Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ (1988) (1095425), страница 68
Текст из файла (страница 68)
Нормированное входное сопротивление решетки с поперечными щелями составляет в начале волновода г,=юг, а решетки с продольными щелями г„=1/(Л~д), где й — число щелей. Используя условия идеального согласования входа Йг=1 илн Уй=1, удается с помощью формул типа (11.35) или (11.36) подобрать такие параметры щелей, при которых входной КСВ равен единице на резонансной частоте решетки. Режим хорошего согласования и г г г г а) Рнс. ! 1.31.
Резонансные волноволно-шелевые решетки нз сннфазно-связан- ных (а) н переменив-фазно-связанных (о) щелей синфазность возбуждения щелей сохраняются в относительно узкой полосе частот, не превышающей нескольких процентов. В антенне с поперечными щелями из-за большого шага решетки в области видимости возникают побочные главные максимумы. Для их устранения можно испольэовать, например, параллельное расположение двух синфазно питаемых одинаковых решеток, обеспечив сдвиг всех щелей (и закорачивающего поршня) одной решетки на Ла/2 по отношению к щелям другой решетки.
В результате образуется эквивалентная линейная решетка с вдвое уменьшенным шагом и побочные главные максимумы оказываются вытесненными в область мнимых углов. Нерезоиаисиые волноводио-шалевые антенные решетки отличаются от резонансных решеток тем, что волновод нагружается в конце на согласованную нагрузку, так что в отсутствие щелей в нем устанавливается бегущая„волна Нш. Щели располагаются па расстоянии д одна от другой; несколько отличном от Л,12 (для поперечных щелей — отличном от Л,). Тогда щели возбуждаются с прогрессивным фазовым сдвигом ЛФ=2Ы/Л, для соседних синфазносвязанных щелей и бФ=2пс(/Л,+-и для соседних переменно-связанных щелей.
Пример нерезонансной решетки из наклонных щелей в узкой стенке аолновода показан на рис. 11.32. Щели поочередно наклоняются в разные стороны от вертикали, и это обеспечивает их переменно-фазное возбуждение. При известных с( и Ьср для расчета направления максимального излучения и формы ДН могут быть использованы формулы (!1.6) и (11.26).
Связь щелей с волноводом подбирается такой, что в оконечный поглотитель доходит только 5 — 20% входной мощности решетки и КПД оказывается равным 95 — 80%. Поскольку расстояния между щелями в нерезонансных решетках отличаются от Х,/2, отражения от отдельных щелей в значи- Ряс. Н.32. Нереаонансная волновонно-нтелевая антенная ре- шетяа тельной мере компенсируют друг друга и входной КСВ близок единице в довольно широкой полосе частот. И только на частоте, при которой Ы=-Х,/2, отражения от щелей суммируются, КСВ резко возрастает и излучение, которое должно быть направлено по нормали к оси волновода, резко уменьшается (так называемый «эффект нормали»).
Поэтому если в нерезонансной решетке предполагается осуществить излучение по нормали к оси волновода, то каждая щель должна быть специально согласована с волноводом индивидуальным настроечным элементом. Чтобы сохранить режим бегущей волны вдоль нерезонансной волноводно-щелевой решетки и избавиться от нежелательного «зеркального» луча, обусловленного движением отраженной волны, необходимо использовать достаточно слабую связь щелей с волноводом. Это достигается подбором угла наклона щелей на узкой стенке волновода или координат середин щелей на широкой стенке.
Надлежащим подбором степени связи различных щелей можно сформировать и желаемый закон изменения амплитуды возбуждения вдоль антенны. Волноводно-щелевые резонансные и нерезонансные решетки отличаются большим разнообразием способов возбуждения щелей и при параллельном расположении многих щелевых линеек позволяют создавать антенны с высокой направленностью. Основные преимущества таких антенн: 1) отсутствие выступающих частей н компактность волноводной распределительной системы, что особенно важно при применении антенн на борту летательных аппаратов; 2) возможность сравнительно легкой реализации требуемых амплитудных распределений (путем регулирования связи щелей с волноводом). Недостатком волноводно-щелевых антенн являетсн ограниченность рабочей полосы частот, в первую очередь из-за нежелательных отклонений луча при изменении частоты (в нерезонансных антеннах), а также из-за нарушения согласования входа Глава 12 ИЭЛУЧА)ОПЦИЕ РАСКРЬ1ВВ1 И РЕ)ВЕГКИ.
1 н.ь Воходнык соотнощкння Линейные излучающие системы формируют остронаправленное излучение и обеспечивают сканирование тольно в одной плоскости, проходящей через ось антенны. Для сужения луча антенны и в другой, перпендикулярной, плоскости необходимо разместить излучающую систему на какой-либо поверхности достаточно болыпих размеров в сравнении с длиной волны.
Возникает остронаправленная антенна с непрерывным нли дискретным распределением электромагнитных источников в пределах выбранного участка поверхности, т. е. Раскрыва. Применяя принцип эквивалентности (см. приложение), форму поверхности раскрыва можно деформировать необходимым образом.
В данной главе будут рассмотрены наиболее распространенные и весьма удобные прн анализе плоские излучающие раскрывы. Форма контура раскрыва может быть произвольной: прямоугольной, круглой, эллиптической и т. д. Излучающей элемент раскрыва будем характеризовать векторной комплексной ДН Р (О, ~р) в его собственной местной сферической системе координат. Начало этой системы координат располагается внутри элемента (например, в его центре излучения) „ а ось а перпендикулярна плоскости раскрыва хОу. Для всех элементов ДН Р,а (О, ф) полагается неизменной, что эквивалентно постулированию одинакового закона распределения плотности излучающих токов внутри элемента. Помимо ДН одного излучателя раскрыв характеризуется также способом размещения элементов (дискретным или непрерывным) и амплитудно-фазовым распределением комплексных амплитуд возбуждения элементов.
