Требования, предъявляемые к антеннам

Радиорелейные линии (РРЛ) являются одним из основных средств связи для передачи телевизионного и звукового вещания, многока­нальной телефонии и других сигналов. Различают РРЛ прямой видимости, тропосферные и спутниковые. Для РРЛ прямой ви­димости выделены полосы частот 1,75... 2,0; 3,4 ... 3,9; 5,67... 6,17; 7,9 ...8,4 и 10,7... 11,7 ГГц.

К антеннам РРЛ прямой видимости предъявляются следующие основные требования:

1. Высокий коэффициент усиления. Так, для диапазо­на 2 ГГц применяют антенны с КУ относительно изотропного из­лучателя 30 ... 35 дБ, для 4 ГГц— 39 ... 43 дБ и для 6 ГГц — 43 ... ... 46 дБ. Увеличение КНД и КУ осуществляется сужением харак­теристик направленности. Для антенн с относительно небольшим уровнем боковых лепестков КНД и ширина ДН по уровню 50% мощности в градусах в плоскостях Н и Е связаны соотношением D= (32000 ... 36000)/φН0, 5 φЕ0, 5 (12.1)
2. Высокое защитное действие антенны, малый уровень боковых лепестков (65…70 дБ) в интервале уг­лов 90.... 270°. В случае слабого защитного действия антенн на­блюдаются помехи от аналогичных и других радиосистем.
3. Малый уровень перекрестной поляризации. Антенна должна обеспечивать развязку но поляризации на 30...35 дБ.
4. Широкая полоса рабочих частот. Желательно одну антенну использовать на нескольких частотных диапазонах.
5. Хорошее согласование антенны с волноводом: Кбв>0,97. Наличие отраженных волн приводит к появлению паразитной модуляции по частоте, которая проявляется в форме шумов.
6. Устойчивость к внешним воздействиям. Конст­рукция должна исключать влияние порывов ветра, гололеда и осадков на параметры антенны.

В настоящее время на РРЛ прямой видимости применяются передатчики мощностью 2 ÷ 10 Вт и в последнее время даже 0,5 Вт и менее. Расстояние между промежуточными пунктами составляет 40 ÷ 60 км и высота мачт 50 ÷ 100 м. В городских условиях для организации связи между базовыми станциями сотовой связи дальность связи бывает до 0, 5 – 1,5 км. При этом, чем меньше расстояние, тем выше используется рабочая частота. Для устойчивой связи необходимо, чтобы коэффициент усиления антенны составляет 1000 ÷ 40000 (30 ÷ 46 дБ). Обычно антенны дециметровых волн обладают коэффициентом усиления примерно 30 дБ и антенны сантиметровых волн 40 ÷ 46 дБ.

На магистральных РРЛ большой емкости применяют, как правило, двухчастотную схему, которая, как известно, требует защитного действия антенн не менее 65 ÷ 70 дБ.

Для увеличения переходного затухания между трактами приема и передачи, излучаемое и принимаемое антенной поля должны иметь взаимно перпендикулярные поляризации. Для этого линии питания и облучатель антенны должны быть выполнены так, чтобы было можно одновременно передавать и принимать волны с различными поляризациями, и диаграмма направленности антенны должна быть осесимметричной.

Отраженные волны в тракте питания приводят к нелинейности фазовой характеристики последнего, что вызывает нелинейные искажения в сигнале. Допустимая величина коэффициента отражения, вызванного рассогласованием линии с антенной, для многоканальных систем не должна превышать 2 % во всей рабочей полосе частот. Для этих систем полоса частот, удовлетворяющая данному требованию, должна составлять 10 ÷ 15 % от несущей частоты высокочастотного сигнала.

Конструкция антенны должна быть жесткой, чтобы при порывах ветра упругая деформация антенны не превышала допустимую величину. Атмосферные осадки не должны попадать в тракт питания антенны, т.к. это приводит к увеличению затухания в тракте и к рассогласованию. Антенна должна иметь возможность поворота в небольших пределах с целью точной установки направления максимального излучения на корреспондента.

Выбор типа антенны для РРЛ в основном определяется рабочим диапазоном волн, емкостью линии, от которой зависит ширина полосы рабочих частот, а также схемой распределения частот (двухчастотная, четырехчастотная).

В диапазоне метровых волн, обычно используемых на линиях малой емкости, широко применяются многовибраторные синфазные антенны. На дециметровых волнах, а также на линиях малой емкости могут применяться антенны этих же типов, а также антенны зеркального (параболического) типа.

Параболические антенны широко применяют в дециметровом диапазоне на линиях средней емкости. В сантиметровом диапазоне волн на линиях малой и средней емкости применяются, главным образом, параболические антенны.

