книги / Основы радиотехники и антенны. Антенны
.pdfПостепенное увеличение поперечного сечения |
рупора способ |
||
ствует также затуханию высших типов волн. |
|
||
Имеется несколько видов рупорных антенн: //-плоскостные |
|||
секториальные |
(рис. 6.25, а), |
£-плоскостные |
секториальные |
(рис. 6.25, |
б), пирамидальные |
(рис. 6.25, в) |
и конические |
(рис. 6.25, г). Обычно в секториальных и пирамидальных рупорах
возбуждается |
волна |
Я10 а в конических — волна //и . Отличаются |
|
//- и ^-плоскостные |
секториальные рупоры тем, что |
первые рас |
|
ширяются в |
плоскости Я, а вторые — в плоскости |
Е . В первых |
|
S)
Рис. 6.25. Рупоры.
силовые линии электрического поля перпендикулярны широкой стороне раскрыва, а во вторых — узкой. Пирамидальные рупоры расширяются в обеих плоскостях.
Волны в любом рупоре несколько отличаются от волн в волно воде. Сводятся эти различия к следующему:
1. Увеличение i Kp при движении волны к раскрыву рупора вызывает убывание фазовой скорости v до скорости распространения волн с в свободном пространстве:
V l - ( > . / x KP)* '
2.В процессе движения волны в секториальиом рупоре фронт
преобразуется из плоского в цилиндрический (см. рис. 6.25, а, б), а в пирамидальном и коническом рупорах — в сферический. Фазо
вый центр |
полученных волн находится в точке пересечения расши |
ряющихся |
сторон рупора. От этой точки отсчитываются размеры |
I и R. |
|
Поля в раскрыве рупора вследствие изменения формы фронта волны становятся несинфазными и это снижает направленные свой ства антенны. Если фазовые сдвиги в раскрыве невелики (меньше 90—135°), то наблюдается некоторое уменьшение коэффициента использования поверхности антенны у, а с ним и коэффициента на
правленного действия D = —у е с л и же синфазность поля в рас
крыве нарушена значительно, то форма диаграммы направленности резко искажается и D еще более падает.
Обратимся к сечению Я-плоскостного секториального рупора плоскостью Я (рис. 6.26). Так как в точке 0 находится фазовый
Рис! 6.26. Продольное сечение рупора.
центр возбуждаемых волн, то фронт волны изображается окруж ностями, исходящими из этой точки. Отсюда следует, что волны в точках В и С имеют сдвиг по фазе
Д<Рл = х ( 0 ^ —0С) = |
R2 |
+ x*— R ) = ^ \ у |
1 |
|
||
где х — координата точки В раскрыва; |
|
|
||||
R — размер рупора, |
показанный на рис. 6.26; |
|
|
|||
X — длина волны в рупоре, которую предполагают равной длине |
||||||
волны в воздухе. |
|
по формуле бинома Ньютона |
||||
Пользуясь разложением |
||||||
(1 + у)" = 1+/гу + ,,(пЬ2 1} |
у2 + |
п ( п — 1)(п — 2) |
з |
, |
||
1-2-3 |
у |
~1~ |
||||
|
|
|
||||
получаем
Так как x < ^ R t то можно ограничиться первыми двумя членами ряда и тогда
а |
п / « , 1 х2 |
4\ пх* |
Дфдг— X |
R у |
) ~ 1 F ‘ |
Полученное выражение показывает, что фаза поля в раскрыве рупора изменяется пропорционально квадрату координаты х дан ной точки раскрыва. В крайних точках раскрыва AD (* = аЧ2) фазовый сдвиг получается максимальным:
Лфмакс«1 Щ* |
(12б) |
Аналогично для Е -плоскостного рупора
Дфмакс ж |
* |
0 2 7 ) |
В случае пирамидального рупора формула (126) относится к плоскости Н, а (127) — к плоскости Е.
