Антенные устройства РРЛ

Наличие элементов настройки, а также трудности выполнения широкодиапазонных облучателей не позволяют обеспечить в таких антеннах совмещение

"омозеркГГьныГи двухзеркальные параболические антенны различных зарубежных фирм (ВНР, ГДР. Япония, Италия и т. д.) поставляются в СССР с импортируемой аппаратурой и сравнительно широко представлены на наших РРЛ.

Рис. ".30. Олнозеркальяая ачгенна фирмы NEC (Япония);

а - стандартная; б -с улучшенными параметрачн .

Большинством фирм антенны выпускаются в двух модификациях: стандартные н с улучтиенныг.и! параметрами. На рис. 2.29 и 2.30 приведен внешний вид некоторых импортных антенн. По желани:о заказчика антенны могут быть снабжены блеидЕми li другими устронствамп для улучшения иапоавлеиных свойств, а также защптными крышками (обтекателями или радомамн). Обтекатели антенн выполняются либо ил мягкой пленки, либо в виде плоской, конусообразной или сферической крыш1:н из жесткого диэлектрика. Укрытия из мягкой пленки не столь надежны в эксплуатации, но оказывают значительно меньшее вредное влияние на электрические параметры антенны, чем жесткие крышки.

Для ориентировочных расчетов можно пользоваться следующими усредненными данными по электрическим параметрам импортных антенн: коэффициент использования около 50%: КСВН около 1,05-1,10; коэфффициент защитного действия у стандартных антенн -5--10 дБ относительно изотропного излучателя, у высококачественных антенн -15-;-30 дБ. Например, для антенн с усилением порядка 40 дБ защитное действие составляет -45-i-50 дБ для стандартных антенн и -55ч-70 дБ для высококачественных.

2.5. ОСЕСИММЕТРИЧНЫЕ ДВУХЗЕРКАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ СО СМЕЩЕННОЙ ФОКАЛЬНОЙ ОСЬЮ (АДЭ)

Как уже отмечалось в § 2.4, двухзеркальные антенны Кассегрена обладают определенными недостатками (плохим естественным согласованием, невысоким коэффициентом использования, невозможностью совмещения диапазонов и т. д.).

Антенна со смещенной фокальной осью

Sntanu-""" последнее время осеснмметричные антенны со смещенной In™ „ " называемые АДЭ (рис. 2.31), во многом свободны от

перечисленных недостатков.

Как видно из рисунка, фазовый центр облучателя О расположен на оси симметрии антенны АА. Фокальная ось ВВ параболы BQ параллельна оси АА и смещена от нее на расстояние d/2. Поверхность основного зеркала является

Рис. 2.31. Схема антенны АДЭ

Рис. 2.32. Ход лучей в АДЭ

телом вращения параболы BQ относительно оси АА. Геометрическое место фокусов F представляет собой фокальное кольцо диаметром d. Фокус параболы F и фазовый иентр рупора О совпадают с фокусами эллипса (рис. 2.31 пунктир), вращением отрезка TS которого вокруг оси симметрии образована поверхность вспомогательного зеркала (субрефлектора). Эксцентриситет е эллипса подобран таким образом, чтобы точки Г, f и Q (край зеркала) находились на одной прямой. На оси симметрии малое зеркало имеет излом типа конического острия. Ход лучей в антенне АД,Э показан на рис. 2.32.

Описанные особенности схемы АДЭ предопределяют следующие ее свойства. Во-нерпых, наличие конического острия на субрефлекторе во многом устраняет реакцию субрефлектора и резко улучшает естественное согласование антенны. Это позволяет, во-вторых, существенно сократить расстояние между облучателем и субрефлектором и тем самым уменьшить утечку и упростить систему крепления субрефлектора. В третьи.х, вследствие инверсии (см. рис. 2.32> обеспечивается большая равномерность амплитудного распределения поля в раскрыве антенны. В четвертых, высокое естественное сог.1асование в широко. диапазоне волн обеспечивает возможность совмещения в антенне различных диапазонов. Для этого в АДЭ использован шкрокоднапазонный облучате.пь. (рас-фазированный рупор или рупор с изломом). Отмеченное позволяет обеспечить в широком диапазоне частот высокие электрические параметры, не достижимые в классических схемах двухзеркальных антенн. Для обеспечения хороших направленных свойств, в частности высокого защитного действия, антенны ее смещенной фокальной осью выполняются короткофокусными (20210°) » снабжены специальными экранами. Подробно особенности схем. антенн АДЭ описаны в [1], [7].

В настоящее время выпускаются серийно антенны диаметром 5 м (.ДЭ-5), 2,5 м (АМД-2,5) и 1 м (АДЭ-1). Ведется подготовка серийного производства антенн диаметром 3,5 м ((АДЭ-3,5) и 1,75 м (АМД-1,75).

