Методичка - лаб.СВЧ_Е2

	Амплитудное распределение			£ s ( P }	зависит как от ДН		облуча­
теля	Ф СЧ') ,	так и от относительного фокусного расстояния					Es Cj>)
( ^	- фокусное	расстояние). На рис.2 приведены зависимости
для различных J-/J)			и Ф ( ф )	Видно,	что	“мелкое” зеркало	(I)< -4f)
"засвечивается” полностью, включая кромку						(особе>4но в случае Ф(ч>)=1\
При уменьшении		J-/JJ	поле к кромке зеркала существенно спадает (да­
же при		).	Выбор размеров зеркала			и Ф (V ) определяется

требованиями к основным техническим параметрам антенны: ширине глав­ ного лепестка и уровню бокового лепестка, так как чем сильнее спад поля к краям зеркала, тем ниже уровень бокового лепестка ДН.

ДН облучателя определяется его конструкцией. Наиболее распро­ странены вибраторные и волноводно-рупорные облучатели. Первые со­ стоят из активного и пассивного вибраторов или активного вибратора с дисковым рефлектором. Они возбузадаются волноводами прямоугольного, круглого сечения или коаксиальной линией. В лабораторной работе ис­ пользуется облучатель в виде вибратора с контррефлектором, возбужда­ емый волноводом.

Основные параметры ДН зеркальной антенны:

Ф)	ширина главного лепестка	по уровню 50%-ной мощности ( - 3 дБ)
~ ® 0,5 Р	»
2)	коэффициент направленного действия (КНД) в осевом направле­
нии -	G j ;
3)	уровень боковых лепестков	(УБЛ) - нормированное к максималь­
ному полю поле боковых лепестков		( oL в д Б ), нормированное к макси­
мальному полю в основном направлении.

Для антенны с облучателем в виде вибратора с контррефлектором можно применять следующие приближенные формулы:

а	=	г о		^ '	.	JJ	(плоскость	Е)
°o,SP					g j . J
^ о , 5 р ш		5	$		2 0 f	J “j Y	(плоскость Н). ( 1 )
Как видно,	ширина луча пропорциональна Л IJB						, а КДЦ ^	\

Определенную роль играет также глубина зеркала и степень равномерное» ти васветки зеркала*

А9

УБЛ зависит в основном от степени неравномерности поля на раскрыве зеркала: чем сильнее спадает поле к кромке зеркала, тем ниже УБЛ. К этому параметру часто предъявляются повышенные требования, по­ этому используют спадающее распределение. Однако тогда поверхность зеркала используется менее эффективно и ширина ДН увеличивается, а КВД уменьшается.

УБЛ для антенны, используемой в лаборатории, по расчету соот­ ветствует cL = 0,065 (плоскость Е ), оС ^ 0 ,1 (плоскость Н).

Приведенные параметры ДН антенны относились к основной поляри­ зации напряженности электрического поля, а именно, совпадающей с £ поляризацией волны первичного источника. Вместе с тем из-за кривиз-. ны поверхности зеркала на ней возбуждаются токи, имеющие ортогональ­

ную к основной, перекрестную компоненту (ри с.З).
При симметричной ДН облучателя			относительно горизонтальной и
вертикальной	осей токи перекрестной		поляризации также симметричны
относительно	этих	осей, имеют одинаковую амплитуду,		но противополож­
ную фазу. Поэтому		в главных плоскостях (Е и Н) поле		излучения, выз­

ванное этими токами, равно нулю. Оно проявляется в плоскостях Д (под

углом 45°	и 135° к вертикальной оси). ДН	показаны на рис.З (позиции
1 ,2 ,3 ) . ДН	перекрестной поляризации имеют	вцц функции с двумя мак­

симумами, расположенными примерно на краях главного лепестка ДН ос­

новной поляризации. Вводится	парвметр Л т - коэффициент перекрест­
ной поляризации, определяемый	отношением поля перекрестной поляри­

зации к максимальному полю основной поляризации. На рис.4 представ­

лена зависимость		Лт	от	т =	1 )	s i n	6
Лабораторная		зеркальная		антенна	имеет	/ /Л	* 0 ,3 1 . В этом
случае Л т ~	0	( - 7 ,8 дБ		по полю)	и максимум ДН JDm( 0 )			соот­
ветствует углу		—	1 ,2 °(	J7 = 460	мм,	/ =150 мм, ^		= 8 мм).
Рассмотрим	теперь		изменения ДН антенны			(основная поляризация)

при выносе облучателя из фокуса зеркала. Если смещать облучатель вдоль оси параболоида, происходит расширение главного лепестка, уменьшение КВД антенны, увеличение поля в минимуме ДН ( " замазывание" нулей ДН). Для качественного объяснения этих изменений проанализи­ руем форку синфазной поверхности при выносе фазового центра облуча­ теля, например, из фокуса по направлению к зеркалу. Амплитудное рас­ пределение при этом-практически не изменяется, а фазовое распределе­

ние меняется существенным образом.
Пусть фазовый центр перемещен из фокуса в точке 01	в точку

О2 (рис.5 ). Смещение приводит к тому, что				синфазная		поверхность
из плоской	( л б е )	становится	криволинейной	( Л d с ),		а поле на
плоскости	раскрыва	приобретает	квадратичную	( ~	) фазовую ошиб­
ку. Это и	приводит	к указанным	исходениям ДО. Аналогичное явление

имеет место и при смещении облучателя в направлении от зеркала. По­ следний случай интересен тем, что существует конечное расстояние между антенной и плоскостью наблюдения, на котором антенна окажется сфокусированной, и ДО будет соответствовать диаграмме в дальней зоне при расположении облучателя в фокусе. Это обстоятельство можно ис­ пользовать при измерении ДН на небольших расстояниях, что особенно существенно для больших зеркальных антенн.

Действительно, при больших размерах рефлектора необходимое для формирования ДН расстояние между приемной и передающей антенной ока­

зывается слишком большим.		Как известно, Т,т с п ~ 2 ] }	/ а и для иссле­
дуемой антенны	—	СО м. ото расстояние можно существенно
уменьшить благодаря	специальной фокусировке.
Рассмотрим эллипсоид вращения (ри с.6 ) , такой,			что у вершины и

у края зеркала поверхности параболоида и эллипсоида совпадают (а в

остальной части поверхности зеркала близки).
Эллипсоид имеет два фокуса с фокусными расстояниями у и
причем	<	< f	Если поместить облучатель на расстоянии У,

от зеркала, то излучение будет сфокусировано в фокальной плоскости

на расстоянии	и ДН на расстоянии		f 2	практически		не будет	от­
личаться от ДН параболического зеркала в дальней зоне.
Вынос облучателя		из фокуса		может быть		определен
из формулы [ 4 )	&=ф	г ( н л у т г1 а минимальное расстояние, на
котором ДН не искажена, из выражения			f 2min			Расчеты
показывают, что для исследуемой антенны				4 ,6	м ;	= 5	м ;
А - 7 ,4 мм.
При перемещении облучателя из фокуса в				поперечной	плоскости

происходит сканирование (изменение направления) луча антенны. Допус­ тим, что фазовый центр облучателя перемещается по окружности радцу-

сом	f	с	центром в вершине параболоида	по дуге	/ В 1 (р и с.7). В
этом	случае		нарушается синфазность поля в	раскрыве	зеркала, а близкий

к плоско^ синфазный фронт оказывается повернутым на некоторый угол в^ • На такой же угол повернется и ДН, причем направление поворота

противоположно направлению смещения облучателя. На самом деле,син-

Оптимальная

флэная поверхность неплос­ кая и ДН не только повора­ чивается, но изменяется ее форма. Происходит расшире­ ние главного лепестка, уве­ личение УБЛ (появляется бо­ льшой лепесток со стороны, противоположной повороту ди­ аграммы), уменьшение КЦЦ.

Практически без суще­ ственных искажений ДН мож­ но сканировать луч в секто­ ре углов, составляющих не­ сколько величин QQ5P ' Уменьшить искажения можно, если перемещать облучатель не по окружности, а по дру­

гой траектории (р и с.7). Сканирование имеет практическое применение, например в радиолокации для обзора части пространства.

Описание лабораторной установки, функциональная схема лабора­ торной установки представлена на рис.8. Исследуемый объект 2 - при­ емная параболическаязеркальная антенна 8-миллиметрового диапазона волн с радиусом раскрыла зеркала 240 мм, фокусным расстоянием ?50 мч.

Зеркало укрыто обтекателем из органического стекла. Облучатель пред­ ставляет собой открытый конец волновода с вибратором и контррефлек­ тором.

Предусмотрены три степени свободы перемещения облучателя: по двум координатам в плоскости раскрывь (вверх-вниз, влево-вправо) и

по оси зеркала	(вперед-назад). Кроме того, предусмотрен		поворот плос­
кости поляризации		облучателя на 45 и 9 0 °. Таким образом,	можно иссле­
довать ДН в Е,	Н	л Д плоскостях.

Приемная антенна расположена на поворотном устройстве 4 . При­ нятый сигнал после детектора 3 и усилителя 5 поступает на самописец б. Передающая часть установки содержит СВЧ генератор 8-миллиметрово­

го диапазоне 1 (рабочая длина волны	в 8,15	мм), работающий в ре­
жиме импульсной модуляции. Передающая антенна		- пирамидальная ру­
порная антенна с поворотом плоскости	поляризации на 45 и 90°.

Список литературы

5 . Фредин А .З. Антенно-фидерные устройства. М.: Связь, 5 9 7 7 ,- 440 с .

2 . Кюн Р. Микроволновые антенны. Л .: Судостроение, 5967. - 517с.

Р а б о т а 5 . Исследование волноводно-щелевой антенной решетки

Волноводно-щелевые антенные решетки широко используются в Сис­ темах радиолокации сантиметрового диапазона волн, поскольку отлича­ ются относительной простотой конструкции и возможностью сравнительно легко осуществлять электрическое движение луча (сканирование). Вол­ новодно-щелевые антенные решетки являются одним из типов излучающих систем из дискретных элементов. Как известно, такие излучающие сис­ темы обладают те^пр^цуцеством перед обычными поверхностными излу­ чателями (зеркала, линзы, рупорные излучатели), что при соответству­ ющем ^итании у них может быть реализовано любое требуемое~амплитуд- но-фазовое распределение ..отдельных элементов. Излучащими элемента­

ми антенных систем рассматриваемого типа являются щели,	прорезанные
в стенках прямоугольного волновода.
Рассмотрим щели в стенках прямоугольных волноводов,	которые

возбуждаются волной основного типа H^Q . Щель, прорезанная в стенке/ ? >46

волновода, будет излучать (или принимать) электромагнитную энергию, если ее продольная ось пересекает линии электрического тока, наве­

денного в стенках волновода. На рис Л ,а показана		структура токов				в
стенках волновода, соответствующих волне H*Q .
На р и с.?,6			представлены два
возможных варианта неизлуча
т и х	щелей,		а	на рис Л , в-
четырс основных					типа излу­
чающих щелей. Очевидно,						что
при угле		наклона			$ = 0	ще­
ли I	я 3	будут		неизлучанщи-
ми, а	при		6 = 9Э° излуче­
ние этих щелей будет макси­
мальным. При				£	= 0 излу­
чение щели 2 отсутствует, а
при увеличении					£ - моно­
тонно	возрастает ; максималь­
ное излучение щели 4 соот­
ветствует			£	=*0.
Различают резонансные
и нероэонансные					волноводно-

щелевые антенны. Резонансными называют антенны, у которых расстояние

между соседними щелями раано	-ЛА (	А в ~ длина волны в	волноводе),
если щели синфазно связаны с	полем	волновода, или равно	А а/г i если

связь переменно-фазная. Таким образом, у синфазных антенн фтазы полей, возбуждаемых во всех щелях, одинаковы и поэтому направление макси­ мального излучения совпадает с нормалью к оси волновода. Резонанс­ ные антенны могуг быть хорошо согласованы с питающей линией только в весьма узкой полосе частот. Связано это с тем, что каядая щель от­ дельно не согласована с волноводом, и все отраженные от щелей волны складываются на входе антенны синфазно и коэффициент отражения ста­ новится большим. Очевидно, ^то это рассогласование можно компенсиро­ вать на входе антенны за счет какого-либо элемента настройки, но по­ скольку уже при малых изменениях частоты согласование нарушается, то антенна остается узкополосной. Поэтому в большинстве случаев отказы­ ваются от синфазного возбуждения отдельных щелей и выбирают расстоя­ ние между ними d — AQ/ 2 -

Характерной особенностью получаемой таким образом нерсэонянсиэЯ

антенны является более широкая полоса частот, в пределах которой имеет место хорошее согласование, так как отдельные отражения при большом числе щелей примерно компенсируются. Однако отличие расстоя­

ния между щелями от	(или	) приводит к несинфазному воз-
булщению щелей падающей	волной,	при этом направление главного мак­

симума излучения отклонится от нормали к оси волновода. Нерезонансные волноводно-щелевые антенны могут быть использова­

ны в доплеровских системах радиолокации и радиопеленгации, где тре­ буется формирование нескольких лучей с одного антенного раскрыва.

На рис.2 , а показана обычная линейная волноводно-щелевая антенна, представляющая собой многощелевой волновод, ко входу которого под­ ключен генератор мощностью Р е , а на его противоположном конце расположена поглощающая нагрузка. Если расстояния меэду щелями не

кратны	» то в волноводе устанавливается режим, близкий к ре-,
жиму бегущих	волн, и распространяющаяся волна	возбуждает щели, кото­
рые излучают	в свободное пространство. Угол	Q	отклонения главно­

го максимума диаграммы направленности от нормали к оси волновода в плоскости X 0 Z однозначно определяется длиной волны, размерами поперечного сечения волновода и расстоянием мевдг’ щелями. Вид диа­ граммы направленности зависит от вида амплитудного распределения по­ ля Е ( х ) вдоль оси волновода, которое определяется коэффициентами связи щелей с волноводом. Обычно используют симметричные относитель­ но центра решетки амплитудные распределения, спадающие к краям. Как извес1но, спадающие к краям раскрыва амплитудные распределения соот­ ветствуют диаграммам направленности с меньшим уровнем боковых ле­ пестков, чем при равномерном амплитудном распределении.

Для получения симметричного амплитудного распределения функция Связи щелей с волноводом (X) должна быть принципиально несиммет­ ричной, как видно на рис.2 ,б . Это объясняется тем, что мощность про­ ходящей по волноводу волны Р0 уменьшается за счет излучения, по­ этому связь щелей, расположенных симметрично относительно центра раскрыва, должна быть разной и большей у щели, которая находится дальше от входа волновода. Такая волноводно-щелевая «нгенна позволя­ ет получить второй симметрично расположенный относительно нормали луч, если поменять местами вход и выход волновода. Правда, в этом случае амплитудное распределение будет несимметричным, ширина глав­ ного максимума будет больше, а коэффициент усиления антенны значи­ тельно уменьшится по сравнению с первым случаем.

Для того чтобы обе диаграммы направленности были одинаковы, функция связи щелей с волноводом о(. (X) должна быть симметричной

относительно середины излучающего роскрыва. В этом случае амплитуд­ ное распределение Е (х) будет уже несимметричным (рис.2 , в ). Такие многощелевые волноводы называются симмехричннми.

Из симметричных щелевых волноводов строятся симметричные плос­ костные волноводно-щелевые антенны. Они состоят из двух симметрич­ ных многоцелевых волноводов, возбуждающих с двух сторон полотно из аналогичных волноводов (р и с .З .а ). Энергия, подведенная к любол^у из четырех входов, распространяется по питающему волноводу, последова­ тельно ответвляясь через щели связи в излучаэдие многощелевые вол­ новоды, которые формируют соответствующий луч в пространстве. Такая двумерная решетке излучателей имеет линейные фазовые распределения поля по обеим осям раокрыве. Подводя энергию последовательно к каж­ дому из плеч, можно получи п> четыре различных лучв (рис.3 ,6 ) .

