Краткие теоретические сведения. Общие методические указания

Общие методические указания

В отечественных метеонавигационных радиолокаторах (МНРЛ) применяются зеркальные антенны, которые в зависимости от режима работы МНРЛ формируют диаграмму направленности (ДН) двух видов: узкую симметричную "карандашного" типа и "веерную".

Ширина ДН определяет столь важные тактические параметры радиолокатора, как разрешающую способность и точность по угловым координатам. Поэтому ширина ДН является техническим параметром МНРЛ. Форма ДН подлежит контролю на этапах производства и ремонта радиолокатора. При этом следует учитывать влияние на результат измерения радиотехнических параметров обтекателя. Для контроля параметров антенн все шире применяются автоматизированные измерительные комплексы.

Во время выполнения лабораторной работы студенты имеют возможность на практике ознакомиться с конструкцией антенны МНРЛ "Гроза", исследовать ДН, измерить развязку между интенсивностями поля основной и паразитной поляризации, приобрести навыки работы на лабораторной установке, аналогичной установленным на ремонтных предприятиях ГА.

Цель работы

Целью лабораторной работы является:

1. Изучение особенностей конструкции и основных параметров зеркальных антенн.

2. Овладение методикой измерения ДН остронаправленных антенн.

3. Экспериментальное исследование развязки между интенсивностями поля основной и паразитной поляризации в различных режимах работы МНРЛ.

Краткие теоретические сведения

Осесимметричная ДН "карандашного" типа используется в МНРЛ (режим "Метео") для определения координат зон гидрометеообразований в передней полусфере ВС, представляющих опасность для полета ВС.

«Веерная» или косекансная, ДН (рис.1) применяется в режиме обзора земной поверхности (режим "Земля"), который необходим для получения радиолокационной карты местности, служащей для ориентации экипажа и обнаружения препятствий полету в виде горных массивов или отдельных вершин. В данном режиме МНРЛ измеряется наклонная либо горизонтальная дальность до цели и угол в горизонтальной (азимутальной) плоскости, характеризующий направление на цель. Форма ДН объясняется необходимостью равномерного облучения целей, расположенных на различной наклонной дальности R от самолета.

Пусть самолет движется на высоте , тогда напряженность электрического поля, создаваемого излучающей антенной у цели на поверхности земли, определяется как

,

где С- постоянный коэффициент; - ДН самолетной антенны в вертикальной (меридиональной) плоскости.

Рис.1

Для равномерного облучения поверхности земли напряженность поля при неизменной высоте полета не должна зависеть от угла . Это возможно при диаграмме направленности вида

где - постоянный множитель; - направление максимального излучения (см.рис.1).

Эту же ДН по мощности можно записать как

.

При изменении угла от 0 до 90° функция принимает значения от до 1. Это значит, что напряженность поля на поверхности сферы постоянного радиуса R должна изменяться от до какого-то минимального значения, отличного от нуля. Практически невозможно обеспечить изменение напряженности в таких пределах. Поэтому косекансную ДН можно получить в некотором ограниченном секторе.

ДН требуемой формы можно сформировать при помощи антенной решетки либо зеркальной антенны. В отечественных радиолокаторах преимущественно используются последние. Зеркальная антенна состоит из .облучателя, формирующего слабонаправленную ДН, и зеркала, преобразующего фронт волны, излучаемый облучателем в плоский (для получения "карандашной" ДН) или заданной формы (для косекансной ДН).

В соответствии с положениями геометрической оптики отражение электромагнитной волны будет зеркальным, если размеры отражающей поверхности (зеркала) и радиусы ее кривизны во много раз превышают длину волны, а неровности поверхности во много раз меньше длины волны. Для предотвращения потерь электромагнитной энергии поверхность выполняют металлической. В МНРЛ "Гроза" зеркало представляет собой армированное проводниками стекловолокно.

Наиболее широко применяется зеркало в виде параболоида вращения (рис.2).

Совместим начало прямоугольной системы координат с вершиной параболоида, ось Z с фокальной осью параболоида. Уравнение поверхности параболоида вращения имеет вид

,

где f- фокусное расстояние.

Рис.2

Размер раскрыва L связан с углом раскрыва посредством выражения

.

Поместим в фокусе F параболоида источник сферической волны. Рассмотрим луч, направленный под некоторым углом Ф относительно фокальной оси параболоида, который отражается от поверхности зеркала в точке А. В силу свойств параболоида отраженный луч образует угол с нормалью к поверхности в данной точке, равный . Тогда угол между падающим и отраженным лучом составляет Ф, что свидетельствует о параллельности отраженного луча фокальной оси. Последнее можно показать для любого луча, исходящего из фокуса и падающего на поверхность зеркала. Из определения параболы следует, что лучи пересекают плоскость, перпендикулярную оси 0Z (пунктирная линия на рис.2), пройдя равные расстояния от источника волны. Следовательно, параболоид вращения преобразует сферический фронт волны в плоский.

Диаграмму направленности зеркальной антенны рассчитывают по распределению токов на поверхности зеркала либо по распределению поля в ее раскрыве. Энергия электромагнитной волны, излученной облучателем, возбуждает на поверхности зеркала токи проводимости. Каждый элемент поверхности можно рассматривать в качестве элементарного источника поля (элементарного электрического вибратора). Направленные свойства всей антенны определяются интегрированием по площади зеркала выражения для напряженности поля, создаваемого элементарным источником поля. Метод расчета обеспечивает высокую точность в пределах некоторого сектора, включающего главный лепесток ДН. Погрешность результатов определяется токами, затекающими на обратную сторону зеркала, рассеянием отраженных от зеркала волн облучателем и элементами его крепления, влиянием которых пренебрегают. Основным недостатком метода расчета является сложность.

Второй метод расчета, называемый апертурным, основан на рассмотренном выше лучевом распространении радиоволн от облучателя к зеркалу, что упрощает расчет, но прибавляет к погрешностям, свойственным первому методу, дополнительные.

Относительное распределение амплитуды напряженности поля в раскрыве при размещении облучателя в фокусе параболоида, записывается формулой [2]

, (1)

где ;

Ф- угол между фокальной осью и лучом, направленным в некоторую точку поверхности зеркала (см.рис.2); R- радиус раскрыва, ограниченный текущим значением угла Ф; - угол между проекцией на плоскость УОХ радиуса R, проведенного в рассматриваемую точку поверхности зеркала, и осью X (на рис.2 ).

Диаграмму направленности антенны для распределения (1) рассчитывают по выражению

.

Здесь - фазовый множитель; - угол между осью 0Z и прямой, направленной на точку приема (см.рис.2); - угол между осью 0Х и проекцией на плоскость раскрыва прямой, направленной к точке приема.

При получаем ДН в вертикальной плоскости, а при -в горизонтальной. Если облучатель обладает симметричной относительно фокальной оси диаграммой направленности, то ДН всей антенны также будет осесимметричной, но в отличие от ДН облучателя остронаправленной "карандашного" типа.

Ширина ДН зеркальной антенны зависит от распределения поля в раскрыве, которое в основном определяется формой ДН облучателя. Если" распределение поля синфазно и равномерно, то ширина диаграммы направленности будет наименьшей, а коэффициент направленного действия в направлении максимального излучения (ось 0Z на рис.2) рассчитывается по формуле

, (2)

где S- площадь раскрыва.

В случае произвольного распределения в выражение (2) вводится коэффициент использования площади раскрыва, величина которого не превышает единицы:

. (3)

На практике часто используют синфазное неравномерное распределение. Для параболоида вращения с осесимметричной ДН облучателя распределение поля в раскрыве, приведенное к единице, можно аппроксимировать параболической функцией

. (4)

Здесь - разность между значениями относительных амплитуд напряженности поля в центре и на краю раскрыва.

Коэффициент использования площади раскрыва для распределения (4) рассчитывают по выражению [2]

Его значение изменяется от 1 при до 0,75 при .

Реальное значение коэффициента направленного действия меньше рассчитанного по формуле (3) вследствие затенения части поверхности раскрыва облучателем и элементами его крепления. Уменьшение коэффициента направленного действия характеризуется коэффициентом затенения:

.

Методика определения величины приведена в работе [2].

Коэффициент усиления зеркальной антенны определяется формулой

,

в которую, помимо коэффициента полезного действия , характеризующего тепловые потери энергии в металлических и диэлектрических элементах конструкции антенны, введен коэффициент перехвата , показывающий, насколько эффективно используется энергия электромагнитной волны, излучаемой облучателем. Это связано с тем, что угол раскрыва, как правило, меньше ширины главного лепестка ДН облучателя. Коэффициент перехвата равен отношению доли мощности излучения, направляемой в раскрыв, к полной мощности излучения облучателя.

Противоречивость требований к зеркальной антенне состоит в том, что наилучшие направленные свойства достигаются при равномерном синфазном распределении и низком . Увеличение коэффициента перехвата сопровождается ростом ширины ДН антенны. Оптимальным для параболоида вращения считается уровень плотности мощности на краю зеркала, равный 0,1 или -10дБ.

