Шостак А.С. Антенны и устройства СВЧ. Часть 2. Антенны (2012), страница 27

Длядлиннофокусных зеркал линии тока искривленыменьше, причемРисунок 7.16 – Распределение токов J e на поверхночем больше фости параболического зеркала: a) – зеркало короткокусное расстояфокусное; б) – зеркало длиннофокусноение, тем меньшеискривление линий тока.Искривление линий тока в зеркальной антенне является вредным явлением, так как приводит к появлению кроссполяризационной составляющей вее поле излучения.В самом деле, раскладывая вектор тока J e на координатные составляющие J xe , J ye , J ze , нетрудно понять, что поле основной поляризации в направлении оси антенны создается только составляющей тока J ye .

Хотя составляющаятока J ze и излучает поле основной поляризации, уровень этого излучения заметен лишь в области боковых лепестков. Составляющая же тока J xe излучает151поле паразитной поляризации. Так как направление J xe в соседних квадратахзеркала противоположно, в главных плоскостях zOx и zOy поле, излучаемоетоком J xe , равно нулю. Максимального значения кроссполяризационная составляющая достигает в диагональных плоскостях.Наличие на зеркале полюсов приводит к возрастанию кроссполяризационной составляющей и к ослаблению поля излучения основной поляризации,так как за полюсами составляющая тока оказывается противофазной по сравнению с этой же составляющей между полюсами.Таким образом, в короткофокусных зеркальных антеннах возникают дополнительные потери в коэффициенте усиления, связанные с рассеянием частимощности на кроссполяризационное излучение и ослаблением поля основнойполяризации из-за наличия противофазных составляющих тока J ye .

В длиннофокусных антеннах эти явления проявляются менее заметно, поэтому напрактике чаще используются длиннофокусные зеркальные антенны. Еслиже габаритные ограничения вынуждают использовать короткофокусные зеркала, то для ослабления неприятных явлений в таких зеркалах делают вырезывредных зон, расположенных вокруг полюсов.Коэффициент усиления G апертурной антенны в соответствие с соотношениями (6.30) определяется по формуле4( 7.32)G  2 Sav ,где  - коэффициент полезного действия антенны.Основными источниками потерь в длиннофокусной зеркальной антеннеявляются потери на рассеивание части мощности облучателя мимо зеркала(заштрихованная часть на рис. 7.15). Обозначая через P ОБЛ , P ЗЕР соответственно полную мощность излучения облучателя и мощность излучения облучателя, попадающую на зеркало, и учитывая, что поток мощности пропорционален квадрату амплитудной диаграммы направленности, получаем 0 2P ЗЕРP ОБЛ  E  ,  sind d2ОБЛ0 0 2  E  ,  sind d,( 7.33)2ОБЛ0 0где E2ОБЛ ,  - двумерная диаграмма направленности облучателя.Если диаграмма направленности облучателя симметрична относительнооси антенны и может быть аппроксимирована функцией видаcosn  , 0     2,2( 7.34)EОБЛ  ,   0,  2     .где п - любое положительное число, то после подстановки (7.34) в (7.33) получаем152  1  cos2n1 0.( 7.35)График зависимости  от  0 , рассчитанный по формуле (16.34) прип = 1, представлен на рис.

7.17. Качественная зависимость  от  0 остается неизменной и при других формах диаграммы направленности облучателя.Коэффициент использования поверхности раскрыва зеркальной антенныv полностью определяется характером амплитудного распределения поляв раскрыве зеркала. Сувеличением  0 увеличивается спадание амплитудного распределения к краям зеркала ипоэтому v уменьшаетсяс увеличением  0 . Нарис. 7.17 показана характерная качественная зависимость v от  0 дляРисунок 7.17 - Зависимость коэффициентазеркальных антенн. Тамполезного действия  , коэффициента исже приведен график зависимости g  v от  0 . пользования поверхности v и эффективностиg зеркальной антенны от угла раскрыва  0Параметр g называетсяэффективностью зеркальной антенны и связан с ее коэффициентом усиления соотношением4( 7.36)G  2 Sa g.Как следует из рис.

