Антенна РЛС – параболоид вращения (стр. 3 из 4)

Это вибратор можно использовать при частотах свыше 10ГГц, а зеркальную антенну можно использовать и в таком диапазоне. Щелевой вибратор представлен на рисунке 7.

Рисунок 7 – Щелевой вибратор с вертикальным и горизонтальным расположением щелей.

Конструкция двухщелевого облучателя может быть осуществлена в виде закрытого на концах Т-образного прямоугольного волновода. Щели в этом волноводе прорезаются симметрично относительно питающего волновода. В зависимости от заданной поляризации поля излучения облучатель располагается либо как показано на рисунке 5, а для горизонтальной поляризации электрического поля, либо как показано на рисунке 5б для вертикальной поляризации поля.

Рекомендуется следующий порядок расчета такого двухщелевого, облучателя:

а) Длину щели выбирают равной 0,47λ, так как резонанс наступает не точно при длине щели 2∙l=λ/2, 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 Н10, 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 принимается равным λв/2 (λв – длина волны в волноводе), так как в этом случае входное реактивное сопротивление этого участка обращается в нуль. Если резонансное сопротивление поперечной щели представить как последовательное сопротивление в эквивалентной схеме, то условие согласования щели с волноводом можно записать как равенство последовательного сопротивления щели волновому сопротивлению волновода. Сопротивление поперечной щели, прорезанной симметрично относительно оси, нормированное к волновому сопротивлению волновода, выражается следующим образом:

(11)

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

λ – длина волны генератора.

Поэтому условие согласования имеет вид:

(12)

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

Согласование Т-образного волновода с питающим волноводом осуществляется экспериментальным путем 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 получается порядка d ≈λ/2. Для расположения щелей по рисунку 5а, диаграмму направленности двухщелевого облучателя в горизонтальной плоскости определяют из формулы:

(13)

Где

– волновое число;

d – расстояние между щелями;

θ – угол в горизонтальной плоскости, отсчитываемый от нормали к линии расположения щелей.

Диаграмма направленности двухщелевого вибратора в горизонтальной плоскости представлена рисунке 8.

Рисунок 8 – Диаграмма направленности двухщелевого облучателя в горизонтальной плоскости.

Диаграмму направленности в вертикальной плоскости в этом случае рассчитывают по формуле:

(14)

Где φ – угол в вертикальной плоскости, отсчитываемый от нормали к щели;

ЕВ – поле в рассматривамом направлении φ;

ЕВ max – поле в направлении максимального излучения (φ=0).

Данная диаграмма представлена на рисунке 9.

Рисунок 9 – Диаграмма направленности двухщелевого облучателя в вертикальной плоскости.

Для расположения щелей по рисунку 7б, диаграмму направленности в горизонтальной плоскости определяют из формулы:

(15)

Где θ – угол в горизонтальной плоскости, отсчитываемый от нормали к щели.

В результате диаграмма направленности двухщелевого вибратора в горизонтальной, изображенного на рисунке 5б представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 – Диаграмма направленности щелевого облучателя в горизонтальной плоскости.

Диаграмму направленности в вертикальной плоскости рассчитывают следующим образом:

(16)

Где φ – угол в вертикальной плоскости, отсчитываемый от нормали к линии расположения щелей. Данная диаграмма представлена на рисунке 11.

Рисунок 11 – Диаграмма направленности щелевого облучателя в вертикальной плоскости.

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

В результате анализа двух типов вибраторов будет использоваться вибратор с контррефлектором.

4. Расчет диаграммы направленности антенны

Фокусное расстояние следует выбирать исходя из получения максимума коэффициента направленного действия. В работе Б.А. Введенского и Е.И. Майзельса указано, что для облучателя в виде элементарного диполя при достаточно больших размерах зеркала коэффициент направленного действия антенны получается максимальным.

Максимальный угол раскрыва ψ0 определяется из геометрических соображений рисунка 12.

Рисунок 12 – Геометрическое представление параболического зеркала.

Для других типов облучателей при достаточно больших размерах зеркала по сравнению с длиной волны (>5λ) фокусное расстояние можно приближенно рассчитывать по той же формуле 2f=1.4r. Более точный расчет оптимальных размеров антенны (фокусного расстояния и угла раскрыва) можно получить другим способом по известной диаграмме направленности облучателя.

Оптимальный угол раскрыва зеркала в этом случае определяется из выражения для коэффициента направленного действия антенны:

(17)

где G - коэффициент направленного действия антенны; D - диаметр раскрыва антенны; ψ0 - искомый угол раскрыва антенны; Gf(ψ) – диаграмма направленности облучателя.

В этом выражении

– коэффициент направленного действия антенны при полном использовании площади раскрыва, то есть при постоянстве фаз и амплитуд в раскрыве; остальная часть выражения представляет собой коэффициент использования площади или эффективность g:

(18)

Если диаграмма направленности облучателя в пределах главного лепестка апроксимируется функцией:

, где n – целое число.

Ψ – угол между осью антенны и направлением от фокуса к точке на поверхности зеркала, то зависимость коэффициента использования площади от угла раскрыва зеркала можно представить при помощи графика 13.

g=7127/10960=0.65.

В результате строится график зависимости g(ψ0) и по нему определяется ψ0 соответствующий оптимальному, представленный на рисунке 13. На следующем графике представлена зависимость эффективности от угла раскрыва.

Рисунок 13 – Выбор оптимального угла раскрыва антенны.

Как видно из рисунка 13 для каждого облучателя существует оптимальный угол раскрыва зеркала 2Ψ0=90ْ, при котором достигается максимальный коэффициент использования площади. Чем острее диаграмма облучателя, тем меньше оптимальный угол Ψ0 и, если диаметр раскрыва остается постоянным, то тем больше оптимальное фокусное расстояние.

Фокусное расстояние антенны в этом случае определяется из геометрических соображений, а именно:

=5.029 м (20)

После нахождения оптимальных размеров зеркала проверяют правильность первоначального выбора значения р при определении диаметра раскрыва. Для этого вдоль диаметра зеркала в горизонтальной или вертикальной плоскости строят распределение амплитуд, рисунок 11. Затем на том же диаметре строят апроксимирующую функцию от угла раскрыва зеркала ψ.

F(x) =(1-x2) p для принятого значения р построение на рисунке 14. В случае, если аппроксимация получается неточной, то вновь задаются другим значением р и повторяют расчет в указанном порядке.

Рисунок 14 – Амплитудная характеристика поля в раскрыве линзы и аппроксимирующей функции.

Далее, по формуле 19, рассчитывают коэффициент направленного действия антенны. Для параболических антенн можно приближенно принять, что мощность потерь значительно меньше мощности излучения, а следовательно, к. п. д. антенны приблизительно равен единице; тогда коэффициент усиления антенны и коэффициент направленного действия по одному и тому же направлению будут численно равны. Обычно рассчитывают коэффициент направленного действия в направлении максимального излучения.