На магистральных РРЛ большой емкости и большой протяженности, работающих в сантиметровом диапазоне волн, применяют параболические, рупорно-параболические, параболические с вынесенным облучателем и двухзеркальные антенны. Как правило, одна антенна РРЛ используется одновременно для передачи и для приема.

12.2. ИЗЛУЧЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ АНТЕНН

С увеличением частоты антенны с большим КНД выполнить в виде системы вибраторов затруднительно. Большое число виб­раторов и их малые размеры существенно усложняют систему пи­тания и не позволяют получить широкую полосу рабочих частот. В диапазонах дециметровых и более коротких волн широко рас­пространены антенны, выполненные в виде излучающих поверх­ностей—это рупорные и зеркальные антенны. Параметры антенн этого типа определяются площадью и формой излучающей поверхности (раскрыва), распределением амплитуд и фаз поля в раскрыве.

Рассмотрим излучение плоской поверх­ности прямоугольной формы, возбужден­ной в каждой точке поверхности полем одинаковых фаз и амплитуд. Для оп­ределения ДН в горизонтальной плоскости излучающую поверхность представим в виде суммы большого числа узких вертикальных полосок (рис.). Верти­кальный размер (высота) полоски на ДН в горизонтальной плос­кости влияния не оказывает. В этом случае множитель ДН F(φ)=Fсн(φ) F1(φ) Здесь F1(φ)=1+cosφ — множитель ДН элемен­та излучающей поверхности с малыми относительными размера­ми; Fсн(φ)—нормированный множитель системы. При равенст­ве амплитуд и фаз поля в раскрыва нормированный множитель системы является множителем синфазной решетки. В дан­ном случае число полосок велико (n→∞), а их ширина мала (d→0). Вместе с этим сумма всех полосок составляет длину раскры­ва, т. е. nd=L. Множитель 0,5kd=nd/λ, — мал, следовательно, в знаменателе функцию синуса можно заменить его аргументом. Произведя замены

nd = L, sin (0,5nkd sinφ) =sin(0,5kl sin (φ) и nsin (0,5kd sinφ)≈ 0,5kL sinφ, получим

Fсн(φ) =sin(0,5kL sinφ )/0,5kL sinφ . (12.2)

Для антенн с большим раскрывом (L>>λ) направленными свойствами F1(φ) можно пренебречь и учитывать только множитель системы. Исследуем его. В выражении (12.2) угол φ отсчитывается от нормали к излучающей плоскости. При φ = 0 выражение (12.2) имеет вид неопределенности типа 0/0. Раскрывая неопределенность заменой функции синуса его аргументом sinx=x при x→0, получаем Fсн(φ=0)=1, что соответствует максимуму излучения в направлении φ=0. Ширина главного лепестка ДН будет такая же, как и для синфазной решетки; sinφ0=λ/L. Для антенн с большими линейными размерами, когда ширину ДН определяют по упрощенным формулам: φ0 = λ/L, рад, или 57,3° λ/L и φ0,5=0,88 λ/L., рад, или 50,8°x/L. Уровни боковых лепестков определяются приближенным равенством KР = 2/(2р+1)π, где р — порядковый номер лепестка. Для первого бокового лепестка K1 =0,212 или —13,4 дБ.

С увеличением частоты или размера излучающей поверхности ДН антенны сужается.

В общем случае для излучающей поверхности произвольной формы с различными амплитудным и фазовым распределениями поля на этой поверхности ДН определяется суммой полей, создан­ных элементарными участками излучающей поверхности.

Множи­тель ДН, например, прямоугольной поверхности, возбужденной синфазно, но с амплитудами поля, максимальными в центре и спадающими до нуля на его краях

по закону Е(х) =E₀sin(πx/L), определяется формулой

F(φ) = F1(φ)cos (0,5kLsin φ)/((0,5π)²— (0,5kL sin φ)²).

Ширина ДН в этом случае φ₀= 1,5 λ/L, рад, или 86°λ/L и φ_0,5 = 1,2 λ/L, рад, или 69° λ/L. Уровни боковых лепестков опреде­ляются уравнением К_Р = 1/(4(р+1)²— 1). Для первого бокового лепестка р = 0 и K₁=0,067 или —23 дБ.

В антеннах с неравномерным амплитудным распределением участки раскрыва с малыми амплитудами поля вносят соответ­ственно и малый вклад в создание поля излучения в главном на­правлении. Уменьшение амплитуд поля от центра к краям рас­крыва приводит к расширению ДН.В этом случае менее эффек­тивно используется поверхность раскрыва антенны, уменьшается КНД, но вместе с этим понижаются уровни боковых лепестков.

