Облучатели зеркальных параболических антенн

В качестве облучателей зеркальных антенн используют слабонаправленные излучатели, которые излучают в пределах полупространства на зеркало и не излучают в обратном направлении (в свободное пространство). Теоретически оптимальной ДН является ДН рис.6.

Целесообразно остановиться на выборе облучателя в соответствии с диапазоном волн. Облучатель питается линией передачи СВЧ, соответствующего диапазона и удобно, чтобы облучатель был естественным продолжением питающей линии.

Рис.6.Оптимальная ДН облучателя.

Так в дециметровом диапазоне и длинноволновой части сантиметрового диапазона удобно использовать вибратор, который возбуждается коаксиальной линией, являющейся элементом крепления. Непосредственное соединение симметричного вибратора с коаксиальной линией приводит к возникновению тока на наружной поверхности линии, излучению коаксиальной линии и искажению ДН вибратора. Для соединения симметричного вибратора с коаксиальной линией применяют симметрирующие устройства [8] рис.7.

Для обеспечения симметричного возбуждения с помощью U – колена, разность длин отрезков питающей линии выбирается равной ( - длина волны в линии), а наружные поверхности закорачиваются. Длина отрезка l1должна обеспечивать согласование активных составляющих входного сопротивления антенны и коаксиальной линии.

Рис.7. Симметрирующие устройства: U – колено (a), четвертьволновый стакан (б).

Четвертьволновый стакан представляет собой металлический цилиндр длиной , припаянный с нижней стороны к наружной поверхности коаксиальной линии. Короткозамкнутая на конце четвертьволновая линия, образованная стаканом и внешней поверхностью коаксиальной линии, имеет высокое входное сопротивление и препятствует ответвлению тока на внешнюю поверхность линии.

В сантиметровом диапазоне вибраторный облучатель может возбуждаться волноводом рис.8.

Рис.8. Вибраторный облучатель, возбуждаемый прямоугольным волноводом.

Для однонаправленности используют вибратор с контррефлектором в виде диска рис.9. Диаметр вибратора выбирают из условий получения нужного диапазона частот и достаточной механической прочности. Практи­чески диаметр вибратора часто полагают равным диаметру внутреннего провода питающей коаксиальной линии, чтобы уменьшить неоднородность в точке подключения вибратора, а также для удобства сборки. Диаметр контррефлектора реко­мендуется брать D=0,815l рис. 9.

Рис.9. Схема антенны с параболическим отражателем.

Такой контррефлек­тор дает достаточно хорошую экранировку переднего лепестка диаграммы вибратора и в то же время не слишком «затеняет» параболическое зеркало. Располагают рефлектор от вибратора на расстоянии ,что создает оптимальные условия для сложения поля активного вибратора и поля, отраженного от контррефлектора.

б) Расчет диаграммы направленности облучателя с контррефлектором

Воспользуемся принципом зеркального изображения и заменим действие металлической поверхности контррефлектора пассивным вибратором, расположенным на расстоянии от активного и несущим ток, сдвинутый по фазе на 180° относительно тока в актив­ном вибраторе рис. 10.

Рис.10.Зеркальное изображение вибратора с контррефлектором в виде диска.

Тогда в любой точке пространства поле будет определяться как сумма полей обоих вибраторов и может быть рассчитано умноже­нием диаграммы, одиночного полуволнового симметричного вибрато­ра F₁(q) на множитель решетки F₂(q)

(10)

где N — количество вибраторов (в рас­сматриваемом случае N=2);

d — расстояние между вибратора­ми;

— волновое число;

q — угол между линией располо­жения вибраторов и рассмат­риваемым направлением (рис.9).

После преобразования множитель решетки примет вид

(11)

Для одиночного, горизонтально расположенного вибратора диаграмма направленности в горизонтальной плоскости определяется выражением

(12)

где E_q— поле в рассматриваемом направлении;E_max— поле в направлении максимального излучения (q=0°);q—угол, отсчитываемый от нормали к вибратору.

Окончательно диаграмму направленности в горизонтальной пло­скости вибратора с контррефлектором можно записать в виде:

(13)

Диаграмма направленности системы в вертикальной плоскости определяется одним только множителем F₂(q), так как излучение одиночного горизонтального вибратора в этой плоскости ненаправ­ленное.

Учитывая, что форма диаграммы направленности как в горизон­тальной, так и вертикальной плоскостях для большинства применяю­щихся облучателей мало отличается друг от друга в пределах угла раскрыва зеркала, для упрощения в дальнейших расчетах исполь­зуется в обоих плоскостях более широкая из диаграмм направлен­ности.

