sazonov_d_m__antenny_i_ustroistva_svch_1 988 (561328), страница 76
Текст из файла (страница 76)
Рассмотрим вначале излучатель в ниде открытого конца прямоугольного волновода (рнс. 14.1). Распространяющаяся в Р1ййзр волноводе основная волна Ннь дойдя до его Х 1 открытого конца, частично излучается н ! частично отражается обратно к генератору. з В месте перехода от волновода к открыто- ХЮ~ му прострапству, т. е. в раскрыве, возни- з 1 кают волны высшим типов, а также появля- гщ ~ у ются поверхностные токи на наружных поверхностях стенок волновода, Для полубесконечного круглого волновода сушествует точное решение электродинамической задачи об излучении в свободное пространство, полученное чл.-кор.
АН СССР Л. А. Вайн- ' (н, штейном. Для полн излучения прямоугольного волновода строгого решения не найдено. В инженерных расчетах предполагают, Рвс. 14д. Валвоволвмя что касательные составляющие поля в рас- ввлучвтввв крыве волиовода (а следовательно, и эквивалентные электрические и магнитные токи) представляют сумму падающей и отраженной волн основного типа колебаний: Ев — — l"„=(1+р) з1п (их~и), 3Л вЂ” х/~2 )] у» .с У в где р — коэффициент отражения от открытого конца волновода.
~,=)' Р~/а~. По данным экспериментальных исследований, в прямоугольном волноводе с отношением сторон Ь!а=0,45 коэффициент отражения составляет 0,3 — 0,2 н имеет фазу и/3 — и/2, причем первые цифры относятся к нижней рабочей частоте волновода, ,вторые — к верхней. ДН открытого конца волновода в передней полусфере в плоско'стях у02 (плоскость Е) и х02 (плоскость Н) с хорошей степенью точности определяется формулами 1 + (Л!Л„) сов В а(ц (0,5ДЬ а(ц В) 1 + Л1Х 0,5)Ь мн В ~ и тв 5 сов(0,5ра Мп В) (14А) 1 2 / (п(2)в — (0,55а в1н В)в Здесь а и Ь вЂ” внутренние размеры волновода: Л/Л.=У1 — 1Л1(2а)1вотношение длины волны в свободном пространстве к длине волны Н~о в прямоугольном волноводе"„угол 8 отсчитывается от оси а; р=2п/Л.
Бид измеренных ДН для излучателя в виде открытого кон- Рнс. 14.3. Н-секторнальны» рупор н структура поля в нем Рнс. !4.2. )ЛН открытого конца волновола ца прямоугольного волновода с размерами сторон 23)(10 мм на длине волны 3,2 см показан на рис. 14.2. Антенны в виде открытого конца волновода обладают слабой направленностью, и их коэффициент усиления находится обычно в пределах 6 — 7 дБ. Такие антенны чаще всего используют в качестве элементов фазированных антенных решеток, в облучателях простейших параболических антенн, а также в качестве слабона.
правленных антенн летательных аппаратов. Для увеличения направленности и уменьшения отражения от открытого конца волиовода применяют рупорные излучатели. На рис. 14.3 показан Н-секториальиый рупор, расширяющийся в плоскости вектора Н. В рупоре возникает волна, подобная волне Ньа в прямоугольном волноводе. Однако секгорнальный рупор отличается от волновода тем, что в нем фронт волны образует цилиндрическую поверхность, фазовая скорость является переменной величиной, зависящей от отношения а/Л, поле на большом расстоянии от горловины рупора принимает . вид чисто попереч- ной волны.
Фазовая скорость приближенно определяется форму- с лой о= ., и вблизи раскрыва рупора приближается к тг! — [ь Г(2а))з скорости света, что приводит к уменьшению отражении волны от излучающей поверхности раскрцва. Если угол раствора рупора а, мал, то фронт волны в выходном отверстии близок плоскому и для расчета ДН в плоскости Н может быть использована формула (14.4). Главный лепесток ДН сужается примерно во столько же раз, во сколько увеличивается размер а раскрыва л рупора по сравненью с размером широкой стенки прямоугольного волновода. При увеличении угла раствора рупора а„фронт вол- твв ны в раскрыве искривляется, а это приводит к расширению ДН.
Фаза поля на краю раскрыва по сравнению с ее значением в ув середине раскрыва может быть определена по приближенной формуле, полученной из геометрических построений (рис. 14.3): В Хэ Фт = -(2п/Л) ЛИЧ= — паз/(4Лтт') = Рис 14.4. Зависимость КНД от размеров Н-сок- = - [ ДЗЛ)1 (а(аней), (14.5) ториального рупора где )( — длина рупора. Распределение фазы поля.в выходном отверстии рупора подчиняется квадратичному закону, Влияние квадратичных фазовых искажений на форму ДН линейной антенны исследовано в гл. 11, и графики ДН на рис. 114) оказываются применимыми в анализе рупорных антенн. Как показывают расчеты, КНД рупорной антенны при фиксированной длине рупора имеет характерную зависимость от размера раскрыва а/Л, показанную на рис.
14.4. Наличие максимума объясняется тем, что при увеличении угла раствора рупора, с одной стороны, увеличивается относительный размер раскрыва а(Л, что ведет к сужению ДН, с другой — согласно (14.5) быстро увеличивается квадратичная фазовая ошибка ~Фз~, ведущая к расширению ДН. В результате действия двух этих факторов при определенном электрическом размере раскрыва имеет место максимальный КНД. Оказывается, что при любой длине рупора максимум 1(ОД получается при квадратичной фазовой ошибке на краю рупора, равной 135'. Н-секториальный рупор, удовлетворяющий этомУ Условию, принято называть оптимальным. Полный КИП оптимальйого Н-секториального рупора равен примерно 0,64 (0,81 — апертурный КИП, обусловленный спадающим до нуля на краях рас"Рыва амплитудным распределением; 0,79 — КИП, обусловленный квадратичной фазовой ошибкой).
Наряду с Н-секториальными применяют Е-секториальные рупоры, расширяющиеся в плоскости вектора Е. Ширина ДН в плоскости Н- Е-секториального рупора такая же, как и у открытого конца волновода, а в плоскости Е ширина луча с увеличением размера Ь уменьшается, если угол раствора ае взят достаточно малым В Е-секториальном рупоре амплитудное распределение поля в расхрыве приблизительно равномерное н квадратичная фазовая ошибка Фхж — пЬЦ(4ХК) на краю раскрыва, соответствующая опти- мальнолу рупору с наибольи4ии У КНД, составляет 90'. При 1Фз~ ( (45' ДН в плоскости Е может быть е рассчитана по формуле (14.3).
Снижение КИП в плоскости Е из-за квадратичной фазовой ошибки определяется по графику на рис. 11.10 .уиз Наиболее широко применя1отся ЧИ пирамидальные рупоры с прямоугольным поперечным сечением (рис. 14.5). Зги рупоры позволяют Рнс. 14.5: Пирамидальный рУпоР сужать ДН как в плоскости Н, так н в плоскости Е. В пирамидальном рупоре образуется сферическая волна, фазовая скорость которой является переменной н у открытого конца приближается к скорости света. Вследствие этого отражение волны от раскрыва незначительно — рупор согласовывает волновод с открытым пространством. Фазовые искажения поля в раскрыве могут быть определены по формуле (14.5) в плоскости Н н по аналогичной формуле (прн замене а на Ь) в плоскости Е. При небольших фазовых искажениях (при 1Фх~ (45') ДН пирамидального рупора мало отличаются от ДН синфазного прямоугольного раскрыва с соответствующим амплитудным распределением и поэтому могут быть рассчитаны по формулам (14.3) и (14.4).
Для уменьшения длины рупора обычно допускается квадратичное искажение фазы поля в раскрыве ~ Фх~ =135' в плоскости Н и ) Фз( =90' в плоскости Е. Такой рупор, как отмечалось, называется оптимальным, и его КИП грубо оценивается формулой К„„=К„„.(К„„е)х=081 "(08)э=052, где первый множитель учитывает неравномерность амплитудного распределения в плоскости Н, а второй — наличие квадратичных фазовых искажений в плоскостях Е и Н. Помимо рупоров прямоугольного поперечного сечения находят применение рупоры круглого сечения,а именно конические рупоры.
Они образуются путем расширения открытого конца круглого волновода, возбуждаемого волной Ны. Излучение конического рупора аналогично излучению пирамидального рупора, и он также имеет оптимальные размеры, которые можно рассматривать как средние между размерами оптимальных Е- и Н-плоскостных рупоров. Достоинствами рупорных антенн являются простота и неплохие диапазонные свойства. Практически все оптимальные и более длинные рупоры могут быть использованы во всей рабочей полосе частот питающего волновода. Самостоятельно рупорные антенны чаще всего применяются в измерительных установках, например как эталонные антенны с известным коэффициентом усиления.
Кроме того, рупоры широко используются для облучения зеркальных и линзовых антенн, а также в конструкциях антенн других типов, например импедансных. й $4.з. линзОВые Антенны В линзовых антеннах используются оптические свойства электромагнитных волн, поскольку размеры и радиусы кривизны поверхности линзовых антенн обычно много больше длины волны. Для антенн-линз характерно то, что в них цилиндрический яли сферический фронт волны преобразуется в плоский.
На рис. 14.6 показана диэлектрическая линза, на которую от источника Р (облу- а) П Рнс. !4.6. Диэлектрическая линза (а) и код луней в ней (6) чателя) падает сферическая волна. Преломляясь на выпуклой .освещенной поверхности линзы, сферический фронт волны преоб,разуется в ней в плоский при одновременном укорочении длины 4юлны в диэлектрике Х =Х9а. Выходная поверхность линзы является плоской, и по выходе из нее фронт волны остается плоским.
'-'Поскольку размеры выходной поверхности линзы велики по срав:нению с длиной волны, излучение ее оказывается остронаправлен;:вым. Определим форму профиля линзы. Пусть луч из точки Р па,''дает в точку Р поверхности линзы (рис. 14.6, б) и характеризуется 1лглом падения а и углом преломления )). Эти углы определяются ,:изр отношению к местной нормали к освещенной поверхности лин,,,'зы. На основании закона преломления лучей з)п а=л ебп р, где а= :!е'й — коэффициент преломления диэлектрика. Уравнение профиля ,;:.чниэы можно найти из условия постоянства длины оптического лучателем, расположенным в фокусе линзы, должен быть параллелен пластинам. Тогда пространство между двумя соседними пластинами представляет волновод, в котором распространяется волна ,и,. ф е р = ' .т ер 3'! — ! и2 а Р~ ФФ ФФи =н.=ут=~~~ьт! <1.
(14.8) Расстояние между пластинами а должно удовлетворить неравенствам Д2и а()., для того чтобы между пластинами могла рас- Рнс. !4.7. Металлояластинчатая линза (а) и хол лучей и ней (б) йространяться только волна типа Н о. Следовательно, коэффициент преломления ускоряющей линзы находится в пределах О()х <" 3/0,75. Уравнение профиля линзы можно получить с помощью построений, показанных на рис. 14.7, 6. Луч, падающий из фокуса Р в точйу Р освещенной поверхности линзы, преломляется по закону геоМетрической оптики з)п а=л з(п р. Оптическая длина пути ГЯ должФа быть равна оптической длине пути РР', т.
е. ГЯ= ГР+пРР'. Это условие вновь приводит к формуле (14.6) для профиля линзы, одна- )Ю при п(1 формула представляет уравнение эллипса. Толщина Фофиля линзы дается формулой ! ~. 0» ) ~Йе 28иах — угол раскрыва лизны; Ол — размер раскрыва. ::„-'",, Ускоряющая линза, собранная из профилированных по эллипсу Ф. .Лннаковых пластин, фокусирует излучение в плоскости вектора Е.
„.;.; и же ускоряющая линза собрана из прямоугольных пластин ной толщины д так, что они также образуют эллиптический »ро., ль, то она фокусирует излучение в плоскости вектора Н. В этом Ф. свучае на освещенной поверхности линзы угол преломления луча .„Зависит от коэффициента преломления и и направление пре- ломленных лучей при любом и задается направлением волноводных каналов между пластинами. Линзы с таким свойством вазываются линзами с принудительным направлением распространения Для фокусировки излучения одновременно в плоскостях Е и Н линза должна быть собрана из профилированных пластин разной тол шины.
Металлопластинчатые линзы небольших и средних размеров конструктивно очень просты. Применение металлопласгинчатой рнс. (4.8, Зониронанные ускоряющая (а) и замелляющая (В) линзы линзы в сочетании с рупором позволяет значительно уменьшить его длину. Так, для получения оптимального рупора с размером раскрыва а=20Л нужно взять его длину )с=200).. В случае же применения линзы в выходном отверстии рупора длина его может быть того же порядка, что и размер раскрыва, т. е. Я=201. Мегаллопластинчатые линзы сравнительно узкополосны, так как коэффициент преломления, согласно формуле (14.8), зависит от длины волны. Расчеты показывают, что если принять коэффициент преломления на средней частоте равным 0,5 и допустить квадратичные фазовые искажения )чая~ =и/2 на крайних частотах, то рабочая полоса частот (9ю) 2с))по=88М41.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
