Пособие по выполнению курсовых работ по дисциплине Теоретические основы радиолокации и радионавигации Наименование Стр
 Скачать 2.82 Mb.
|
|
Способы управления лучом в параболическом зеркале Возможности управления положением луча в параболическом зеркале без механического перемещения зеркала играют существенную роль и системах РЛС при организации режима наведения на цель с использование равносигнального метода, или в системах радиосвязи. 1. Идея заключается в смещении фазового центра облучателя (самого облучателя) из фокуса на некоторую небольшую величину в направлении, перпендикулярном оси зеркала (назовем это фокальной плоскостью). Это приводит к повороту фазового фронта (Рис.1). Рис. 1. Вынос облучателя вверх из фокуса на ∆x приводит к повороту луча вниз на угол ϑ. При выносе облучателя происходит искажение фазового фронта (из плоского становится сферическим), поэтому существует максимальное 64 значения ϑ max (Рис. 1, б), ограниченное предельным значением искажения фазового фронта, рассмотренное выше. 2. Если создать группу из n излучателей и разместить их в фокальной плоскости так, чтобы создать пучок лучей, пересекающихся по половинной мощности, то можно создать n – канальную антенную систему (у каждого излучателя предусматривается своя питающая сигнальная линия передачи). Опыт показывает, что в пространстве можно совместить до 32 независимых лучей. 3. При использовании двух (в пространстве - четырех) излучателей, вынесенных из фокуса и симметрично расположенных друг относительно друга, возможно создание антенной системы с равносигнальным направлением, обеспечивающим решение важных задач: так называемый S- режим во вторичных РЛС УВД, посадку воздушных судов в инструментальных системах посадки метрового диапазона волн, систему управления оружием и т.п. (Рис. 2). Рис.2 и 3. Пример двухлучевой системы с равносигнальной зоной и двухзеркальная антенна (схема Кассегрена) 4. Управление лучом в зеркальных антеннах можно обеспечить при использовании двухзеркальной схемы (так называемой схемы Кассегрена Если большое зеркало параболическое, то профиль малого зеркала удовлетворяет условию гиперболической поверхности, механическое качание малого зеркала и небольших пределах приводит к сканированию луча антенной системы. 65 Приложение 5 Рупорные и линзовые антенны Рупорные антенны Рупорные антенны конструктивно просты и отличаются большой диапазонностью, Последнее определяется питающим устройством волновода. Рупорные антенны используются как самостоятельные передающие и приемные антенны в РЛС, радиорелейной связи и др. В качестве одной из наиболее простых поверхностных антенн можно рассматривать открытый конец волновода, считая излучающей поверхностью его раскрыв, поле в раскрыве которого представляется как непрерывное распределение источников типа элемента Гюйгенса, создающих в дальней зоне поле излучения. Оценивая направленность действия такой антенны, видим, что она не может быть велика до тех пор, пока поперечные размеры волновода близки к полуволне (см. предыдущее занятие). В результате приведенных соображений возникает конструкция антенны в виде постепенно расширяющегося волновода, т. е. рупора (рис. 1). Рис.1. Типы рупорных антенн В зависимости от способа расширения волновода различают секториальные рупоры в плоскости Н (рис. 1,а) и в плоскости Е (рис. 1,б), пирамидальный рупор на основе прямоугольного волновода (рис. 1,в) и конический. Для выяснения направленности действия рупорной антенны в общем случае следует рассматривать излучение из раскрыва, поле в котором 66 неравномерно не только по амплитуде, но и по фазе. Характер неравномерности фазы поясняется рис. 2,а и б. Распределение фазы подчинено приблизительно квадратичному закону, что при вычислении ДН (по выше рассмотренной формуле) приводит к росту боковых лепестков, развалу главного лепестка и при достижении Рис.2. Сферическое искривление фазового фронта отклонения на краях рупора до значений λ/8 приводит к снижению КНД. Рис. 3. Зависимость КНД Н – секториального рупора от размеров широкой стенки а Видно, что с увеличением поперечного размера раскрыва при неизменной длине рупора КНД сначала возрастает, достигает максимума, а затем уменьшается. При этом величина максимума повышается с ростом длины R. Разъяснение этой закономерности не представляет труда. КНД пропорционален поверхности раскрыва S и коэффициенту ее использования γ. Но при возрастании а поверхность раскрыва увеличивается, а коэффициент γ падает из-за возрастающей фазовой неравномерности поля. Максимуму КНД соответствуют оптимальные условия, когда поверхность S уже довольно велика, а коэффициент γ еще не очень мал. Речь идет об 67 относительном максимуме КНД, и оптимальным является рупор, наиболее направленный при данной длине R. Другим способом увеличения максимально достижимого КНД при выбранной длине R является выравнивание фазового фронта с использованием линзовых антенн. Линзовые антенны Линзовые антенны являются апертурными и состоят из облучателя и лизны. Обычная линза представляет собой устройство, которое деформирует фронт сферической и цилиндрической проходящей волны и превращает его в плоский. Чаще всего линзы используются в раскрывах рупорных антенн (Рис.1). Рис. 1. Типы линзовых антенн, в качестве облучателя используется волновой фронт рупорной антенны В соответствии с принципами геометрической оптики условие фокусировки (равенство оптических путей всех лучей от облучателя до плоскости раскрыва) может быть достигнуто при использованни замедляющих (Рис. 1, а) или ускоряющих (Рис.1, б) линз. Рассмотрим особенности выполнения линз. Замедляющая линзы обычно выполняется и диэлектрика или искусственного диэлектрика. Диэлектрические линзы сравнительно тяжелые и дорогие, для облегчения веса используется так называемое зонирование (Рис. 2). 