Шостак А.С. Антенны и устройства СВЧ. Часть 2. Антенны (2012), страница 26

Вибраторы, питаемые коаксиальным фидером, применяются в качестве облучателей в дециметровом диапазоне и в длинноволновой части сантиметрового диапазона волн,волноводное питание вибраторов используется в более коротковолновом (λ =3 - 5 см) диапазоне волн.На рис. 7.11 показаны наиболее распространенные конструкции вибраторных излучателей с питанием от коаксиального фидера с волновым сопротивлением W = 50 Ом.

В конструкциях на рис. 7.11,а,б используют дисковыйотражатель, в конструкции рис. 7.11,в - пассивный вибратор. Для симметричного возбуждения симметричного вибратора от несимметричной коаксиальнойлинии используются симметрирующие устройства в виде четвертьволновогостакана (на рис. 7.11,а,в) или симметрирующей щели (рис. 7.11,б). Крестикомна рис. 7.11 показано положение фазового центра облучателя, который расположен между вибратором и рефлектором.145Диаграмма направленности вибратора с контррефлектором приближенноможет быть рассчитана как произведение диаграммы одиночного вибраторана множитель решетки:( 7.25)FОБЛ    F1   sin  kb cos  ,где через b обозначено расстояние от вибратора до контррефлектора.Рис.

7.11. Вибраторные облучатели с питаниемот коаксиального кабеляНа рис. 7.12 показаны конструкции вибраторных облучателей с питанием от прямоугольного волновода.Рисунок 7.12 – Вибраторные облучатели с питаниемот коаксиального кабеляВибраторы крепятся на тонкой металлической пластине, которая перпендикулярна направлению электрического поля и поэтому не возбуждаетсяим. Длина вибраторов и расстояние между ними подбирают таким образом,чтобы последующий (по направлению от зеркала) вибратор являлся рефлекто-146ром по отношению к предыдущему. Этим обеспечивается формирование однонаправленного излучения вибраторов на зеркало.

В четырехвибраторномизлучателе возможно получение более симметричной относительно оси зеркала диаграммы направленности. Вибраторные облучатели имеют довольно широкую диаграмму направленности. Оптимальный угол раскрыва зеркала 2для таких облучателей составляет около 140-160°.Достоинством вибраторных облучателей является незначительное затенение, создаваемое системой питания этих облучателей.Недостатком вибраторных облучателей является их узкополосность, связанная с резонансными свойствами вибраторов, а также относительно высокийуровень излучения в направлениях, противоположных направлениям на зеркало.Щелевые облучатели.

В сантиметровом диапазоне волн широко используется двухщелевой облучатель, конструкция которого показана на рис.7.13.Рисунок 7.13 – Щелевой облучателейДвухщелевой облучатель представляет собой прямоугольный волновод,который заканчивается прямоугольным резонатором с двумя симметричнорасположенными полуволновыми щелями в его широкой стенке. Расстояние dмежду щелями выбирают равным приблизительно λ/2 . Расстояние от щелей добоковых стенок резонатора выбирают из условия хорошего согласования с питающим волноводом.

Для этих же щелей используется сужение волновода поузкой стенке. Для настройки облучателя в сборе используют винт в широкойстенке резонатора. Двухщелевой облучатель получается компактным и малозатеняет зеркало. Его диаграмма направленности близка к осесимметричной ив первом приближении может быть аппроксимирована функцией cos вплоскости Н и cos  kd sin  2   в плоскости Е.Недостатком двухщелевого облучателя являются ограничения на относительно небольшую пропускаемую мощность, связанную с малой электриче-147ской прочностью щелей, и узкополосность облучателя, вызванная узкополосностью щелевых излучателей.Волноводно-рупорные облучатели представляют собой либо открытыйконец волновода, либо небольшой рупор, питаемый волноводом.

Используются волноводы (рупоры) как прямоугольного, так и круглого сечения. Последние более предпочтительны, так как их диаграмма направленности более симметрична относительно оси волновода. Зато прямоугольные рупорные облучатели позволяют получать разную ширину диаграммы направленности в перпендикулярных плоскостях, поэтому облучатели более предпочтительны длязеркальных антенн с продолговатым раскрывом.В рупорных облучателях имеются довольно значительные возможностидля регулирования как ширины, так и формы диаграммы облучателя в пределах угла раскрыва зеркала. Для этого, помимо подбора размеров рупора, используются импедансные структуры, выполненные в виде набора кольцевыхканавок на внутренних стенках рупора.

Подбирая параметры этих канавок,можно получить более равномерное облучение зеркала при сохранении малогоуровня мощности облучателя, проходящего мимо зеркала. Для расширениядиаграммы рупорного облучателя используются также диэлектрические линзы, помещаемые в его раскрыве.Рупорные облучатели конструктивно просты, обладают хорошими диапазонными свойствами, пропускают значительные мощности и поэтомунаиболее широко используются в зеркальных антеннах.

Их основным недостатком является сравнительно большое затенение раскрыва зеркала как самим рупором, так и поддерживающей его системой крепления и питающимволноводом.Рассмотренные выше типы облучателей используются в зеркальных антеннах с зеркалом в виде параболоида вращения. Для зеркальных антенн в виде параболических цилиндров требуются линейные облучатели с длиной, равной длине образующей зеркала. В качестве линейных облучателей могут использоваться волноводно-щелевые и вибраторные решетки излучателей, атакже секториальные рупоры. Довольночасто в качестве линейного облучателя используется сегментно-параболический облучатель (рис.

