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

Соотношение (6.9) в прямоугольной системе координат, связанной с плоско­ стью раскрыва антенны, дает следующие составляющие угловой ошибки:

xfm Афб2 cos Ѳ

где я н у — координаты проекции центра пластинки на плоскости раскрыва. Связь между координатами точек, лежащих в плоскости раскрыва, и коор­

динатами точек, лежащих на поверхности обтекателя (рис. 6.30), выражается следующими соотношениями:

х = — г sin і -f-У? cos V cos t',

y = R sin V,

cos Ѳ = cos і sin ß -fsin i cos ß cos V,

ß 11 Y — угол, образованный осью обтекателя и касательной к его поверхно­ сти (в случае конического обтекателя касательная совпадает с его

образующей), и угол наклона плоскости падения волны к плоскости пеленга.

Для обтекателя конической формы с радиусом R0 в плоскости, содержащей центр вращения антенны,

R = Ro — ztg ß.

Если определять положение диэлектрической пластинки на обтекателе ко­ ординатами г и V, то для конического обтекателя координаты центра ее проек­ ции на плоскости раскрыва будут

*= (R — Z tg ß) COS V cos i — zsini,

У= (R — z tg ß) sin V.

Анализ воздействия пластинки на угловые ошибки соответствую­ щих обтекателей показывает, что величина создаваемых ею ошибок пропорциональна наклону кривой «набег фазы — толщина обтекателя». Отсюда следует, что при больших углах падения наклон кривой зна­ чительно изменяется с толщиной (особенно для перпендикулярной по­ ляризации), причем максимум достигается при толщине стенки обте­ кателя, равной половине длины волны.

На основании изложенного можно сделать следующие заключения:

1)угловые ошибки максимальны, когда пластина устанавливается на обтекателе с толщиной стенки, равной половине длине волны;

2)угловые ошибки, вызываемые пластиной, установленной на обтекателе с толщиной, равной половине длины волны, всегда больше при перпендикулярной поляризации, чем при параллельной;

3)угловые ошибки минимальны, когда пластина устанавливается на обтекателе, толщина стенок которого равна четверти длины волны.

Сувеличением диэлектрической проницаемости при пепендикулярной

202

поляризации влияние пластинки приближается к нулю, а при парал­ лельной к величине, получаемой при толщине стенки, равной половине длины волны;

4) влияние пластинки на обтекатель с толщиной стенки, равной половине длины волны, повышается с увеличением диэлектрической проницаемости материала стенки.

Зависимость величины угловой ошибки при ее экстремальных зна­ чениях от положения пластинки на образующей ѵ = 0 полуволнового конического обтекателя и зависимость положения точки перехода угло­ вой ошибки от положительных ее значений к отрицательным (по'углу

9-)

Рис. 6.31. Величина угловой ошибки и изменение угла перехода ошибки от положительной к отрицательной в зависимости от положения пластины на образующей обтекателя (ѵ=0):

а — угловая ошибка; б — изменение угла перехода; -------- — рассчитанная кривая;

--------- — экспериментальные данные.

отклонения антенны относительно оси обтекателя) от положения плас­ тинки на образующей ѵ = 0 (также для полуволнового обтекателя) приведены на рис. 6.31. Следует отметить, что точки такого перехода ошибки от плюсовых к минусовым значениям соответствуют углам наблюдения, под которыми центр пластины и центр раскрыва антенны совпадают.

На рис. 6.32 показаны семейства теоретических кривых угловых ошибок для пластин толщиной 0,04 X, лежащих на образующих

V =-. 0, V = 45° и V — 90° на расстояниях — 16 Л., — 24 Л. и ~ 32 X от основания обтекателя. Из рисунка видно, что эти кривые имеют при­ мерно синусоидальный характер, а при данном осевом положении их амплитуда уменьшается с увеличением ѵ (до ѵ =90°). При ѵ = 90° вы­ званные пластинкой угловые ошибки минимальны, а кросс-ошибки — максимальны; кроме того, приѵ = 90° кривые, характеризующие угло­ вые ошибки, становятся симметричными относительно нулевого угла наблюдения, а кривые, характеризующие кросс-ошибки, делаются равносимметричными (типичные результаты для кросс-ошибок при V = 90° и параллельной поляризации относительно плоскости пеленга показаны на рис. 6.33).

