Типы моноимпульсных облучателей

 

При проектировании моноимпульсных антенн могут быть применены облучатели, состоящие из системы полуволновых ‚вибраторов, щелей, различных‚ комбинаций открытых концов волноводов и вибраторов, рупоров и др.‚ удовлетворяющие следующим основным требованиям:

1. Суммарная диаграмма направленности как в плоскости вектора  , так и в плоскости вектора , должна обеспечивать синфазное распределение поля в раскрыве антенны; одна разностная диаграмма направленности должна обеспечивать противофазное распределение поля только в плоскости вектора, другая - в плоскости вектора  .

2. Облучатель не должен излучать энергию в направлении, противоположном основному излучению, так как это излучение искажает суммарную диаграмму направленности и приводит к отклонению «нуля» разностных диаграмм направленности.

3. Диаграмма направленности по суммарному каналу должна обеспечивать получение максимального коэффициента направленного действия, а по разностным каналам - максимальную крутизну пеленгационной характеристики [Л 3].

4. Облучатель должен иметь минимальные поперечные габариты.

Рассмотрим принцип работы и расчет некоторых типов облучателей.

 

Вибраторный облучатель

 

Простейший моноимпульсный вибраторный облучатель состоит из четырех полуволновых вибраторов, возбуждаемых, например, коаксиальными линиями (рис. 11.3). Коаксиальные линии в свою очередь возбуждаются с помощью гибридной волноводной схемы 5, выполненной в виде системы коаксиальных тройников, кольцевых мостов или свернутых двойных тройников, имеющей три входа: суммарный , разностный  и разностный . Гибридная схема должна быть построена таким образом, чтобы полностью исключалась возможность попадания мощности из суммарного канала в разностные, и наоборот.

 

 

При синфазном возбуждении электрических вибраторов (рис. 11.3‚б) формируется суммарная диаграмма направленности. Токи , ,  и  в этом случае во всех четырех вибраторах имеют одинаковое направление. Возбуждение этих вибраторов осуществляется через канал  .

Формирование разностной диаграммы направленности в магнитной плоскости  осуществляется с помощью

 

Рис. 11.3. Схема моноимпульсного вибраторного облучателя.

 

мощью канала , который обеспечивает противофазное возбуждение левой и правой пар электрических вибраторов (рис. 11.3‚в). В этом случае токи  и  имеют одинаковое направление, а  и  - противоположные им.

Формирование разностной диаграммы направленности в электрической плоскости  осуществляется с помощью канала , который обеспечивает противофазное возбуждение верхней и нижней пар электрических вибраторов. В этом случае токи  и  имеют одинаковое направление,  и  противоположные им (рис. 11.3‚ г).

 

Важно, чтобы гибридное устройство 5 обеспечивало одинаковый подвод мощности от суммарного  и разностных  ,  каналов к каждому из вибраторов (1, 2, 3, 4). Только в этом случае как суммарная, так и разностные диаграммы направленности будут иметь симметричную, относительно продольной оси облучателя, форму. В рассматриваемом варианте облучателя гибридное устройство должно обеспечивать подвод к каждому вибратору как от суммарного, так и от разностных каналов одну четвертую часть мощности. Наличие контррефлектора 6, который может быть выполнен в виде прямоугольной пластины или‚пассивных вибраторов, обеспечивает направленное излучение. Несимметричность питания вибраторов при использовании коаксиальных линий может быть устранена с‚ помощью различного рода симметрирующих устройств, например четвертьволновых стаканов.

 

Р а с ч е т  д и а г р а м м ы    н а п р а в л е н н о с т и

в и б р а т о р н о г о  о б л у ч а т е л я

 

Поле в любой точке пространства такого облучателя определяется как сумма полей всех вибраторов, а при наличии контррефлектора с учетом их зеркальных изображений.

Для трехканального- облучателя, состоящего из четырех электрических вибраторов с общим контррефлектором в виде прямоугольной пластины
(рис. 11.3), получаются следующие формулы для расчета диаграмм направленности:

 

 

- суммарная диаграмма направленности;

 

 

- разностная диаграмма направленности в магнитной плоскости;

 

 

- разностная диаграмма направленности в электрической плоскости;

Для трехканального облучателя, состоящего из полуволновых вибраторов и контррефлектора, расположенного на расстоянии  ‚ получаются следующие формулы для расчета диаграммы направленности в главных плоскостях

 

                   (11.1)

 

- суммарная диаграмма направленности в магнитной плоскости:

 

           (11.2)

 

- суммарная диаграмма направленности в электрической плоскости

 

                  (11.3)

 

- разностная диаграмма направленности в магнитной плоскости;

 

          (11.4)

 

- разностная диаграмма направленности в электрической плоскости,

где  - волновое число; а - расстояние между вибраторами в магнитной плоскости; b - расстояние между вибраторами в электрической плоскости.

 

 

Ширина как суммарной, так и разностных диаграмм направленности такого облучателя зависит от размеров a и b (рис. 11.3). Выбор геометрических размеров облучателя и расчет входных сопротивлений может быть проведен по методике, рассмотренной в работе [Л 4].

 

Волноводно-вибраторньай облучатель

 

Облучатели, состоящие из электрических вибраторов, возбуждаемых открытым концом волновода, широко используются в качестве первичных источников различных типов одноканальных антенн. Возбуждая электрические вибраторы несколькими плоскими волноводами, можно сформировать суммарную и разностные диаграммы направленности. Моноимпульсный волноводно-вибраторный облучатель состоит из n - числа электрических вибраторов, установленных на металлической пластине, возбуждаемых, например, четырьмя плоскими волноводами (рис. 11.4). Волноводы в свою очередь возбуждаются

 

Рис. 11.4. Схема моноимпульсного волноводно-вибраторного облучателя.

 

системой свернутых двойных тройников, образующих гибридную схему с тремя входами: суммарным  и двумя разностными ().

При возбуждении суммарного канала в гибридной схеме возникают колебания типа  ‚ которые распространяются в волноводах (1, 2, 3, 4) и обеспечивают синфазное возбуждение электрических вибраторов (рис. 11.4‚ б). В результате этого, как в плоскости вектора , так и в плоскости вектора   формируется суммарная диаграмма направленности.

При возбуждении разностного канала  в волноводах 1, 2 и З, 4 возбуждаются волны  с фазами, отличающимися на 180° (рис. 11.4‚ в)‚ в результате чего токи в вибраторах 5 и об имеют противоположные направления. Это обеспечивает формирование разностной диаграммы направленности в магнитной плоскости.

Разностная диаграмма направленности в электрической плоскости формируется за счет возбуждения с помощью канала  противофазных волн  соответственно в волноводах 1, З и 2, 4 (рис. 11.4‚ г). В этом случае токи в вибраторах 5 и 6, находящихся над металлической пластиной 7, отличаются по фазе на 180° от токов этих же вибраторов, находящихся‚ под металлической пластиной. Контррефлектор 8, как и в случае вибраторного облучателя, обеспечивает направленное излучение в сторону зеркала. Число вибраторов выбирается в зависимости от требований к ширине суммарной и разностной диаграммам направленности.

 

Р а с ч е т  д и а г р а м м  н а п р а в л е н н о с т и
в о л н о в о д н о г о - в и б р а т о р н о г о  о б л у ч а т е л я

 

Решение задачи сводится к определению амплитудных и фазовых соотношений токов всех излучающих элементов моноимпульсного облучателя, обеспечивающих формирование суммарной и разностных диаграмм направленности. При решении этой задачи предполагается, что вибраторы и плоские волноводы, предназначенные для возбуждения электрических вибраторов - идеализированные электрические и магнитные излучатели. Соотношения амплитуд и фаз токов облучателей, состоящих только из электрических или только из магнитных вибраторов, вычисляются‚ по взаимным сопротивлениям [Л0 6], для расчета которых применяется метод

 

наводимых э. д. с. Этот метод может быть применен и для расчета введенных нами «коэффициентов связи» между электрическим вибратором и плоским () волноводом с произвольным размером Широкой стенки а (рис. 11.5).

