АФУ Семинары

ko = Pп PΣ

характеризует эффективность канализации энергии облучателя на зеркало антенны и на- зывается коэффициентом перехвата. Для хорошо спроектированной ПЗА этот коэффици- ент имеет значение ko ≈ 0,95 .

Затенение раскрыва антенны. Пусть часть раскрыва антенны затенена какими-либо предметами (облучатель, питающая фидерная линия, элементы крепления облучателя и т.д.). Обозначим через Sз затененную часть раскрыва антенны. Будем считать, что поле на незатененной части раскрыва остается таким же, как если бы затенения не сущест-

вовало, а поле на затененной части было бы равно нулю. Такое предположение достаточ- но точно, если характерные размеры затенения поверхности превосходят λ .

Обозначим через kз коэффициент, характеризующий уменьшение КНД антенны из-за затенения части ее раскрыва. Предполагая распределение поля в раскрыве антенны пара- болическим на пьедестале (см. формулу (2)), можно записать:

где η = Rобл R0 ; Rобл - характерный размер раскрыва облучателя.

Для оптимального облучения, когда поле на краю антенны составляет около 30% от поля в центре антенны, формула (4) приобретает вид:

Рассмотрим теперь эффект затенения, даваемый линией питания, расположенной в раскрыве антенны. Обозначив ширину линии через t, можно записать (для t << R0 ):

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Интерференция поля антенны и поля облучателя. При определении поля антенны в главном направлении обычно учитывается только излучение токов, текущих по поверх- ности параболоида. В ряде случаев, однако, необходимо учитывать также задний лепесток диаграммы облучателя. Интерференция этих двух полей приводит к изменению (увеличе- нию или уменьшению) эффективности антенны. Коэффициент kинт , учитывающий эту ин-

терференцию, определяется равенством

где Dобл и D - коэффициенты направленного действия облучателя и антенны соответст-

венно; Fобл (p) - уровень поля облучателя в заднем направлении; φ - угол сдвига фаз между полями антенны и облучателя.

Расчеты показывают, что для высоконаправленных антенн коэффициент kинт колеб-

лется в зависимости от фазы φ в пределах 0,994 ÷ 1,006. Однако в случае сравнительно слабонаправленных параболических антенн, встречающихся часто в метровом и децимет- ровом диапазонах волн, где к тому же применяются вибраторные облучатели с невысоким защитным действием, учет коэффициента kинт становится необходимым.

Фазовый фронт облучателя (точность установки облучателя по фокальной оси). В раскрыве антенны волна будет плоской, если фазовый фронт облучателя является точно сферическим и фазовый центр облучателя совмещен с фокусом параболоида. На практике, однако, фронт волны облучателя вблизи поверхности зеркала часто существенно отлича- ется от сферического и, кроме того, возможна неточность в установке облучателя. Все это приводит к ухудшению эффективности антенны.

Если принять максимально допустимую величину искажения фазы в раскрыве равной p8 , точность установки облучателя по фокальной оси определяется неравенством

где f0 - угол между фокальной осью и прямой, проведенной из фокуса к кромке парабо-

лоида.

Из (9) видно, что необходимая точность установки облучателя уменьшается с ростом фокусного расстояния. В случае короткофокусных антенн необходимая точность установ-

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

ки облучателя весьма высока. Так, при 2φ0 =180o облучатель должен быть установлен с точностью ± λ16 . Поэтому целесообразно при разработке антенны обеспечить возмож-

ность перемещения облучателя вдоль оси, что дает возможность экспериментальным пу- тем выбрать оптимальное место установки.

Точность обработки поверхности антенны. Отклонения формы поверхности зер-

кала от параболической приводят к нарушению синфазности поля в раскрыве антенны и ухудшают ее эффективность. Требования к точности выполнения поверхности зеркала можно получить, исходя из необходимой точности обеспечения синфазности поля в рас- крыве. Обычно считают достаточным обеспечить синфазность возбуждения раскрыва с точностью ± π8 . При этом потери коэффициента усиления антенны не превосходят не-

скольких процентов.

Если распределение фазы в раскрыве антенны можно считать случайной величиной,

то потери коэффициента усиления антенны определяются формулой

~2

kнт = e−φ ,

~

где φ - среднеквадратическое отклонение фазы в раскрыве от ее среднего значения.

Для длиннофокусных антенн, когда можно считать, что cos(φ0 2)≈ 1, получаем:

~

где δn - среднеквадратическое отклонение поверхности от расчетной. Фазу поля в рас-

крыве (или распределение отклонений зеркала) при анализе обычно считают распреде- ленной по нормальному закону. Поэтому допуск на точность изготовления поверхности

Эффективность параболической антенны. В реальных условиях при расчете коэф-

фициента направленного действия антенны необходимо учитывать не только распределе-

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

ние поля в раскрыве антенны и утечку энергии облучателя за края зеркала, но и ряд дру- гих факторов, влияющих на эффективность антенны. Если коэффициенты kз , kинт , ko , kнт мало отличаются от единицы, коэффициент использования поверхности антенны мо-

жет быть определен по формуле

В силу рассмотренных причин полный коэффициент использования параболической антенны с обычным, например, рупорным облучателем на практике не превосходит 0,5 ÷ 0,6. Коэффициент использования может быть увеличен до 0,65 ÷ 0,7 и более путем приме- нения специальных облучателей с ДН, близкой к столообразной.

Пример. Спроектировать параболическую зеркальную антенну с коэффициентом усиления G = 40 дБ на частоте f =10 ГГц с уровнем боковых лепестков, не превышающих

–22 дБ. Считать распределение поля по раскрыву параболическим. Величина фокуса па- раболы равна его радиусу ( F = R0 ).