203

Результаты, полученные с пластинками, могут быть использованы для анализа влияния тонких колец на угловые ошибки обтекателей. При заданном осевом положении кольца его влиние на угловые ошиб­ ки можно определить с помощью рассмотренного выше принципа супер­ позиции по эффекту воздействия прямоугольной пластины, находящей­ ся в том же осевом положении, но при различных положениях ее на окружности. Обычно вполне достаточно информации о влиянии пла­ стины, расположенной через интервалы 30° по углу ѵ.

Рис. 6.32. Семейства кривых, характеризующие влияние диэлектрической пластины (перпендикулярная поляризация)-

При заданном угле наблюдения угловые ошибки, обусловленные эквивалентным кольцом, определяются как результат суперпозиции ошибок от составляющих пластинок (рис. 6.34):

где 2 Да-р — суммарное воздействие 12 пластинок, имеющих одинако-

р

вое осевое положение и угол наблюдения;

2 f, / 0 и t 0 — соответственно размер прямоугольной пластины по окружности и вдоль образующей и толщина пластины; I, t — ширина и толщина эквивалентного кольца.

204

На рис. 6.35 приведена кривая угловых ошибок для кольца. Теоре­ тическая кривая соответствует пластинам квадратной формы, распо­ ложенным на полуволновом коническом обтекателе, выполненном из стеклоткани. Толщина кольца 0,03 X, ширина 0,12 X [97].

------- — рассчитанная кривая; ,----- —. — экспериментальные

данные.

Рис. 6.35. Влияние кольца при перпенди­ кулярной поляризации относительно плос­ кости пеленга:

Хорошее соответствие расчетных результатов с эксперименталь­ ными позволяет использовать такой метод выбора компенсирующих колец и определения места их установки.

ГЛАВА 7

САМОЛЕТНЫЕ ОБТЕКАТЕЛИ

7.1. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Практически все современные самолеты оборудуются радиолока­ ционными станциями различного назначения. Требования большой разрешающей способности приводят, как правило, к большим размерам антенных систем и соответствующих им обтекателей. Зтп особенности, а также большие скорости современных самолетов заставляют конст­ рукторов при проектировании обтекателей наряду с радиотехниче­ скими требованиями существенное внимание уделять вопросам их механической прочности, теплостойкости и надежности [91].

Специфичным требованием для самолетных обтекателей является необходимость обеспечения достаточно высокой прозрачности во всем рабочем диапазоне волн: в сравнительно узком, на совмещенных вол­ нах, в широком непрерывном диапазоне воли и т. п. Ограничения же по угловым ошибкам, допустимым искажениям диаграммы направлен­ ности и т. п. не столь жестки, и обычно достижение требуемого коэф­ фициента прохождения обтекателя гарантирует выполнение также и этих требований. Несколько обособленно в этом отношении стоят обте­ катели навигационных станций допплеровского типа, для которых важным является также обеспечение постоянства пространственной ориентации диаграмм направленности.

Современным самолетным обтекателям свойственно широкое из­ менение углов падения ВЧ энергии (от 0 до 70—85°), излучаемой (или принимаемой) антенной, на их стенки. Лишь в отдельных случаях конструкция антенных устройств и их размещение на самолетах таково, что углы падения лежат в пределах 0—50° [8], [92], [103].

Достижение необходимой радиопрозрачности обтекателей в задан­ ных диапазонах волн осуществляется выбором соответствующей конст­ рукции их стенок. При выборе стенок необходимо учитывать все осо­ бенности условий работы обтекателей на самолетах, их габариты и форму и гарантировать выполнение всего комплекса требований с не­ обходимым коэффициентом запаса, обусловливающим надежность экс­ плуатации в летных условиях. Определение таких оптимальных кон­

струкций — одна из главных задач разработчиков радиопрозрачных обтекателей.

Анализ показывает, что практически все рассмотренные в гл. 1 структуры диэлектрических стенок находят применение в современ-

206

ных самолетных обтекателях: однослойные, многослойные (компенса­ ционного и согласующего типов не сложнее семислойных), монолитные с реактивными согласующими решетками, многослойные с реактив­ ными решетками, стенки с плавным изменением показателя пре­ ломления и т. п.

7.2. ОБТЕКАТЕЛИ ДЛЯ РАБОТЫ В УЗКОМ ДИАПАЗОНЕ ВОЛН

Для самолетных обтекателей, предназначенных для работы в срав­ нительно узком диапазоне сантиметровых волн при широком секторе углов падения (от 0 до 70—85°), свойственных современным формам обводов, перспективными являются многослойные конструкции стенок, в том числе и с реактивными решетками в силовых слоях, позволяющи­ ми увеличить толщины силовых оболочек и тем самым повысить проч­ ность всей конструкции.