7.17, существует оптимальный угол раскрыва  0 ОРТ ,при котором эффективность, а следовательно, коэффициент усиления зеркальной антенны максимальны.Эффективность зеркальной антенны зависит только от диаграммынаправленности облучателя и угла раскрыва зеркала 2  0 :ctgg20 0 22  F  ,  tg 2 d dОБЛ0 0 2  F0 022ОБЛ ,  sind d.( 7.37)График зависимости g от  0 для частного случая диаграммы облучателя,представляемой в форме (7.34), показан на рис. 7.18. Для наиболее употребляемых на практике облучателей параметр аппроксимации п в выражении (7.34)153лежит в интервале 1-2. При этом оптимальный угол раскрыва  0 ОРТ лежит винтервале 55 – 65о.

Оптимальное фокусное расстояние f ОРТ выражается через 0 ОРТ и диаметр раскрыва 2R0 :R0(7.38)ctg 0 ОРТ .22Уровень ослабления поля на краю зеркала при f  f ОРТ составляет 7,5.. .-8 дБ по сравнению с полем в центре раскрыва зеркала. Максимальнаяэффективность gmax достигает 0,82 (рис.7.18). На практике затенение облучателя и системы крепления, кроссполяризационные потери и ряд других эффектовприводят к уменьшению эффективности до 0,4-0,8.fОРТ Точность изготовления зеркальных антенн. Предельныйкоэффициент усиления зеркальных антенн7.5Технические допуски на точность изготовления зеркальных антеннопределяются допустимой величиной отклонения фазового фронта в раскрывезеркала от синфазного.

Источниками фазовых ошибок в раскрыве зеркальнойантенны могут быть:1) отклонение формы зеркала от расчетной;2) смещение фазового центра облучателя из фокуса параболоида;3) отклонение волнового фронта поля облучателя от сферического.Выясним допуск на точность изготовления зеркальных антенн. На рис.7.20,a) показано отклонение реального профиля зеркала 1 от расчетного 2 навеличину  . Фазовая ошибка, возникающая в раскрыве зеркала,2(7.39)\     cos .Потребовав, чтобы  не превышала  4 (при этом в соответствии срезультатами п. 6.15 искажения диаграммы направленности будут незначительны), из (7.39) получим следующий допуск на точность изготовления зеркал: .( 7.40)8 1  cos Максимальная точность выполнения профиля зеркала должна быть у вершины:   16( 7.41)На рис. 7.20,б показано смещение из фокуса фазового центра облучателя вдольоси параболоида в точку F'.

Возникающая в раскрыве ошибка2( 7.42)  1  cos 0 .154Полагая опять    4 из (7.42), получаем допустимое смещение облучателя из фокуса:(7.43) .8 1  cos 0 Рисунок 7.20 - К вопросу точности изготовления зеркальных антеннЗаметим, что при смещении облучателя вдоль оси параболоида фазовая ошибка в раскрыве зеркала имеет квадратичный характер, поэтомунаправление основного лепестка диаграммы направленности остаетсянеизменным, увеличивается лишь его ширина и возрастает уровень боковогоизлучения.При небольшом смещении облучателя в направлении, перпендикулярном оси параболоида, в раскрыве антенны появляется линейная фазовая ошибка, что приводит к отклонению диаграммы направленности зеркальной антенны от оси z на угол( 7.44)  arcsinR0в сторону, противоположную смещению облучателя (рис.

7.20,в). Форма диаграммы направленности при этом не меняется, если а < 20°0,7, где 20°0,7 - ширина диаграммы направленности антенны при несмещенном облучателе.Явление отклонения максимума диаграммы направленности присмещении облучателя широко используются в радиолокации дня создания равносигнального направления.Остановимся на вопросе о предельном коэффициенте усиления зеркальных антенн. Как следует из выражения (17.35), в зеркальных антеннах с иде-155ально точным параболическим зеркалом не существует ограничений по коэффициенту усиления. С увеличением раскрыва зеркала пропорционально площади раскрыва растет коэффициент усиления G.

Однако при практической реализации зеркало всегда выполняется с некоторыми погрешностями. Отклонение  профиля реального зеркала от идеального при правильно организованном технологическом процессе обычно имеет случайный характер. Максимальная величина случайной ошибки определяется уровнем технологии и длязеркальных антенн с вероятностью 99% может быть определена следующимобразом:( 7.45)max  10n2R0 ,где п  3 для обычного серийного производства; п = 4...