Характеристика направленности и КНД существенно зависят от распределения фаз поля в раскрыве антенны. При синфазном возбуждении в направлении, перпендикулярном плоскости раскрыва поля, созданные отдельными участками раскрыва складыва­ются синфазно и результирующее поле оказывается максималь­но возможным для данной антенны. При наличии фазовых иска­жений в раскрыве в этом направлении результирующее поле ос­лаблено и направленные свойства антенны ухудшаются. Откло­нение поля в раскрыве от синфазного может быть вызвано конст­рукцией антенны и, как следствие, недостаточно точным ее изго­товлением или специально заданным, например, для управле­ния ДН.

Любое распределение фаз вдоль линии раскрыва, например в направлении оси х (рис. 12.1), можно представить в виде степен­ного ряда: Ф(х)=Ф₀+Ф₁х+Ф₂х²+Ф_зх³+... При этом распреде­ление фазы поля характеризуют средней фазой Ф₀, соответствую­щей полю в центре, и отклонениями фаз от Ф₀ в других точках. Эти отклонения называются фазовыми искажениями. В соответ­ствии с приведенной выше формулой различают фазовые искаже­ния линейные, когда Ф(х)=Ф₁х, квадратичные, соответствующие распределению Ф₂х², кубичные и т. д. Влияние на ДН антенны удобно рассматривать раздельно для линейных, квадратичных, кубичных и других фазовых искажений. Как указывалось, при синфазном возбуждении направление максимального излучения совпадает с нормалью к плоскости фронта волны (рис. 12.2,а). При линейном изменении фаз происходит наклон фронта излуча­емой волны, а, следовательно, и отклонение главного излучения от нормали к плоскости раскрыва в сторону запаздывающих фаз (рис. 12.2,б). При квадратичных фазовых искажениях (рис. 12.2,б) направление максимального излучения совпадает с нормалью к плоскости раскрыва, так как симметричному распределению фаз соответствует и симметричная ДН. При квадратичных искажени­ях вместо нулей в ДН образуются минимумы, которые с ростом Ф₂ увеличиваются и сливаясь с основным лепестком, расширяют его. При максимальной разности фаз, большей π, наблюдается раздвоение главного лепестка с сохранением его симметрии. При кубических искажениях (рис. 12.2,г) происходит отклонение глав­ного лепестка ДН от нормали к излучающей поверхности в сто­рону запаздывающих фаз. Одновременно увеличиваются уровни боковых лепестков, смещенных в сторону запаздывающих фаз.

12.3. РУПОРНЫЕ АНТЕННЫ И ОБЛУЧАТЕЛИ

Одной из простейших антенн является открытый конец волно­вода. Малые (относительно длины волны) размеры сечения от­крытого конца волновода формируют широкую ДН. Фазовая ско­рость волны в волноводе значительно отличается от скорости вол­ны в свободном пространстве. Это приводит к значительному от­ражению энергии от открытого конца и низкому КБВ в волноводе. Для сужения ДН и улучшения согласования необходимо плавно увеличивать сечение волновода, т. е. перейти к рупору. В волноводе или рупоре с открытым концом КБВ приближенно можно определить по формуле

Кбв≈√

1- (λ/ λкр)2

Для волны Н₁₀ в волноводе λкр =2а, в пирамидальном рупоре λкр=2LH.

Для волны Н₁₁ λкр=3,41R₀ , где R₀ — радиус раскрыва волновода или рупора.

Рупорная антенна представляет собой волновод с плавно ме­няющимся сечением. При расширении узкой стенки волновода ру­пор называют Е-секториальным. при расширении широкой — Н-секториальным. Если у волновода плавно изменяются оба разме­ра рупор называют пирамидальным. Круглый вол­новод при плавном увеличении сечения (рис. 12.3,6) образует конический рупор. В рупоре возбуждаются волны того же типа, что и в волноводе. Однако плоский фронт волны в волноводе при пе­реходе в рупор превращается в сферический (в пирамидальных и конических) или цилиндрический (в секториальных). Сферичес­кая волна в рупоре создает поле в его раскрыве, отличающееся от синфазного с квадратичными фазовыми искажениями.

Длина центрального луча R_E , а периферийного √ R²_E +(0,5L_E)²

Разность хода лучей ΔR_E = √ R²_E +(0,5L_E)² - R_E

При длинном рупоре, когда R²_E >>(0,5L_E)², использовав приближенное равенство

V1+α ≈ 1+0,5α, справедливое при 1>>α, получим ΔR_E ≈L²_E/8R_E. Разность хода вызовет запаздывание фазы kΔR_E. Чем длиннее рупор, тем меньше разность хода и мень­ше фазовые искажения в его раскрыве. Приняв допустимым мак­симальный kΔR_E = π/2, получим

R_E≥L_E²/2 λ(12.5)

Для волны Н₁₀ в плоскости Н поле Е на краях раскрыва, как и в волноводе, равно нулю, поэтому можно допустить большее от­клонение фазы — до 0,75π, тогда

R_H≥L²H /3λ. (12.6)

В случае конического рупора с диаметром раскрыва 2R₀

R≥ ((2 R₀)²/2,4λ)-0,15λ. (12.7)

Рупоры, для которых (12.5), (12.6) или (12.7) являются ра­венствами, называются оптимальными.

Если у оптимального ру­пора, оставив его длину неизменной, увеличить размеры раскры­ва, то КНД антенны за счет больших фазовых искажений в рас­крыве уменьшится.

Найдем множители ДН рупорной антенны, возбужденной вол­ной Н₁₀. Для упрощения задачи полагают, что поля на боковых стенках внешней поверхности рупора равны нулю, а в раскрыве поле синфазно. В плоскости Е у рупора с прямоугольным раскрывом поле имеет одинаковые амплитуды, следовательно, расчет ДН может быть выполнен по (12.2) заменой в ней L на L_E.

В плоскости H амплитуды поля в раскрыве изменяются по си­нусоидальному закону, поэтому ДН рупора в плоскости Н опре­деляется (12.3) заменой в ней L на L_H Для получения одинако­вой ширины ДН в обеих плоскостях необходимо выбрать L_H = (1,3... 1,5) L_E

Для рупорной антенны в соответствии с (6.3) и (6.4)

D=4πSν/ λ² (12.8)

где S = L_EL_H —площадь раскрыва рупора; ν=0,6 ... 0,8 — коэф­фициент использования поверхности (КИП) раскрыва. Значение v< 1 обусловлено уменьшением амплитуд поля от центра к кра­ям раскрыва в плоскости Н и квадратичными фазовыми искаже­ниями. Для оптимального рупора ν =0,6. Фазовые искажения в раскрыве рупора можно скорректировать, например, линзой. В этом случае КИП повышается до 0,8.

Характеристика направленности конического рупора приближенно может быть рассчитана по формулам: в плоскости E:

F_E (φ) = F₁ (φ)J₁(kR₀ sin φ)/ (kR₀ sin φ),

в плоскости Н:

F_H (φ) = F₁ (φ)J₂(k R₀ sin φ)/ (k R₀ sin φ)²,

Здесь J₁(u) и J₂ (u)— функции Бесселя первого рода соответственно пер­вого и второго порядков. Значения этих функций приведены в [1. табл. 12.1], где аргумент и выражен в радианах (π=3,14). При расчетах ДН для значе­ний u = 0 необходимо учитывать, что J₁(u) =0,5; J₂(u) /u² = 0,125.

Потери в рупоре малы. Можно считать КПД η_а = 1. В этом случае КУ относительно изотропного излучателя в соответствии с (6.8) численно равен КНД: G=D.

Для получения больших значений КНД необходимо увеличи­вать размеры раскрыва, при этом длина рупора должна увеличи­ваться пропорционально квадрату увеличения линейных размеров раскрыва, а длина рупора оказывается чрезмерно большой. По­этому рупорные антенны с КНД более 25 ...30 дБ не применяют. При малых КНД рупор конструктивно прост и часто применяется в качестве облучателей зеркальных антенн. Рупор обладает высоким защитным действием благодаря малым затеканиям токов на его теневые (внешние) поверхности и хорошо согласован с волноводом в широком диапазоне частот. Диапазонные свойства рупора по согласованию ограничиваются в основном волноводом.

При работе в качестве облучателя рефлекторных антенн рупор часто дол­жен работать волнами с двумя взаимно перпендикулярными поляризациями и обеспечивать одинаковую ширину ДН в плоскостях E и Н для каждой поля­ризации. Этим требованиям удовлетворяет пирамидальный рупор с квадратным раскрывом. внутри которого расположены металлические пластины (рис. 12.5.п). У такого рупора для волн вертикальной поляризации ДН в плоскости E опре­деляется размером L₁ а в плоскости Н — размером L₂. При расстояниях между пластинами меньше 0,5λ электрическое вертикально поляризованное поле не проникает вглубь между вертикальными пластинами, а горизонтальные плас­тины не оказывают влияния на вертикально поляризованное поле. Аналогичное явление наблюдается и при горизонтальной поляризации, но влияние горизон­тальных и вертикальных пластин меняется местами. При выполнении условия

L₁ /L₂=0,73 ширина ДН в плоскостях E и H одинаковая.