в) Расчет входного сопротивления

Входное сопротивление полуволнового вибратора с контррефлектором в виде диска, расположенного на расстоянии , рассчитывается как сумма: Z₁=Z_1,1 +Z_1,2, где Z_1,1 — собственное сопротивление вибратора Z_1,1 = (73,1+j42,5) ом;

Z_1,2 — наведенное сопротивление, вносимое пассивным вибратором 2 в сопротивление активного вибратора 1.

Так как в рассматриваемом случае в пассивном вибраторе ток противоположен по фазе току в активном I₂=-I₁, то величина на­веденного сопротивления связывается с величиной взаимного сопро­тивления следующим образом:

Z_1,2 =-Z_вз.

Величину взаимного сопротивления полуволновых вибраторов можно определить по графи­кам приложения 3

Z_вз= (- 13-j30) ом.

Таким образом, наведенное сопротивление можно записать так:

Z₁,₂=(13 +j30) ом,

а величина входного сопротивления вибратора с контррефлектором в виде диска определится из выражения

Z₁=Z_1,1 +Z_1,2 = (86,11+j72,5) ом. (14)

Для согласования вибратора с питающим фидером желательно, чтобы входное сопротивление вибратора было чисто активным. Для получения чисто активного входного сопротивления вибратор уко­рачивают. Укорочение , необходимое для настройки в резонанс полуволнового вибратора, можно определить по формуле:

(15)

где l – длина плеча вибратора, a – радиус вибратора.

В случае тонких вибраторов укорочение составляет 3-5% от длины ; для толстых вибраторов – 15-20%.

Щелевой облучатель

Щелевой облучатель удобен при работе в наиболее короткой части сантиметрового диапазона (l=3 см и ниже), так как кон­струкция его наиболее компактна и проста для работы в этом диа­пазоне. Щелевой облучатель можно защитить от атмосферных влия­ний, закрыв его излучающие отверстия полистироловыми пластинками.

Рис.11.Щелевой излучатель с вертикальным (а) и горизонтальным (б) расположением щелей.

Конструкция двухщелевого облучателя может быть осуществле­на в виде закрытого на концах Т-образного прямоугольного волновода (рис.11). Щели в этом волноводе прорезаются симмет­рично относительно питающего волновода. В зависимости от задан­ной поляризации поля излучения облучатель располагается либо как оказано на рис.11а (для горизонтальной поляризации электри-ческого поля) либо как показано на рис. 11б (для вертикальной поляризации электрического поля).

Рекомендуется следующий порядок расчета такого двухщелево­го облучателя:

а) Длину щели выбирают равной 0,47l, так как резонанс насту­пает не точно при длине щели ,а при несколько меньшей длине. Укорочение щели соответствует укорочению эквивалентного металлического вибратора.

б) При расчете согласования резонансной поперечной щели, про­резанной в широкой стенке прямоугольного волновода с волной H₁₀, принимаем, что волновод закорочен с одного конца, а другой конец
в направлении от щели к генератору согласован или бесконечен.
Расстояние от закороченного конца до оси щели рис.11 при­нимается равным ( длина волны в волноводе). Если резонансное сопротивление поперечной щели представить как последовательное сопротивление в эквивалентной схеме рис.12, то условие со­гласования щели с волноводом можно записать как равенство по­следовательного сопротивления щели волновому сопротивлению волновода.

Рис.12.Поперечная щель (а) и ее эквивалентная схема (б).

Сопротивление поперечной щели, прорезанной симмет­рично относительно оси, нормированное к волновому сопротивлению волновода, выражается следующим образом:

(16)

где a и b – размеры широкой и узкой стенок волновода;

l-длина волны генератора.

Поэтому условие согласования имеет вид

(17)

Из равенства (15) находят размер узкой стенки b волновода при выбранном размере широкой стенки а.

Согласование Т-образного волновода с питающим волноводом осуществляется при помощи сужения уз­кой стенки b питающего волновода и изменения длины реактивного штыря, ввинчиваемого в торец Т-образного волновода на его широ­кой стенке по оси симметрии облучателя.

в) Расстояние между щелями выбирают из условия получения в вертикальной плоскости диаграммы направленности, мало отличаю­щейся от формы диаграммы направленности в горизонтальной пло­скости. Выбранное из этого условия расстояние между щелями по-

лучается порядка .Для расположения щелей по рис. 3а диаграмму направленности двухщелевого облучателя в горизонталь­ной плоскости определяют из формулы

(18)

где - волновое число; d — расстояние между щелями; q — угол в горизонтальной плоскости, отсчитываемый от нормали к линии расположения щелей.