Используя выражение для вектора электрического поля через векторные потенциалы

 

                    (11.5)

 

и принимая во внимание, что распределения токов

 

Рис. 11.5. К расчету коэффициентов связи  между электрическим вибратором и плоским волноводом.

 

в электрическом вибраторе () и волноводе («магнитном вибраторе»)  имеют вид

 

после соответствующих преобразований получаем следующие выражения для активной () и реактивной () составляющих поля, наведенных у поверхности электрического вибратора

 

 

где

 

 

Активные и реактивные мощности, расходуемые на излучение электрическим вибратором за счет влияния волновода, соответственно равны

 

 

где

×                             (11.6)

 

 

×                                       (11.7)

 

- безразмерные коэффициенты, характеризующие связь между вибратором и волноводом в зависимости от а, L, Z, C. Интегралы, входящие в (11.6) и (11.7)‚ не выражаются известными функциями, поэтому зависимости  были определены путем численного интегрирования и приведены в табл. 11.1 и 11.2.

Расчет суммарной и разностных диаграмм направленности волноводно-вибраторного облучателя основан на следующих предположениях:

1. Влияние стенок волновода и кромок металлической пластины, предназначенной для крепления вибраторов, не учитывается.

2. Размеры контррефлектора и пластины для крепления вибраторов принимаются неограниченными.

3. Отраженные волны отсутствуют (к. б. в.=1).

Перечисленные предположения существенно упрощают решение задачи и в то же время‚ позволяют с достаточной для инженерной практики точностью проводить оценочные расчеты таких облучателей.

Формулы выводятся для облучателя, представляющего собой решетку, состоящую из системы волноводных

 

Рис. 11.6. К расчету суммарной и разностных диаграмм направленности моноимпульсного облучателя.

 

и вибраторных точечных источников, взаимные фазы и амплитуды тока которых определяются по коэффициентам связи «К» (табл. 11.1 и 11.2) и взаимным сопротивлениям [ЛО 1, ЛО 6].

Для волноводно-вибраторного облучателя (рис. 11.6) получаем следующую общую формулу для расчета «суммарной ‚и разностных диаграмм направленности (по мощности):

 

 ,                            (11.8)

 

при этом .

Для расчета суммарной диаграммы направленности  и  определяются по следующей формуле:

 

 ,                                   (11.9)

 

где  ,  и  ,  - модули и фазы токов электрических вибраторов 1 и 2 относительно волновода:

 

 

здесь

 

 

 ,  - активные и реактивные коэффициенты связи из табл. 11.1 и 11.2 ( и  - из табл. 11.1, а  - из табл. 11.2); R; X; ; ;  - собственные (R, X) и взаимные (  ,  ,  ,  ) - активные и реактивные сопротивления электрический вибраторов [ЛО 1, ЛО 4];

 

                             (11.10)

 

-диаграммы направленности сдвоенного волновода и

 

вибратора в плоскости ,

где и соответственно  ,
                                      (11.11)

 

- диаграммы направленности волновода и вибратора в плоскости .

Для расчета разностной диаграммы направленности в магнитной плоскости  и  определяются по следующей формуле:

 

 ,                     (11.12)

 

 и  - по формулам (11.10).

 

Разностная диаграмма направленности в электрической плоскости, формируемая противофазными волнами ‚ рассчитывается для каждой полуплоскости по формулам (11.8)‚ (11.9)‚ (11.11)‚ при этом поле в секторе

углов  (верхняя полуплоскость) берется со знаком +, а в секторе  (нижняя полуплоскость) со знаком —.