На рис. 12.5,6 показано сечение конического рупора, образующая которо­го в некотором, специально подобранном сечении имеет излом. Благодаря из­лому образуются затененные области S, в которых поле существенно ослаб­лено. Рупор с изломом при α₁ = 10... 20° и α₂ =25... 40° позволяет получить осесимметричную ДН с малыми боковыми лепестками в широком диапазоне частот.

Фазовый центр рупора находится между его вершиной и раскрывом. В общем случае фазовые центры рупора в Е и Н плоскостях могут не совпа­дать. Различия в положениях фазовых центров тем больше, чем значительнее отличается ширина ДН в плоскостях Е и Н.

12.4. ЗЕРКАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ

На РРЛ широко распространены зеркальные параболические антенны. Это объясняется их относительно простои конструкцией, возможностью получения больших значений КНД, хорошими ди­апазонными свойствами, относительно невысокой стоимостью. Зеркала или рефлекторы выполняются из материала с хорошей проводимостью: алюминия и его сплавов или пластмассы с металлизированной отражающей поверхностью. Для предотвращения коррозии поверхности рефлекторов окрашивают. Большое распро­странение получили рефлекторы, являющиеся частью поверхно­сти параболоида вращения — поверхности, образованной враще­нием параболы вокруг ее оси. Плоскость, образуемая наружными краями рефлектора, является раскрывом антенны, осесимметрич­ные антенны (рис. 12.6,а) имеют раскрыв в форме круга. На рис. 12.6,6 показана осенесимметричная антенна с облучателем, вынесенным из поля волны, отраженной рефлектором.

Антенны с высокими значениями КНД имеют размеры раскры­ва, значительно превышающие длину волны. Для таких антенн при хорошей проводимости рефлектора можно считать, что радио­волны, падающие на рефлектор, отражаются от него по законам геометрической оптики. Из свойств параболы известно, что ab = =Fb; a'b'=Fb' ; a"b" = Fb" (рис. 12.6,8). Следовательно, для любых волн, отраженных рефлектором, пути от фокуса F до линии раскрыва MX равны между собой и равны расстоянию между параллельными прямыми АВ (директрисой) и MN. Если фазовый центр облучателя, создающего сферическую волну, совместить с фокусом зеркала F, то вследствие равенства длин лучей плоскость раскрыва рефлектора будет являться плоскостью одинаковых фаз. В результате действия рефлектора сферическая волна облучате­ля преобразуется в плоскую, а широкая ДН — в узкую.

Уравнение поверхности параболоида вращения в прямоуголь­ных координатах у²+z²= 4fx, а в полярных p=2f/(l+cosψ), где f=OF — фокусное расстояние. Для расчета профиля (сече­ния) поверхности рефлектора уравнение параболоида вращения решают относительно х, полагая z=0, x= у²/4f. Изменяя у от ну­ля до Ro, определяют расстояние от оси Ох до поверхности реф­лектора в различных его сечениях. Фокусное расстояние f, угол и радиус Ro раскрыва связаны между собой уравнением

sinψ₀=Ro/f (l + (Ro/2f)²).

Параболическое зеркало называют короткофокусным, когда его угол раскрыва 2ψ₀>π, при этом R₀>2f. Для длиннофокусного зеркала 2ψо<π и Ro<2f.

Облучатель должен обладать односторонней в направлении рефлектора направленностью, обеспечивать необходимое амплитудное распределение поля в раскрыве, иметь устойчивый фазо­вый центр, совмещенный с фокусом зеркала, создавать малое затенение раскрыва и иметь требуемую рабочую полосу частот.

В качестве облучателей могут использоваться слабонаправленные антенны — вибраторные, рупорные, спиральные и т. д. Полуволновые вибраторы с апериодическим или вторичным реф­лектором просты, создают малое затенение, но узкополосны. Широкополосными являются рупорные облучатели, но они больше затеняют раскрыв антенны. Рупорные облучатели применяются на частотах от 600 МГц и выше. Спиральные облучатели позволя­ют получить волны с эллиптической поляризацией, близкой к кру­говой. Поле, созданное облучателем, должно быть по возможности равномерным в раскрыве рефлектора и быстро спадать за его пределами. При малом фокусном расстоянии, которое соответст­вует глубокому рефлектору 1 (рис. 12.7,а), почти вся энергия об­лучателя попадает на рефлектор (высокий коэффициент перехва­та), но края рефлектора облучаются малым полем Е₁ , отражен­ным от краев рефлектора (рис. 12.7,в), вносят небольшой вклад в формирование ДН, что понижает КИП раскрыва. В антеннах с большим фокусным расстоянием, мелким рефлектором 2 поле в раскрыве более равномерно (рис. 12.7,6), но значительная часть энергии облучателя рассеивается, не попадая на рефлектор.

Рис. 12.7. Распределение поля в раскрыве рефлектора

Рис 12.8. К образованию перекрестной модуляции

Рис. 12.9. Вынос облучателя из фокуса

В зеркальных антеннах, особенно короткофокусных с глубокими рефлек­торами, наблюдается явление перекрестной поляризации. Перекрестная поляри­зация образуется следующим образом. Линейный, например, вертикальный об­лучатель на поверхности рефлектора создает токи, имеющие как вертикальную σ_в (рабочую), так и горизонтальную σ_г (паразитную) составляющие (рис. 12.8). Во всех квадрантах токи σв имеют одно направление.

Токи же σ_г в соседних квадрантах встречны. Для осесимметричных антенн в главном направ­лении волн с перекрестной поляризацией нет. Однако в плоскости, состав­ляющей угол 45° к плоскостям Е и Н, существует направление, в котором вол­ны от квадранта 2 за счет разности хода лучей Δr = 0,5λ опережают на π, а от квадранта 4 отстают на л от полей, созданных квадрантами 1 и 3. В этом направлении поля паразитной поляризации оказываются синфазными и обра­зуют максимум излучения или приема.

Если в параболической антенне рефлектор выполнен неточно, т. е. его действительный профиль на отдельных участках отличается от расчетного, то отраженные волны в раскрыве несинфазные. Это приводит к увеличению уровня боковых лепестков, т. е. ухудшению ДН. Если за допустимое отклонение фазы поля в ра­скрыве принять ±π/8, то профиль рефлектора в его центральной части должен выполняться с точностью ±λ/32. На краях рефлек­тора разность хода лучей оказывается несколько меньшей, мень­ше там и амплитуды поля, следовательно, и требования к точно­сти выполнения профиля на краях раскрыва несколько понижа­ются.

Облучатель должен точно устанавливаться в фокусе параболи­ческого рефлектора. Смещение облучателя из фокуса вдоль фокальной оси к рефлектору или от него приводит к симметричным фазовым искажениям в раскрыве антенны, в том числе и квадра­тичным. Это ухудшает ДН: направление главного излучения (при­ема) сохраняется, но расширяется основной лепесток, увеличи­ваются уровни боковых, уменьшаются КИП и КНД антенны.

Небольшое смещение облучателя из фокуса в направлении, перпендикулярном оси параболы, создает фазовые искажения в раскрыве, близкие к линейным (см. рис. 12.2,6), вызывая откло­нение направления основного лепестка ДН антенны в сторону, противоположную смещению облучателя (рис. 12.9).

Ослабление уровня боковых лепестков в секторе углов φ= 90... 270° в зеркальных антеннах достигается уменьшением токов, затекающих на теневую поверхность рефлектора, и уменьше­нием переизлучения от краев рефлектора. Для этого применяют глубокие зеркала, на раскрыв антенны устанавливают экраниру­ющие цилиндры (наподобие бленды), снабженные с внутренней стороны радиопоглощающим материалом, или покрывают поглощающим материалом края рефлектора, гасящим затекание токов на теневую поверхность.

Раскрыв антенны затеняется облучателем и элементами его крепления. Поле антенны с затененным раскрывом можно рассма­тривать как суммарное поле, созданное незатененным раскрывом с напряженностью +Е и созданное затеняющей поверхностью с напряженностью —Е (рис. 12.10). Результатом затенения является рост уровней боковых лепестков; ухудшение защитного действия антенны. С учетом затенения и других факторов для зеркаль­ных параболических антенн КИП v=0.5... 0,6. В осенесимметричных антеннах облучатель вынесен из поля отраженных волн и не затеняет раскрыв.

Осенесимметричные зеркальные антенны в виде части поверх­ности параболоида вращения (рис. 12.11,6) применяются на тро­посферных РРЛ с раскрывами зеркал 20x20 м и 30x30 м. На ча­стотах 0,7... 1 ГГц их КНД соответственно равен 43... 48 дБ. Ру­порные облучатели таких антенн выполняют с косым срезом раскрыва, закрываемого защитной (от влаги) диэлектрической кры­шкой (рис. 12.11,г). Наклонное положение крышки способствует уменьшению отражения энергии от нес в волновод.