68 Рис. 2. Зонирование линз с внешней и внутренней сторон Из линзы вырезаются зоны с тем расчетом, чтобы сохранить требуемые фазовые соотношения (удаляются куски материала, задержка в которых соответствует целому числу волн). Ускоряющая линза использует эффект, возникающий в волноводе (Рис. 3). Рис. 3. Металлопластинчатая ускоряющая линза Это металлопластинчатые линзы, при вертикальной поляризации волны и расстоянии между пластинами λ/2 < а < λ возбуждается волна типа Н10, фазовая скорость которой равна: 2 1 ( ) 2 ф V V a ,………………………………………..(1) она всегда больше фазовой скорости волны в свободной пространстве. Отсюда легко сообразить, что для выравнивания фазы за линзой осевой луч должен проходить наименьший путь в ускоряющей среде, следовательно форма линзы должна быть вогнутой. Хххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххх 69 Приложение 6 Фазированная антенная решетка Структура фазированной антенной решетки, способы запитки излучателей 1. Актуальная задача антенной техники - создание антенной системы с управляемой диаграммой направленностью. При этом необходимо обеспечить: - острую направленность антенны; - высокую скорость перемещения антенного луча в пространстве; - движение диаграммы направленности по любой заданной программе; - широкий сектор обзора. Этим требованиям отвечают антенные системы в виде систем дискретных излучателей с электрически управляемой ДН – фазированные антенные решетки (ФАР). Блок-схема антенной решетки в общем виде может быть представлена следующим образом (Рис .1): Рис. 1. Обобщенная блок-схема ФАР Отметим следующие структурные особенности: - раскрыв ФАР состоит из дискретных излучателей, размещаемых чаще всего по упорядоченной геометрической структуре – линейной, плоской и объемной (Рис.2. а), б), в)): 70 Рис. 2. Схемы точек размещения излучателей ФАР - в качестве излучателей в принципе могут быть использованы излучатели любых типов: симметричные вибраторы, спиральные антенны, рупорные антенны и т.п., объединенных системой запитки в одну апертуру; - размеры апертуры могут наращиваться. 2. Электрическое управление положениям антенного луча может осуществляться фазовым и частотным методами. Рассмотрим наиболее распространенный тин управления положением луча при помощи фазовращателей. На практике различают параллельные, последовательные и комбинированные фидерные схемы запитки излучателей (Рис.3). Рис. 3. Схемы запитки элементов ФАР 3. В последовательных схемах используются, как правила, идентичные фазовращатели, при помощи которых создаются одинаковые фазовые сдвиги между токами в соседних излучателях (Рис. 4): Рис. 4. Схема последовательной запитки 71 Если нужно отклонить антенный луч на некоторый угол, то следует изменить электрическую длину всех фазовращателей на одну и ту же величину, соответствующую этому отклонению. Питающий фидер здесь работает в режиме бегущих волн, а излучатели слабо связаны с фидером при помощи направленных ответвителей. Недостатки: - предъявляются высокие требования к системе управления; - должна быть обеспечена высокая стабильность работы фазовращателей; - большие потери; - неравномерность распределения мощности между фазовращателями. 4. В параллельной схеме через каждый фазовращатель проходит n – я часть излучаемой мощности, поэтому требования к допустимой мощности фазовращателей оказываются более низкими (Рис. 5). Рис. 5. Схема параллельной запитки Недостаток – сложность системы управления. Диаграмма направленности фазированной антенной решетки ДН рассмотрим на примере линейной антенной решетки с последовательной запиткой, состоящей из N элементов, размещенных на расстоянии d друг от друга, не превышающей λ (Рис. 1) 72 Рис. 1. Схема периодической решетки с последовательной схемой питания При такой схеме в точке суммирования сигнал от текущего n-го элемента решетки приобретает фазовый набег, равный kdcosθ плюс ψ – задержку в фазовращателе. Результирующая сумма в точке М с учетом набега фаз и использованием правил геометрической прогрессии записывается как: ( cos ) sin 2 ( , ) ( ) ( cos ) sin 2 F N kd f kd ,…………………………(1) где: первый сомножитель представляет собой ДН отдельного излучателя, а второй – так называемый множитель решетки, который является предметом исследования. Максимум ДН будет в том направлении, где сдвиг фаз между излучателями ψ, создаваемый фазовращателем, скомпенсирует набег kdcosθ, т.е. условие компенсации запишется как kdcosθ = ψ,…………………………………………………..(2) Если положить d = λ, ψ = 0 и подставить в (2), получим соотношение cosθ = 1. Следовательно, максимум излучения будем в направлении, перпендикулярном линейке излучателей. 73 Очевидно, что изменение значения фазового набега ψ приводит к регулируемому смещению максимума ДН множителя решетки. Ширина множителя решетки регулируется двумя факторами: линейными размерами апертуры (т.е. числом элементов N) и законом распределения амплитуды вдоль линейной решетки. Последнее осуществляется путем использования аттенюаторов, включенных в каждый элемент (на рис. 1 не показаны). Тогда при выборе равномерного или спадающего по закону cos ( πx/2) распределений ширина ДН по половинной мощности может быть определена с использованием выражением, изученных выше. Отметим еще одну особенность ДН множителя решетки: при отклонении луча от перпендикуляра к оси решетки луч расширяется пропорционально sinθ, что объясняется тем, что при приближении угла наблюдения к оси решетки работающий размер апертуры уменьшается. |