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

фициента прохождения в произвольном случае нужно разложить падающее поле на две составляющие, поляризованные перпендикулярно и параллельно плоскости падения, определить для каждой, из составляющих комплексный ко­ эффициент прохождения, сложить векторно обе полученные после прохождения составляющие и лишь затем найти проекцию результирующего вектора поля на интересующую нас плоскость — плоскость полязризации падающей волны.

Рассматривать отдельно перепендикулярно (или параллельно) поляризован­ ную составляющую и находить по каждой из них диаграмму направленности антенны было бы неправильно, так как при неплоской поверхности обтекателя величина каждой цз составляющих меняется от точки к точке.

Итак, рассмотрим линейно поляризованную волну с амплитудой Е0, падаю­

щую на поверхность регулярного обтекателя. Разложение поля этой волны на две составляющие может быть представлено следующим выражением:

странения и соответственно перпендикулярный и параллельный плоскости падения; _

а — угол между вектором поляризации Е и вектором к_|_.

Направление вектора Е одно и то же для всех точек поверхности обтекателя,

ио разложение этого вектора на составляющие различно в каждой точке, так как различно направление нормали к поверхности обтекателя, а следовательно, и век­

выражение для ее электрического поля будет следующим:

Пользоваться этим выражением на практике достаточно сложно. Однако при регулярных обтекателях, когда для центрального «луча» в раскрыве антенны имеется лишь одна составляющая поляризации (перпендикулярная или парал­ лельная), это соотношение может быть упрощено.

Так, если для центрального луча а мало, то

Если же для рассматриваемого обтекателя и антенны удовлетворяется усло­ вие а < р, то всегда можно считать а 2 ж 0, т. е. что

30

Рассмотренную выше методику и полученные результаты можно применить для определения смещения равносигнальной зоны скани­ рующей антенны за счет регулярного обтекателя, расположенного в ближней зоне антенны.

Если диаграмму направленности антенны вблизи равносигнальной зоны, положение которой определяется углом ßp, аппроксимировать прямой, то для левого и правого лепестков, образующих равносиг­

тизна диаграммы в точке, соответствующей равносигнальнои зоне.

Рис. 2.4. Смещение равносигнальной зоны обтекателем.

С учетом вносимых обтекателем искажений выражения для аппрок­ симируемых участков диаграмм будут следующими:

где I 12 и I Т 212— коэффициенты прохождения для левого и правого лепестков диаграммы направленности; Aßx и Aß2 — смещение макси­ мумов этих лепестков за счет обтекателя.

31

)

Вновом равносигнальном направлении ßp справедливо равенство

^і №р) = ^ Ж ) -

Врезультате несложных вычислений находится смещение равно­

сигнальной зоны Да = ßp — ßp

öß P=ßp

Это выражение, справедливое для остронаправленных антенн, опреде­ ляет смещение равносигнальной зоны регулярным обтекателем.

Приведенные в данном разделе расчетные соотношения дают доста­ точно хорошие результаты для обтекателей, у которых радиусы кри­ визны не превосходят значений (1,5 -ь 2,0)А.

Рис. 2.5. Характеристики, угловых ошибок в зависимости от радиуса скругления вершины обтекателя:

На рис. 2.5 показано сравнение результатов расчета величины от­ клонения равносигнального направления в зависимости от угла скани­ рования антенны под обтекателем а, полученных с помощью соотно­ шения (2.15), с экспериментальными данными для двух обтекателей, радиусы кривизны р у которых составляют 2А, и 0,65А [92], [101]. Если для обтекателя с р = 2А соответствие этих данных удовлетворительное, то для обтекателя с р = 0,65А имеет место достаточно большое их рас­ хождение как по характеру зависимости Аа = / (а), так и по величине отклонения Аа.

32

Регулярный обтекатель в промежуточной зоне антенны

Если регулярный обтекатель нельзя считать расположенным в ближней зоне антенны, то при расчете диаграмм направленности необходимо определять мощность, принимаемую антенной с разных направлений (излучаемых антенной в разных направлениях) после прохождения электромагнитных волн через обтекатель. Методи­ чески в различных ситуациях решение этой задачи может оказаться

правлении двух полярных углов ßx и ßl.

