Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств

Подождите немного. Документ загружается.

Если принять

0,5,

то для антенны длиной 6 м при

6оект=60° и

Л,

см допустимая частота качания имеет

порядок десятков килогерц. Следовательно, время обзо-

ра заданного сектора не может быть меньше десятков

микросекунд. Следует отметить, что такая скорость ка-

чания по ряду причин в реальных решетках пока еще не

может быть использована.

8-2. ФАЗОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ ДИАГРАММОЙ

НАПРАВЛЕННОСТИ ЛИНЕЙНОЙ РЕШЕТКИ

Изменение фазового сдвига i|)i между соседними из-

лучателями в линейной решетке может производиться

различными способами. Однако в любом случае необхо-

Излцчатели

ФерритоВые

фазовращатели.

Излучатели

Направленные

ответвители

Металла

воздушная

линза

\/ ^^=~~Выхос

Фазовращатели

в)

Выходы

Рис.

8-8 Параллельные схемы питания линейной ре-

шетки.

димо обеспечить то или иное распределение мощности

между излучателями. Это распределение, а также изме-

нение фазового сдвига i|)i могут осуществляться по по-

следовательной (рис. 8-7) или по параллельной схеме

(рис.

8-8).

В последовательной схеме в питающей линии поддер-

живается режим бегущей волны, излучатели слабо свя-

заны с линией. В участки линии между излучателями

361

включены одинаковые фазовращатели. Для отклонения

ДН на определенный угол все фазовращатели должны

изменить свою электрическую длину на одну и ту же ве-

личину. Эго свойство последовательной схемы значитель-

но упрощает систему управления и обеспечивает хоро

шую линейность изменения фазы вдоль антенны. Однако

при этом предъявляются весьма высокие требования

к системе управления, к стабильное™ работы фазовра-

щателей и их источников питания [Л. 23]. Недостатком

схемы является также то, что общие потери весьма вы-

соки; они равны примерно полусумме потерь, вносимых

всеми фазовращателями. Другим недостатком является

ограничение подводимой мощности, вызванное тем, чю

через ближайшие к генератору фазовращатели проходит

вся излучаемая мощность. В связи с этими недостатками

последовательная схема применяется главным образом

в антеннах с механическими фазовращателями, стабиль-

ность которых весьма высока, потери малы, а ограни-

чения по мощности не существенны.

В параллельной схеме через каждый фазовращатель

проходит только l/JV-я часть излучаемой мощности;

общие потери примерно равны потерям в одном фазовра-

щателе. Требования к допустимой мощности и стабильно-

сти фазовращателей значительно ниже. Поэтому парал-

лельная схема чаще применяется в системах с электри-

ческим фазовым управлением ДН. Недостатком схемы

является сложность системы управления, так как при ка-

чании ДН каждый фазовращатель должен давать соот-

ветствующий сдвиг фазы Система управления несколь-

ко усложняется в случае использования фазовращателей

с ограниченными пределами регулировки фазы (обычно

до 2я), так как здесь установка фазы должна произво-

диться со сбросом целого числа периодов.

Однако, параллельная схема имеет известное преиму-

щество перед последовательной в отношении требуемой

мощности источника питания Действительно, если в схе-

ме применяются фазовращатели, набег фазы в которых

пропорционален управляющему току, то мощность

источника питания может быть взята примерно вдвое

меньше суммы мощностей питания всех фазовращате-

лей.

Для параллельной схемы характерно наличие случай-

ных отклонений от линейного закона в распределении

фаз по системе и, следовательно, ухудшение формы ДН

(расширение главного лепестка и рост уровня боковых)

362

Параллельное питание излучателей может быть осу-

ществлено различными способами, некоторые из них

показаны на рис. 8-8. В первой схеме (рис.

8-8,а)

произ-

водится постепенное деление мощности с помощью вол-

новодных тройников или кольцевых мостов. Схема, пред-

ставленная на рис. 8-8,6, является комбинированной.

В «ей разделение мощности производится с помощью

направленных ответвителей последовательно, а управ-

ляемые фазовращатели включены по параллельной схе-

ме.

Преимуществом такой схемы является возможность

осуществления требуемой амплитудной характеристики

с помощью соответствующего выбора коэффициентов

связи направленных ответвителей, а также осуществле-

ние установки луча в среднее положение сектора кача-

ния с помощью компенсирующих отрезков линий. На

рис.

