9.2. Потери в приёмной антенне

В уравнение радиолокации входит эффективная площадь при­емной антенны Апэфф, характеризующая возможность антенны по перехвату энергии падающих на нее радиоволн. Эффективная пло­щадь антенны связана с геометрической площадью её раскрыва Апг соотношением

Где — коэффициент эффективности приёмной антенны.

Величина, обратная коэффициенту эффективности антенны, представляет коэффициент потерь в приемной антенне:

В общем случае коэффициент эффективности приемной антен­ны с параболическим зеркалом можно представить в виде

Где η1 — коэффициент использования площади приемной ан­тенны (КИП);

η2 —коэффициент полезного действия облучателя;

η3 — коэффициент, учитывающий утечку энергии через зер­кало антенны;

η4 — коэффициент, учитывающий отличие геометрической конструкции антенны от идеальной;

η5 — коэффициент, учитывающий омические потери в ан­тенне.

Числовое значение КИП определяется формой распределения поля в раскрыве антенны (см. табл. 6.1). По мере уменьшения интенсивности поля на краях раскрыва уровень боковых лепес­ков уменьшается. Однако чрезмерное снижение интенсивности поля на краях раскрыва в одной плоскости антенны может привести к увеличению боковых лепестков в другой ее плоскости. На рис. 9.2 показана зависимость уровня бо­ковых лепестков от интенсивнос­ти поля на краях раскрыва в горизонтальной плоскости [12]. Видно, что форму распределения поля в раскрыве антенны на практике целесообразно выбирать такой, чтобы относительная ин­тенсивность поля на краях рас­крыва составляла—13...—15 дБ. При этом числовое значение КИП будет лежать в пределах 0,65... ....0,7.

Коэффициент полезного действия облучателя учитывает степень согласования антенны с нагрузкой. Его значение определя­ется соотношением

Рис. 9.2. Зависимость уровня боко­вых лепестков

от интенсивности по­ля на краях раскрыва антенны:

1 — горизонтальная плоскость; (9.1)

2 - вер­тикальная плоскость

где Gнд — максимальное значение коэффициента направленного действия облучателя;

dфок — фокусное расстояние зеркала.

Рассогласование можно уменьшить путем настройки и согла­сования облучателя с помощью согласующих устройств в тракте от облучателя к приёмнику, использования так называемой вер­шинной пластины, а также параболических антенн со смещенным облучателем.

Первый путь имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что степень согласования в значительной мере зависит от частоты и атмосферных условий в месте стояния РЛС.

Согласование с помощью вершинной пластины осуществляется введением диска размерами d и Δ, помещаемого в вершину зеркала. Реакция диска на облучатель используется для компенсации реакции, создаваемой остальной частью зеркала, если удовлетворяются следующие соотношения:

Диск имеет непосредственный контакт с поверхностью зеркала. Этот метод согласования меньше зависит от частоты, чем метод настройки облучателя. Однако при введении диска возникает фазовая ошибка в распределении поля по раскрыву, приводящая к некоторому уменьшению коэффициента направленного действия антенны и увеличению уровня боковых лепестков.

В параболических антеннах со смещенным облучателем последний помещается в фокусе параболоида, по направление максимума его излучения смещается по отношению к оси параболоида. Нижняя часть параболоида удаляется (см. §6.4).

Зеркало антенны может быть изготовлено из сплошного листового материала, проволочной сетки, металлической решетки, перфорированных металлических листов. Не сплошные поверхности имеют малые парусность и массу, невысокую стоимость, отличаются простотой изготовления и возможностью получения зеркальных поверхностей различных форм. Однако при этом имеет место утечка энергии, что приводит к снижению коэффициента полезного действия антенны и увеличению уровня боковых лепестков. Значения коэффициента, учитывающего утечку энергии через зеркало антенны η3, близкие к единице, обеспечиваются при размерах ячеек lя < 0,1λ. В процессе эксплуатации РЛС в зимнее вре­мя возможно образование льда на поверхности зеркала. Обледенение влияет двояким образом на электрические характеристики отражающей сетчатой поверхности. С одной стороны, лёд, заполняющий промежутки между проводами сетки, можно рассматри­вать как диэлектрик. Диэлектрик, окружающий провода, вызывает укорочение длины волны колебаний, падающих на сетку. Кажущееся относительное увеличение расстояния между проводами обусловли­вает снижение КПД антенны. С другой стороны, наличие льда увеличивает общую отражающую поверхность, вследствие чего КПД антенны увеличивается. В связи с этим может произойти сни­жение или повышение КПД антенны в зависимости от преобладания того или иного явления. В неблагоприят­ных условиях даже сильно отражающие сетки могут почти полностью по­терять свои отражающие свойства. На рис. 9.3 (в качестве примера) приведены зависимости коэффициента η3 для сетки, состоящей из параллельных проводов, покрытых льдом, от радиуса частиц льда. Они показывают, что коэффициент полезного действия, учитывающий утечку энергии через зеркало антенны, может значительно уменьшиться за счёт диэлектрических свойств льда. При дальнейшем увеличении количества льда начинают преобладать отражающие свойства и числовое значение коэффициента η3 начинает увеличиваться (эта часть кривых не показана). Для исключения влияния метеоусловий на работу РЛС антенную систему необходимо помещать в обтекатели.

Потери в обтекателях и настоящей время составляют 0,5 ... 1 дБ. Рис. 9.3. Влияние обледенения

Числовое значение коэффициента η4 зависит от степени совпадения зеркала на КПД антенны

реальной и идеальной геометрии конструкции антенны. (λ = 10 см)

На практике профиль зеркала может отличаться от параболической формы вследствие случайных или систематических ошибок при производстве или из-за механической деформации зеркала в ходе эксплуатации РЛС. Кроме того, облучатель может быть смещен относительно фокуса. Комбинация всех этих факторов создает фазовые ошибки в распределении поля по раскрыву антенны. При малых фазовых ошибках для расчета можно использовать соотношение

(9.2)

где — средний квадрат фазовой ошибки.

Формула (9.2) показывает, что потери в антенне за счёт рассматриваемого фактора составляют не более 1 дБ, если среднее квадратическое значение фазовой ошибки не превышает 0,45 рад. Для неглубоких зеркал это соответствует неровности поверхности, не превышающей λ/28 [12].

Максимальное смещение облучателя d0 вдоль фокальной оси должно удовлетворять условию

Где ψ0 — угловой размер раскрыва антенны относительно фокуса.

Допуск на смещение облучателя перпендикулярно оси антенны

Где lант — размер раскрыва антенны.

При этом антенный луч смещается практически без искажений в сторону от оси антенны на угол

Коэффициент, учитывающий наличие омических потерь в антенне η5, определяется соотношением

Где R∑ — сопротивление излучения антенны;

Rп — сопротивление потерь антенны (разность между полным сопротивлением антенны и сопротивлением излучения).

Числовое значение коэффициента η5 — 0,9 ... 0,95. Результирующее значение коэффициента потерь в приёмной антенне, обусловленное всеми перечисленными выше факторами, для современных зеркальных антенн составляет 2 ... 5 дБ. Первая цифра относится к параболическим антеннам с облучателем, расположенным в фокусе, вторая — к антеннам со сложной системой облучателей и к антеннам с зеркалом двойной кривизны.