Рупорно-линзовая антенна (стр. 2 из 5)

Далее, можно приступать к определению элементов антенны, необходимых для обеспечения работы антенны, в частности элементов фидерного тракта используемых в системе запитки. Потом описывается конструкция всей антенной решетки, включая поворотное устройство, обеспечивающее необходимый поворот диаграммы направленности.

2.

Расчет основных электрических и геометрических параметров антенны

Рассчитаем раскрыв одиночного рупора, формирующего диаграмму направленности шириной по уровню половины мощности

в горизонтальной и вертикальной плоскости. Поскольку в рупоре распространяется волна с вращающейся поляризацией, то раскрыв рупора квадратный, и в раскрыве рупора в обеих плоскостях амплитуда токов распределена по косинусоидальному закону. Найдем стороны раскрыва из соотношения:

отсюда ;

Получим:

Разобьем полученный раскрыв одиночного рупора на несколько одинаковых рупорных излучателей. Поскольку системой питания выбрана схема "елочка", которая требует

излучателей и общее количество этих излучателей не должно превышать нескольких десятков, то ограничимся m=8 излучателями в каждой плоскости. Тогда расстояние между фазовыми центрами излучателей

Зная эти параметры можно диаграмму направленности множителя решетки в одной плоскости (рис. 6):

где deg обозначает градусы.

Рис. 6.

Поскольку решетка совершенно идентична в обеих плоскостях, то и в другой плоскости множитель решетки будет выглядеть точно также. И вообще, все последующие расчеты будем выполнять для одной плоскости, с условием , что в другой плоскости все будет аналогично. Определим положение первого дифракционного лепестка:

Диаграмму направленности одного излучателя (раскрыв маленького рупора) необходимо выбрать таким образом, чтобы ее первые нули попадали точно в центр дифракционного лепестка. Определим необходимые размеры раскрыва рупорного излучателя из выражения, определяющего положение первого нуля диаграммы направленности (распределение амплитуд токов в раскрыве косинусоидальное):

Сравним раскрыв рупора с расстоянием между излучателями:

Необходимый раскрыв рупора получился больше, чем расстояние между излучателями, которое, собственно говоря, является оптимальным. Раскрыв рупора не может быть больше этого расстояния, поэтому примем

. При этом дифракционные лепестки попадут в диаграмму направленности одного излучателя. Уровень этих лепестков определим позже.

Построим диаграмму направленности одного рупора (рис. 7):

Рис. 7.

Определим параметры линзы, вставляемой в рупорный излучатель. В рупоре возбуждается сферическая волна, поэтому будем применять осесимметричную линзу. В рупоре присутствуют амплитудные искажения, расширяющие диаграмму направленности. Рассчитанная диаграмма направленности не удовлетворяет условию подавления дифракционных лепестков. Поэтому используем линзу, которая перераспределяет амплитуды токов таким образом, что к краям это распределение возрастает. Освещаемая поверхность такой линзы является поверхностью сферы (рис. 8). Преломляющей является теневая поверхность, которая имеет форму эллипсоида вращения вокруг оси х.

Рис. 8.

В качестве материала, из которого будет изготовлена линза, выберем текстолит. При длине волны

текстолит имеет следующие параметры: , . Коэффициент преломления линзы . Диаметр линзы примем равным диагонали раскрыва рупора . На практике расстояние от линзы до фокуса принимается равным диаметру линзы, поэтому . Фокус линзы должен лежать в вершине рупора. Найдем толщину линзы:

Определим угол раскрыва линзы (рис. 9).

Необходимый угол раскрыва рупора:

Рис. 9.

Вставленная в рупор линза, изменяет распределение амплитуд токов в раскрыве. Рассчитаем это распределение.

Координата х (рис. 9) связана с углом

следующим соотношением:

;

f-фокусное расстояние, n-коэффициент преломления линзы.

Используя тригонометрические соотношения, определим обратную зависимость

Распределение амплитуд токов, создаваемое осесимметричной с освещенной преломляющей поверхностью линзой определяется следующим выражением:

А суммарное амплитудное распределение рупорно-линзового излучателя рассчитывается по следующей формуле и имеет вид, изображенный на рис. 10.

Рис. 10.

Поле излучения апертурных антенн с прямоугольным раскрывом определяется общей формулой:

,

где

- нормированная диаграмма направленности элемента Гюйгенса; множитель -имеет модуль равный единице, и определяет поляризацию поля; -расстояние от центра апертуры до точки приема; -нормированная функция амплитудно-фазового распределения в апертуре. В нашем же случае, считая, что поверхность апертуры синфазна, модуль этой функции для одной плоскости примет вид:

Максимальное значение модуля равно:

Таким образом, диаграмма направленности рупорно-линзового излучателя будет иметь вид:

, где ;

На рис. 11 изображены ДН рупора с линзой и без.

Рис. 11.

Зная теперь диаграмму направленности одного излучателя и множителя решетки, можно построить диаграмму направленности всей решетки в одной плоскости:

Графическое изображение ДН показано на рис. 12.

Рис. 12.

Трехмерное изображение полученной диаграммы направленности в декартовой системе координат показано на рис. 13.

Рис. 13.

Рассчитаем параметры волноводной фазирующей секции. Как раньше было оговорено, фазирующую секцию будем строить на базе квадратного волновода с вертикальной диэлектрической вставкой, в котором распространяются две волны–

и . Диэлектрическая вставка воздействует в основном на волну , вектор Е которой параллелен пластине и почти не замедляет волну , у которой вектор Е перпендикулярен пластине. Разность фаз на выходе фазирующей секции определяется формулой: