Файл: Каплун, В. А. Обтекатели антенн СВЧ (радиотехнический расчет и проектирование).pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.10.2024
Просмотров: 108
Скачиваний: 2
Г Л А В А 2
ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ АНТЕННЫ
СОБТЕКАТЕЛЕМ
2.1.ПРИЧИНЫ ИСКАЖЕНИЯ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ ОБТЕКАТЕЛЯМИ. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ
Задача электродинамического расчета обтекателя сводится к рас чету и оценке влияния обтекателя на характеристики излучения рас положенной под ним антенны. В первую очередь это касается величины коэффициента усиления, искажений основного и боковых лепестков, гіространственного смещения диаграммы направленности, а для антенн» работающих по методу равносигнальной зоны, — отклонения равно сигнального направления и скорости изменения этого отклонения в за висимости от поворота антенны (градиент угловой ошибки). Таким об разом, оказывается необходимым уметь рассчитывать диаграмму на правленности систем «антенна — обтекатель».
Строгое решение этой задачи может быть получено лишь для огра ниченного числа случаев: при простейших геометрических формах по верхностей обтекателя, таких, как плоскость, цилиндр, сфера и т. п. и простых излучающих системах (элементарный диполь, плоская вол на). Для обтекателей произвольной формы следует исходить из при ближенных методов расчета, сводящихся к введению приближений и раздельному учету влияния различных элементов обтекателя на ис следуемые характеристики.
Рассматривая процесс излучения антенны при наличии обтекателя и анализируя получаемые характеристики систем антенна — обтека тель, можно прийти к заключению, что существуют следующие основ ные факторы, приводящие к искажению диаграмм направленности за счет влияния обтекателя:
во-первых, фазовые и амплитудные искажения фронта проходящей через обтекатель волны за счет различных набегов фазы и отражений от поверхности обтекателя для разных участков волнового фронта па дающей волны;
во-вторых, вторичные волны, возбуждаемые падающей волной на участках обтекателя с резкими нарушениями регулярности его поверх ности или участках, радиусы кривизны которых соизмеримы с длиной волны;
в-третьйх, поверхностные волны, возбуждаемыеладающей волной на обтекателе; * . - ; .
в-четвертых, многократные отражения между поверхностью обте кателя и раскрывом антенны.
При оценке значимости каждого фактора в создаваемых искажениях целесообразно все обтекатели разбить на два класса, К первому следует
•отнести обтекатели, поверхность которых регулярна и радиусы ее кри визны существенно больше длины волны; ко второму — обтекатели, поверхность которых имеет нарушения регулярности (однородности) или участки с радиусами кривизны, соизмеримыми с длиной волны. К наиболее характерным неоднородностям обтекателей второй группы, чаще всего встречающимся на практике, можно отнести излом в виде двугранного угла (например, у обтекателей, устанавливаемых в кром ке крыла, на киле самолета), вершину и область вблизи нее у носовых обтекателей.
Обтекатели, удовлетворяющие первому условию, можно назвать регулярными; второму — нерегулярными.
Несложный анализ показывает, что при использовании регулярных обтекателей искажения диаграмм направленности возникают в основ ном из-за амплитудных и фазовых искажений фронта прошедшей волны и в отдельных случаях из-за многократных отражений.
Благоприятные условия для многократных отражений возникают лишь в ограниченном числе случаев, когда обтекатель представляет собой плоскую (или почти плоскую) поверхность, а раскрыв антенны располагается параллельно (или почти параллельно) этой поверхности. В этом случае появляются дополгіительные многократные переизлучения раскрывом антенны отраженной обтекателем энергии и, как следствие, — дополнительное искажение диаграммы направленности за счет интерференции. Однако в большинстве случаев условия разме щения антенн на летающих объектах и формы обтекателей таковы, что многократные отражения в системе антенна — обтекатель достаточно малы и в первом приближении могут не приниматься во внимание. Поэтому при рассмотрении регулярных обтекателей, располагаемых на летающих объектах, и связанных с ними искажений диаграмм на правленности антенн следует главное внимание обращать на амплитуд ные и фазовые искажения обтекателем фронта электромагнитной вол ны, излучаемой или принимаемой антенной*.
