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

Для набега фазы ф (х, а) и коэффициента прохождения | Т (х , а) |

где

или

соответственно для случаев перпендикулярно или параллельно поля­

192

сканирования a j, а 2, ..., адг антенны, добиваемся такого сочетания их толщин, чтобы уравнение (6.4) удовлетворялось для каждого из углов а. Это соответствует нулю угловой ошибки для этих углов. Совокуп­ ностью значений Дй для всех колец определится профиль 1, оптималь­ ный для угла сканирования а — а г (рис. 6.22, б); аналогично находится профиль 2 для а 2 и т. д. Оптимальный профиль получается усреднением всех профилей в каждой точке обвода (жирная линия рис. 6.22, б).

Эффект уменьшения угловых ошибок остроконечного обтекателя за счет использования переменного профиля проиллюстрирован на

Рис. 6.23. Уменьшение угловых ошибок из-за переменного про­ филя сечения стенок.

а — характеристики угловых ошибок: -------- — с постоянной толщиной;

--------- — с переменной толщиной; б — профиль сечения стенки обте­ кателя.

рис. 6.23, ££, на котором приведены'кривые угловых ошибок для обте­ кателя с постоянной (сплошная кривая) и с переменной (штриховая кривая) толщиной стенок. Соответствующие параметры профиля пока­ заны на рис. 6.23, б.

6.5. ДИСКРЕТНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ ПРОФИЛЯ

Если характеристики угловых ошибок Аа = f (а) имеют выражен­ ный осциллирующий характер, плавное изменение профиля стенок об­ текателей не приводит к желаемому их уменьшению в широком секто­ ре углов сканирования антенны. В этом случае приходится прибегать

кдискретному изменению профиля, сочетая предварительный расчет

сэкспериментом. Такой метод позволяет получить уменьшение угло­ вых ошибок в широком телесном угле обзора и дает удовлетворитель­ ные результаты для обтекателей и антенн практически любых размеров для двух типов поляризации волны относительно плоскости пеленга одновременно. Физическое обоснование предлагаемого метода доста­ точно простое. Сводится оно к тому, что если в обтекатель ввести набор колец, дающий характеристику угловых ошибок Аа ' — / (ос), проти­ воположную по величине и знаку начальным ошибкам обтекателя,

194

то общая угловая ошибка согласно рассмотренному выше принципу суперпозиции будет близка к нулю. Наличие остаточных угловых ошибок объясняется приближенностью рассмотренного принципа суперпозиции из-за взаимодействия компенсирующих элементов с об­

текателем.

Непосредственное определение оптимального набора элементов — задача невыполнимая. Хорошие результаты дает метод, который можно назвать методом «элементарных колец». Суть его заключается

вследующем.

Вполе антенны вводятся элементарные кольца, размещаемые так,

Рис. 6.24. Пример применения метода элементарных колец:

значениях поляризации волны относительно плоскости пеленга. Для этого измеряются угловые ошибки обтекателя без кольца и с кольцом

(т. е. уменьшать толщину стенки обтекателя); их высота и толщина должны быть значительно меньше высоты обтекателя и толщины его стенок соответственно.

В результате цикла предварительных измерений определяются ха­ рактеристики добавочных угловых ошибок при данной структуре, и профиле обтекателя с данной антенной системой, учитывающие осо­ бенности ее размещения и взаимодействие с обтекателем. Эти характе­ ристики позволяют далее графическим путем построить оптимальный профиль, сводящий ошибки рассматриваемой системы антенна — обтекатель к минимуму при данной поляризации в заданном секторе углов сканирования.

Набор выбранных колец должен иметь характеристику угловых ошибок Аа' = f (а), близкую к обратной ошибке обтекателя.

В качестве примера на рис. 6.24, а приведены угловые ошибки (для параллельной поляризации относительно плоскости пеленга) остро­

~ 2 X и толщиной 0,01 X. Характеристика Да' — / (а), обратная начальной, показана штрихом на рис. 6.24, б (кольца 2-е, 6-е и 7-е дважды), а суммарная характеристика, полученная сложением Начальной и обратной характеристик, — там же сплошной линией.

Экспериментальные данные, подтверждающие правильность метода, показаны точками.

Элементарное кольцо

Рис. 6.25. Характеристики добавочных угловых ошибок элементарных колец.

