457_Andrusevich _Antenno-fidernye _Ustrojstva _

облучателя. Питающий волновод соединяется с рупором с помощью перехода, сечение которого плавно изменяется (рис.3.5). Коэффициент отражения при большой длине переходного рупора L = (6….8)λ не превышается 1….2% в широкой полосе частот.

Рис.3.5. Конструкция РПА на основе пирамидального и конического рупоров

Для РПА с пирамидальным рупором площадь S1							раскрыва определяется
по формуле (3.15):
S =16f2	sinγ			γ2			,	(3.15)
				2
1
	γ			cos	γ

а для РПА с коническим корпусом по формуле (3.16):
S2 =4πf2tg2γ .	(3.16)

Углы раскрыва 2β и 2γ при заданной площади излучающего раскрыва или при заданной ширине ДН в главных плоскостях определяют габариты антенны, так как с увеличением этих углов габаритные размеры уменьшаются. Но с увеличением этих углов ухудшается согласование питающего волновода с рупо-

11

ром, так как добиться хорошего согласования легче при небольших углах раскрыва. Кроме того, уменьшение углов раскрыва и соответствующее удлинение рупора сопровождается увеличением равномерности распределения поля в раскрыве антенны по вертикальной оси, а значит, увеличением КИП и КНД. Исследования показали, что углы раскрыва необходимо выбирать в пределах 25….50º. При меньших углах существенно увеличиваются габариты РПА, а выигрыш в согласовании почти незаметен. Обычно их выбирают равными

30….40º, т.е. (β, γ = 15º ÷ 20 º).

Угол возбуждения δ обычно выбирается равным 90º (рис. 3.5). В этом случае нет необходимости изгибать вертикальный питающий волновод, что позволяет конструктивно упростить волноводный тракт и избавиться от лишнего источника отраженных волн.

Площадь раскрыва РПА выбирают из условия обеспечения необходимого

КНД:

D=	4π	SpνA ,	(3.17)
	2
	λ

или коэффициента усиления

G =	4π	Spν	рез ,	(3.18)
	2
	λ

где Sр – площадь проекции раскрыва на плоскость, перпендикулярную направлению распространения; νА – апертурный КИП, определяемый распределением амплитуды поля в раскрыве; νрез =νАη1η2 – результирующий КИП; η1 – коэффициент, учитывающий потери в защитной крышке, покрывающей внутреннюю поверхность антенны; η2 – коэффициент, учитывающий уменьшение усиления антенны вследствие неточного выполнения параболоида. Коэффициенты η1, η2, в проекте можно положить равными 1. Теоретическое значение νА = 0,8. Вследствие потерь в фидере и облучателе, а также с учетом неточного выполнения параболоида величина результирующего КИП оказывается несколько меньшей. При расчетах можно принять νрез = 0,6÷0,7.

Таким образом, для заданного КНД (или КУ) при νрез = 0,8 (или νрез = 0,65) по формуле (3.17 или 3.18) можно определить площадь раскрыва РПА.

При расчете РПА следует определить размеры раскрыва L1 и L2 (рис.3.6). Условимся поляризацию, параллельную оси рупора Ох, называть вертикальной (рис.3.6, а), а поляризацию, перпендикулярную оси рупора, - горизонтальной

(рис.3.6, б).

Для вертикальной поляризации (см. рис. 3.6, а) раскрыв РПА будет иметь постоянное амплитудное распределение по размеру L1 и косинусное – по размеру L2. Тогда для определения ширины ДН можно воспользоваться соотношениями

2θo

0.5E =51oλ/L1 , 2θo

0.5H =68oλ/L2 .

(3.19)

12

Обычно от РПА требуется создание игольчатой ДН, т.е. выполнение ус-

ловия

2θo	0.5E =2θo	0.5H .	(3.20)
Тогда из (3.19) следует
L2 =1.34L1 ,			(3.21)

что дает возможность по формуле Sp =L1L2 =1.34L21 рассчитать размер L1, а

по формуле (3.21) – размер L2.

Рис.3.6. Распределение поля в раскрыве РПА

Для горизонтальной поляризации раскрыв РПА будет иметь синфазное постоянное распределение по размеру L2 и косинусное – по размеру L1. Тогда для определения ширины ДН можно воспользоваться соотношениями

2θo

0.5E =51oλ/L2 , 2θo

0.5H =68oλ/L1 .