В антеннах с круглым раскрывом ширина ДН по уровню 50% мощности в плоскостях Е и Н

φ_0,5=(70...75°)λ/2Ro. (12.10)

Антенну рассчитывают с определения площади и радиуса раскрыва по (12.8), полагая в ней v =0,5... 0.6. если задан КНД. или по (12.10), если за­дана ширина ДН. Выбирают облучатель и рассчитывают его ДН F(φ)_обπ В случае рупорного облучателя выполняют условие (12.4). Затем находят рас­пределение поля в раскрыве параболоида вращения

Е(φ)= F(φ)_обπ cos²(0,5φ) (12.11)

Если нет ограничений уровень боковых лепестков, принимают ослабление поля на краях раскрыва по сравнению с полем в центре на 10... 12 дБ — до уровня 0,25... 0,32. В этом случае угол φ, соответствующий значению Е(φ)=0.25... 0.32. соответствует ψ углу раскрыва зеркала. Зная ψ₀ и R₀, по (12.9) определяют фокусное расстояние f и по уравнению параболы рассчиты­вают профиль рефлектора. В случае круглого раскрыва ДН определяют по формуле

F(φ)= F₁(φ) (ΔJ₁(u)/u+4(1-Δ)J₂ (u)/u² (12.12)

где F₁(φ)=1+cos φ; J₁(u) и J₂ (u)— функции Бесселя (см. [1, табл. 12.1]); u = kR₀sin φ ; Δ = 0,25... 0,32 — относительное значение поля на краях раскрыва.

В случае прямоугольного раскрыва (рис. 12.1 l.в)

F(φ)= F₁(φ)(sin u / u +(1-Δ) (2-u²) sin u – 2u cos u)/u³)

где u=0,5kLsin φ ; L - длина прямоугольного раскрыва.

Расчет F(φ) ведут через интервалы углов φ_0,5 /(5... 6) в пределах главного и двух-трех боковых лепестков

12.5. ПЕРИСКОПИЧЕСКАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА

При большой высоте установки антенн перископические сис­темы обеспечивают меньшее затухание энергии на участке аппа­ратура — верхнее зеркало, чем в случае применения коаксиаль­ной линии или волновода. Возможны различные схемы построе­ния перископических систем. В системе, показанной на рис., нижнее зеркало 2 выполнено в виде части поверхности вытянутого вверх эллипсоида вращения, в фокусах которого располагают фазовый центр рупорного облучателя 1 и центр верхнего зер­кала 3. Это делается для того, чтобы передача энергии от ниж­него зеркала к верхнему происходила с наибольшим КПД. Поверхность эллипсоида вращения обла­дает свойством собирать в точку од­ного фокуса лучи, исходящие из дру­гого фокуса. Поэтому лучи, исходя­щие из фазового центра рупора, пересекутся в точке второго фокуса. В реальных условиях точного пересе­чения лучей не происходит и в точке второго фокуса эллипсоида образует­ся так называемое фокальное пятно — волновой пучок с почти плоским фронтом. Поэтому в качестве переизлуча­теля можно применить плоское зерка­ло, совместив его центр с верхним фокусом эллипсоида.

На КУ перископической системы оказывает влияние характер распределения токов на верхнем зеркале и КПД отдельных ее уча­стков. Относительно изотропного излучателя КУ перископической системы

G = 4π(Sв/λ²) ηνη_обл (12.14)

где S_B — площадь раскрыва верхнего зеркала; η — КПД переда­чи энергии от нижнего зеркала к верхнему; v_в—КИП раскрыва верхнего зеркала; η_обл— КПД облучателя, обычно равный 0,8... ...0,9.

Относительно невысокое защитное действие (40... 50 дБ) не позволяет ис­пользовать перископические системы на РРЛ, построенных по двухчастотной системе. Уровень излучения в заднее полупространство определяется дифракцией волн на кромках верхнего зеркала. Если верхнее зеркало имеет прямо­угольную форму и его кромки параллельны поверхности земли, то наблюдает­ся острый максимум излучения при φ=180°. При наклоне кромки изменяется и направление обратного излучения. В зеркалах с круглым раскрывом их кон­тур криволинейный. В таких системах излучение под углом φ=180°. значитель­но меньше и как бы размыто. Верхнее зеркало относят от опоры на расстоя­ние до 2,5 м. Непосредственное крепление верхнего зеркала к опоре или наклон основного потока от вертикали к опоре приводит к ухудшению защитного дей­ствия. Применение защитных экранов, использование сплошных трубчатых опор вместо решетчатых и другие меры позволяют получить лучшие защитные действия, удовлетворяющие требованиям работы по двухчастотной схеме.

Рис. 12.12. Перископическая антенна

12.6. РУПОРНО-ПАРАБОЛИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ

Рупорно-параболические антенны (РПА) широко применяются на РРЛ. Антенна состоит из пирамидального рупорного облуча­теля, к которому непосредственно присоединен осенесимметричный параболический рефлектор (рис. 12.13,а), фокус которого совмещен с фазовым центром рупора. Рупор РПА берется значительно короче, чем это определяется уравнениями (12.5), (12.6) или (12.7), т. е. в своем раскрыве имеет сферическую волну со зна­чительными фазовыми искажениями.