8-8,0 показан один из способов установки фазовра-

щателей в раокрыве антенны оптического типа. При этом

раскрыв разбивается на ряд участков, фаза в которых

меняется независимо. Устанавливая перегородки на

различных расстояниях, можно получить спадающую

к краям амплитудную характеристику. Аналогично мо-

жет быть построена двумерная решетка излучателей.

Основные характеристики любой схемы фазового

управления ДН определяются не только свойствами са-

мой схемы, по и особенностями применяемых в ней фазо-

вращателей. Поэтому ниже характеристики типичных

схем фазового управления ДН рассматриваются на осно-

ве описания отдельных типов фазовращателей.

Механические фазовра-

щатели. Простейшим меха-

ническим фазовращателем

является отрезок линии с пе-

ременной длиной (тромбон-

ного типа) (рис. 8-9). На де-

циметровом и сантиметровом

диапазонах скользящие кон-

такты могут быть заменены

бесконтактными дроссель-

ными соединениями.

Более сложный механиче-

ский фазовращатель с пере-

менной длиной основан на

свойствах двойного тройника

(рис.

8-10,а). Сигнал подает-

ся в одно из развязанных

Подвижная гении я

Скользящие

контакты

Вход

Выход

-0

Неподвижные секции

Рис 8 ч Механический фазо-

вращатель тромбонного типа

363

плеч, например в £-плечо двойного тройника. В другое

плечо (в нашем случае Я-плечо) он не поступает, а де-

лится поровну между волноводами 1 и 2. В каждом из

этих волноводов установлен короткозамыкающии пор-

шень; оба поршня жестко связаны между собой таким

образом, что разность длин отрезков волноводов от

тройника до поршней равна четверти длины волны

Двойной

вояноводный тройпш

г —"• •

*. ..

Sxod ВыхаЗ

а)

Рис 8-10. Механический фазовращатель

с двойным тройником (а); механический

фазовращатель с щелевым мостом (б)

в волноводе. В этом случае отраженные от поршней вол-

ны подходят обратно к плечам 1 я 2 тройника в проти-

вофазе и попадают только в Я-плечо. При этом фаза

волны, прошедшей всю систему, будет определяться

положением закорачивающих поршней.

Аналогично действует механический фазовращатель,

использующий свойства щелевого моста (рис. 8-10,6).

При соо1ветствующем выборе длины щели энергия, по-

ступающая в первое плечо, делится поровну между пле-

чами 2 и 3 моста и не поступает в плечо 4. Если в пле-

чах 2 и 3 на одинаковом расстоянии от щели устано-

вить короткозамыкающие поршни, то отраженные вол-

ны,

пройдя еще раз щелевой мост, сложатся в плече 4

Фаза ©олны на выходе этого плеча зависит от длины

пройденного ею пути, т. е. от положения поршней.

364

Механические фазовращатели, в которых меняется

длина линии, находят применение в решетках, управляе-

мых по последовательной схеме (рис. 8-7). Так как рас-

стояние по линии / между соседними излучателями ока-

зывается при этом значительным (больше, чем длина

волны в линии), то фазовый сдвиг ipi между ними опре-

деляется как

^ =

~1-п-2к,

(8-18)

где Л

—

длина волны в питающей линии;

—

целое число, выбираемое так, чтобы удовлетво-

рялось условие

Ы<я. (8-19)

В соответствии с этим ([см. (8-5)] направление глав-

ного максимума определяется равенством

cos б

гл

— п -j. (8-20)

Если обозначить через 6

направление главного макси-

мума в середине сектора качания, то отклонение

луча Аб от этого направления при изменении длины

отрезка линии между излучателями на А/ определится

из выражения

cos (6,-Д6)-cos 6, = ^. (8-21)

Отсюда следует, что увеличение длины линии уменьшает

угол б

гл

, т. е. луч при этом приближается к оси ре-

шетки.

Если заменить углы 6 на углы fr, отсчитываемые от

перпендикуляра к оси решетки, то становится очевид-

ным, что при малых углах fr

отклонение луча Afr при-

мерно прямо пропорционально изменению длины ли-

нии А/. При углах, больших ~10—15°, линейная зави-

симость нарушается.

При осевом излучении

АЬ

* ~ — 1Z

9 (8

22)

Для обеспечения равномерного оомотра пространства

изменение длины линии должно производиться неравно-

365

мерно Необходимый закон изменения длины может

быть определен по формуле (8-21).