Как видно из этих формул, при данной длине рупора R увели чение площади раскрыва 5д, вызванное увеличением а' или Ь’, уси ливает фазовые искажения Дфмакс и тем самым снижает коэффициент использования поверхности раскрыва у. Возникает противоречие: увеличение SA способствует, а уменьшение у препятствует полу чению большого к. н. д. D. Следовательно, существуют оптималь ные соотношения между размерами рупора, причем оптимальным называется такой рупор, который при заданной длине R обладает максимальным коэффициентом направленного действия. Например, длина R (размер /) и ширина раскрыва а’ оптимального //-плос костного секториального рупора связаны соотношениями
, {а')2 |
р |
(о')2 |
|
( 128) |
з\ ’ |
А |
|
з . з х ’ |
|
|
|
Если бы поле в раскрыве рупора было синфазным, то посколь ку раскрыв его представляет прямоугольную площадку с косину соидальным распределением амплитуды по стороне а ', коэффициент ■у был бы равен 0,81. В оптимальном рупоре существует сдвиг по фазе, величина его на краях широкой стенки раскрыва равна соглас но формулам (126), (128)
Дфмокс |
я3,3 \R |
(129) |
|
4\R |
|||
|
Это уменьшает коэффициент у до 0,63.
К.п.д. рупорных антенн г|л можно считать равным 100%, так как наблюдаемые в них потери ограничиваются внутренней поверх ностью рупора и эти потери невелики. По известным значениям
у и т]а находим коэффициент усиления оптимального Я-секториаль- иого рупора:
В оптимальном £-плоскостном секториальном рупоре имеем
__ |
TZ |
(131) |
’макс |
"2 “ » |
Пирамидальные рупоры по сравнению с секториальными равной длины имеют большую площадь раскрыва, вследствие чего их коэф фициент усиления больше. Этот коэффициент можно рассчитать по формуле
где GE и GH — коэффициенты усиления двух секториальных рупоров, имеющих расширение соответственно в плоскостях Е и Н и те же длину R и размеры расширяющихся сторон а', что и пирамидаль ный рупор.
К преимуществам пирамидальных рупоров относится также воз можность сужения диаграммы направленности в обеих плоскостях £ и Я. Конические рупоры применяются значительно реже, чем секториальные и пирамидальные, так как достаточно незначитель ного изменения профиля конического рупора, чтобы в нем измени лась структура поля и поляризация волны.
Расчет оптимальных размеров и направленности всех рупоров, в том числе и конических, производится по формулам, приведенным
в[3]. Заметим лишь, что коэффициент использования оптимального пирамидального рупора равен у = 0,49, а конического у = 0,51. Если увеличить длину любого рупора сверх оптимальной, то поле
враскрыве приблизится к синфазному и коэффициенты у и G повы сятся, но это достигается ценой чрезмерного увеличения габаритов антенны.
Все рупорные антенны широкополосны, так как если, скажем, длина волны увеличивается, то направленность рупора должна по низиться за счет уменьшения размеров раскрыва по сравнению с длиной волны, но это в большой мере компенсируется тем, что по той же причине уменьшаются фазовые искажения в раскрыве рупо
ра и, следовательно, усиливается направленность антенны.
45. Рефлекторные (зеркальные) антенны
Основные определения. Принцип действия. Рефлекторными (зеркальными) антеннами называются устройства, в которых ис пользуется явление отражения волн от рефлектора (зеркала) для преобразования ненаправленных или слабонаправленных электро
магнитных |
волн, |
создаваемых |
первичным |
излучателем |
(облучате |
||||
лем), |
в остропаправленпые волны, |
излучаемые в пространство. |
|||||||
Обычно в качестве рефлектора (зеркала) применяется парабо |
|||||||||
лоид |
вращения |
(рис. 6.27, |
а) |
или |
параболический |
цилиндр |
|||
(рис. 6.27, |
б). Параболоид представляет собой поверхность, опи |
||||||||
сываемую |
параболой |
при ее вращении |
вокруг своей оси. Пара |
||||||
болический |
цилиндр |
описывается |
при |
перемещении |
параболы |
||||
вдоль параллельных прямых, называемых образующими цилиндра. Встречаются и другие антенные рефлекторы, построенные на основе параболы. Перечисленные рефлекторные антенны называются иначе
параболическими.
Рис. 6.27. Рефлекторы в виде параболоида вращения (а) и па раболического цилиндра (б).
Введем некоторые понятия, относящиеся к параболическим ан теннам. Раскрывом или отверстием такой антенны называется часть плоскости, ограниченная наружными краями рефлектора. Раскрыв параболоида вращения имеет форму круга диаметром d, раскрыв параболического цилиндра имеет форму прямоугольника со сто ронами а и Ь.
Фокусным расстоянием f параболического рефлектора называ ется кратчайшее расстояние от его поверхности до точки F, име нуемой фокусом параболы.
Фокальной линией параболического цилиндра FF называется линия, параллельная образующим цилиндра и проходящая через фокус исходной параболы.
Углом раскрыва параболического рефлектораф называется Угол между осью рефлектора и линией, соединяющей его фокус с крайней точкой параболы.
Геометрические размеры параболоида вращения полночью определяются диаметром раскрыва d и фокусным расстоянием f , а геометрия параболического цилиндра — размерами а и b раскрыта и фокусным расстоянием. Для параболоида вращения
c t g | = ^ . |
032) |
Облучателем параболоида в идеальном случае служит точеч ный излучатель, помещенный в фокус параболоида; облучателем параболического цилиндра является линейный излучатель, распо-
Рис. 6.28. Лучи падающих и отраженных от параболического рефлектора волн.
ложенный вдоль фокальной линии. Для того чтобы сосредоточить излучение облучателя в пределах угла раскрыва рефлектора, об лучатель дополняют контррефлектором, имеющим форму симмет ричного вибратора, плоского диска или полусферы.
Рассмотрим принцип действия антенны с параболическим реф лектором. Парабола (рис. 6.28) является геометрическим местом точек, равноудаленных от фокуса F и линии D'D", называемой директриссой. Согласно этому определению
F0 = СО] FA = A'A , FB = В'В,...
Волны, падающие из фокуса на параболическое зеркало, от ражаются в одном направлении, т. е. лучи отраженных волн парал лельны друг другу. В этом можно убедиться, если к точкам А, В, Е, G,... параболы провести нормали (перпендикуляры к касатель ным линиям) и относительно этих точек определить направления
216
падающих и отраженных волн, соблюдая равенство углов падения
иотражения.
Всоответствии с приведенными равенствами длина лучей:
FQ + ОС" = С'О + ОС" = С'С",
FA + А А " = А'А + АА" = А ’А \
FB + ВВп = В 'В -|- ВВ" = В'В";
Так как С'С" = А'А" = В'В"..., то волны, исходящие из фоку са, приходят в плоскость раскрыва в одинаковой фазе.
Точечный излучатель, как известно, возбуждает сферические волны, а линейный — цилиндрические. Синфазность волн в плос кости является признаком плоских волн. Следовательно, антенны с параболическим рефлектором преобразуют сферические или цилин дрические волны облучателя в плоские. Этим достигается макси мально возможная направленность антенны, так как при парал лельных лучах излучаемая волна в сечении, поперечном линии рас пространения, ограничена площадью раскрыва антенны, т. е. шири на диаграммы направленности равна нулю.
Приведенные рассуждения основаны на законах геометрической (лучевой) оптики, которые можно применять без ограничений к вол новым поверхностям с длиной рассматриваемых участков, несоиз меримо большей длины волны. Если же это соотношение не соблю дается, как в данном случае, то происходит отступление от прямо линейного распространения волн, роль дифракции возрастает, а это снижает направленность антенны.
Направленные свойства параболоида вращения. Через раскрыв параболической антенны проходят электромагнитные волны. Зна чит плоскость раскрыва антенны непрерывно заполнена элементами Гюйгенса, каждый из которых составляет какую-то часть волно вого фронта. Поля этих синфазных элементов интерферируют н в результате излучаемые волны концентрируются в определенных направлениях. Степень концентрации, как указано, зависит от соот ношения размеров раскрыва излучателя и длины волны: чем боль ше отношение диаметра параболоида вращения d к длине волны к, тем меньше ширина диаграммы направленности. Но не только это влияет на направленные свойства параболической антенны. Су щественную роль играет амплитудное и фазовое распределения поля в раскрыве.
Если облучатель имеет точечный фазовый центр, который к то му же находится в фокусе параболического рефлектора, то согласно сказанному поле в раскрыве рефлектора синфазное. По амплитуде это поле неодинаковое. Причины неравномерности амплитуды сле дующие. От облучателя до рефлектора распространяются сфери
ческие (в случае параболоида) или цилиндрические (в случае пара болического цилиндра) волны, а после отражения от рефлектора от ражаются плоские волны. В сферической волне амплитуда напря женности поля изменяется обратно пропорционально расстоянию
Рис. 6.29. Электрическое поле равномерно возбуждаемого круглого отверстия (а) и в раскрыве параболоида вращения (б).
от излучателя, в цилиндрической — обратно пропорционально кор ню квадратному из этого расстояния, а в плоской — амплитуда напряженности поля остается постоянной. По мере отклонения от оси антенны лучи сферических (цилиндрических) волн, идущих от облучателя до рефлектора, удлиняются и, следовательно, амплитуда
Рис. 6.30. Влияние угла раскрыва параболического рефлектора на электрическое поле в его раскрыве.
этих волн уменьшается. Ослабление поля в направлении от центра раскрыва к его границе усиливается еще тем, что в этом направлении плотность потока мощности облучателя уменьшается.
На рис. 6.29 показаны для сравнения электрические поля круг лой площадки, которая возбуждается равномерно (рис. 6.29, а), и в раскрыве параболоида вращения, облучаемого элементарным
8В* |
219 |
или полуволновым вибратором (рис. 6.29, б). Электрическое поле круглой площадки имеет только одну составляющую Еу по оси Оу, а поле в раскрыве параболоида — две составляющие Ех и Еу по осям Ох и Оу. Из них Ех нежелательна, так как она не создает излу чения в плоскостях уг и хг (на участках, симметричных относи тельно оси Ол: или Оу, она выражается численно равными и проти воположно направленными векторами), а вне этих плоскостей Ех вызывает эллиптическую поляризацию волны вместо линейной. Легко заметить, что там, где больше ЕХ1 полезная составляющая Еу меньше, а неравномерность амплитуды поля в раскрыве парабо лоида больше.
Рис. 6.31. Влияние угла раскрыва параболои да на коэффициент использования его поверх ности.
Существенное значение имеет угол раскрыва ф. Если ip < 90° (рис. 6.30, а), то электрическое поле в раскрыве длиннофокусного параболоида совпадает с изображенным на рис. 6.29, б. В этом случае фокус находится вне параболоида.
Если ф = 90° (рис. 6.30, б), то фокус параболоида находится в плоскости его раскрыва; характерно, что здесь, в точках с коор динатами х = 0 и у = ±d/2, которые называются полюсами, элек тромагнитное поле полностью отсутствует. Такое явление объясняет ся тем, что полюсы расположены на оси вибратора облучателя, вдоль которой невозможно излучение.
При дальнейшем увеличении угла раскрыва рефлектора (ф > > 90°) параболоид становится короткофокусным (рис. 6.30, в), в волне, проходящей через его отверстие, появляются вредные зоны, очерченные линиями ab, cd, в которых направление поля Еу из меняется на обратное по сравнению с основной частью раскрыва параболоида. За счет этого усиливается неравномерность поля в рас крыве рефлектора и бесполезно тратится энергия на облучение вред ной зоны. Для того чтобы избежать появления вредных зон, обычно используют длиннофокусные параболоиды (ф <; 90°).
На рис. 6.31 изображены два длиннофокусных рефлектора, из которых 1 соответствует углу раскрыва фА а 2 — углу раскрыва
220