(3.22)

Выполнение условия игольчатой ДН дает

L1=1.34L2 . (3.23)

Тогда по формуле Sp =L1L2 =1.34L22 определяется размер L2, а по формуле

(3.23) определяется размер L1.

Размеры РПА R1 и R2 также можно найти из рис. 3.3.

13

L1=R2-R1, (3.24)

L2 = R1+R2 tgγ.

Размер L2 в (3.24) определен как средний размер L2 = D1+D2 /2, где

D1=2R1tgγ, D2 =2R2tgγ - размеры раскрыва РПА в горизонтальной плоскости по L1 и L2 соответственно.

Рис.3.7. Графики определения R1 и R2

Совместное решение уравнений (3.24) дает значения для размеров R1 и R2, которые являются параметрами ДН, КИП и КНД:

R1=0.5(L2ctgγ-L1),	(3.25)
R2 =0.5(L2ctgγ-L1).	(3.26)
Для найденной площади раскрыва S1 и выбранного угла раскрыва β
можно определить размеры R1 и R2, с помощью графиков (рис.3.7).	(рис. 3.6) с
При представлении раскрыва РПА прямоугольной формы

размерами L1 и L2 (а это можно сделать с достаточно большой точностью, так как 2γ и 2β не превышает 30….40º) ее ДН для вертикальной поляризации можно рассчитать в вертикальной плоскости (или плоскости Е) по формуле:

	f		θ =	a	3			sin2ξ +sh2a		3		(3.27)
		E						1
				sha		3		ξ2 +a2
							1		3
где ξ1=(πL1/λ)sinθ	; a3=sinβ/ cosδ+cosβ .
Коэффициент а3	должен удовлетворять условию 0.15<a3Ј0.75.
							14

В горизонтальной плоскости (или плоскости Н):

1/2

1+π-4 8π2a24 +16a44

1/2

cos2ξ2 +sh2a4

f

H

θ =

+

,

(3.28)

1+sh2a4

2

2

2

-4

2 2

2

2

4

1-

ξ

2

+π

32a

4ξ2

+8π

a4

+16a

4

π

где

ξ2 = πL2 /λ sinθ ,

a4=

2/2 tgγ.

Коэффициент а4 должен удовлетворить условию 0,15 < а4 ≤ 0,5.

При горизонтальной поляризации поля влияние расстояния до зеркала на распределение амплитуды поля, а следовательно, и на ДН антенны еще менее значительно, чем при вертикальной поляризации. Поэтому приближенно ДН антенны можно определить, как для соответствующего рупора с распределением поля, приведенным на (рис.3.6, б):

- в горизонтальной плоскости (или плоскости Е)

				πL			2
	1+cosθ		sin					sinθ
FE θ =				λ					,	(3.29)
				πL2
2							sinθ

λ

- в вертикальной плоскости (или плоскости Н):

					πL
	1+cosθ		cos		1		sinθ
					λ
FH θ =								.	(3.30)
				2L
2							2
			1-		1	sinθ
					λ

Рис.3.8 Определение размеров параболы

Величина z0 (глубина параболоида, рис.3.8) рассчитывается при х = R2, z = z0, R22 =4fz0 , откуда

15

	z0	=	R22	,
			4f

где R2 определяется по формуле (3.26), а фокусное расстояние f – из уравнения:

	cosγ				Sp	γ
f=0.25							.	(3.31)
		γ
					sinγ

В реальных условиях в связи с неточностью выполнения рабочих поверхностей антенны, из-за возбуждения высших типов волн в горловине рупора, из-за рассеяния в радоме и т.п. направленные свойства РПА существенно ухудшаются.

Апертурный КИП РПА для вертикальной поляризации определяется по следующей формуле:

			8		2f	2	+R12 2f 2					+R22		2f	2		+R22
ν		=											ln					.	(3.32)
	AB		π2				R	2	2		2					2
																	2
								2	-R1					2f			+R1

Для горизонтальной поляризации:

νAГ =162 R2-R1

πR2 +R1

R

2

R

2

-3R

1

2R

2

2R

1

-1

ln

+cos π

Ci π

-Ci

π

+ ,

(3.33)

R1

R2-R1

R2 -R1

R2 -R1

π

R2-3R1

Si

2R2

-Si

2R1

+sin

π

π

R2-R1

R2-R1

R2 -R1

Ґ

cos t

x

где Ci x =

dt-интегральный_косинус,Si x =

sin t

dt-интегральный_синус

x

t

0

t

Вопросы согласования

В РПА есть несколько возможных источников отраженных волн. В первую очередь – это место соединения рупорной части антенны с питающим волноводом. Использование плавных переходов от волновода к рупору позволяет практически исключить отраженную волну. Так, при длине перехода L»5λ и совмещении формы перехода с точностью до первой производной с волноводом и рупором можно обеспечить коэффициент отражения около 0,1%. Размеры поперечного сечения рупорного перехода должны плавно изменяться на достаточно большой длине. Высокое согласование можно получить, если принять закон изменения поперечного сечения рупора согласно полиному:

a x =k0+k1x+k2x2+k3x3 ,	(3.34)
16

где коэффициенты k0,k1,k2,k3 определяются из условия совпадения размеров рупорного перехода со входным отверстием антенны и с соответствующими размерами сечения волновода.

Порядок расчета РПА

При проектировании РПА для РРЛ обычно задаются средней длиной рабочей волны λ, полосой частот 2Δf/f мощностью передатчика Р1, напряженностью поля в точке приема Е, длиной трассы связи r, высотой передающей h1 и приемной h2 антенн, поляризацией – вертикальной или горизонтальной. При расчете необходимо:

1.Задаваясь апертурным КИП νА =0.8, рассчитать площадь раскрыва:

Sp	=	λ2D	.	(3.35)
		4πνA

2. Если задан коэффициент усиления антенны Gm, то задаваясь результирующим КИП νрез = 0.65, вычислить площадь раскрыва:

S =

λ2G

.

(3.36)

p4πνрез

3.Выбрать углы раскрыва 2γ=2β=30...40o .

4.Для выбранного угла γ по формуле (3.15) рассчитать фокусное расстояние параболоида f (или см.формулу (3.31)).

5.Выбрать угол облучения РПА δ (обычно δ = 90º) и рассчитать размеры раскрыва L1, L2. Если задана игольчатая ДН, для вертикальной поляризации сделать это по формулам (3.19) – (3.21), а для горизонтальной – по формулам (3.22) – (3.23). Для другого соотношения между шириной ДН в плоскостях Е и Н это также легко сделать, воспользовавшись формулами (3.19) для вертикальной, или формулами (3.21) для горизонтальной поляризации.

6.По формулам (3.25) и (3.26) определить размеры R1 и R2.

7.Для проверки найденных размеров РПА можно воспользоваться

рис.3.7.

8.На средней и крайних частотах диапазона рассчитать и построить ДН РПА для вертикальной поляризации по формулам (3.27), (3.29), а для горизонтальной поляризации – по формулам (3.18), (3.30). По найденным ДН определить их ширину «по нулям» и «по половине мощности», а также уровень первых двух боковых лепестков.

9.Рассчитать КНД антенны.

10.Определить апертурный КИП раскрыва РПА для вертикальной поляризации по формуле (3.32), а для горизонтальной поляризации – по формуле (3.33).

17

3.6 Антенны-линзы в радиорелейных и космических системах радиосвязи

Антенны-линзы при относительно небольших размерах позволяют получить достаточно большие значения коэффициента усиления в диапазоне сверхвысоких частот. Принцип работы антенны основан на законах геометрической оптики. По этой причине антенне-линзе в качестве прототипа служит оптическая линза. Обладая фокусирующими свойствами, антенна преобразует сферический фронт волны, возбуждаемый облучателем, в волну с фронтом, близким к плоскому. В результате направленные свойства антенны намного превышают направленные свойства облучателя.

В качестве облучателя линзы, как правило, применяют прямоугольные или конические расфазированные рупоры малой длины, имеющие слабо

авыраженными направленные свойства. Обычно линза вставляется в раскрыв рупора, а ее фокус

							совмещен с фазовым центром рупора.
							Линзы выполняются либо из диэлектрика с
		E					малыми потерями, либо в виде набора
							параллельных металлических пластин, торцевая
					Н
	n
							часть которых имеет профиль линзы (рис.3.9). В
							последнем случае распространение волны между
							пластинами имеет волноводный характер. В
							диэлектрических линзах фазовая скорость волны
Рис.3.9 Ускоряющая линза							меньше скорости света, поэтому они называются
							замедляющими. В металлических линзах фазовая

скорость больше скорости света, поэтому они называются ускоряющими. Линзы, выполненные из сплошного диэлектрика, имеют большой вес и обладают существенными диэлектрическими потерями. Этими недостатками в меньшей степени обладает замедляющая линза из искусственного диэлектрика. Следует отметить, что в ускоряющих линзах отсутствуют диэлектрические потери, однако они обладают в отличие от сплошных диэлектрических линз ограниченными диапазонными свойствами. Все сказанное следует учитывать при выборе типа линзы при курсовом проектировании.