7.14), представляющий собой две параллельные металлические пластины, расположенные на расстоянии, равном размеру одной из стенок волновода. Содной стороны пластины образуют плоский раскрыв, с другой стороны между пла- Рисунок 7.14 – Сегментно –стинами расположен отражатель парабо- параболический облучательлического профиля. В фокусе параболы,находящемся в плоском раскрыве, расположен открытый конец прямоугольного волновода. После отражения от параболического профиля в раскрыве облучателя формируется синфазное поле.1487.4Характеристики направленности зеркальных антеннДиаграмма направленности зеркальной антенны.

Зеркальные антенныотносятся к классу апертурных антенн с плоским синфазным излучающимраскрывом. Поэтому диаграмму направленности зеркальной антенныможно рассчитать методами, представленными в гл. 6. Для этого необходимо знать распределение поля в раскрыве зеркала. В приближении геометрической оптики амплитуда электрического поля ЕS(М) в произвольнойточке M лежащей в плоскости хОу на раскрыве зеркальной антенны (рис. 7.15)пропорциональна диаграмме направленности облучателя и обратно пропорциональна величине рп (р - расстояние от фокуса до точки М):1( 7.26)ES  M    AFОБЛ   n .Здесь А - некоторая константа; п - 1 для зеркальной антенны с параболоидом вращения и п = 0,5для параболического цилиндра.Подставляя в выражение (7.26) соотношение для    из (7.24) получаемA  1  cos ES  M    n  FОБЛ   . ( 7.27)f 2Координата у точки М' и угол  связаны междусобой соотношениемy y 1  cos sin  .( 7.28)2fИз уравнения (7.28) для каждого значения уопределяется угол  y .

Подставляя  y в (7.27),nполучаем окончательное выражение для амплитудного распределения в раскрыве зеркальнойантенны:2A  1  cos y ES  y   n  FОБЛ  y . ( 7.29)f 2Рисунок 7.15 – к опреДля зеркал в виде параболоида вращенияделению амплитудносоотношение (7.29) справедливо при n = 1 дляго распределения влюбой плоскости, проходящей через ось парабораскрыве зеркалалоида, при этом вместо координаты у в (7.29)надо подставить расстояние r от точки M  до оси параболоида. Для параболического цилиндра амплитудное распределение в его раскрыве ES можно представить в виде произведения:149ES  x, y   ES  x  ES  y  ,( 7.30)где ES (у) находится из (7.29) при п = 0,5, a ES (х) совпадает с амплитуднымраспределением вдоль линейного облучателя.Основная поляризация поля в раскрыве зеркальной антенны совпадает споляризацией облучателя.

Появляющаяся в раскрыве зеркальной антенны паразитная (кросспо - ляризационная) составляющая, как правило, невелика, поэтому в рамках метода геометрической оптики не учитывается.Найденное по формулам (7.29), (7.30) амплитудное распределение аппроксимируется затем одной из подходящих функций для прямоугольногораскрыва [1] или функцией (7.26) для круглого раскрыва, и в соответствии сданными табл. 7.1 рассчитывается множитель направленности зеркальной антенны. Диаграмма направленности элементарной площадки определяется соотношением (7.15).Если приведенный в п.

6.2 набор аппроксимирующих функций оказывается непригодным, то расчет диаграммы направленности можно провестинепосредственно по формуле (7.16) или (6.17) с дальнейшим применениеманалитических или численных методов вычисления интегралов.Заметим, что наряду с апертурным методом используется и такназываемый токовый метод расчета поля зеркальных антенн. В соответствии с этим методом по магнитному полю облучателя HОБЛ , используя соотношение( 7.31)J e  2 n0  H ОБЛ  ,где n0 - вектор единичной нормали к поверхности зеркала, находят плотностьповерхностного тока J 0 , наводимого на зеркале, а затем по этому току находятполе излучения.Токовый метод более точен, однако его применение связано с громоздкими вычислениями и, кроме того, он тоже не обеспечивает абсолютной точности, поскольку соотношение (7.31) само является приближенным и справедливо для зеркал большого электрического размера.

В пределах главного лепестка диаграммы направленности и первых боковых оба метода дают приблизительно одинаковые результаты.Коэффициент усиления зеркальной антенны и его зависимость от еегеометрических размеров. Основными геометрическими параметрами зеркальной антенны с зеркалом в виде параболоида вращения являются фокусноерасстояние f диаметр зеркала 2R0 , угол раскрыва зеркала 2 0 и глубина зеркала h (рис. 7.10). Из этих параметров только два (обычно 2R0 и f) являются независимыми. Остальные определяются через них с помощью уравнения (7.24): 0 2arcctg  2 f R0  , h  ftg 2  0 2150В зависимости от соотношения между R0 и f зеркальные антенныделятся на длиннофокусные  R0  2 f или  0   2 и короткофокусные R0  2 fили  0   2.Проанализируем влияние фокусного расстояния на распределение плотности поверхностных токов J e на внутренней части зеркала и коэффициентусиления G зеркальной антенны.

На рис. 7.16 показаны примеры распределения токов, текущих по поверхности зеркала в случае короткофокусного идлиннофокусного зеркал. В качестве облучателя зеркальной антенны выбранвибратор с дисковым контррефлектором. Распределение тока построено в соответствии с формулой (7.31).Как видно, в короткофокусном зеркале линии поверхностного токасущественно искривлены. Кроме того, имеются точки Р (полюса), в окрестностикоторых ток меняетнаправление. Положениеполюсов на зеркале определяется направлениями нулевых значений диаграммынаправленностиоблучателя.