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

Выполнение первого условия (cpx= 0) достигается с помощью реак­ тивных решеток индуктивного характера, монтируемых внутри сило­ вых слоев стенки. Расчет реактивной проводимости решетки при задан­ ной геометрической толщине сіг (задается из соображений прочности) осуществляется с помощью круговой диаграммы полных сопротивле­

Второе условие при найденных параметрах силовых слоев опре­ деляет электрическую толщину среднего слоя ф2 (при 02) и, следова­ тельно, его геометрическую толщину сі2.

Аналогичными методами могут рассчитываться и другие конст­ рукции стенок (например, с реактивной решеткой только в одном утол­ щенном внешнем слое — рис. 7.2 — и т. п.).

В качестве примера в табл. 7.1 приведены данные по коэффициенту прохождения некоторых типов многослойных стенок (при двух видах поляризации), синтезированных рассмотренными методами. Конструк­ ции обеспечивают диапазонность по коэффициенту прохождения в пре­ делах 3—5%. Как правило, расчетные значения коэффициентов про­ хождения хорошо согласуются с экспериментальными данными даже при углах падения, больших 70° [36], [103].

7.3. ОБТЕКАТЕЛИ ДЛЯ РАБОТЫ НА СОВМЕЩЕННЫХ ВОЛНАХ

При конструировании обтекателей, работающих на двух разнесен­ ных волнах, могут использоваться практически все типы диэлектри­ ческих стенок: однослойные, многослойные со слоями чередующейся плотности (компенсационного типа), со слоями, плотность которых меняется монотонно от периферии к центру (с согласующими слоями),

полуволновой, а для более короткой волны А,мив — кратна нескольким полуволнам; многослойные — во всех других случаях.

При этом следует отметить, что на практике рационально исполь­ зовать лишь относительно простые конструкции: трехслойные, пяти­ слойные и семислойные, так как дальнейшее усложнение структуры сопряжено с чрезмерным усложнением технологии и увеличением стоимости.

Ниже рассматриваются вопросы конструирования некоторых из отмеченных выше диэлектрических стенок применительно к разнесен­ ным по диапазону рабочим волнам.

Многослойные диэлектрические стенки компенсационного типа могут использоваться для обтекателей, работающих на двух, а иногда и большем числе волн. В последнем случае наименьшая волна не должна быть слишком короткой.

2 1 2

Методы конструирования семислойных стенок в данном случае мало отличаются от методов, описанных в предыдущем разделе. Не­ обходимо лишь сделать два следующих замечания:

во-первых, при расчете многослойных конструкций выбор толщи­ ны силовых слоев следует осуществлять из условия допустимого уровня отражений R BX мак0 на более длинной волне (А,макс) при условии сло­ жения всех отражений в фазе;

во-вторых, толщину среднего слоя с/4 по возможности следует опре­

стижения нужной механической прочности, допустимо увеличить на 25—30%, поскольку в большинстве случаев сложение в фазе всех отражений на входе стенки, как это предполагается соотноше­

ным способом согласно методике, описанной в предыдущем разделе. При этом особое преимущество при известных dlt ег, е 2, выражающееся в простотё, быстроте и наглядности, имеет метод расчета с помощью кривых постоянной отраженной мощности \ R \ 2 = const [8].

Анализируя второе условие, легко увидеть, что оно выполняется

213

пенсация отражения осуществляется для волны А,маІ.с при угле паде­ ния 03 рациональным выбором толщины среднего слоя. Определение же размеров стенки для волны А,мпп проводится любым из способов, рекомендованных в предыдущем разделе. Получаемый при этом допол­ нительный угол компенсации на волне А.макс позволяет без увеличе­ ния уровня коэффициента отражения несколько увеличить толщины силовых слоев стенки и этим улучшить механические свойства обте­ кателя.

Следует отметить, что при реализации первого условия рассчитан­ ные радиопрозрачные стенки обтекателей для волны Хмаьх также обла­ дают достаточной прозрачностью для всех волн X > кыако. Это об­ стоятельство делает возможным использовать их при работе в широком диапазоне волн. Обтекатели такого типа не критичны к допускам и поэтому просты в изготовлении.

Аналогичный метод расчета применяется при конструировании пятнслойных диэлектрических стенок двухдиапазонных обтекателей.

При относительно слабо разнесенных волнах (Ä,MaK0 ^ 2,5 А,мпн) могут использоваться многослойные стенки либо с чередующейся плотностью слоев, либо с монотонным изменением плотности.

Конструкции стенок первого типа должны рассчитываться соглас­ но рекомендациям гл. 3 с учетом второго замечания. Лучшие резуль­ таты при этом дают конструкции пятислойной и семислойной структур.

При использовании диэлектрических стенок второго типа наиболее приемлемыми являются конструкции с одним и двумя согласующими слоями с каждой стороны.

Общими методами, изложенными в гл. 3, получены следующие соот­ ношения для параметров слоев такой пятислойной стенки, обеспечи­ вающей достаточно высокую прозрачность в широком секторе углов

214

Толщина среднего слоя d3находится из условия компенсации отра­ жений при угле падения 03 для волны Я,шн. Для рассчитанной таким образом диэлектрической пятислойной стенки имеется два максимума коэффициента прохождения для волны А,ЫІЩи один для Ä,MaKC. Ее можно также использовать для работы в достаточно широком непрерывном диапазоне волн от ХМШІ до Амако (гл. 3, § 3). При этом несколько меняет­ ся порядок расчета и вводятся следующие дополнительные соотно­ шения:

«половины» рассматриваемой стенки (от части стенки, заключенной между сечениями I — II).