Диаграмму направленности в вертикальной плоскости в этом случае рассчитывают по формуле

(19)

где f— угол в вертикальной плоскости, отсчитываемый от нормали к щели; Е_В— поле в рассматриваемом направленииf; E_Вmax—поле в направлении максимального излучения (f=0).

Для расположения щелей по рис. 106 диаграмму направлен­ности в горизонтальной плоскости определяют из формулы

(20)

где q -угол в горизонтальной плоскости, отсчитываемый от норма­ли к щели.

Диаграмму направленности в вертикальной плоскости рассчиты­вают следующим образом:

(21)

где f — угол в вертикальной плоскости, отсчитываемый от нормали к линии расположения щелей.

Для обеспечения синфазного питания щелей в обоих плечах по­перечного волновода щели должны быть расположены симметрично относительно питающего волновода. Каждое плечо рассчитывается на половинную мощность.

В сантиметровом диапазоне волн в качестве облучателя зеркальных антенн могут применяться стержневые и рупорные облучатели, возбуждаемые волноводом. Диэлектрические стержневые облучатели позволяют сузить ДН облучателя в двух плоскостях.

Также могут использоваться облучатели с вращающейся поляризацией право и левополяризованной волны: спиральные облучатели, волноводные или рупорные с вращающейся поляризацией поля.

Для создания антенн с широкой полосой необходимо иметь широкополосные облучатели. Известные широкополосные излучатели (логопериодические, биконические, взаимодополняющие структуры) обеспечивают перекрытие рабочего диапазона в несколько октав. Широкий интерес в настоящее время проявляется к излучателям Вивальди и к различным модификациям щелевых излучателей [15-18].

Рассмотренные широкополосные облучатели имеют недостаток: при работе в широкой полосе частот может перемещаться фазовый центр облучателя, что не обеспечивает фокусировку зеркала. Дефокусировка облучателя (аксиальная и по нормали) ухудшает ДН и приводит к отклонению луча. Известны требования к размерам ошибки дефокусировки облучателя - . Облучатель размещается в фокусе и к нему подводится линия передачи, которая желательно менее всего затеняла бы апертуру. Для устранения дефокусировки облучателя из-за конструкторско-технологических причин, климатических, эксплуатационных, нагрузочных, облучатель крепится и фиксируется с помощью волновода или дополнительных крепежных конструкций [19].

Кроме рассмотренных выше облучателей, можно применять конические гофрированные волноводные и рупорные облучатели [2,3]. При построении моноимпульсных антенн в системах с точной пеленгацией используют моноимпульсные облучатели [2-4].

Бортовые зеркальные антенны обычно закрываются обтекателем или защитными укрытиями для предохранения от внешних воздействий. В отсутствии таковых необходима изоляция герметизация волноводного тракта.

ПОРЯДОК РАСЧЕТА

В зависимости от исходных требований возможны различные варианты расчета. I. Заданы такие характеристики антенны как КНД, УБЛ, , рабочая длина волны, можно рекомендовать выполнять расчет в следующем порядке:

1. По требованиям к характеристикам направленности выбирают диаметр раскрыва и необходимое амплитудное распределение, обеспечивающее заданные параметры (таблица 1).

2. Выбирается облучатель по указанным требованиям полосы и поляризации. Рассчитываются ДН облучателя и необходимый угол раскрыва для получения максимального КНД зеркальной антенны используются графики рис.3, позволяющие определить для заданной ДН угол раскрыва.

3. Поле в раскрыве аппроксимируется функцией, которая соответствует характеру облучателя и углу раскрыва.

4. Рассчитывается ДН по формуле для выбранной аппроксимирующей функции, в одной или двух плоскостях.

5. Значения основных характеристик (ширины луча и УБЛ), полученные в результате расчета ДН с применением таблицы 1 сравниваем с характеристиками, указанными в задании.

6. Составляется эскиз антенны с возбуждающим устройством, элементами крепления, вращающимся сочленением и укрытием для защиты соединений от атмосферных воздействий. При разработке конструкции должны быть использованы ГОСТы и желательно максимальное число стандартизированных элементов: крепеж, линии передачи, разъемы, фланцы.

II. Задан тип облучателя зеркальной антенны и остальные параметры, то выполняют расчет в следующем порядке:

1. Повторяют пункт I₁.

2. Рассчитываются характеристики направленности облучателя

3. Выбирается угол раскрыва, обеспечивающий максимальный КНД.

4. Далее пункты, соответствующие предыдущей методике.

Приложения

Приложение 1