Для определения поля в дальней зоне для каждого полярного угла по заданному распределению в фиктивном раскрыве применяется мето­ дика, изложенная выше.

Поле в направлении полярного угла ßx определяется выражением, аналогичным (2.7), но при замене ß на ßx. Причем предполагается, что, во-первых, начало координат лежит на пересечении среднего «луча» антенны с данным вынесенным раскрывом (для угла ßj) и, во-вторых, распределение поля по раскрывуантенны (без обтекателя) осесиммет­ рично.

Далее находятся соотношения для нулевого и первого приближения,

ставляются коэффициент прохождения и набег фазы, соответствующие данному полярному углу ßx.2*

* Показано лишь одно сечение обтекателя.

При ограничении двумя первыми членами ряда поле в направлении полярного угла ßx будет

F (ßu Ф) = I Т (ßx) I е/ф (Р‘>[F0 (ßx) + (Vip (ß,) ~e) F, (ß3)] •

По мощности

IF (ßb cp) |2 ■= I T (ßx) I2 [| F0(ßO I2 -!- 2 (V-ф (ßO e) F0(ßx) F, (ßx)] • (2.16)

Последнее соотношение позволяет легко проанализировать искаже­ ния поля в направлении данного полярного угла ßx, создаваемые обте­ кателем.

Искажения проявляются, во-первых, в уменьшении на величину l^ (ß i)|2 уровня мощности в направлении ßx сравнительно с мощ­ ностью в этом же направлении без обтекателя и, во-вторых, в угловом смещении точки диаграммы, в которой определяется поле, на угол Aßx относительно ее положения без обтекателя.

Уменьшение уровня мощности определяется величиной коэффи­ циента прохождения стенки обтекателя в области среднего «луча», излучаемого антенной под углом ßx; угловое смещение — фазовыми ошибками в плоскости фиктивного раскрыва для данного полярного угла ßx.

Оценим величину углового смещения данной точки диаграммы на­ правленности, характеризуемой полярным углом ßx. Угловое смещение

с помощью этого выражения найти значения уровней мощности в на­ правлении ßx без обтекателя (\F0 (ßx, ср) | 2) и в направлении ß'x с обте­ кателем ( \F (ßi, ср) I2)*.

Равенство

I ^ (ßi> ф)і2 = І^о (ßi, ф) I2

определяет смещение диаграммы направленности в точке, соответст­ вующей полярному углу ßx.

Решая это уравнение относительно Aßx для сечения ф = const,

КCOS ß i

Вчастности, для достаточно узких диаграмм, когда ßx — малая

величина и cos ßx ^ 1,

кк

*При нахождении I Д (ß(, ср) I 3 принимается, что Aßx — величина доста­ точно малая.

34

Иначе говоря, у узких диаграмм направленности смещение всех точек диаграммы обтекателем регулярной формы одинаково; диаграмма смещается на угол | Ѵф(0) |/ к в сторону градиента фазы Ѵф(0).

Так как для широких диаграмм направленности Ѵф (ß) = / (ß), очевидно, что точки диаграммы, соответствующие различным полярным углам, смещаются за счет влияния регулярного обтекателя на разные углы Aß, т. е. форма диаграммы искажается. На эти искажения накла­

Е г и Я 2, и поле, которое было бы в раскрыве в режиме передачи (Ег и

— а

Здесь С — постоянная величина, не влияющая на форму диаграммы

направленности; я и 2а — соответственно внешняя нормаль к раскры­ ву и размер раскрыва антенны.

Пренебрегая дифракцией на краях раскрыва и учитывая, что

= [v£J и # 2 = [ s £ 2 ] , где ѵ и s — единичные векторы, ортогональ­ ные соответственно фазовому фронту излучаемого и принимаемого по­ лей (рис. 2.7), а также имея в виду, что поляризации этих полей одина­

При направленных антеннах cos ß и cos ß0 достаточно мало влияют на форму диаграммы направленности, и поэтому при проводимом нами рассмотрении коэффициент С' можно не учитывать.