		M
		d				M
						d
			R
		x
			Фокальная	F		Фокальная	F	Фокальнаяфокальнаяось
	0
F		f	ось	0	f	ось
	0
						х
		N				N
		Плоский
		фронт

а)	б)	в)
Рис.3.10	а) замедляющая линза б) ускоряющая линза

в) линза из искусственного диэлектрика

18

Профиль замедляющей линзы имеет форму гиперболы, а профиль ускоряющей линзы - форму эллипса.

Выбор типа линзы и определение размеров антенны

Вначале определяется размер раскрыва линзы, исходя из заданного коэффициента усиления антенны. КИП раскрыва линзы определяется диаграммой направленности облучателя и размерами раскрыва и ориентировочно равняется 0.6 - 0.7. Если задан диапазон рабочих частот антенны, то предпочтение отдается ускоряющей линзе, если она обеспечивает работу антенны в заданной полосе частот, в противном случае выбирается замедляющая линза. Площадь раскрыва линзы равняется площади раскрыва рупора. Длина рупора выбирается такой, чтобы обеспечить коэффициент отражения от раскрыва, при котором КБВ в питающем волноводе будет не хуже заданного. Однако существует также отражение волны от линзы. Поэтому определяется коэффициент отражения от раскрыва рупора и от линзы, и для определения КБВ выбирается тот, который больше. Если коэффициент отражения от линзы больше, то его можно уменьшить, изменив величину коэффициента преломления линзы. Коэффициент отражения от линзы определяется по формуле

Г

=

1-n

,Г

=

n-1

,

(3.37)

УСКОР

1+n

ЗАМ

n+1

где n- коэффициент преломления линзы. Коэффициент отражения от раскрыва рупора

	Г =	WB -WP		,	(3.38)
		W +W
		B	P

где WВ – волновое сопротивление свободного пространства, WР – волновое сопротивление раскрыва рупора.

Коэффициент бегущей волны (КБВ) в питающем волноводе определяется по формуле

КБВ=		1-Г		.	(3.39)
	1+Г
Размеры раскрыва рупора в плоскостях Е и Н соотносятся как
	LH		=1.5.		(3.40)
	LE

что позволяет сделать ширину главного лепестка одинаковой в Е и Н плоскостях.

19

Коэффициент преломления n замедляющей линзы обычно выбирается в интервале 1.3-1.7, а коэффициент преломления ускоряющей линзы – в интервале 0.5-0.7.

Толщина замедляющей и ускоряющей линз определяется по формулам:

dзам

=

R-fsinφ0

,dускор=

fsinφ0-R

,

(3.41)

nsinφ

0

nsinφ

0

Для уменьшения веса линзы ее

зонируют

(рис. 3.10), где h – толщина одной зоны.

Зонирование замедляющей линзы уменьшает

полосу пропускания антенны, а зонирование

ускоряющей линзы ее увеличивает.

Так как ускоряющая линза имеет своим

недостатком ограниченную полосу пропускания по

сравнению с замедляющей линзой, то при ее выборе

необходимо убедиться в ее пригодности в заданной

полосе

частот ТЗ на проект. Определить

полосу

h

пропускания ускоряющей зонированной

линзы

можно по формуле

а

б

Рис. 3.11 Зонирование линзы:

2Δf

5000

а – зонирование теневой

=

,%,

(3.42)

стороны, б – зонированиеос-

f

1

вещенной поверхности

+M

n

где М- количество зон.

Количество зон ускоряющей линзы определяется по формуле

	M =(1-n)	dускор	+1.	(3.43)
		λ

Полоса пропускания зонированной замедляющей линзы

		2Δf	=	2500		,% ,		(3.44)
		f
				M-1
	где				dзам
	M =(n-1)						+1.	(3.45)
					λ

20