5 - при специальнойболее совершенной технологии.Можно считать, что отклонение профиля  подчиняется нормальномузакону распределения с нулевым средним значением и дисперсией  2 . Приэтом расчеты показывают, что с вероятностью 99% отклонение  не превышает 2,6  2,т.е.( 7.46)max  2,6    .В соответствии с формулами (7.39),(7.45),(7.46) дисперсия фазовойошибки в раскрыве зеркала, обязанная случайному характеру Ар,22 222 n  2 R0    1  cos    23,5  10 ( 7.47) .  С учетом соотношений (7.35) и (7.42) коэффициент усиления зеркальнойантенны24( 7.48)G  2 Sa ge ,2где  определяется выражением (7.47).Анализ формул (7.47), (7.48) показывает, что с увеличением радиуса зеркала возрастают случайные фазовые ошибки, что в конечном счете приводит кзамедлению роста КУ при увеличении R0 , однако при увеличении R0 сверхнекоторого значения R0 max КУ антенны практически не увеличивается.

Величина R0 max зависит от уровня технологии:2R0 max  0,2 10n  ,где параметр п имеет тот же смысл, что и в формуле (7.45).( 7.49)16.7. Специальные типы зеркальных антенн. Применение зеркальных антеннЗеркальная антенна с косекансной диаграммой направленности используется для равномерного облучения целей, находящихся на различных наклон-156ных дальностях r, но на одинаковой высоте от земли h (рис. 7.21). Напряженность поля, создаваемого антенной с диаграммой F    у цели,AAsin E  F   F   ,rhгде А - постоянный коэффициент; r - наклонная дальность; h - высота цели.Эта напряженность не должна меняться с изменением угла  (при h =const), для этого необходимо, чтобыA( 7.50)F     1 A1 cos ec,sin где А1 - некоторый нормирующий множитель.Диаграмму(7.50)называюткосекансной.Такая диаграмма можетбыть приближенно созданалишь в ограниченном сектореуглов1    2 , где 1  3...10o ,2  70...80oВ зеркальных антеннах наиболее широко используемымиспособами Рисунок 7.21 – К вопрос формированияформирования косекансной косекансной диаграммы направленностидиаграммы направленностив вертикальной плоскости является установка специального козырькового отражателя в параболоидах вращения или за счет выбора профиля зеркала в цилиндрических зеркальных антеннах (рис.

7.22,а,б). В обоих случаях принципформирования косекансной диаграммы направленности заключается в выбореРисунок 7.22 – Зеркальные антеннс косекансной диаграммой направленноститакой формы отражателя, чтобы лучи, близкие к горизонтальной оси антенны,выходили из отражателя параллельным пучком, а удаленные от нее - расходя-157щимся пучком (рис.7.22,в). При этом формируется косекансная диаграмманаправленности, показанная на рис. 16.22,г).

Существуют и другие способыформирования косекансной диаграммы.Зеркальные антенны со сферическим рефлектором используютсядля формирования остронаправленной диаграммы направленности иуправления положением ее максимума в широком угловом секторе безизменения формы диаграммы направленности. Принцип действия такихантенн поясняет рис. 7.23. Оказывается, что часть поверхности сферического отражателя (в пределах2 0  30...45°) практически совпадает с поверхностью параболоидавращения (показана пунктиром нарис. 7.23), фокус которого F удаленот центра сферы на расстояние R/2,равное половине радиуса сферы.Поэтому, если в точке F поместитьоблучатель с мощностью излучения, сосредоточенной в основном впределах угла 2 %, то сферическийотражатель будет преобразовыватьсферическую волну облучателя вплоскую. Перемещая облучательпо поверхности фокальной сферы радиуса R / 2, можно отклонятьмаксимумдиаграммынаправленности в широких пределах.Рисунок 7.23 – Зеркальная антенДвухзеркальныеантенны на со сферическим рефлекторомсостоят из облучателя, основного(большого) параболической формы и вспомогательного (маленького) зеркала,в качестве которого наиболее широко на практике используется зеркало в видегиперболоида вращения.