Рис. 7.1. Эквивалентные схемы многослойных диэлектрических стенок:

а — семнслойиая; б — пятнслойная.

Ниже рассмотрено применение изложенных в гл. 3 приближенных методов к синтезу наиболее, приемлемых для самолетных обтекателей многослойных диэлектрических стенок: семислойных, пятислойных,

(рис. 7. 1, а) можно получить следующее приближенное соотношение

Нули этого выражения, определяющие максимумы коэффициента прохождения, получаются при следующих условиях:

207

Первому условию соответствует толщина плотных слоев, равная полуволне. На практике для волн длинее 15 мм этот случай не прием­ лем, поскольку вся стенка оказывается слишком громоздкой, и обте­ катель тяжелым*. Использование же таких конструкций на более ко­ ротких волнах наталкивается на технологические трудности в связи с жесткими производственными допусками.

Второе и третье условия определяют электрические толщины слоев малой плотности (ф2 и ф4) при заданной электрической толщине сило­ вых слоев (фх) и углах компенсации Ѳх и Ѳ2. Для нахождения толщин

имея в виду связь между геометрической и электрической толщинами (между ф и d).

дения в диапазоне углов соответствуют стенкам меньшего порядка. Аналогично получается соотношение для стенки пятпслойной

структуры (рис. 7.1, б):

Первому условию соответствует толщина плотных слоев, равная полуволне; такой конструкции обтекателей свойственны все ограни­ чения, оговоренные выше. Второе условие определяет электрическую толщину слоев с малой плотностью ф2 при заданной электрической толщине силовых слоев фх. По известным фх и ф^, а также величине диэлектрической проницаемости материала слоев определяются их геометрические толщины d1 и d 2. При условии фх + ф2 = я/З (или 2л/3) для угла падения Ѳх и полном согласовании стенки при угле паде­ ния Ѳ2 за счет рационального выбора толщины среднего слоя** диэ-

*Такие обтекатели могут найти использование в наземных условиях.

**Это можно сделать с помощью диаграммы полных сопротивлений.

208

лектрыческая стенка будет иметь два минимума коэффициента отра­ жения R 1JX (при 0 J и Ѳ2), что обеспечивает для нее высокий коэффи­ циент прохождения в широком секторе углов падения, свойственном современным обтекателям. -

Данный приближенный метод синтеза позволяет достаточно просто выбирать размеры семислойных или пятислойных конструкций стенок проектируемого обтекателя. Для уточнения характеристик прозрач­ ности необходимо проводить контрольный расчет (например, методом эквивалентных линий). Если при этом характеристики не удовлет­ воряют требованиям прозрачности, следует проводить дополнитель­ ную корректировку, задаваясь либо новыми значениями толщин слоев, либо новыми углами компенсации Ѳ( и 02.

Рис. 7.2. Эквивалентные схемы многослойных диэлектрических стенок с реактивными решетками.

Рассмотренный метод чрезвычайно удобен на начальной стадии разработки обтекателей, когда еще окончательно не определена ни конструкция стенки, ни ее основные размеры и требуется прикинуть возможные варианты и основные ожидаемые характеристики.

Если данный метод синтеза по каким-либо причинам не приемлем, следует пользоваться более строгими методами: например, методами, применяемыми при синтезе ступенчатых переходов (гл. 3, § 3), кривы­ ми постоянной отраженной мощности (гл. 3, § 4) и т. п.

Рассмотрим далее многослойные стенки с реактивными решетками. Приближенный расчет параметров трехслойных стенок с реактив­ ными решетками в силовых слоях (рис. 7.2) можно осуществить с по­ мощью выражения для коэффициента прохождения, аналогичного

(7.1):

Нули данного выражения имеют место при

1)е—/‘2<р*= 1, т. е. ф1 = 0,

2)е—/2 <фі+ ф.) = — 1, т. е. фі-Е фа = п - | - ,

где п = 1, 3, 5,...

210

2p

^ - = 2,2-10-3 A.

Для получения хорошей прозрачности при двух видах поляриза­ ции падающей на данную стенку электромагнитной волны (параллель­ ной и перпендикулярной) определение параметров слоев должно про­ водиться так, чтобы первое условие выполнялось при угле падения Ѳх для перпендикулярной поляризации, а второе — при угле Ѳ2 для параллельной поляризации. При этом лучшая прозрачность синте­ зируемой стенки в широком секторе углов падения получается при Ѳ2 < Ѳх; угол Ѳ2 должен лежать в пределах сектора 0—50°, а Ѳх — в пределах 50—75° (в зависимости от формы и назначения обтекателя).