
близко к
единице). Однако в этом случае значительная часть энергии облуча- теля не используется («выливается» за края зеркала) и величина ко-
эффициента перехвата п
мала.
С увеличением угла раскрыва зеркала
20
коэффициент п
пе-
рехвата растет, а величина s уменьшается.
При 20.5P обл 20 (рис. 9.46, б) энергия облучателя практи-
305
чески полностью перехватывается зеркалом ( п
близок к единице),
но раскрыв используется неээфективно (коэффициент s мал).
Расчет показывает, что оптимальное значение 20 опт
угла
раскрыва зеркала, обеспечивающее максимум
КИПА М
0.8 , соответ-
ствует спаду поля по краям раскрыва зеркала примерно на 9…10 дБ.
При этом ширину ДН антенны в целом можно оценить по формуле
2
0 .5 P 65...70  2 0. (9.42) С учетом всех этих факторов величина КИПАМ лежит обычно в пределах от 0.4 до 0.6. Одним из существенных недостатков антенны с зеркалом в виде параболоида вращения является то, что облучатель находится на пути распространения отраженной от зеркала волны. Это приводит к двум нежелательным явлениям:
экранированию части раскрыва зеркала (теневому эффекту);
влиянию (реакции) зеркала на работу облучателя.
В результате этого меняется и закон АР в раскрыве зеркала, что приводит к изменению ДН антенны. В связи с этим можно полагать, что в пределах главного и ближайших к нему боковых лепестков ис- ходной ДН значение f экр равно постоянной величине. Тогда влия- ние теневого эффекта облучателя сводится к вычитанию постоянной величины из исходной ДН (рис. 9.47). В результате этого главный лепесток и четные боковые лепе- стки уменьшаются, нечетные – возрастают. КНД антенны в целом уменьшается. Влияние ( реакция) зеркала на работу облучателя со- стоит в том, что облучатель принимает часть отраженной от зеркала энергии. Следовательно, в питающем облучатель фидере возникает обратная волна, нарушающая режим согласования. 306
Рис. 9.47 Влияние теневого эффекта на ДН
Для устранения теневого эффекта и вредного влияния зеркала на работу облучателя наиболее эффективным является вынос облу- чателя из поля отраженной от зеркала волны. Этот способ реализует- ся путем применения зеркала в виде несимметрично усеченного па- раболоида вращения (рис. 9.48).
Рис. 9.48 Усеченный параболоид вращения:
а– симметричный; б– несимметричный
Усеченный параболоид представляет собой вырезку из парабо- лоида вращения – симметричную (рис. 9.48, а) или несимметрич-
307
ную (рис. 9.48, б). С целью обеспечения равномерного облучения зеркала в антеннах, использующих несимметричные вырезки, облу- чатель поворачивается на некоторый угол.
Для снижения уровня боковых лепестков ДН часто вырезка про- изводится по контуру равноинтенсивного облучения. Если этот кон- тур соответствует спаду поля к краям раскрыва зеркала на 9…10 дБ, то КНД антенны достигает максимального значения.
В качестве облучателя зеркала в виде усеченного параболоида вращения, чаще всего используется пирамидальный рупор, обла- дающий диаграммой направленности, которая в поперечном сечении на уровне 9…10 дБ имеет эллиптическую форму.
Если размеры раскрыва зеркала в виде усеченного параболоида вращения в главных плоскостях приблизительно одинаковы, то ДН антенны осесимметрична. При неодинаковых размерах раскрыва зер- кала в главных плоскостях ДН приобретает веерную форму.
Антенна с зеркалом в виде усеченного параболоида вращения и рупорным облучателем позволяет сформировать веерную ДН с отно- шением:
20 .5 Р1 20 .5 Р2 1...5 .
Двухзеркальные антенны являются радиотехническим анало- гом известных в астрономической оптике телескопов Максутова- Кассегрена и Грегори. Они состоят из большого (1) и малого (2) зер- кал, и облучателя (3). Если малое зеркало находится перед фокусом большого, система называется префокальная или системой Кассегре- на (рис. 9.49). Профильзеркала – выпуклый. Большое зеркало являет- ся параболоидом вращения, какой-либо вырезкой. Параболоида.
Если малое зеркало находится за фокусом большого, система называется зафокальной или системой Грегори. Профиль малого зер- кала при этом представляет эллипс.
308
Рис. 9.49 Двухзеркальная антенна
Принцип действия двухзеркальной антенны основан на сле- дующем известном свойстве гиперболического зеркала: если в одном из фокусов F1 двухполостного гиперболоида вращения поместить то- чечный источник, то отраженные от поверхности второй полости ги- перболоида лучи образуют расходящийся пучок с центром во втором фокусе F2.
Таким образом, для нормальной работы двухзеркальной антен- ны необходимо в одном из фокусов гиперболического зеркала (F1) разместить облучатель, а второй (F2) совместить с фокусом большого параболического зеркала. В этом случае большое зеркало будет облу- чаться так, как если бы некоторый фиктивный облучатель находился в его фокусе.
Основными достоинствами двухзеркальных антенн по сравне- нию с однозеркальными являются:
при одинаковых типах облучателей имеют меньшие продоль- ные размеры и длину волноводного тракта от облучателя до прием- ника (передатчика), облучатель устанавливается в центре большого зеркала;
позволяют осуществить сканирование ДН за счет перемеще- ния малого зеркала при неподвижном облучателе. При этом отпадает необходимость во вращающихся волноводных соединениях;
позволяют строить совмещенные антенные системы, форми- рующие две ДН с одного раскрыва;
позволяют исключить воздействие отраженной от зеркала волны на облучатель и поляризационным способом устранить те- невой эффект малого зеркала.
Поляризационный способ устранения теневого эффекта мало-
309
го зеркала применяется в антеннах с линейной поляризацией поля и состоит в следующем.
Рис. 9.50 Двухзеркальная антенна
Малое зеркало выполняется в виде решетки из проводов или металлических пластин (рис. 9.50).
Провода решетки малого зеркала параллельны вектору E поля облучателя, а расстояние между проводами d << λ . Поэтому волна, излученная облучателем, отражается от малого зеркала в сторону большого зеркала.
При отражении от большого зеркала поляризация волны изме- няется (поворачивается) на 90. Для такой волны малое зеркало явля- ется «прозрачным».
С целью поворота поляризации волны на 90 вблизи большого
зеркала (на расстоянии
от его поверхности) устанавливается анало-
4
гичная малому зеркалу решетка. Провода этой решетки расположены
под углом 45 к проводам решетки малого зеркала (рис. 9.56).
310
   Eпадобл
EотрБ. зеркало
 EотрМ. зеркало
Рис. 9.51 Принцип поворота плоскости поляризации
Вектор
Eпад
электрического поля, падающего на решетку боль-
→0
→0
шого зеркала волны можно разложить на две составляющие: парал-
лельную Eпад и нормальную E → 0 проводам решетки
Параллельная E
пад
составляющая отражается от решетки со
отр
сдвигом по фазе на 180 E →0 . Нормальная составляющая проника-
ет через решетку, проходит расстояние
отражается от поверхности
4
шетке .E →0
большого зеркала со сдвигом по фазе на 180 и возвращается к ре-
отр n
Таким образом, результирующая E
отр Б.зеркало
волна после отра-
жения от большого зеркала имеет поляризацию, нормальную к про- водам решетки малого зеркала. Для такой поляризации малое зеркало « прозрачно» (теневой эффект малого зеркала устраняется).
Способы электрического сканирования диаграммы направленности
Антеннойсэлектрическимсканированиемилиантеннойре-шеткой(АР)принятоназыватьдискретнуюсистемуизлучателей,вкоторойсканированиеДНвпространствеосуществляетсяпутем311
введения переменных фазовых сдвигов между токами или электро-магнитнымиполями,возбуждающимиотдельные излучатели.
АР позволяют решать и ряд других задач: электрически управ- лять формой ДН, повысить энергетический потенциал и помехоза- щищенность РЭС и др. Одна из возможных упрощенных структур- ных схем передающей АР представлена на рисунке 9.52.
Рис. 9.52 Передающая антенная решетка
Схема содержит:
дискретную систему излучателей;
фидерные тракты с управляющими устройствами;
генераторы высокочастотных колебаний;
специализированную ЭВМ.