 

Щ елевой облучатель

 

Щелевой моноимпульсный облучатель состоит из четырех (полуволновых щелей, прорезанных в металлическом экране (рис. 11.7). Возбуждение этих щелей можно осуществить так же, как и в случае вибраторных облучателей: коаксиальными линиями (или волноводами. При синфазном возбуждении всех щелей (рис. 11.7‚ а) как и в плоскости вектора , так и в плоскости вектора

 формируется суммарная диаграмма направленности. При противофазном возбуждении левой и правой пар щелей (рис. 11.7‚ б) и верхней и нижней пар щелей (рис. 11.7‚ в) формируются разностные диаграммы направленности соответственно в плоскостях векторов  и  .

Суммарная и разностные диаграммы направленности щелевого облучателя рассчитываются как ДН решеток,

 

возбуждаемых синфазно или попарнопротивофазно:

- суммарная диаграмма направленности, где

 

- разностная диаграмма направленности в электрической плоскости;

 

 

Для облучателя, состоящего из четырех полуволновых щелей (), формулы для расчета диаграмм направленности

 

Рис. 11.7. Схема моноимпульсного щелевого облучателя.

 

 

в главных плоскостях принимают вид

 

                        (11.13)

 

- суммарная диаграмма направленности в магнитной плоскости ();

 

                              (11.14)

 

-  суммарная диаграмма направленности в электрической плоскости
();

 

                       (11.15)

 

- разностная диаграмма направленности в магнитной плоскости ();

 

                             (11.16)

 

- разностная диаграмма направленности в электрической плоскости
().

Синфазное пи попарнопротивофазное возбуждение щелей обеспечивается гибридной схемой с тремя входными каналами: суммарным , Е и двумя разностными ,  . Расчет проводимости, резонансной длины и других параметров щелей может быть проведен по методике, приведенной в работе
[Л 4].

 

Рупорные облучатели

 

Рупорный моноимпульсный облучатель (рис. 11.8‚ а) состоит из одного общего раскрыва, разделенного перегородками.на четыре или две секции. В случае четырехсекционного рупора формирование суммарной диаграммы направленности осуществляется за счет синфазного возбуждения всех секций волнами  (рис. 11.8‚ б)‚ а разностных - попарнопротивофазного возбуждения: в магнитной плоскости левой и правой пар секций (рис. 11.8‚в)‚ в электрической - верхней и нижней пар секций (рис. 11.8‚ г).

 

 

В двухсекционном рупоре (рис. 11.8‚ д ‚ е, ж, вертикальной пластины нет) суммарная диаграмма направленности формируется за счет синфазного возбуждения верхней и нижней секций волнами  (рис. 11.8‚ д). Разностная диаграмма Направленности в магнитной плоскости формируется за счет возбуждения в верхней и нижней

 

Рис. 11.8. Схема моноимпульсного рупорного облучателя.

 

секциях синфазных волн  (‚рис 11.8‚ е)‚ так как устранение вертикальной перегородки и горизонтальный размер рупора обеспечивают возникновение и распространение этого типа колебаний. Формирование разностной диаграммы направленности ‚в электрической плоскости достигается за счет возбуждения противофазных волн  в верхней и нижней секциях рупора (рис. 11.8‚ ж).

Диаграммы направленности по полю такого рупорного облучателя получены с учетом явления дифракции на прямоугольном отверстии, возбуждаемом соответствующим

 

типами волн:

 

- суммарная диаграмма направленности, где

- разностная диаграмма направленности в магнитной плоскости, где

- разностная диаграмма направленности в электрической плоскости.

Диаграммы направленности в главных плоскостях  и  соответственно имеют вид

                    (11.17)

                (11.18)

 

 

- суммарная диаграмма направленности в плоскости  и , формируемая синфазными волнами  ;

                   (11.19)

 

- разностная диаграмма направленности в плоскости  , формируемая синфазными волнами ;

                  (11.20)

 

- разностная диаграмма направленности в плоскости  , формируемая противофазными волнами  , где