Главная - Литература

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 [205] 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233

имеют раструб только в одном измерении. Секторный рупор в плоскости Е имеет раструб в плоскости электрического поля для преобладания волны типа ТЕщ. Секторный рупор в плоскости Н имеет раструбв плоскости, перпендикулярной плоскости Е. Диаграмма излучения рупора определяется амплитудным и фазовым распределением поля по раскрыву рупора. Амплитуда электрического поля в волноводе постоянна в направлении электрического поля, и, следовательно, рупоры в плоскости Е имеют сравнительно равномерное распределение поля по раскрыву. Амплитуда электрического поля в плоскости Н умень-

2. Ширина луча по нулевым уровням в градусах.

а. Оптимальный £-секториальный рупор:

" 115Х (21-36)

б. Оптимальный /У-секториальпый рупор: о 172 X

где X - длина волны в свободном пространстве; 1Е; 1Н - длины раскрывов в плоскости £ и в плоскости Н соответственно в единицах, сов-

(21-37)


О г 4 В 8 10 12 м Длина рупора б длинах волн, i /л

Раснрь/д рупора б длонах Snлн 1е/А Рис. 21-51. Расчетные кривые для оптимального £-секториального рупора.

шается по синусоидальному закону до нуля на границе рупора, и соответственно рупоры в плоскости Н имеют косинусоидальное распределение поля в раскрыве. В любом случае распределение фазы оказывается неравномерным по раскрыву, так как длина пути вдоль края рупора больше длины пути по оси рупора. Вследствие этих явлений ширина диаграммы направленности в плоскости Е несколько меньше ширины диаграммы направленности рупора в плоскости Н при квадратном раскрыве. Рупор в плоскости Е имеет больший уровень боковых лепестков и несколько более чувствителен к изменениям частоты. Конструкция рупорного излучателя должна быть компромиссной между желательным увеличением длины рупора при данном раскрыве для уменьшения фазовой ошибки и технической потребностью иметь рупор малого размера. При оптимальном рупоре этот компромисс удовлетворяется путем допущения малых фазовых ошибок, чтобы получить наиболее узкий луч и малый уровень боковых лепестков при данной длине рупора. Приближенные выражения для ширины диаграммы направленности рупоров с раскрывами по крайней мере в несколько длин волн следующие :

1. Ширина диаграммы направленности на половинной мощности в градусах

а. Оптимальный £-секториальный рупор:

р Е = Л (21-34)

б. Оптимальный Я-секториальный рупор:

ри = 1А. (21-35)

1 Radio Research Laboratory Staff, very high frequency techniques, vol 1, chap. 6, К. r a u s (см. ссылку выше), p. 371 - 381.

падающих с X. Если длина раскрыва определена при данной ширине луча, то можно определить длину рупора L и угол раструба 6 или ср по следующей формуле

(21-38)

где I это 1Е или 1Н, как было ранее определено,

Г £А "1 6 или ф = 2arccos -=--г-г

(21-39)

где о - максимально допустимая разность длин путей, выраженная в длинах волн; 5 = 0,25 для оптимального Я-секториального рупора и 0,40 для оптимального Я-секториального рупора; 6, ср - углы при вершине Е или -секто-риального рупора соответственно.

Эти соотношения обобщены и представлены на рис. 21-51 и 21-52.

Пирамидальный рупор (рис. 21-50,в) представляет собой комбинацию секториальных рупоров с общим раскрывом. Диаграммы направленности таких рупоров по существу такие же, как и диаграммы секторных рупоров с одинаковыми раскрывами в плоскости Е или Н. Для расчета коэффициента направленного дей-

1 См. К г a u s (ссылка дана выше), а также W L. Barrow and L. Т. С h u, Theory of the electromagnetic horn, Proc. IRE, 1939, vol. 27, p. 51-54; S. A. S h e 1 k u n о f f, Electromagnetic waves, p. 359 - 366, D. Van Nostrand Company, Inc., Princeton, N. J. 1943; W. L. Barrow and F. M. Green e, Rectangular hallow pipe radiators, Proc. IRE, 1938, vol. 26, p. 1498. Таблицы данных для проектирования, основанные на экспериментальных данных, см. G. С. So u t li-worth, Principles and applications of waveguide transmission, p. 402 - 424, D. van Norstrand Company, Inc., Princeton, N. J., 1950.



ствия рупора можно пользоваться следующим выражением:

7,5/

(21-40)

Конический рупор (рис. 21-50, г) применим для круглого волновода. Диаграмма направленности для основного типа волн ТЕц в круглом волноводе более широка, чем диаграмма направленности £-секториального рупора, с раскрывом, равным диаметру конического рупора, но уже, чем диаграмма соответствующего Я-секториального рупора. Приближенные соотношения между углом при вершине, длиной и раскрывом для оптимального конического рупора даются формулами (21-38) и (21-39), где 8 = 0,32.

если диаметр стержня илн его сечение достаточно велики. Если стержень выполнен сужающимся, то значительная часть энергии излучается через стороны стержня.

Переход от условий неизлучения к излучению зависит от диэлектрика. Для таких материалов, как полистирол (е = 2,5), мощность вне круглого диэлектрика больше, чем мощность внутри стержня при диаметре, мень-А

шем, чем . Диэлектрические стержни действуют как антенны с излучением вдоль оси. Такие антенны применяются в тех случаях, когда они занимают меньше места, чем рупоры с такой же шириной луча. Если стержни расположены слишком близко один к другому, то возможна взаимосвязь между полями таких

II i

Л / л


о г < б я ю 12 п т

Расхрь/б рупора в блияах 0олн, Длима рутра б блинах бш/н, L/Л

Рис. 21-52. Расчетные кривые для оптимального /Y-секториального рупора.

Биконический рупор, показанный на рис. 21-50, д, можно рассматривать как конический рупор с углом при вершине, равным 360°, имеющим всенаправленную диаграмму в плоскости, нормальной к оси конусов.

Пример 21-7

Определим размеры двух секторных рупорных излучателей. Один нз них имеет ширину диаграммы в плоскости Е, равную 15°, а другой - ширину диаграммы в плоскости Н, равную 15°. Питание рупоров осуществляется от волноводной системы.

Решение

1. Из рис. 21-51 следует, что необходимо иметь раскрыв, равный 3,7 А, для получения ширины диаграммы по половине мощности, равной 15°. Из этого же рисунка следует, что длина рупора должна быть 6,8 А, а соответствующий угол при вершине - 30°.

2. Из рис. 21-52 следует, что необходимо иметь раскрыв 4,5 А для получения ширины диаграммы по половине мощности в плоскости Н, равной 15°. Из этого же рисунка следует, что длина рупора должна быть 6А, а соответствующий угол при вершине 41°. Заметим, что невозможно объединить два оптимальных секторных рупора в один пирамидальный рупор. Однако оптимальные пирамидальные рупоры воз можны.

21-4г. Стержневая диэлектрическая антенна Диэлектрический стержень может действовать как волновод, сохраняющий большую часть энергии сигнала внутри диэлектрика,

1 См. G. Е. М u е 1 1 е and W. А. Т у г г е Ь,

Polyrod antennas. Bell Telephone System Teclin. J., October 1947, vol. 26, p. 837 - 851.

стержней. Направленность диэлектрической стержневой антенны примерно пропорциональна ее длине.

21-5. ОТРАЖАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ И ЛИНЗЫ

В общем случае любая высоконаправленная сантиметровая антенная система состоит из излучающего элемента - облучателя и рефлектора или линзы, которые облучаются облучателем.

Таким образом, могут быть созданы антенны с узкой диаграммой направленности или с диаграммой направленности специальной формы. Проектирование таких антенных систем разбивается на следующие этапы:

1. Определение или выбор диаграммы направленности всей антенны.

2. Определение распределения поля в рас-крыве, которое необходимо для создания такой диаграммы направленности.

3. Определение диаграммы направленности облучателя, которая совместно с рефлектором или линзой создает необходимое распределение поля в раскрыве.

В качестве специфического излучающего элемента, используемого для облучения рефлектора, может быть система вибраторов, рупорная система ряд щелевых излучателей или система, объединяющая многие из таких отдельных элементов. Рефлектор может иметь цилиндрическую, параболическую или другую более сложную форму. Не может быть какого-либо единственного варианта при решении

См. § 21-3.



