книги из ГПНТБ / Каплун, В. А. Обтекатели антенн СВЧ (радиотехнический расчет и проектирование)

Искусственность рассмотренного метода очевидна, так как на самом деле профиль обтекателя (электрический) отличается от эквивалентной линзы и угловые ошибки связаны в том числе и с амплитудными иска­ жениями фронта прошедшей волны, с поляризационными особенностя­ ми антенной системы и обтекателя, а также с рядом других факторов, не учитываемых данным методом. Тем не менее получающиеся при этом результаты при не слишком сложных характеристиках угловых оши­

Рассмотренные методы компенсации ошибок дают положительные результаты только при осевой симметрии поляризационных характе-

Рис. 6.12. Компенсация угловых ошибок применением диэлектрической вставки:

о — до компенсации; б — после компенсации.

ристик обтекателя и антенной системы, так как при ее отсутствии, наря­ ду с уменьшением угловых ошибок в одной из плоскостей пеленга, на­ блюдается, как правило, их увеличение в другой, ей ортогональной.

Отсутствие осевой симметрии по поляризационным характеристи­ кам связано с конструктивными особенностями антенных систем. Например, такая симметрия отсутствует для всех линейно поляри­ зованных антенн, работающих по методу равносигнальной зоны с ис­ пользованием моноимпульсного способа пеленгации. При такой схеме антенны однозначно ориентированный в пространстве вектор поля­

ризации (вектор Е электромагнитного поля) в процессе работы по­ стоянно изменяет свое положение относительно вращающейся (или коммутируемой) плоскости пеленга антенны. Разная его ориентация относительно этой плоскости и соответственно неодинаковые условия прохождения электромагнитной волны через неплоскую поверхность обтекателя в различных сечениях (этими плоскостями) приводят

к существенно различным характеристикам угловых ошибок в этих плоскостях.

Борьба с несимметричными относительно оси обтекателя ошиб­ ками заключается в несимметричном расположении элементов ком­ пенсации относительно оси обтекателя. Однако такой способ, вопервых, вызывает достаточно большие технологические трудности и,

во-вторых, требует весьма точной координации обтекателя относитель­ но антенны при установке на объекте.

182

с обтекателем. Если это взаимодействие отсутствует или достаточно мало, применим принцип суперпозиции и общие искажения фазового фронта, создаваемые набором компенсирующих элементов и направлен­ ные в противоположную сторону фазовым искажениям, созданным обте­ кателем, будут равны сумме искажений, вносимых каждым элементом компенсации в отдельности. В этом случае весь процесс компенсации угловых ошибок обтекателя существенно упрощается.

Доказательство применимости принципа суперпозиции в указан­ номвыше смысле может быть получено при оценке влияния единич-

Рис. 6.14. Поляризованные элементы компенсации.

ных элементов (диэлектрических и металлических) и суммы этих эле­ ментов на отклонения диаграммы направленности (или равносигналь­ ной зоны) при размещении их перед раскрывом антенны.

Рассмотрим вначале в качестве простейшего элемента ступенчатое изменение фазы в раскрыве антенны. Размещая этот фазовый скачок в середине раскрыва, видим, что угловое смещение-диаграммы направ­ ленности, вызываемое этим скачком, приближенно определяется сле­ дующим выражением [95]:

Aß Хф/я2а,

где 2а и ф — соответственно диаметр излучающего раскрыва и вели­ чина фазового скачка.

пп

Если ф = 2 фь то Aß = Б Aß;, и, следовательно, принцип супер-

іі

позиции соблюдается. Если далее перемещать фазовый скачок вдоль

184

раскрыва (вдоль оси X) от его середины к краю (рис. 6.15, а), то каж­ дому положению скачка будет соответствовать свое угловое смещение диаграммы направленности. Приближенно определить это смещение можно с помощью следующего простого соотношения:

Aß ои. %/2л а,

где а — угол наклона линеаризированного фазового распределения в раскрыве антенны, полученного из известного ступенчатого фазового распределения (например, методом наименьших квадратов).

-Физобйя характеристика

і

/

I

Рис. 6.15. Фазовые препятствия в раскрыве антенны:

а !— фазовый скачок; б — фазовая ступенька,

Соответствие расчетных данных, полученных этим простым мето­ дом, экспериментальным показано в работе [951. Там же показано, что отклонение диаграммы направленности для каждого положения фазо­ вого скачка в раскрыве антенны (по оси X) может быть получено в ре­ зультате суперпозиции небольших отклонений диаграммы направлен­ ности, происходящих за счет фазовых ступенек шириной Ах, помещен­ ных в раскрыве антенны и дающих в сумме упомянутый выше фазовый скачок (рис. 6.15, б)*. Соответствующие кривые Aß = / (х) для фазо­

хорошо совпадающие друг с другом и, следовательно, подтверждаю­

* Фазовый скачок и фазовая ступенька могут быть реализованы с помощью диэлектрической пластины или диэлектрической полоски, соответственно, разме­ щенных в раскрыве антенны.

1S5

щие применимость принципа суперпозиции при определении смеще­ ния диаграммы направленности за счет суммы фазосдвигающих элемен­ тов, расположенных в раскрыве антенны, показаны на рис. 6.16.

(колец, диэлектрических или металлических диафрагм, линз и т. п.). Учитывая важность данного заключения, рассмотрим более под­

робно результаты, на которых это заключение базируется [95].

На рис. 6.17 сплошными линиями показаны угловые ошибки (откло­

нение равносигнальной зоны) в плоскостях векторов Е и Н , появляю­ щиеся за счет перемещения вдоль раскрыва антенны (диаметром ~ 24 X) металлических дисков диаметром 1,2 X, 1,88 X, 2,5 X. Положение дис­ ков по отношению к электрической оси определялось углом ѵ.

Анализ показывает, что величина угловой ошибки для каждого из значений угла ѵ пропорциональна поверхности металлического дис­ ка, и следовательно, суммарная ошибка равна сумме ошибок, созда­ ваемых каждым диском (для данного угла ѵ). На рис. 6.17, б, б пункти­ ром нанесены кривые Да — f (ѵ), полученные при умножении ординат рис. 6.17, а (диск диаметром 1,25 X) соответственно на 2,25 и 4,0, что со­ ответствует отношению поверхностей дисков диаметром 1,88 X и 2,5 X к Диску диаметром 1,25 X. Видно, что полученные таким образом кри­ вые (штриховые) хорошо совпадают с измеренными непосредственно при данном диаметре диска (сплошные). Аналогичные результаты полу­ чаются и для угловых ошибок в плоскости /7.

186

Обобщение приведенных результатов дает возможность сделать вывод, что в первом приближении при заданном расстоянии L от элементарного препятствия до центра антенны угловые ошибки можно определять по формуле

Да = KS sin яѵ/2ѵ0,

где tg v0 = аІ2 L; а и S — радиус раскрыва антенны и поверхность препятствия (диска); К — коэффициент пропорциональности.

Поскольку препятствие перемещается перпендикулярно излучаю­ щему раскрыву, угловая ошибка пропорциональна телесному углу, под которым видно препятствие.

Аос________0 t,2h Дос 01,88%.

Рис. 6.17. Смещение равносиг- налы-шй зоны препятствиями в виде металлических дисков диаметром 1,2Я; 1,88Х. и 2,5У,

---------- — рассчитанные кривые;

------------экспериментальные данные.

8)

Полученные результаты показывают, в частности, что максимальная угловая ошибка имеет место тогда, когда препятствие располагается ближе к антенне. Чем дальше препятствие, тем меньше угловые сме­ щения диаграммы направленности (или равносигнальной зоны), но тем меньше и угол, при котором, достигается максимальное смещение.

Рассмотрим в заключение применение принципа суперпозиции для более сложного случая — обтекателя с металлическим стержнем

вносовой части [95].

Вэтом случае для предсказания характеристики угловых ошибок

обтекателя со стержнем достаточно знать отдельно характеристику угловых ошибок собственно обтекателя и угловых ошибок, создаваем мых металлическим стержнем.

Угловые ошибки за счет стержня получались при перемещении стержня, ось которого направлена перпендикулярно раскрыву, вдоль этого раскрыва.

На рис. 6.18 приведены характеристики угловых ошибок обтекателя (сплошная кривая) и металлического стержня (штриховая кривая)

187

для плоскостей Е и Н соответственно, а на рис. 6.19 — ошибки обте­ кателя со стержнем, полученные методом сложения кривых рис. 6.18 (сплошная кривая) и снятые экспериментально (штриховая кривая).

Рис 6.18. Характеристики угловых ошибок обтекателя и стержня:

Плоскость Е

ю

Рис. 6.19. Характеристики угловых ошибок обтекателя со стержнем:

---------- — рассчитанная кривая угловой ошибки (сумма ошибок обтекателя и стержня); —О—О— — экспериментальные данные.

Хорошее совпадение кривых на рис. 6.19 подтверждает, что и в слож­ ных случаях принцип суперпозиции дает вполне удовлетворительные в практическом отношении результаты.

6.4. УМЕНЬШЕНИЕ УГЛОВЫХ ОШИБОК ОБТЕКАТЕЛЕЙ ПРОФИЛИРОВАНИЕМ ИХ СТЕНОК

Угловые ошибки, создаваемые обтекателями, возможно уменьшить специальным профилированием их стенок вдоль образующих. Измене­ ние сечения стенок может быть плавным и дискретным. Установка ком-

188

пенсирующих колец в обтекателе, упомянутых в предыдущем разде­ ле, — один нз примеров дискретного изменения профиля стенки. В большинстве случаев такое изменение профиля дает компенсацию угловой ошибки для какого-либо одного положения антенн относитель­ но радиопрозрачной части обтекателя; расширение сектора углов сканирования, в котором угловые ошибки скомпенсированы, требует более сложного профиля.

Один из возможных вариантов записи закона изменения профиля сечения стенки остроконечного обтекателя может быть следующим [90]:

d = А + Вх + С sin М пх + D cos Nnx.

Влияние различных профилей стенок (изменяющихся вдоль обра­

перпендикулярных плоскостях пеленга (при параллельной и перпен­ дикулярной ориентациях вектора поляризации) показано на рис. 6.20. Существенная зависимость угловых ошибок от вида взятого профиля сечения радиопрозрачных стенок открывает широкие возможности. Может быть предложено несколько различных методов -определения профилей сечения стенок обтекателей, приводящих к существенному уменьшению ошибок. Один из методов — расчетный — пригоден для определения достаточно плавных профилей; он позволяет в значитель­ ной мере уменьшить угловые ошибки, имеющие слабо выраженные

для которых искажения фронта прошедшей волны за счет вторичных дифракционных волн играют второстепенную роль). Второй способ (расчетно-экспериментальный) позволяет найти дискретный профиль сечения стенки обтекателей любых размеров. В настоящем разделе рассматривается первый способ.

В общем виде при несимметричном обтекателе и антенне решение этой задачи встречает серьезные трудности. Поэтому для иллюстра­ ции подхода и метода остановимся на наиболее часто встречающемся на практике симметричном случае.

Благодаря условиям симметрии, как указывалось в гл. 2, осесим­ метричный обтекатель можно заменить диэлектрическим клином с гра­ нями, повторяющими профиль обтекателя, и все рассмотрение прово­ дить в плоскости, соответствующей главной плоскости сечения обте­ кателя.

При такой постановке задачи диаграмма направленности’системы антенна — обтекатель (рис. 6.21) для сканирующей по конусу антенны

Знак плюс в экспоненте определяет левый, а минус — правый лепест­ ки сканирующей диаграммы направленности; N (х) — комплексный

189

Рис. 6.20. Влияние характера изменения профиля стенок на угловые ошибки.

Рис. 6.21. Координатные системы, связанные с об­ текателем и излучающим раскрывом.

190

коэффициент, определяющий амплитудно-фазовое распределение поля

Для антенны с обтекателем условие (6.1), определяющее отсутст­ вие угловых ошибок (при ß — 180°), следующее:

Уравнение (6.2) позволяет найти связь между фазовыми и ампли­ тудными характеристиками обтекателя при отсутствии угловых оши­ бок для угла сканирования антенны а 0.

Развернутое соотношение (6.1) при ß=?^ 180° позволяет найти вели­ чину угловой ошибки_для любого угла а. Для этого необходимо варь­ ировать величиной ß вблизи 180°; равенство правой и левой частей уравнения свидетельствует, что данное значение ß = ß' соответствует равносигнальному направлению. -Угловая ошибка определится при этом как ß — ß' = Aa; изменение угла а даст кривую Аа = f (a), характеризующую угловые ошибки обтекателя.

Изложенная методика позволяет находить также профиль сечения стенок обтекателя, дающего уменьшенные угловые ошибки в широком секторе углов сканирования антенны.

Пусть профиль этого обтекателя (рис. 6.21) задан уравнением х' = f (y'), а вершина его расположена в начале координат. Положе­ ние антенны определяется углом сканирования а. Равенство нулю угловых ошибок соответствует условию ß = я. Перейдя от системы координат Х'О' У к системе XOY, совмещенной с раскрывом, получим, что в каждой точке профиля обтекателя падающей волне соответствует

191