В соответствии с теоремой перемножения (см.2 9.6) ДН плоского раскрыва можно представить в виде 1(О, чО=Р,„(в, 1)у,(в, г), (12. 1) где 1х (О, ф) — комплексный множитель направленности системы изотропных излучателей, расположенных в точках размещения центров элементов. Для дискретной системы из й излучателей, расположенных в точках (х, у„) плоского раскрыва (рис, 12.1), формула для мно- жителя направленности легко получается из общего выражения (9.22): (12 2) а С где разность хода лучей в точку наблюдения Р (О, са), проведенных из начала координат и из точки х, у, согласно (7.4), дается формулой )Сасоз а„= э|н 0 (х„соз У+ У„з)п Я). г ягв, р) (12.3) В формулах (12.3) и (12.2) предполагается, что все излуча- Я тели н пределах раскрыва пронумсронаны единой последователь- 4У (((') постька чисел 1, 2,...,Ф н 7 = в в чс.
Уа| .=)ч СХР (|Фа) — КОМПЛЕКСНаЯ аМ- ~ч Са .а': 1 У плнтуда возбуждения элемента и. в п 1х:лп излучатели заполнякат раскрыв непрерывно, то суммирование в формуле (12.2) заменяется интегрированием по плоша- Лс дн н формула для множителя Рис. 12.1. К расчету поля калучеяпя направленности системы прини- плоского раскрыаа мает вид Р (6, р)=~7(х, у)ейм"'1 ' '~"""е1г(ха)у, (12.4) где 5 — площадь раскрыва; Х (х, у) =7(х, у)ехр[)Ф (х, уЦ вЂ” функция амплитудно-фазового распределения возбуждения. Вводя новые угловые переменные (пространственные частоты) я~ =- рз|г О соя р, нт=рз|пО э|и~, формулу (124) приводим к виду двумерного преобразования Фурье от функции возбуждения: Ра(хп на)= ~ ~ /(х, у)ет~"'"+""а~с)хну, (12.5) причем распределение возбуждения 7 (х, у) отлично от нуля только в пределах раскрыва 5. Поэгому множитель направленности Ра [хь х ) явлнетсл двумерной функцией с ограниченным спектром.
Преобразование Фурье для функций с ограниченным спектром широко применяется в радиотехнических приложениях. Вычисления по формуле (12.5) проводятся на ЭВМ по алгоритмам быстрого преобризованин Фурье. Именно поэтому излучающие системы многих типов остронаправленных антенн оказывается удобным представлять в виде плоских раскрынои той или иной формы. При синфазном возбуждении раскрыва максимальное излучение оказывается ориентированным вдоль оси х, где разность хода лучей для всех элементов раскрыва равна нулю.
Модуль вектора В в дальней зоне в этом направлении Е „=! ! Е„(х, У) д5~/(ЛЮ. !у Для определения КНД раскрыва необходимо знать также полную мощность излучения. Проще всего найти ее, вычисляя поток вектора Пойнтинга через поверхность раскрыва: 7э = —,)~Е,Н„д5= — ) ! Е,.(х, у) ! эд5, 1 г ° * 1 г 2) "" ж,~ э э где 2 — характеристическое сопротивление среды. Вычисление является приближенным, так как полное поле в расирыве не является строго равным полю плоской электромагнитной волны.
Используя первое определение КНД в виде (7З7), приходим и выражению для КНД раскрь|аа !) Е (х. у)ВЕ!т ! Хат Лт ~ ! Ел(л, У) ! эаэ При равномерном и синфазном распределении Е„=сопя! интегралы легко вычисляются и приводят и результату 7)ь — — 4Я5/Лт. (12.7) Из сравнения с (8.13) заключаем, что плоский синфазный раскрыв с равномерным распределением возбуждения имеет эффективную поверхность, точно ривную площади раскрыва. Увеличивая отношение 5/Хэ, КНД синфазного раскрыва можно увеличить до очень больших значений.
Например, квадратный раскрыв со стороной !ОХ может иметь КНД, равный 1250. При неравномерном и несинфазном распределении возбуждения КНД раскрыва оказывается меньше максимального значения, определяемого формулой (12.7). Это следует из неравенства Шварца= 1' ~ Е„(х, у) д5) т~ 5 ~ ! Е (х, у) ! эд5. Уменьшение КНД прн неидеальном АФР принято оценивать так называемым апертурным коэффициентом использования поверхности ~)Е„(х, у)ЙЯ~ ипВ Е (Э Е( !Е ( )!хек 5' Значение К„„, не зависит от формы ДН элемента расярыва, и поэтому в (12.8) вместо Е„можно использовать любую функцию возбуждения 7 (х, у). 4 $2Л.
МНОЖИТЕЛЬ НАПРАВЛЕННОСТИ ПЛОСКОГО РАСКРЫВА Так как ДН одного элемента раскрыва в полупространстве х>0 является почти постоянной функцией (см. множитель перед интегралом в (12.6)), то ширина луча и уровень боковых лепестков в ДН Раскрыва определяются множителем направленности системы (12.4). Рассмотрим сначала раскрыв прямоугольной формы размером аХЬ (рис.
!2.3). Наиболее лгв,оч л простым является случай, когда распределение возбуждения может быть представлено произведением двух множителей, зависящих только от х н только от у: а 1(х у) =1(х)1(у) — так называе р' мое разделяющееся амплитудноь св ~сиз Ь фазоиое распределение. Тогда лапа множитель направленности (12.4) ь также имеет вид произведения и/2 У~(6, р)= ~ 1(х)еьр" м бхх — аи Рис. !2.З.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