Описание исследуемой онтснноЛ решетки. В работе исследуется

плоскостная полноводно-шелевл»? антенной рещегка, образованная сис.те-

49

мой параллельных прямоугольных волноводов, в узких стенках которых прорезаны наклонные щели. Расстояния меауду центрами щелей одинаковы, причем d < A $ / 2 Антенная решетка имеет четыре плеча; к одному из плеч подводится высокочастотная электромагнитная энергия (при ра­ боте в режиме передачи), а три остальных плеча нагружены на согласо­ ванные нагрузки, что обеспечивает в волноводах антенны режим бегу­

щих волн*^.

Подведенная, например, к плечу 1 мощность распределяется меиуду всеми волноводами решетки несимметрично относительно центрального волновода, так как питающие волноводы J и IE являются многощелевыми симметричными волноводами ; примерно 5-10% мощности, поступающей на вход, поглощается в нагрузках плеч 2 , 3 , 4 . Расстояния между осями

соседних	волноводов равны	В<Лв /2	Амплитуды полей, возбуждаемых
в щелях	каждого волновода,	зависят	от угла наклона щелей 8	Ис­

следуемая решетка выполнена таким образом, чтобы амплитудное распре­ деление вдоль осей волноводов было спадающим к краям решетки (уг­ лы наклона щелей увеличиваются к середине решетки) ; это сделано с целью уменьшения уровня боковых лепестков.

Таким образом, исследуемая в работе волноводно-щелепая антенная решетка является несинфазной со сложным амплитудным распределением в обеих главных плоскостях. Несинфазное возбуждение щелей реиетки приводит к отклонению направления главного максимума диаграммы на­ правленности от нормали к поверхности решетки. Питающие волноводы

I и И частично заполнены диэлектриком. Это сделано с целью уменьше­

ния угла отклонения главного максимума диаграммы направленности ан­ тенны ( 0 т а х ) в плоскости Поскольку в волноводе, запол­ ненном диэлектриком, длина волны меньше, чем в волноводе с воздушным

заполнением, то щели, расположенные в рядах, параллельных оси	0 у
образуют линейные решетки, близкие к синфазным; поэтому угол	G т а х

оказывается близким к нулю. Если не учитывать взаимное влияние щелей и считать фазовое распределение по осям Ох и 0 у линейным, то углы отклонения главного максимума от нормали к поверхности антенны

(рис.4) можно определить		по формулам
^	4	-Ло	»	• /п	^ о	/	л
Sin 9га^-Г~'7Г		d		SLn</>=-T*----- ~
гл	2			7ГА	л в	2	В

х) Поскольку антенная решетка является нерезонпнсной, то отражения от отдельных щелей, как уже отмечалось, практически компенсиру­ ются.

где	J i c - длина волны в св ободном пространстве ;
		Л о / V 1 - ( Л 0 / 2 а ) 2
- длина волны		в волноводе ; % - линейный размер широкой стенки
волновода ;		__________________ t

- длина волны в волноводе, заполненном диэлектриком.

Следует отметить, что поле излучения решетки с наклонно проре­ занными в узкой сгенке волновода щелями имеет как составляющую ос­

новной поляризации				(вектор Е	осн лежит в	плоскости,		проходящей
через	ось	О х	) .	так и составляющую паразитной			поляризации			(век­
тор	Е пар	лежит		в плоскости,	проходящей	через	ось	0 у	).	На рис.
5 показаны две			отстоящие друг		от друга на	расстоянии Ац/2			Щвли с

разным наклоном. Эти щели возбуждаются противофазными токами. Век­ тор напряженности электрического поля, перпендикулярный продольной оси щели, может быть разложен на горизонтальную и вертикальную со ­ ставляющие, как покпзано на рис.5 . Горизонтальные составляющие обе­ их щелей синфазнн, вертикальные - противофазны. Поэтому излучение в направлении нормали к поверхности антенны (или близком к нему) оп­ ределяется лишь горизонтальными составляющими вектора напряженности электрического поля. Однако в направлении, для которого разность хо­ да в свободном пространстве между соседними щелями составляет полови­ ну длины волны, возникает вторичный максимум излучения с вертикальной

51