Решение. 1. Оценим размер раскрыва параболы, исходя из того, что G ≈ D и ориентиро- вочно суммарный КИП σ = 0,7 (см. формулу (1)):

tg(φ0 2)= R0 2F = 0,5 ,

отсюда φ0 ≈ 53o .

4. По формуле (3) рассчитаем апертурный КИП антенны:

1 − 0,66 + 0,4354

ka = 1 − 0,66 + 0,4353 ≈ 0,92 .

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

5.Значение коэффициента перехвата ko примем равным 0,95.

6.При заданном УБЛ примем Rобл ≈ 2λ , тогда

Предположим, что имеется волновод, питающий облучатель, шириной t = λ и три тяги шириной t = λ2 :

k&з = kз′kз′′(kз′′′)3 ≈ 0,8.

Здесь использованы формулы (4) - (7).

7. Для вычисления kинт по формуле (8) потребуем, чтобы уровень заднего облучения не превышал значения Fобл (π)≤ −20 дБ. Тогда

kинт = éêë1± 0,0118104 ùúû2 = 10,,00089992 »1.

8. Прежде чем рассчитывать коэффициент kнт , оценим необходимую точность вы-

полнения нашей параболы по формуле (11):

dn < 32cosl(f0 2) .

Из формулы видно, что вблизи центра параболоида ( φ = 0 ) необходимая точность вы-

полнения зеркала максимальна:

δn ≈ ± λ32 ≈ ±0,093 мм.

9.Окончательно суммарный КИП проектируемой ПЗА равен:

σ= kа ko kз kинт kнт ≈ 0,68 .

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

10. Площадь раскрыва зеркала:

11. Для определения ширины луча проектируемой ПЗА воспользуемся табл. 5.1, [1, с. 113]:

Dq0,5 » 65o l =1,625o.

D

Задание. Спроектировать и оценить точность изготовления параболической зеркаль- ной антенны с коэффициентом усиления G = 27 дБ на частоте f = 3 ГГц с уровнем боковых лепестков, не превышающим 25 дБ. Считать распределение поля по раскрыву параболи- ческим. Величина фокуса параболы равна F = R0 2 .

Литература

1. Кочержевский Г.Н., Ерохин Г.А. Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства. -

М.: Радио и связь,1989. - С. 133.

2. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г. Антенны УКВ. - М: Связь, 1977. - Т. 1. - С. 325 -

326.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

В этой формуле показатель степени α может быть определен из условия падения усиления излучателя на краю сектора сканирования qск на 3 дБ (в два раза по мощности):

f 2 (qск )= cos2α (qск )= 12 .

Отсюда, предварительно взяв логарифм от обеих частей, получим окончательно:

Значение θд определяется из тех соображений, что при отклонении основного лепе-

стка на предельное значение qск дифракционный максимум подавляется ДН элемента на

(3 дБ) до допустимого УБЛ t:

f 2 (θд )= cos2α (θд )≤ t .

Отсюда может быть найдено предельное значение θд :

Для заданных УБЛ, меньших чем –13,2 дБ, обычно используется амплитудное рас- пределение по раскрыву типа “косинус на пьедестале”:

I(z)=1+ cos(2πzL), z ≤ L2 .

Изменяя значение , можно снизить уровень наибольшего бокового лепестка (дБ) до

значений

t ≈ −(13 +13 + 22 2 ).

При этом ширина луча по половинной мощности определяется по формуле

Dq0,5 » (1 + 0,636D2 )× 51o l L ,

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

а значение усиления находится из условия

Рис.1. Схема передающей АФАР

Схема простейшей передающей АФАР изображена на рис.1. Специфической особен-

ностью передающей АФАР является наличие относительно маломощных усилителей мощности в выходных модулях и возбудителях. При этом может возникнуть ситуация (при достаточно больших значениях N), что мощности, поступающей на вход каждого мо- дуля, не хватает для его возбуждения в режиме насыщения. В этом случае предусматрива-

ется разбиение АФАР на подрешетки с применением в каждой из них промежуточных усилителей, т.е. получается как бы схема “активной” разводки (рис.2).

Для повышения надежности проектируемой АФАР число n обычно выбирается по значению порядка (0,1÷ 0,2)N .

Рис.2. Схема “активной” разводки передающей АФАР

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Пример. Спроектировать передающую АФАР со следующими параметрами:

Ппрд ³ 60 дБВт; qск = ±20o; p0 = 6 Вт; k p =17 дБ;

l =10 см; Lфв » 2 дБ; Lдел0 » 0,3дБ; Lкаб0 »1,5 дБм.

Нарисовать схему разводки.

Решение. 1. Проектирование начнем с определения межэлементного расстояния с учетом заданного сектора сканирования. Для этого воспользуемся формулами (4) и (5) и тем обстоятельством, что если не заданы дополнительные требования на УБЛ, то предпо-

2. Минимальное усиление излучателя в заданном секторе сканирования определим из формулы (2), предполагая ориентировочное значение КИП σ ≈ 0,7 и значение A = 0,5 :

g= 4pll2 2 ´ 0,7 ´ 0,5 » 4,4 ед.

3.Воспользуемся формулой (1) для определения количества элементов проектируе- мой АФАР:

Здесь проведено округление полученного значения до ближайшего “удобного” чис-

ла. Таким образом, поскольку сектор сканирования - конус с углом раствора 40o , конфи-

гурацию решетки выбираем квадратной размерностью 14×14 элементов. Размер аперту-

ры решетки 140×140 см.

Один из вариантов схемы возбуждения проектируемой АФАР изображен на рис.3.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com