Для уменьшения угловых ошибок обтекателей, у которых поляри­ зация при сканировании меняется относительно плоскости пеленга, следует применять поляризованные элементы компенсации, совмещая их использование с профилированием стенок. При этом для одного значения поляризации (например, параллельной) компенсация должна осуществляться профилированием, для другого (перпендикулярной) поляризованными решетками. Результат применения такого способа для рассмотренного выше обтекателя показан на рис. 6.26. В обте-

196

Если характеристики начальных угловых ошибок при различных поляризациях волны относительно плоскости пеленга имеют доста­ точно близкий характер*, можно отказаться от поляризованных ре­ шеток и использовать один компромиссный профиль, дающий умень­ шение угловых ошибок одновременно для двух поляризаций волны.

5)

Рис. 6.26. Компенсация угловых ошибок применением поляризован­ ных колец:

Изложенные способы компенсации основаны на анализе характе­ ристик угловых ошибок обтекателя и графическом подборе компен­ сирующего профиля. При расчетах «вручную» получающиеся резуль­ таты зависят от индивидуальных способностей и навыков каждого оператора, и поэтому не могут быть оптимальными, особенно при необ­ ходимости компенсации угловых ошибок одновременно в двух пло­ скостях пеленга. Поэтому здесь целесообразно использовать ЭВМ. Для этого все оцениваемые характеристики нужно выразить численно, записав их через коэффициенты Фурье [96]. За период принимается отрезок оси абцнсс (а) от 0° до ccMaHC. Все характеристики (начальной и добавочных угловых ошибок) при этом представляются суммой гар­ моник, а подбор компенсирующей характеристики сводится к подбору добавочных ошибок, у которых сумма амплитуд первых гармоник рав­ няется амплитуде первой гармоники начальной характеристики с об­ ратным знаком, сумма амплитуд вторых гармоник добавочных оши­ бок — амплитуде второй гармоники начальной характеристики с об­ ратным знаком и т. д. Для ЭВМ построение компенсирующего про­ филя сводится таким образом к обычной вариационной задаче. В большинстве случаев благодаря нечетному характеру добавочных ошибок можно пользоваться только нечетными гармониками:

Ьп = — ^ / (а) sin nada (гг= 1, 2,

* Такие характеристики могут быть получены при правильном выборе фор­ мы обтекателя, материала и толщины стенок.

197

Анализ показывает [91], что для большинства остроконечных обте­ кателей характеристики начальных и добавочных ошибок таковы, что можно ограгичиться разложением их всего на..З—5 нечетных гар­ моник.

Нахождение профиля, компенсирующего угловые ошибки при двух видах поляризации относительно плоскости пеленга цели одновре­ менно, сводится в этом случае к решению на ЭВМ более сложной зада­ чи, при которой суммарные амплитуды гармоник добавочных ошибок при двух видах поляризации сличаются с амплитудами соответствую-

Рис. 6.27. Компенсация угловых ошибок (на ЭВМ) при двух видах поляри­ зации:

щих гармоник начальных характеристик также п.рн двух видах поля­ ризации и из полученных результатов выбирается оптимальный ва­ риант.

На рис. 6.27 представлены результаты, полученные на ЭВМ при компенсации угловых ошибок в двух плоскостях пеленга одновремен­ но для остроконечного полуволнового обтекателя с удлинением ~ 2,2 при диаметре основания ~ 10 А.

Компенсация для обоих случаев поляризации, благодаря близким по характеру угловым ошибкам, осуществлена набором колец: в обла­ сти 3 А от вершины стенка сделана тоньше полуволновой на 0,01 А, затем на расстоянии от вершины от 3,5 А,до ~ 7 А толщина стенки уве­ личена на ~ 0,007 А; далее на расстоянии ~ от 9 А до 12 А, толщина стенки уменьшена на ~ 0,015 А, сравнительно с полуволновой.

В заключение кратко сформулируем основные этапы проектирова­ ния обтекателей с переменным профилем, обеспечивающим получение уменьшенных угловых ошибок:

а) для заданной формы обтекателя при перпендикулярной поля­ ризации волны относительно плоскости пеленга цели определяется начальная толщина стенки обтекателя: вначале постоянная — с по­ мощью графиков IR |2 = const, ф = const — а затем, при необходи­ мости улучшения коэффициента прозрачности, переменная;

б) с помощью метода элементарных колец фиксируются характе­ ристики добавочных угловых ошибок (при одной или двух значениях поляризаций относительно плоскости пеленга) для данного обтекателя,

198

данной антенной системы и данных конкретных условий их взаимного размещения;

в) экспериментальным путем определяются (при стенках, выпол­ ненных согласно п. а) начальные характеристики угловых ошибок Аа = f (а) (в случае необходимости при двух значениях поляризации); г) по графикам добавочных ошибок рассчитываются характери­ стики Да' = f (а), обратные начальным (при необходимости для двух поляризаций волны); набор элементарных колец определяет профиль

сечения стенки обтекателя; д) если при двух взаимно перпендикулярных поляризациях волны

характеристики Да = f (а) имеют существенно различный характер, компенсация угловых ошибок профилированием осуществляется лишь для одной из поляризаций; уменьшение ошибок при другой поляри­ зации осуществляется с помощью поляризованных элементов.