Сферическая волна рупора параболическим рефлектором преобразуется в плоскую с измене­нием направления распространения на 90°. Хорошее согласование (Кбв≥0,96) обеспечивается установкой между волноводом и рупором плавного волноводного перехода с изменяющимся сечени­ем длиной приблизительно 8λ и отсутствием реакции рефлектора на рупор, который вынесен из поля отраженной волны. Отсутст­вие элементов настройки позволяет одну РПА использовать в ря­де диапазонов, например в диапазонах 2, 4, 6, 8 и 11 ГГц. Габа­риты РПА определяются углом раствора: чем больше этот угол, тем меньше объем антенны. При большом угле раствора ухудша­ется согласование и увеличивается неравномерность амплитудно­го распределения поля в раскрыве РПА по вертикали. Раствор рупора выбирают в пределах α=25...45°.

Рассчитывают РПА с определения площади раскрыва по формуле (12.8), принимая в ней v=0,65... 0,75. Выбирают угол раствора рупора. Если желают получить равными средние размеры раскрыва в вертикальной и горизонталь­ной плоскостях, то размеры РПА определяют из уравнений R2=R1+√S

R1= 0,5√S (1— sin(0,5α))/ sin(0,5α) ; f=0,5 R1 (l+sin(0,5α)); L1=2R1 sin(0,5α); L2= 2 R2sin (0,5α).

Характеристика направленности РПА в первом приближении для главного и нескольких боковых лепестков рассчитывают по (12.2) и (12.3), т. е. так же. как антенны с прямоугольным раскрывом. Размеры раскрыва принимают рав­ными: в вертикальной плоскости R2 – R1 ; в горизонтальной 0,5(L1+ L2) (рис. 12.13.а).

Большое распространение на РРЛ по лучили РПА (рис. 12.13.б) с площадью раскрыва 7,5 м².

Рис. 12.14. Диаграмма направленности РПА на волне 8 см по основной (сплошная линяя) и перекрестной (штриховая) поляризациям

Ее размеры R1 =3172 мм, R2 = 5900 мм, L2=3548 мм, f-=2160 мм, α =35°. На частоте 4 ГГц антенна имеет КУ 39... 40 дБ при v=0,65. В диапазонах 8 и 11 ГГц из-за неточности выполнения поверхности рефлектора КИП уменьшается до 0.4... 0,5. Диаграмма направленности ан­тенны в горизонтальной плоскости приве­дена на рис. 12.14 сплошной линией. Здесь же штриховой линией показана ДН по пере­крестной поляризации.

Чтобы предотвратить попадание влаги в антенну, ее раскрыв закрывают влагозащитными крышками из пенопласта. Для уменьшения отражения от крышек их выполняют «просветленными», т. е. толщиной t=nλ/2√ε', где п= 1, 2, 3,... ; ε' — относи­тельная диэлектрическая проницаемость материала крышки. Вол­на при переходе из менее плотной среды в более плотную отража­ется с сохранением фазы, а при переходе из более плотной в ме­нее плотную — с изменением фазы на 180°. В случае «просветленной» крышки волны, отраженные от обеих поверхностей, оказы­ваются противофазными и взаимно компенсируются. Рупорно-параболические антенны обладают высоким защитным действием: в секторе углов 90... 270° коэффициент защитного действия равен 63 65 дБ Для дальнейшего улучшения защитного действия по краям раскрыва РПА устанавливают экраны.

12.7. ДВУХЗЕРКАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ

По сравнению с однозеркальными двухзеркальные антенны имеют более высокий коэффициент защитного действия, короче фидер, а следовательно, и с меньшими потерями. Наличие двух криволинейных поверхностей позволяет применять глубокие реф­лекторы с углами раскрыва до 210۫., создавать в раскрыве боль­шого зеркала оптимальное распределение амплитуд поля, повы­шая КИП, что особенно важно в антеннах с большими площа­дями раскрывов.

Двухзеркальная антенна Кассегрена имеет малое зеркало с поверхностью гиперболоида (двухполостного) и обозначается АДГ. Эта антенна состоит из параболического зеркала 1, малого зеркала 2 и облучателя 3 (рис. 12.15,а). Облучателем является ко­нический рупор, к которому диэлектрическим кожухом крепится малое гиперболическое зеркало. Амплитудное распределение по­ля в раскрыве АДГ определяется ДН облучателя и имеет макси­мальное поле в центре с постепенным спадом к периферии раскры­ва.