Расчет диаграммы направленности антенны с учетом обтекателя в данном случае состоит из двух этапов: нахождения искаженных об текателем амплитудных и фазовых характеристик прошедшей волны и из расчета по этим характеристикам диаграммы направленности ан тенны в дальней зоне. Таким образом, для успешного решения этой за дачи прежде всего должен быть рассмотрен вопрос прохождения плос ких волн через неплоскую поверхность обтекателя и изысканы пути упрощения этой сложной задачи.
При аналогичном рассмотрении нерегулярных обтекателей нетрудно заключить, что искажения, вносимые ими в диаграммы направленности, связаны с первыми тремя отмеченными факторами.
* Для плоских или близких к ним по форме обтекателей необходим учет многократных отражений
18
Действительно, форма нерегулярных обтекателей такова, что фронт прошедшей плоской волны, во-первых, претерпевает значительные амплитудные и фазовые искажения за счет большой разности в углах падения для различных участков волнового фронта и существования углов падения, близких к скользящим; во-вторых, возбуждает вторич ные волны на участках обтекателя с большой кривизной или неодно родностями; в третьих, создает поверхностные волны, дающие допол нительное излучение в направлениях, близких к направлениям основ ного лепестка диаграммы направленности (например, излучение с вер шины носовых остроконечных обтекателей, с вершины двухгранного угла и т. п.).
При расчете диаграмм направленности антенны совместно с нерегу лярным обтекателем необходимо определять амплитудные и фазовые характеристики фронта прошедшей волны с учетом всех упомянутых факторов. Строгий учет этих искажений в общем случае — сложная дифракционная задача, решение которой в настоящее время встречает серьезные трудности. Поэтому нам представляется целесообразным рассмотреть эти факторы раздельно.
Такой подход вполне оправдан, так как на практике наиболее ве роятны ситуации, при которых лишь одна из причин имеет преимущест венное значение. Например, в крупногабаритных остроконечных обте кателях носового типа наибольший вклад в искажения диаграмм на правленности вносят амплитудные и фазовые искажения, появляющие ся при прохождении падающей волны через обтекатель, а вторичные волны дают лишь небольшие добавочные искажения; при использова нии малых по размерам носовых обтекателей наиболее существенное значение в искажениях играют уже вторичные волны и т. п.
При рассмотрении первого фактора — нахождение амплитудных и фазовых искажений волнового фронта волны, прошедшей через стен ки нерегулярного обтекателя, — мы приходим к той же задаче, что и при рассмотрении регулярного обтекателя — к задаче о прохожде нии плоских волн через неплоскую поверхность обтекателя.
При оценке второго фактора из всего многообразия нерегулярных обтекателей и неоднородных элементов их поверхности рассматривают ся только наиболее типичные формы обтекателей, особенности которых могут быть распространены на обтекатели других форм, и наиболее ха рактерные элементы их поверхности, вносящие основной вклад в иска жения поля антенны. В качестве таковых мы выбрали конический остроконечный обтекатель и излом поверхности в виде двугранного угла (полый диэлектрический клин).
Таким образом, возникает задача о дифракции плоской электромаг нитной волны на этих телах.
При рассмотрении третьего фактора — воздействие поверхностных волн на характеристики излучения антенны — представляется целе сообразным принять во внимание то обстоятельство, что поверхностные волны могут возникать при падении сферических волн на плоский ди электрический слой или плоской волны на торец диэлектрического листа. Такие условия возникают вблизи кромки антенны, расположен ной у поверхности обтекателя, представляющего собой тело вращения,
19
или при падении волны на обтекатель в виде полого диэлектрического клина.
Так как волна, излучаемая кромкой антенны, может рассматривать ся как сумма сферических волн большого числа элементарных излуча телей, можно заключить, что хорошую модель, воспроизводящую ус ловия возбуждения поверхностных волн в первом случае, дает вибра тор Герда, размещенный вблизи поверхности плоского диэлектричес кого слоя.
Таким образом, появляется третья задача— задача падения сфе рических волн на плоский слой диэлектрика и плоской волны на торец диэлектрического листа.
При рассмотрении влияния упомянутых факторов на искажения диа грамм направленности и оценке принятых методов расчетные резуль таты сопоставляются с экспериментальными. Совпадение этих резуль татов является критерием правильности сделанных приближений и тео ретических предпосылок.
2.2. ПРОХОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ЧЕРЕЗ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЛОИ С МАЛОЙ КРИВИЗНОЙ
При рассмотрении задачи прохождения плоских электромагнитных волн через слабоизогнутые тонкие диэлектрические слои (эта задача исследовалась многими авторами, например, [14, 15]) решение целе сообразно представить в виде асимптотического ряда, первые члены которого дают приближение геометрической оптики, а остальные — поправки различных порядков.