Синфазность распределения в раскрыве обеспечивается строгим соответствием поверхности зеркала требуемой форме. Для достижения приемлемого значения фазовой погрешности в раскрыве допуск при изготовлении поверхности зеркала не должен превышать [2].

Выше рассмотрено формирование осесимметричной ДН. Косекансную диаграмму направленности формируют зеркала со специальным профилем в вертикальной плоскости (рис.3). Внизу рисунка линия профиля отклоняется от параболического закона (соответственно позиции 1 и 2 на рис.3). Эта область поверхности зеркала, перераспределяя плотность мощности в пространстве, создает косекансную часть ДН антенны. В МНРЛ "Гроза" косекансная ДН формируется при помощи козырька, установленного поверх параболической поверхности, аналогично изображению на рис.3. Козырек изготовляют из стекловолокна, армированного горизонтальными проводниками. В режиме обзора земной поверхности облучатель излучает электромагнитную волну, поляризация которой изменяется через каждый период обзора. При горизонтальной поляризации козырек отражает радиоволны ("веерная" ДН), а при вертикальной - ра-диопроэрачен (осесимметричная ДН). Изменение поляризации излучае-мих колебаний производится при помощи ферритового фазовращателя, установленного в волноводе, питающем облучатель.

Рис.3 Рис.4

Вращение плоскости поляризации волны осуществляется путем подачи на обмотку ферритового фазовращателя напряжения 0.5...3(В) в режиме осесимметричной ДН и 8...26(В) в режиме косекансной ДН. Конкретное значение напряжения на обмотке определяется экспериментальным путем. Напряжения установлены правильно, если развязка между основной и паразитной поляризацией составляет не менее 15 дБ в режиме "карандашной" ДН и не менее 13 дБ в режиме косекансной ДН.

В зеркальных антеннах применяются вибраторные, щелевые и рупорные облучатели. В зависимости от частотного диапазона вибраторные облучатели могут быть с коаксиальным (ОВЧ, УВЧ) либо волноводным питанием (УВЧ, СВЧ). Чаще других используется двухвибраторный облучатель, включающий активный вибратор и рефлектор, ДН которого в Е плоскости уже, чем в Н. У четырехвибраторного облучателя, образованного параллельным размещением двух двухвибраторных антенн в Н плоскости, осевая симметрия ДН улучшается.

Щелевой облучатель представляет собой прямоугольный резонатор, в стенке которого, обращенной к зеркалу, прорезаны две щели на расстоянии друг от друга. Для согласования резонатора с питающим волноводом служит поршень, изменяющий объем резонатора. Рупорная антенна позволяет формировать ДН требуемой формы и, кроме того, в отличие от вибраторного и щелевого облучателей обладает широкой полосой пропускания, ограничиваемой частотными свойствами волновода.

В MHPJI "Гроза" применяется волноводный облучатель обратного излучения. Открытый конец волновода круглого сечения 1 (рис.4), обладающий слабонаправленной ДН, облучает дисковый рефлектор 2. Отражаясь от рефлектора, электромагнитная волна направляется на поверхность зеркала. Дисковый отражатель крепится к волноводу посредством диэлектрической вставки. Важным достоинством волноводного облучателя обратного излучения по сравнению с рупорным является малая величина коэффициента затенения.

При исследовании характеристик зеркальных антенн необходима вспомогательная антенна, в качестве которой чаще всего используют рупорные антенны. При этом достаточно просто решается задача размещения остронаправленной антенны в волновой зоне вспомогательной антенны и устраняется влияние многолучевости распространения радиоволн на результат исследования.

Минимальное допустимое расстояние между остронаправленными антеннами определяется по формуле

,

где , - соответственно размеры раскрыва исследуемой и вспомогательной антенн в плоскости, в которой проводится измерение; - длина волны излучения.

Высоту подвеса антенн h выбирают с учетом того, чтобы электромагнитная волна при распространении от вспомогательной антенны (точка В на рис.5) лучом, отраженным от подстилающей поверхности, не попадала в исследуемую антенну, помещенную в точку А.

Рис.5

Условие устранения отраженных лучей записывается в виде

.

Здесь R- расстояние между антеннами; - половина ширины ДН вспомогательной антенны по нулевому уровню.

Измерение ДН должно производиться для антенны с обтекателем либо известные характеристики обтекателя должны учитываться в результатах измерения. В противном случае возможны пеленгационные погрешности.

Поиск по сайту: