76 УСТРОЙСТВА СВЧ И АНТЕННЫ - Страница 6

Зеркальная антенна (ЗА)  состоит  из слабонаправленного  из­лучателя  и  металлического  отражателя  электромагнитной   волны (рис.4.1). Электромагнитная волна, возбуждаемая слабонаправленным излучателем, направляется на отражатель и  после  отражения  им уходит в свободное пространство.

Отражатель имеет форму  параболоида, а фазовый  центр слабо-

на­правленного излучателя совмещен с фокусом отражателя. Таким  об­разом, на параболоид падают лучи, расходящиеся из его фокуса. Из­вестно, что в таком случае отраженные лучи (приближение геометри­ческой оптики)  становятся  параллельными. Благодаря этому  фор­мируется узкая характеристика направленности  (ХН)  и  получается большой коэффициент направленного             действия (КНД).

На  большом  расстоянии  от отражателя в силу дифракционных явлений лучи в некоторой степени расходятся. Однако  если  раз­меры отражателя достаточно велики по сравнению с длиной волны ко­лебаний  , расходимость их невелика и ХН получается узкой.

Очевидно,  что  принцип действия ЗА такой же, как оптического прожектора.  Поэтому, по аналогии с оптикой, отражатель ЗА  называют зеркалом.  Слабонаправленный из­лучатель  называют   облучателем зеркала.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВЧ

генератор

 

Рис. 4.1

Зеркало антенны может иметь форму  параболоида  вращения или параболического цилиндра. В рам­ках настоящего учебного курса мы будем  рассматривать  зеркало  в форме  симметричной  вырезки  из параболоида вращения. У такого зеркала два геометрических  разме­ра, которые можно  выбирать  независимо друг от друга -  фокусное расстояние   и угол раскрыва  (угол, под которым видно зеркало из его фокуса  ) (рис.4.2).  Важным  параметром зеркала является его диаметр : .

В качестве облучателей в ЗА  используются  различные  слабо­направленные излучатели, такие как  небольшие  рупорные  антенны, решетки из 2-3  электрических вибраторов или щелевых  излучателей и другие слабонаправленные антенны.  Важнейшими  характеристиками облучателя, существенно влияющими на свойства ЗА, являются  форма и ширина его ХН. Форма ХН  облучателя  определяется  его типом, а ширина - размерами излучающей  поверхности облучателя. Чем больше размеры, тем уже ХН облучателя.

При расчете электрических характеристик ЗА в первом приб­лижении ее заменяют поверхностью  с распределенным на ней не­прерывно фиктивным поверхностным током. Распределение амплитуд и фазы этого тока на  такое же, как распределение амплитуды и фазы поля волны, отраженной зеркалом.

Если зеркало - идеальный параболоид, а облучатель создает чисто сферическую волну и фазовый центр его точно совмещен с фо­кусом зеркала, поверхность  перпендикулярна лучам. В таком случае она является поверхностью равных фаз, а поэтому фаза фиктивного поверхностного тока на  везде одинакова (фазовых искажений нет).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.4.2

 

Амплитуда фиктивного поверхностного тока на    убывает о центра к краям (есть амплитудные искажения). Это обусловлено тем что максимум ХН облучателя ориентирован на центр зеркала, по этому в направлениях на крае зеркала он возбуждает поле более слабое, чем в направлении на центр зеркала.

Очевидно, что величину амплитудных искажений на  (уровень поля на краю по сравнению с центром) можно регулировать шириной ХН облучателя. Чем шире ХН облучателя, тем меньше амплитудные искажения.

Нормированное к единице распределение амплитуды фиктивного поверхностного тока на  описывается следующей формулой:

,                            (4.1)

где ; - ХН облучателя; .

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.3

Как известно,  ХН излучения тока (), непрерывно распределенно­го по плоской поверхности (по­верхность  ), представляет со­бой произведение ХН множителя непрерывной антенны и ХН элемен­та Гюйгенса () и имеет один основной лепесток  и серию боковых лепестков (рис.4.3):

 

(4.2)

где  - функция Бесселя;  - волновое число колебаний;  - угол между нормалью к  и направлением на точку наблюдения.

Основной лепесток перпендикулярен . Ширина его  зависит  от относительного диаметра , уменьшаясь    при  увеличении , и от величины амплитудных искажений на , увеличиваясь при увеличе­нии амплитудных искажений. Уровень боковых лепестков зависит от величины амплитудных искажений, уменьшаясь при увеличении искаже­ний.

КНД 3А () в рассматриваемом приближении пропорционален отно­сительной площади излучающей   поверхности антенны , так как увеличение относительного диаметра  приводит к уменьшению ширины ХН антенны:  .

Коэффициент пропорциональности  называется апертурным коэффициентом ис­пользования площади антенны. Он зависит от величины амплитудных искажений в распределении тока на , уменьшаясь при увеличении искажений из-за расширения основного лепестка ХН антенны:

(4.3)

В последней формуле интеграл в числителе определяет нормиро­ванную амплитуду поля зеркальной антенны в направлении  основного лепестка ее ХН. Квадрат его дает нормированную  плотность  потока отраженной зеркалом энергии в направлении  максимального  излуче­ния. Интеграл в знаменателе определяет нормированную мощность из­лучения облучателя, попадавшего  на  зеркало.  Он  пропорционален среднему значению  плотности потока энергии излучения, отраженной зеркалом, усредненному по всем направлениям.

ДН

облучателя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.4

При расчете электрических характеристик ЗА в первом  прибли­жении  не  учитывается ряд существенно влияющих  на них факторов. Наиболее существенный из этих факторов  состоит  в том, что часть энергии излучения облучателя не попадает на зеркало ("переливает­ся" через край зеркала) (рис.4.4).

Этот фактор не очень сильно влияет на ХН   3А, но существенно влияет на КНД, уменьшая его в раз: , где  - полная мощность энергии излучения облучателя; - мощность энергии из­лучения облучателя, попадающей  на зеркало.

Очевидно, что величина определяется шириной ХН  облучателя. Чем шире она, тем меньше :

(4.4)

 

где интеграл в числителе опреде­ляет мощность энергии  излучения облучателя, попадающей на зерка­ло,  а интеграл  в  знаменателе - полную мощность излучения  облу­чателя.