6.6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОСРЕДОТОЧЕННЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ

Большой интерес представляет использование дискретных измене­ ний электрической толщины стенок обтекателей на небольших участках (дискретных фазовых ступенях). Введение местной неоднородности эквивалентно созданию дополнительных угловых ошибок, величина и характер которых зависят от величины и места установки неоднород­ ности на обтекателе. Дополнительные угловые ошибки могут быть ис­ пользованы для компенсации собственных угловых ошибок системы антенна — обтекатель в заданной плоскости пеленга, а также для уменьшения электрической асимметрии обтекателей, появляющейся за счет несовершенства технологии изготовления.

Сосредоточенные неоднородности могут выполняться включением небольших диэлектрических дисков или пластин другой формы (из стеклотекстолита, пластмассы, лаковых пленок и т. п.), а также раз­ личных металлических элементов (из фольги, проводящих красок

и т. п.).

Далее в качестве примера рассматривается использование для таких целей небольших диэлектрических дисков, устанавливаемых на внут­ ренней поверхности стенки обтекателя. Проведенные расчеты пригодны для определения как угловых ошибок, так и кросс-ошибок [97]. Рас­ смотренный метод учета сосредоточенных неоднородностей позволяет также провести аналитический расчет угловых ошибок, создаваемых диэлектрическим кольцом, расположенным ,на стенке остроконечного

обтекателя [98].

При рассмотрении будем считать, что угловые ошибки, созда­ ваемые диэлектрической пластинкой (диском), определяются только фазовыми искажениями фронта проходящей волны.

На рис. 6.28 показан диск радиусом b {Ь < а, где а — радиус рас­ крыва антенны). Центр диска находится на расстоянии т от центра раскрыва (т нормировано к радиусу раскрыва); набег фазы за счет диска равен Дф.

199

Если распределение амплитуды поля по диску представить как не­ которую постоянную величину fm плюс ступенчатое распределение, то угловая ошибка, обусловленная этим диском, может быть записана следующим образом [98] (рис. 6.29):

Здесь /т , / 2 — величина амплитуды поля в раскрыве антенны, соот­ ветствующая центру диска и половине высоты ступенчатого распреде­ ления по диску соответственно;

к = - ^ J / (г) г3 dr,

о

f (г) — амплитудное распределение поля в раскрыве рассматриваемой

С помощью (6.9) определяется угловая ошибка в плоскости, про­ веденной через нормаль к плоскости раскрыва и нормаль к пластине

Рис. 6.28. Геометрия диэлектриРис. 6.29. Типичный эффект, создаваемый дического диска и раскрыва анэлектрическим диском,

тенны.

(диску). Не представляет труда получить составляющие угловой ошиб­ ки в любой другой плоскости, содержащей нормаль к плоскости раскрыва.

При использовании соотношений (6.8) и (6.9) для диска, можно вос­ пользоваться следующими упрощающими предположениями:

200

1) проекция диска на плоскость раскрыва имеет форму эллипса ,

луча, проходящего через центр диска); при этом ориентация эллипса, проектируемого на плоскость раскрыва, не имеет значения;

2) эффект, создаваемый диском, является чисто аддитивным, и поэтому множитель Дф в (6.9) можно определять как разность между набегами фаз для обычного обтекателя и обтекателя с диском, при учете углов падения и вида поляризации; при этом набег фазы можно

рассчитывать, используя теорию бесконечного плоского листа, а набег фазы для всей .пластины считать постоянным и равным набегу фазы для центрального луча пластины.

При размещении пластины (диска) на поверхности обтекателя в произвольной точке при произвольном падении на него электромагнитной волны (когда пло­ скость падения наклонена под углом у к плоскости X Z — рис. 6.30) коэффициент

прохождения и набег фазы для диска выражаются следующими соотношениями:

201