коэффициенты/'12 и /"23, для чего используются два оставшихся уравне­ ния (7.7). В-третьих, выбирается угол компенсации Ѳх и по найденным

d-x и d2, а затем по выбранному значению второго угла полной ком­ пенсации Ѳ2 — толщина среднего слоя d3. Значение г 01 по заданной величине отражений |- Р іп |ср может также находиться из графика рис. 7.4, б.

215

Величина параметра фЬ зависящая от соотношения Ä,MaK0 и ЯМІШ, определяет величину диэлектрических проницаемостей слоев пяти­

заны три возможных варианта конструкции. Видно, что третья кон­ струкция похожа на рассмотренную пятислойную стенку. Можно так построить расчет, что это соответствие будет полным (в этом случае Еі задается равным е3) и приведенные соотношения станут пригодными для синтеза пятислойных диэлектрических стенок обтекателей, рабо­ тающих на одной волне.

Рассмотрим далее конструкции стенок обтекателей с реактивными решетками. Поскольку толщина однослойных реактивных стенок для обеспечения достаточно хорошей прозрачности в широком секторе углов падения при двух видах поляризации волны должна быть небольшой

( у < 0,08), из соображений прочности очевидно, что в крупногабарит­

ных изделиях такие стенки могут применяться лишь в дециметровом диапазоне волн. При их расчете целесообразно пользоваться методами, изложенными в гл. 3. При этом нахождение параметров стенки и ре­ шетки должно проводиться для более короткой волны Амнн (принимает­ ся d < 0,08 Хмпи).

Хорошие диапазонные свойства однослойных стенок, просветлен­ ных решетками, гарантируют достаточную прозрачность их в пределах полосы + 15—25?^ (коэффициент прозрачности не хуже 0,8 при углах падения от 0 до 75°) [36]. При различных видах поляризаций на разных волнах диапазонность обтекателя может быть увеличена за счет исполь­ зования реактивных решеток с различным шагом в разных плоскостях. Возможны также и другие конструкции обтекателей с реактивными просветляющими решетками, например, монолитные обтекатели с ин­ дуктивной решеткой для работы на двух сильно разнесенных волнах: сантиметрового и дециметрового диапазонов; многослойные обтекатели, внешний утолщенный слой которых просветлен решеткой вибраторов (решетка емкостного типа), обеспечивающей хорошую прозрачность

216

e*

s

4

о

bо

J-J

<u b-

o

>J-

B -

ч-y SS23

Qi

t t4

217

218

21Э

всей конструкции на волнах дециметрового и сантиметрового диапа­ зонов, и т. п. В последнем случае параметры решетки вибраторов подбираются таким образом, чтобы на волне Хыаис она имела емкост­ ное сопротивление, а на ХМШІ — индуктивное.

Расчет параметров всех конструкций диэлектрических стенок обте­ кателей на совмещенные волны осуществляется согласно рекоменда­ циям гл. 3 и 4.

Для примера в табл. 7.2 приведены данные по коэффициентам про­

Как правило, рассчитанные рекомендованными методами диэлек­ трические стенки имеют коэффициенты прозрачности, хорошо согла­ сующиеся с эксперимеңтальными результатами [36], [65], [104].

7.4. ОБТЕКАТЕЛИ ДЛЯ РАБОТЫ В ШИРОКОМ НЕПРЕРЫВНОМ ДИАПАЗОНЕ ВОЛН

При проектировании обтекателей для широкого непрерывного диа­ пазона волн целесообразно использовать либо некритичные конструк­ ции стенок компенсационного типа с достаточно тонкими силовыми слоями, либо многослойные стенки, плотность слоев в которых умень­ шается от центра к периферии, либо, наконец, стенки с плавным изме­ нением показателя преломления [93].

Расчет диэлектрических стенок обтекателей первого ц второго типов аналогичен рассмотренному в предыдущем разделе: стенки первого типа обеспечивают достаточно хорошую прозрачность на всех волнах длиннее Я.мин, второго — в диапазоне Я,мин — А,мако.

Остановимся на конструкциях с плавным изменением показателя преломления, обеспечивающих хорошую прозрачность в секторе углов падения 0—60° на всех волнах короче А,макс.

Структура таких стенок (определяемая функцией неоднородности N (z)) по допустимым отражениям (по заданной диаграмме отражений

может быть найдена методами, заимствованными из теории антенн и описанными в гл. 3.

Ниже рассматривается выбор диэлектрической проницаемости среднего слоя таких стенок, определяющего в значительной мере их прозрачность в заданном секторе углов падения.

Расчет структуры неоднородной диэлектрической стенки следует начинать с выбора диаграммы отражений (аналог диаграммы направ­ ленности), удовлетворяющей заданному уровню отражений R в рабо­ чем диапазоне волн. Путем расчета (или с помощью имеющихся дан­ ных) определяется закон распределения неоднородности N (г). Так как неоднородная стенка состоит из двух неоднородных диэлектри­ ческих переходов, соединенных навстречу, допустимый уровень отра­ жений для каждого перехода составляет RI2; это значит, что боковые

220

лепестки соответствующей диаграммы отражений не должны превы­ шать заданного допустимого уровня.

Если по конструктивным или каким-либо другим соображениям тол­ щина стенки имеет существенное значение, при определении закона

чебышевские распределения неоднородностей (рис. 7.7.). Приведенные частотные характеристики диэлектрические пере­

ходы имеют лишь при постоянном угле падения Ѳь для которого задан закон распределения. Изменение угла приводит к изменению частот­ ных свойств перехода. Действительно, закон распределения неодно^- родности в зависимости от углов падения волны при перпендикулярной

221