Линейная решетка вибраторных антенн (стр. 2 из 4)

Амплитудное распределение токов, питающих излучатели, определяет распределение подводимых к излучателям мощностей. Тот вибратор, на который будет подана максимальная мощность, исследуется на пробой, и если при определенной подводимой мощности условие возникновения пробоя не выполняется, то и вся решетка способна функционировать при заданном значении мощности антенны. Необходимо также указать, что значение предельно допустимой мощности вибратора при фиксированной подводимой к антенне мощности не позволяет выбирать число излучателей ниже определенного порогового значения.

Рабочей называется та полоса частот, в пределах которой параметры антенны не выходят за пределы допусков установленных заданием. Обычно границы рабочего диапазона определяются наиболее зависящим от частоты параметром.

Основываясь на приведенном анализе, можно приближенно определить последовательность действий при расчете:

– расчет и построение диаграмм направленности одиночного излучателя в E- и H- плоскостях;

– выбор амплитудного распределения, обеспечивающего заданный уровень БЛ, определение количества элементов антенны;

– предельно допустимая мощность, анализ излучателя на пробой;

– расчет и построение диаграмм направленности множителя решетки и всей решетки в E- и H- плоскостях, оценка ширины ДН и уровня боковых лепестков;

– поиск коэффициента усиления антенны;

– режим сканирования, влияние сдвига фаз между токами соседних излучателей на ДН ФАР в плоскости H, угол сканирования, уровень БЛ;

– оценка широкополосности антенны.

После выполнения расчета будет приведена схема питания устройства и конструкция излучателя с описанием.

2. Расчетная часть

2.1 Расчет диаграммы направленности одиночного излучателя

В соответствии с анализом технического задания длина вибратора

При условии, что в антенне используются тонкие вибраторы, конкретная толщина вибратора не влияет на расчет диаграмм направленности, поэтому диаметр плеча вибратора предполагается уточнить при анализе излучателя на пробой. Высоту крепления вибратора выберу следующей:

Такая высота позволяет заменить экран в расчетах зеркальным изображением вибратора. При этом взаимное влияние реального вибратора и зеркального недостаточно велико, чтобы повлиять на расчет. Влияние зеркального изображения на диаграмму направленности симметричного вибратора, установленного над экраном, выражается в том, что расчетные формулы для диаграмм направленности в плоскостях E- и H- должны быть изменены с учетом множителя

и с учетом того, что излучение не может распространяться в направлении за экраном. Выражения для диаграмм направленности вибратора, расположенного в свободном пространстве, в E- и H- плоскостях имеют вид:

,

,

При элементарном рассмотрении предполагается, что ДН излучателя, находящегося в решетке, не отличается от ДН изолированного излучателя. С учетом влияния экрана формулы принимают вид:

, где ,

, где ,

Дополнительное условие

учитывает односторонний характер излучения.

Диаграмма направленности излучателя в H-плоскости

– ширина ДН в H-плоскости на уровне 0.5 мощности.

Диаграмма направленности излучателя в E-плоскости

– ширина ДН в E-плоскости на уровне 0.5 мощности.

2.2 Выбор амплитудного распределения и числа элементов ФАР

Длина всей решетки

Как было сказано ранее, для обеспечения уровня боковых лепестков

следует использовать неравномерное распределение питающих токов. Такому условию соответствует симметричное относительно центрального излучателя амплитудное распределение типа "косинус на пьедестале". При величине "пьедестала" 0.4 нормированное распределение амплитуд токов по элементам решетки будет иметь вид:

, где N – число излучателей решетки.

Такое амплитудное распределение способно обеспечить уровень боковых лепестков около

в режиме нормального излучения.

Поскольку сектор сканирования и ширина диаграммы направленности в техническом задании не указаны, то для выбора числа излучателей достаточно выполнения условий, при которых диаграмма направленности множителя решетки позволяет осуществлять качание луча в заметном диапазоне. Эти условия формулируются следующим образом:

– Диаграммы направленности излучателей, примененных в решетке наклонного излучения, должны быть значительно шире, чем главный лепесток ДН-ти множителя решетки.

– Расстояние между излучателями решетки должно быть меньше оптимального.

Выберу

, тогда расстояние между излучателями будет , что автоматически означает выполнение второго условия. В относительных единицах .

Распределение амплитуд токов при выбранном числе излучателей показано на рис. 8

2.3 Предельно допустимая мощность в излучателе, его анализ на пробой

Определенные в предыдущем пункте амплитудное распределение и число элементов решетки с учетом известной мощности поля в антенне позволяют найти максимальный мощность, приходящуюся на один излучатель. Поскольку было выбрано симметричное распределение, то максимум мощности будет в центральном вибраторе.

Нормированное распределение мощности по излучателям при их одинаковом входном сопротивлении определяется, как

Из допущения, что подводимая к антенне мощность не рассеивается на элементах фидерного тракта и делится между излучателями в соответствии с заданным законом, можно сделать вывод о доле мощности, приходящейся на центральный излучатель линейной антенной решетки:

Отсюда

Во избежание возникновения факельного истечения эффективная напряженность электрического поля вблизи плеч вибратора должна быть не более

. Антенна же должна эксплуатироваться в таком режиме, в котором эффективная напряженность поля вблизи вибратора в 1.5–2 раза меньше критической, т.е. .

Пусть радиус вибратора

(при этом и вибратор можно считать тонким). Максимальное значение напряженности поля имеет место на концах вибратора, его эффективная величина рассчитывается по формуле , где , . Сопротивление излучения симметричного полуволнового вибратора без учета влияния экрана .