На практике в большинстве случаев распределение амплитуды поля в раскрыве антенны при работе ее на передачу можно считать близ-

Если рассматривается несканирующая антенна, то ур = 0. Е 2 -—- деформированное обтекателем поле в раскрыве антенны, принимаемое антенной с направления, определяемого полярным утлом ß.Выражение (2.20) свободно от приближений, принятых при выводе соотношения (2.16) и полученного на его основе (2.17), и дает точное значение поля.

Влияние обтекателя может P(ß) быть определено методом сравнения определенных с помощью (2.20) диаграмм при наличии обтекателя и

без него.

В общем случае инте­ грал в выражении (2.20) элементарно не берется, поэтому следует использо­ вать ЭВМ или графические методы. При нахождении

с учетом рекомендаций, данных в первом разделе настоящей главы,' т. е. при замене соответствующего участка обтекателя плоскопараллель­ ным слоем.

Рассмотренный метод нахождения характеристик излучения систе­ мы антенна — обтекатель дает достаточно хорошие результаты.

Приведенная на рис. 2.8 расчетная нормированная диаграмма на-

(с полуволновой конструкцией стенки из стеклотекстолита с е ä 4,0) определена с помощью соотношения (2.16) в плоскости, для которой

(Ѵф (ß)ë) = I Ѵф (ß) |.

Видно, что рассчитанная диаграмма хорошо совпадает с экспери­ ментальной, что говорит о правильности принятых теоретических пред­ посылок [102].

36

Диаграмма направленности без учета вторичных волн

Анализ нерегулярных обтекателей показывает, что для них характерен широкий диапазон изменения углов падения электромаг­ нитных волн, принимаемых или излучаемых антенной, на их стенку

(рис. 2.10).

Используя лучевое представление электромагнитной волны, легко определить деформацию фронта волны, прошедшей через обтекатель. Максимальные искажения будут иметь место в областях, где углы паде­ ния «лучей» на поверхность обтекателя меняются в большей степени, т. е. в областях с наибольшей кривизной. Для конических (или близ-

Р а 5 о ч и й с е к т о р у г л о в

П о л о ж ен и е 1

П о л ож ен и е 2

Используя условия симметрии, можно рассматривать систему ан­ тенна—обтекатель в плоскости, заменив обтекатель клином с гранями, соответствующими по форме образующим обтекателя.

Для конического обтекателя, рассматриваемого в такой аппрокси­ мации, фазовый фронт прошедшей волны для полярного угла ß сос­ тоит из двух линейных участков в общем случае наклонных с углами наклона (ß) и v2 (ß) и ступеньки (фазового скачка) с амплитудой В, расположенной на расстоянии х0 (ß) от центра раскрыва антенны (рис. 2.11). х0 (ß) — величина, связанная с геометрическими размерами обтекателя (углом при вершине 2% и диаметром в месте установки антенны 2D), полярным углом ß, для которого ищется поле, и углом сканирования а соотношением

sin (ß + сс) *0 (ß) = ~ D cos ß tg %

38

Знаки углов а и ß при отсчете по часовой стрелке относительно оси

которое, в свою очередь, зависит от утла падения волны на стенку обтекателя 0Х(ß, х); участок с наклоном v2 (ß) — смещением г|з2 (ß, х) при угле падения Ѳ2 (ß, х). Соответствующие амплитудные значения прошедшего поля — | 7\ (ß, х) | и | Г 2 (ß, х) |.

Рис. 2.11. Определение амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве антенны:

--------------а м п л и т у д н о е р а с п р е д е л е н и е ; _____________ ф а з о в о е р а с п р е д е л е н и е .

С помощью (2.19) в данном случае получается следующее выраже­ ние для диаграммы направленности

а

E ( ß ) - $ [A (ß, х)е'ѵ>№>* + Яа(ß. X) g/V" (ß) *] gік sin ß.v dx. (2.21)

—а

Здесь

N (х) — амплитудное распределение поля в раскрыве антенны без обтекателя (фазовое распределение принято линейным).

Соотношение (2.21) может быть записано следующим образом:

39