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

Подождите немного. Документ загружается.

где соотношение между s и I определяется с помощью

кривых на рис. 10-12,а:

*Щ'

(10-31)

В (10-31) v

—

коэффициент использования площади рас-

крыва рупора (КИП), который определяется с помощью

0,55

0,50

0,15

0,40

0,35

0,30

L™

0,32

0,30

0,28

0,26

V '

0,2

0 и

0,6

0 0J 0,2 0,3 0,4 0,5 0,5 0,7

Рис

10-13.

Зависимость между

КИП (v) пирамидального ру-

пора с «постоянным» К.НД и

величиной максимальной фазо-

вой ошибки в Я-плоскости (t),

выраженной в длинах волн.

Рис 10-12 Зависимость между

максимальными фазовыми

ошибками, выраженными п

//-плоскости It) и Я-плоскости „ ,„ ,„

(s) в длинах волн пирамидаль- кривой на рис. 10-13 ПО ВЫ-

ного рупора с «постоянным» бранному значению макси-

КНД. мальной фазовой ошибки в

Я-плоокости — t. Хотя вели-

чина I может быть взята произвольно, но следует все же

выбирать t>0,2, так как в этом случае углы раскрыва

рупора в Е- и Я-т1лоскостях получаются приблизительно

одинаковыми и рупор имеет весьма удобную форму.

Определив из (10-30) величину г

, далее поступают так

же,

как и при проектировании оптимального рупора.

Усиление спроектированного таким образом рупора

изменяется в пределах не более ±0,02 дб при изменении

часюты на ±5% относительно средней частоты, для кон-

торой рупор был спроектирован.

Экспериментальные ДН некоторых пирамидальных

рупоров приведены в гл. 11 на рис. 11-55—11-67.

10-5.

КОНИЧЕСКИЕ РУПОРЫ

Конические рупоры (рис. 10-5,е) возбуждаются обыч-

но круглым волноводом с основным типом волны — Яц.

В этом случае свойства конических рупоров в значитель-

ной степени сходны со свойствами 'пирамидальных рупо-

521

ров.

Расчет ДН конического рупора весьма сложен, и

обычно для этого пользуются графиками. Конические ру-

поры, как и другие типы рупоров, имеют оптимальные

размеры, которые могут быть определены с помощью

рис.

10-14. Длина оптимального рупора R, диаметр его

раскрыва D

и длина волны связаны соотношением

^ =

dx-°'

(Ю-32)

ДН оптимального рупора можно построить по данным

рис.

10-15. Если фазовые ошибки в раакрыве не очень

Рис 10-14 Зависимость размеров оптимальных

конических рупоров в длинах воли от величины

КНД.

велики, то ДН конического рупора можно приближенно

рассчитать по формулам для ДН открытого конца круг-

лого волновода с волной Н

[формулы (10-7) и (10-8)]

Типичная для оптимального конического рупора ДН по-

казана на рис. 10-16. В ^-плоскости ДН несколько уже,

чем в Я-плоскости. Чтобы ДН имела одинаковую шири-

ну в обеих плоскостях, следует применить рупор в виде

эллиптического конуса. Соотношение осей эллипса бе-

рется около 1,25, причем малая ось должна быть па-

раллельна вектору электрического поля. Эксперимен-

тальные ДН некоторых конических рупоров приведены

в гл. 11 (рис. 11-77—11-79).

522

КНД конического рупора можно определить по фор-

муле

j;6

= 201g

-L

(10-33)

где C=nD

, a L определяется с помощью кривой, при-

веденной на рис. 10-17.

—

\Ч

с?

е-

—

/,5 <? 3 V 5 6 8 10 15 1,5 2 3 Ч 5 6 8 10 15

а) 6)

Рис 10-15. Данные для построения ДН оптимальных

конических рупоров.

а — в //плоскости; б — Я-плоскости; / — первый минимум;

2 — первый побочный максимум; 3 — второй минимум;

с—от-

носительная амплитуда напряженности поля. 6° — угол,

отсчитываемый от оси рупора

Для оптимальных конических pynoipon КНД можно

определить по следующей 'приближенной формуле;

= 5'(-£

(10-34)

Следует отметить, что размеры оптимального кониче-

ского рупора близки к средним размерам оптимальных

Е- и //-плоскостных секторных рупоров, и поэтому раз-

меры оптимальных конического и пирамидального рупо-

523

20 40 U ЬО 0 ,'0 '/О СО ЬО 0 20 Ч'1 ьО 80

оI

Г"" I I I I L J J L

т зо fo И о w го :>> но :о

Рис.

10-16. Экспериментальные ДН конических рупоров Рупоры

(а) и (б) имеют раскрыв меньше оптимального, pvnop (о) —близ-

кий к оптимальному, а рупоры (г, д, с) — больше оптимального,

рупор (ж) является оптимальным.

—

ДН в Я-плоскости,

ДН в Z:-плоскости

524

ров,

имеющих одинаковый КНД, почти одинаковые. Вы-

бор того или другого типа рупора в конечном итоге опре-

деляется конструктивными соображениями.

дб

О 0,2л

0,l7i

0,6я 0,8я 1,0л 1,2ц

Рис 10-17 Зависимость поправочного

коэффициента L для опредетения КНД

конических рупоров от величины

макс>[.

мальной фазовой ошибки

10-6.

БИКОНИЧЕСКИЕ РУПОРЫ

Биконическии рупор образуется двумя усеченными

конусами, имеющими общую ось (рис. 10-5,ж), которые

возбуждаются в вершинах. Если угол при вершине кону-

са мал, а высота конуса порядка -^-нЯ, то такая антен-

на рассматривается как биконическии вибратор. Антен-

ну рассматривают как биконическии pynoip, если угол

при вершине 2ср

более 120°, а длина образующей конуса

много больше длины волны.

В биконнческом рупоре возбуждаются волны как

с вертикальной поляризацией, простейшей из которых

является волна типа ТЕМ, так и с горизонтальной поля-

ризацией (простейшая волна типа #<и). Методы возбуж-

дения биконического рупора показаны на рис. 10-18.

При возбуждении рупора круглым волноводом

(рис.

10-18,а) в последнем используются симметричные

типы волн #oi и Ец\. При применении волны Я

поле

в рупоре будет горизонтально поляризовано и, следова-

тельно, равно нулю на поверхности конусов, а макси-

мально в горизонтальной плоскости, проходящей через

вершину (волна в рупоре типа H

\). Если используется

525

л Л'

fua

~ IRK

тмакс

волна Е

ои

ТО поле в рупорь лмеет вертикальную поля-

ризацию и амплитудное распределение поля в верти-

кальной плоскости равномерное (волна в рупоре ти-

па ТЕМ).

Наиболее часто для возбуждения биконического ру-

пора применяется коаксиальный кабель. Способ возбуж-

дения, показанный на рис. 10-18,6, создает поле с вер-

<и

*/ Ч

Рис.

10-18. Способы возбуждения биконических рупо-

ров

а — о помощью круглого волновода с волной Е

(вертикальная

поляризация) или Н

(горизонтальная поляризация), б —с по-

мощью коаксиального кабеля (вертикальная поляризация), в

—

с помощью коаксиального кабеля (горизонтальная поляризация);

—

настраиваемый отрезок волновода. 2

—

круглый волновод,

—

коаксиальный кабель, 4

—

рамка

тикальной поляризацией, а возбуждение рупора с по-

мощью рамки (рис. 10-18,в) — поле с горизонтальной

поляризацией.

ДН биконического рупора в горизонтальной плоско-

сти не направленная для волн с любой поляризацией.

В вертикальной плоскости ДН зависит от типа волны и

размеров рупора — длины образующей / и угла при вер-

шине конуса 2ф

. ДН биконического рупора с волной

ТЕМ в вертикальной плоскости можно рассчитать, поль-

зуясь формулой для ДН ^-плоскостного секториального

рупора, т. е. формулой для ДН раскрыва о постоянным

амплитудным распределением и квадратичным измене-

нием фазы [формула (2-102)] Однако для того, чтобы

учесть действие кольцевого раскрыва, ДН £-плоскостно-

го рупора следует умножить на величину

<Р

ТЕМ

= sin 8/

(kR sin

/У,

(kR sin

0),

(10-35)

где /о и /i — функции Бесселя нулевого и первого поряд-

ка соответственно. Для биконического рупора о горизон-

тальной поляризацией ДН можно рассчитать по форму-

ле для ДН Я-шшскостного секториального рупора, т. е.

526

по формуле для ДН раскрыва с косинусоидальным рас-

пределением амплитуды и квадратичным распределе-

нием фазы [формула (2-105)]. Полученную ДН следует

умножить на множитель

Hti

= sin в/, (kR sin

f /1/

- (A-J Л (kR sin 6),

(10-36)

учитывающий эффект кольцевого раскрыва.

ДН соответствующих плоскостных секториальных ру-

поров могут быть построены с помощью юривых на

рис.

10-8 и 10-9 и уточнены, если это необходимо, с по-

мощью множителей (10-35) и (10-36).

КНД биконического рупора может быть вычислен по

формулам [Л0.28]:

для вертикальной поляризации

°^{

'Ш+

"Ш\

(10

37)

для горизонтальной поляризации

D = %-{[C(u) + C(v)Y+[S(u)+S(u)Y}, (10-38)

где С(х) и S(x) интегралы Френкеля (10-16), а функции

и к v такие же, как и в формуле (10-15), причем R

в этих формулах следует заменить на R.

Если радиус биконического рупора больше двух длин

волн, то КНД в децибелах можно вычислить по форму-

лам [ЛО. 11]:

для вертикальной поляризации

ffl6

=101g^~L

; (10-39)

для горизонтальной поляризации

0«6=lOlg^-(I„ +

O,91).

(10-40)

527

Величины Lff и L

зависят от величины максималь-

ной фазовой ошибки на краю рупора, равной.