Поскольку стенки радиопрозрачных обтекателей — тонкие ди электрические слои с толщиной порядка волны, то можно ввести малый параметр ц « Икр (где к = 2яА , а р — характерный размер антенны,
например размер ее раскрыва), |
относительно |
которого и разложить |
в ряд решение волнового уравнения: |
|
|
Ѵ2/ + |
к2/ = 0. |
(2.1) |
Очевидно, что в рассматриваемом случае решение волнового урав нения должно быть найдено для трех областей А, В, С (рис. 2.1), при чем область В обладает относительной диэлектрической проницае мостью е, а области Л и С — свободное пространство — имеют 6 = 1. На границах раздела Lab и ЬВс необходимо выполнение следующих условий:
fA —fß |
и |
Ѵл |
на границе |
L ab |
|
|
дп |
дп |
|
fß —fc |
И |
Bfв |
afc на границе L Bc |
|
|
|
дп |
дп |
|
при перпендикулярной поляризации падающей волны относительно плоскости падения и
г |
г |
и |
dfд |
dfв |
т |
|
/л = |
/в |
-----= |
------- на границе |
L ab |
|
|
|
|
|
дп |
е дп |
|
|
fß — fc |
и |
dfг, |
dfr |
|
|
|
---- = |
е ------ на границе Ьвс |
|
||||
|
|
|
дп |
дп |
|
|
при параллельной поляризации падающей волны. |
|
_ |
||||
_ В первом случае [а ,в,с = Ел,в,о во втором — !а ,в ,с = |
НА.в.с, где |
|||||
£ и Я — векторы электромагнитного поля; п — нормаль |
к границам |
|||||
раздела.
Асимптотический метод решения, рассмотренный И. В. Сухаревским [14, 15], сводится к следующему. Решение внутри диэлектрического
слоя (среда В) и в воздухе (среды А, С) ищется |
|
|||||
в виде |
произведения быстроосциллирующей |
|
||||
показательной функции |
и медленно |
меняю |
|
|||
щегося |
ряда по степеням малого параметра тр |
|
||||
|
/ а , в,с=~- F a , в, с е /кф, |
|
(2.2) |
|
||
где Fa,в,с — медленно меняющаяся |
функция |
|
||||
(например, FB = £в„ + |
т\FB, + |
т\2FBs + ...), |
|
|||
а е>кч>— быстроосциллирующий |
множитель. |
|
||||
Благодаря такому приему удается нахо |
|
|||||
дить решение раздельно для слоя и воздуха и |
|
|||||
вычислять ряды почленно шаг за шагом с тре |
|
|||||
буемым |
приближением |
(подробно с этим ре |
|
|||
шением |
можно познакомиться, |
например, в |
Рис. 2.1. К вопросу про |
|||
работе [15]). При этом нахождение поля в слое |
||||||
хождения электромагнит |
||||||
сводится к решению обыкновенных дифферен |
ной волны через слабо |
|||||
циальных уравнений при фиксированных гра |
изогнутые слои. |
|||||
ничных условиях для каждого члена ряда. |
|
|||||
Знание полей /в в слое позволяет с помощью граничных условий найти поля на границах раздела.
В частности, амплитуды падающей, отраженной и преломленной волн выражаются через коэффициенты Френеля. Например, для гра
ницы раздела Lab легко получается, что |
|
|
||
|
— |
(рфад) + r t 0TP) — fr ) |
||
р(отр) _ |
р(пад) дп |
4 Аі- 1 |
Аі- 1 |
Bi - l ’ |
г А; — |
'01 г А, |
cos Ѳ+ |
Y e —sin2 Ѳ |
|
|
|
|||
J _ |
(Шпад) |
+ f(°TP) _ р |
• \ |
(пад) дп |
V ' - 1 |
‘- 1 |
|
•Cß; — Г01 ГА; |
cos Ѳ+ Ѵ^ е — sin2 Ѳ |
||
|
|||
где Гоі - cos Ѳ — ~[/е— sin2 Ѳ |
^oi — |
2 cos 0 |
sin2 0 |
cos Ѳ+ "J/e — sin2 Ѳ |
cos Ѳ+ Vë |
||
21