В качестве излучателей (элементов решетки) обычно исполь- зуются слабо направленные антенны: вибраторы, щели, рупоры, от- крытые концы волноводов, спирали, диэлектрические стержни.
Питание (возбуждение) отдельных излучателей или их группы осуществляются по отдельным каналам (фидерным трактам) от от- дельных источников высокочастотной энергии (генераторов) или от одного общего генератора.
В каждый из фидерных трактов включается управляющее уст- ройство, позволяющее в общем случае изменить как фазу, так и ам- плитуду тока или электромагнитного поля в каждом излучателе, т.е. устанавливать необходимое амплитудно-фазовоераспределениев апертуре (раскрыве) решетки.
В частности, если в качестве управляющих устройств использо- вать фазовращатели, электрически управляемые от специализиро-
312
ванной ЭВМ, то путем изменения фазового распределения можно с высокой скоростью осуществлять сканирование ДН решетки в про- странстве и изменять форму ДН.
Направление того или иного главного максимума множителя системы (ДН) определяется выражением
sinn
n ,
2d d
(9.43)
где n- номер главного максимума n= 0; 1; 2;…; - фазовый сдвиг возбуждения соседних излучателей; - длина волны; d- расстояние между излучателями. Как видно из (9.43), направление того или иного максимума ДН (угол n) зависит как от , так и от (или частоты генератора). При изменении этих величин меняется и угол отклонения ДН n. Таким образом, электрическое сканирование ДН фазирован- ной антенной решетки (ФАР), в основе которого лежит изменение крутизны линейного ФР, может осуществляться двумя основными способами:
частотным способом (путем изменения частоты генератора высокочастотных колебаний) и
фазовым способом, при котором с помощью управляемых фа- зовращателей или других фазосдвигающих устройств изменяется ве- личина при неизменной частоте fгенератора.
На практике, как правило, используется фазовый способ. Антен- ны, реализующие такой способ, называются фазированными антен- ными решетками.
Фазированные антенные решетки
Фазированной антенной решеткой (ФАР) называют дискретную систему излучателей, в которой фазовые сдвиги между электромаг- нитными полями, возбуждающими отдельные излучатели, осуществ- ляют с помощью управляемых фазовращателей или других уст- ройств при неизменной частоте генератора. 313
В решетках с фазовым сканированием ДН могут применяться схемы питания: последовательная, параллельная и смешанная. Кроме того, эти решетки могут быть пассивными и активными.
Последовательная схема питания (рис. 9.53, а) имеет один об- щий для всех излучателей фидерный тракт, работающий в режиме бегущей волны. В участках фидера между соседними излучателями включены одинаковые электрические управляемые фазосдвигающие устройства (например, фазовращатели). В процессе сканирования ДН решетки каждый из фазовращателей изменяет фазу на одну и ту же величину и по одному и тому же закону в пределах [0, 2], что обес- печивает линейное фазовое распределение в апертуре решетки и по- зволяет применить сравнительно простую систему управления фазов- ращателями.
б
  Рис. 9.53 Схемы питания ФАР:
а– последовательная; б– параллельная
Недостатки последовательной схемы те же, что и для решетки с частотным сканированием и последовательным питанием излучате- лей:
ограничен уровень пропускаемой мощности;
большие потери мощности;
высокие требования к стабильности работы и идентичности параметров фазовращателей.
Параллельная схема питания может выполняться в различных вариантах. В показанной на рис. 9.53, б, схеме канал (фидер) разветв- ляется на N параллельных каналов (по числу излучателей) с помощью тех или иных делителей мощности.
Два других варианта параллельных схем (с оптическим возбуж- дением), не требующих применения делителей мощности, показаны на рисунке 9.54.
314
   б
Рис. 9.54 ФАР с оптическим питанием:
а– проходная; б- отрахательная
Решетка, схема которой показана на рис. 9.54, а, работает на проход по алгоритму линзовой антенны и называется рефракционной.Решетка (рис. 9.54, б) работает по алгоритму зеркальной антенны и называется рефлекторной (отражательной).
По сравнению с последовательной, в параллельных схемах ос- лаблены ограничения по пропускной мощности (через каждый фа-
 зовращатель проходит лишь 1N |
Скачать 0.79 Mb.