и приведены на рис.

10-11.

Так же как и другие типы рупоров, бикониче-

ские рупоры имеют для заданных величин R и К такой

размер раскрыва а

, когда КНД максимален. Такие би-

конические рупоры называют оптимальными и для них

соотношение размеров и длины волны следующее.

Для вертикальной поляризации

= Y2Rl, (Ш-42)

а для горизонтальной

= /Щ (10-43)

КНД оптимальных руаоров равны:

вертикальная поляризация

Яде =

lg | + 3,57, (10-44)

горизонтальная поляризация

Рдб = 51гу- +

3,45.

(10-45)

Существует большое количество вариантов бикони-

ческих рупоров. Все эти антенны характеризуются тем,

что при достаточно большой высоте конусов отсутствуют

отражения от их краев (оснований). Это ведет к тому,

что входное сопротивление таких антенн практически

чисто активное и постоянное в очень широком диапазоне

частот.

10-7.

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ РУПОРОВ

Коробчатый рупор. Коробчатый рупор (рис. 6,а, б)

представляет собой закороченный на одном конце отре-

зок прямоугольного волновода, в котором могут распро-

страняться волны типа Ню, Н

о и #зо- Д

ля

этого размер

широкой стенки волновода должен быть выбран надле-

жащим образом. Размер узкой стенки этого волновода

528

часто выбирается равным размеру узкой стенки возбуж-

дающего коробчатый рупор волновода Возбуждающий

волновод может быть соединен

рупором либо непосред-

ственно (рис. 10-6,о), либо при помощи Я-плоскостного

сскториального рупора (рис. 10-6,6).

В коробчатом рупоре возбуждают волны типа

о,

причем соотношение амплитуд этих волн опреде-

ляется соотношением размеров широкой стенки возбуж-

дающего рупор волновода

а и

раскрыва рупора

в Я-

плоакости — a

. Наиболее благоприятным

точки зрения

получения максимального КНД является соотношение

-~0,35 (10-46)

при условии, что поля волн

Н\

раскрыве проти-

вофазны. Длина рупора

определяется

из

соотношения,

обеспечивающего противофазность полей волн Ню

n=iyi~y

)L,

(10-47)

где

Выполнение условий (10-46)

(10-47) обеспечивает

распределение амплитуд поля

по

раакрыву, близкое

к равномерному.

При возбуждении коробчатого рупора Я-плоскост-

ным рупором следует иметь

виду, что угол

не дол-

жен быть очень большим, чтобы

не

вызвать значитель-

ных фазовых ошибок

раскрыве коробчатого рупора.

Чтобы избежать недопустимых фазовых ошибок, следует

обеспечить выполнение условия

a'psin?„<4' П°-

)

где Л — длина волны

волноводе.

Основным преимуществом коробчатого рупора

является

его

компактность. Однако следует учитывать,

что это

его

преимущество перед Я-плоскостным секто-

риальным рупором существенно только при малых рас-

34—2541

529

крывах, порядка (1,6—4,7) X, что соответствует ширине

ДН порядка 55—67° на уровне 1/10 по мощности. Шири-

ну ДН на этом уровне при условии выполнения соотно-

шения (10-47) можно определить из формулы

Ог]

=100~. (10-49)

К недостаткам рупоров такого типа следует огнссги

большую зависимость ДН от частоты, чем для обычных

рупоров, а также повышенный уровень боковых лепест-

ков.

Последнее на так существенно при использовании

рупора в качестве облучателя, но большая чувствитель-

ность его к изменению частоты может ограничить рабо-

чий диапазон волн антенны.

Экспериментальные ДН некоторых коробчатых рупо-

ров приведены в гл. 11 (рис. 11-69—11-75).

Сегментно-параболический рупор. Такой рупор

(рис.

10-6,в) представляет собой по существу часть

сегмептно-параболической антенны (§ 11-7). Он удобен

тем, что позволяет существенно уменьшить длину //-пло-

скостного рупора, причем фазовые ошибки в раскрыве

полностью отсутствуют.

Проектирование такого рупора ведется обычно на

основе экспериментальных результатов. Можно указать

следующие исходные положения для проектирования

рупора:

1) фокус параболического цилиндра АМС должен

совпадать с концом волновода, питающего рупор;

2) плоскость конца волновода EFD должна образо-

вывать с осью 'параболы (осью Ох)угол 30°;

3) угол раскрыта рупора должен быть равен 60°,

4) плоскость раакрыва должна быть перпендикуляр-

на оси Ох, а линия АВ — параллельна;

5) фокусное расстояние образующей параболы вы-

бирается из условия

0,7(a

—0,933 а). (10-50)

ДН сегментно-параболического рупора можно при-

ближенно рассчитать по формулам для ДН синфазного

раскрыва с равномерным распределением амплитуды

поля в плоскости Е и косинусоидальпым в плоскости Н

[формулы (10-1) и (10-2)]

Основным преимуществом сегментно-параболического

рупора являются его небольшие размеры. Однако он

530