Другую группу механических фазовращателей со-

ставляют отрезки линий, в которых тем или иным спо-

собом изменяется фазовая скорость. К ним относится

прежде всего прямоуголь-

ный волновод с регули-

руемой шириной. При

увеличении ширины вол-

новода фазовая скорость

уменьшается от бесконеч-

но большого значения

при а = а

кр

до скорости

света при а^оо (рис.

8-11). На первый взгляд

кажется, чго при этом

легко получить качание

ДН в большом секторе

углов. Однако это не вер-

но.

Диапазон изменения

фазовой скорости, кото-

рый можно использовать

в фазовращателе, значи-

тельно уже. Связано это с

тем, что при а—•акр резко

возрастают потери и падает предельная мощность, сле-

довательно, значения ширины волновода, близкие к кри-

тической ширине, не могут быть использованы Наимень-

шее значение ширины волновода необходимо выбрать

близким к стандартной для регулярного прямоугольно-

го волновода величине, приняв рабочую длину

волны за Ямакс рекомендованного для данного волновода

диапазона волн (см. например [ЛО. 23]). Это соответству-

ет соотношению

О 12 3 4

Рис 8-11. Зависимость фазовой

скорости в прямоугольном волно

воде от его ширины

/ — облить большого затухания, 2—об-

ласть малого затухания 3 — рабочая

область

1,7"

(8-23а)

При этом фазовая скорость примерно вдвое превышает

скорость света, а предельная мощность падает примерно

на 30—35%- Если в целях увеличения сектора качания

можио допустить увеличение потерь примерно в 2 раза

по сравнению с обычным волноводом, ю

(8-236)

366

Но и при этом фазовая скорость всего только примерно

в 3 раза больше скорости света. Следует иметь в виду,

что при

а =

мт1

предельная мощность снижается в этом

случае примерно в 2,5—3 раза.

С другой стороны, бесконечно увеличивать ширину

волновода тоже не удается из-за опасности возникнове-

ния в волноводе волн Н

п0

, гдеяЗз2. Поэтому

акс~0,95Л. (8-24)

Следовательно, перемещение широкой стенки волно-

вода может производиться в пределах

а„

..с—а

ин« (0,37-0,42)

(8-25)

Для того чтобы избежать появления вторичных главных

максимумов, расстояние между излучателями должно

быть меньше Я (см. рис. 8-4). С другой стороны, для

того чтобы направление главного максимума было

близко к перпендикуляру к оси решетки, возбуждение

излучателей должно быть близко к синфазному.

Последнее достигается в волиоводных антеннах

(у которых

l = d)

при й(~Л>Я. Следовательно, эти тре-

бования противоречивы.

Можно разрешить это противоречие, уменьшив в вол-

новоде (или другой линии) фазовую скорость до скоро-

сти света или еще больше. Для этого можно частично

заполнить волновод диэлектриком или ввести в него

ребристую замедляющую структуру. Однако эти меры

влекут за собой столь заметное увеличение потерь, что

могут применяться только в приемных антеннах, когда

к. п. д. не играет существенной роли.

В волноводных антеннах поэтому обычно применяют

переменнофазное возбуждение соседних излучателей.

При такой системе расстояние между излучателями d

примерно равно половине длины волны в волноводе, чтс

обеспечивает отсутствие в ДН вторичных главных ма-

ксимумов. Примерами таких антенн могут служить вол-

новодно-щелевая антенна с продольными щелями на ши-

рокой стенке (рис. 8-12а), волноводно-щелевая антенна

с наклонными щелями в узкой стенке (рис.

8-12.6)

и волноводио-вибраторпая антенна (см. рис. 5-18).

В первой антенне переменнофазное питание соседних

щелей достигается за счет их (размещения по разные сто-

роны ог средней линии, во второй

—

за счет наклона

367

щелей в противоположные стороны. Переменнофазное

питание вибраторов в третьей антенне обеспечивается их

разворотом на 180° один относительно'другого (см. гл.5).

Рис.

8-12. Волноводно-щелевые антенны

—

с продольными щелями на широкой стенке,

—

с наклонными щелями в узкой стенке

В антенных решетках с переменнофазным питанием

соседних излучателей фазовый сдвиг между ними opi

определяется как

(8-26)

. 2п .

тг.

Направление главного максимума ДН будет:

cos о

гл

Ad 2d

(8-27)

Для того чтобы обеспечить наименьшее изменение ши-

рины ДН и КНД в заданном секторе качания, надо раз-

местить этот сектор так,

чтобы его среднее на-

правление было перпен-

дикулярно оси решетки.

Однако такое решение

оказывается неудачным с

точки зрения согласова-

ния антенны с питающей

линией. Дело заключает-

160 165 170 175 1а0 185 191 195град СЯ В Следующем. Чтобы

„ о ю о izr-D луч был направлен по

Рис.

8-13. Зависимость КСВ в пи-

J t

тающем антенну волноводе от рас- перпендикуляру к оси

стояния между излучателями. решетки, все излучатели

368

'~2\-

КСВ

ОАЛ/

UWV uxcrz

должны возбуждаться в фазе, т. е. 2d должно равнять-

ся длине волны в волноводе Л. При этом отраженные or

всех излучателей (расстояние между ними равно Л/2)

волны на входе антенны складываются в фазе, что резко

нарушает ее согласование. При наклонном положении

луча 2d отлично от Л, и волны, отраженные от излучате-

лей, на входе антенны сдвинуты по фазе на некоторый

угол; в результате они взаимно компенсируются. КБВ

в питающей линии в этом случае близок к единице. На

рис.

8-13 показано изменение КСВ в волноводе, питаю-

щем многощелевую антенну [ЛО. 33].

Коэффициент отражения от входа волноводно-щеле-

вой антенны с параллельно возбуждаемыми щелями

определяется [ЛО. 33] по формуле

-Е

' , , •. v —

/а

2nd

«=1

вх

= — jf\ . (8-28)

+ J] —

(gn

'К)

и = 1

где g

-f- ib

—

полная нормированная проводимость л-й

щели;

—

коэффициент фазы в волноводе.

Если проводимости всех щелей одинаковы, то

Г- = -^—! %£-• (8-29,

Эта формула позволяет просто определить величину ко-

эффициента фазы (ао), при которой коэффициент отра-

жения первый раз обращается в нуль, а КБВ становится

равным единице:

n(N±\).

Отсюда определяется то минимально отличное

о г

Л/2

расстояние, при котором во всем рабочем диапазоне

согласование будет хорошим:

=4r

*•

°)

24—2541

369

Для того чтобы избежать появления вторичных макси-

мумов

во

всем диапазоне изменения Я,

формуле (8-30)

надо подставить Л

мии

и в ее

числителе взять знак минус,

т.

е.

Последнее связано

требованием, чтобы

во

всем рабо-

чем диапазоне изменений

расстояние между излуча-

телями

d не

оказывалось равным Л/2.

В рассматриваемых волноводных антеннах направ-

ление главного максимума связано

изменением

ши-

рины волновода соотношением, получаемым

из

(8-27):

созб

1Л

/1-(4)

(8-32)

Следовательно,

ДН

ближе всего

нормали

при

а =

ыакс

;

d~A

4IIH

Я/2^~

|/-1 —

(Я/2а-

ма

кс)

При

уменьшении ширины волновода

максимум ДН антенны

будет отклоняться

по

направлению

к оси

решетки в сто-

рону, обратную распространению волны. Максималь-

ное отклонение

ДН от

своего первоначального поло-

жения, если

мин

выбрано согласно равенству (8-23а),

оказывается порядка

30°.

Поэтому применение волноводов

регулируемой

шириной ограничено антеннами, работающими

с не-

большими секторами качания

ДН.

Бесконтактное соединение между подвижной

и не-

подвижной частями волновода обеспечивается

с по-

мощью четвертьволновых ловушек (см. [ЛО. 23]).

Фазовую скорость

волноводе можно также

из-

менять, погружая

него через продольную щель

ди-

электрическую

или

металлическую пластину,

также

вводя штыри

или

поперечные ребра. Кроме изменения

фазовой скорости,

при

этом возрастают потери,

так-

же снижается максимальная мощность, пропускаемая

волноводом.

Фазовая скорость

прямоугольном волноводе

с введенной

пего продольной металлической пласти-

ной может быть определена

по

приближенной формуле,

полученной

из

анализа эквивалентной схемы

для от-

резка такого волновода единичной длины

[Л. 7]:

370