конкретной частной задачи. Все зависит от опыта проектировщика и его умения выбирать технически правильные сочетания

21-5а. Параболические и цилиндрические рефлекторы 2. Парабола, показанная на рис. 21-53, а, обладает важным свойством, которое состоит в том, что электромагнитные волны, излучаемые точечным источником, расположенным в фокусе параболы, после отражения будут иметь плоский фронт. Электромагнитное поле будет синфазно по раскрыву. Это создает диаграммы с высокой направленностью вдоль оси параболы. В свою очередь электромагнитные волны, которые перехватываются раскры-вом параболического зеркала, будут отражаться таким образом, что они будут концентрироваться в фокальной точке. Эти свойства делают параболические отражатели пригодными для формирования узких диаграмм направленности. Так как геометрические свойства отражаю-


а> 6) ВХ

Рис. 21-53. Разновидности рефлекторов.

щей поверхности не зависят от частоты, то такие рефлекторы являются очень широкополосными. При этом предполагается, что раскрывы имеют размеры, достаточно большие по сравнению с длиной волны. Ширина луча, однако, будет изменяться с частотой в соответствии с формулой (21-41) для параболоида вращения:

р = k ~ [град], (21-41)

где р - ширина луча по половине мощности; X- длина волны; D -диаметр раскрыва в единицах, соответствующих единицам длины волны X; k - коэффициент , который зависит от равномерности облучения параболоида облучателем; k равно единице для равномерного с большой точностью распределения поля в раскрыве и равно ~ 1,25 для распределения, уменьшающегося к краям рефлектора на величину около 10 дб.

Коэффициент направленного действия круглого параболического отражателя больших размеров с равномерным распределением поля в раскрыве по отношению к коэффициенту направленного действия вибратора, равен:

а = р. (21-42)

Угол раскрыва 6 из точки фокуса F, охватывающий отражающую поверхность, равен:

6 = 2arctg , [рад], (21-43)

где D - диаметр параболического рефлектора, как показано на рис. 21-53, а, в единицах, соответствующих фокальному расстоянию F.

1 См. § 21-1 н ссылки к нему. а См. ссылку выше.

Одной из практических трудностей, которые возникают при применении параболических рефлекторов, является высокое требование точности изготовления профиля отражающей поверхности, что необходимо для сохранения равномерного распределения фазы по раскрыву. Другие трудности возникают в связи с размещением облучателя. Эти трудности состоят в экранирующем эффекте облучателя, отражении от центральной части параболоида обратно к облучателю и трудности получения соответствующего облучения краевых частей параболоида облучателем, который расположен в фокусе. Обычно применяют рупоры или вибраторы с коаксиальным питанием со специальными отражающими пластинами, которые обеспечивают прямое излучение вдоль оси параболоида

Вынесенный облучатель (рис. 21-53, б), который облучает часть параболической по-


верхности, устраняет некоторые трудности, связанные с размещением облучателей. Усеченный параболоид (рис. 21-53, в) пригоден в тех случаях, когда необходимо обеспечить направленность только в одной плоскости.

г> Если необходимо обеспечить

высокую направленность в одной плоскости, то может быть применен цилиндрический параболический рефлектор, показанный на рис. 21-53, г Этот рефлектор имеет параболическую форму в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра, что позволяет получить любую желаемую направленность в этой плоскости. Такой цилиндр облучается рядом излучателей 2, расположенных вдоль его оси, что позволяет получить направленность, характерную для линейных антенн.

21-56. Уголковые отражатели3. Отражатели, показанные на рис. 21-54, а, представляют собой простейшие устройства, которые увеличивают направленность излучающей системы. Основной лепесток диаграммы направленности можно определить путем рассмотрения эквивалентной зеркальной системы 4 отражающих пластин, как это показано на рис. 21-54, а.

У таких отражателей могут быть применены углы и менее 90°, однако эффект увеличения числа зеркальных изображений сводится на нет уменьшением раскрыва при данных размерах рефлектора. В тех случаях, когда требуется направленность в одной плоскости, применяются двусторонние уголковые отражатели, образованные пересечением двух плоскостей.

Как видно из рис. 21-54, б, используя уголковый отражатель, можно получить коэффициент усиления свыше 10 дб по сравнению с полуволновым вибратором. Для уголка.

1С. С. Cutler. Parabolic antenna designs for. microwaves, Proc. IRE, November 1947, vol. 37, p. 1284 - 1294.

2 См. § 21-3.

3 См. S D. Robertson, Targets for microwave radar navigation, Bell Telephone System Techn. J., October 1947, vol. 26, p. 852 - 869.

i См. § 21-1Ж.



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 [205] 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233



0.0071