Антенна АДЭ-5 предназначена для РРЛ в диапазонах 2 и 4 ГГц (рис.. 2.33). В отдельных случаях она может быть использована и для диапазона 6 ГГц. Для диапазона 2 ГГц предусмотрен специальный облучатель. Для диапазонов 4 и 6 ГГц используется общий облучатель, что позволяет осуществить в случае необходимости совмещение диапазонов 4 и 6 ГГц. Геометрические характеристики: 2/?о=4890 мм, d=500 мм, dp,n=455 мм, f=842 мм 2*

Антенные устройства РРЛ

Антенна tb смещенной фокальной осью

2фо=210°, е=0,769. В качестве облучателя в АДЭ-5 использован расфазированный рупор с углом раствора 90° н плавныы параболическим переходом к волноводу (см. рис. 2.26в). Дли улучшения направленных свойств на конической

части рупора прорезана спиральная четвертьволновая канавка. Для улучшения защитного действия на кромке основного зеркала установлен экран со спирально срезанной кромкой, а на тыльной стороне зеркала - дифракционный экран. Это позволило уменьшить излучение в заднем секторе на 10-14 дБ. Крепление субрефлектора к рупорному облучателю осуществлено путем заполнения пространства между ними радиопрозрачным диэлектриком. Это позволило устранить металлические крепления, вредно влияющие на электрические характеристики антенны. Поверхность диэлектрика защищена слоем стеклоткани.

Коэффициент использования поверхности в диапазоне 4 и 6 ГГц около 65%, в диапазоне 2 ГГц - около 60%. Коэффициент отражения ие превышает 3,5% в диапазоне 2 ГГц; 3,5% в диапазоне 4 ГГц и 2,5% в диапазоне 6 ГГц. Уровень поля кросс-полярнзации не превышает -50 дБ (по оси антенны).

Антенна АДЭ-1 (рис. 2.34) используется для РРЛ в диапазоне 11 ГГц. По своим геометрическим соотношениям и схемным решениям она в основном подобна АДЭ-5. В АДЭ-1 2/?о=1000 мм, d=200 мм. dpyn = 170 мм, F= = 153,5 мм, 2фо=210°, е=0,769. Облучателем в АДЭ-1 является расфазированный рупор с гладкими стенками.

Антенна АДЭ-3,5 предназначена для диапазона 2, 4, 6 и 8 ГГц. Электрн-

Рис. 2.33. Антенна АДЭ-5

Рис. 1.14. Автенна АДЭ-1

Рис. 2.S5, Антенна АМД-2,Б

ческие параметры ее предполагаются следующими: коэффициент использования поверхности не ниже 60%; согласование не хуже 1,06; коэффициент защитного действия обеспечивает работу по двухчастотному плану.

Антенна АМД-2,5 (рис. 2.35) предназначена для РРЛ диапазона 8 ГГц. Ее геометрические характеристики следующие: 2/?о=2500 мм; d=300 мм; dpym= = 170 мм: F=420,l мн; 2фо=210°; е=0,804. Облучатель антенны- конический рупор с изломом. Защитное действие антенны не хуже -65 дБ. Коэффициент использования в диапазоне не ниже 0,7. Коэффициент отражения не выше 3-4%.

Гарантированные огибающие боковых лепестков диаграммы направленности антенн АДЭ всех размеров могут быть рассчитаны по эмпирической формуле (в децибелах)

- D + 40 - lOlg-*

F(Q) =

-251g- ,

6 но не менее - D

- Л - 20 Ig

-(О+ 20)

9 - 72

3 •

при- <в<75; Ro

но не менее - {D + 25) при 75°<в< 170°:

при 170° < 9 < 180°.

где О -коэффициент направленного действия; 2/?о -диаметр антенны- в - угол в градусах. Минимальный угол, для которого справедливо это выражение.

5

-15 -20 -25

-35\ -W -К -50 -55\ -60 -65

10 20 В.град

антенне А п1т/"„°°*""" огибающие бокового излучения антенны АДЭ-5 в диапазонах 2 и 4 ГГц

вт(„=75Х ?о, соответствует примерно максимуму второго бокового лепестка ГиГ;АенГ ГнГеины ТЭ -Рантиронные огибащГ

2.6. ПЕРИСКОПИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ

Перископическая антенная система (рис. 2.37а) состоит из нижнего зеркала-излучателя, расположенного на земле, и верхнего зеркала-перензлучателя, установленного на опоре. По такой так называемой двухэлементной схеме вы-

Периснопнческне антенны

Рис. 2.37. Схема перископической антенны; а - двухэлементная; б - трехэлементная

Рис. 2.38. Отнесенный вариант перископической антенны

полнены перископические антенны импортного радиорелейного оборудования ГТТ 8000/300 (ВНР), ФМ 300 ,ТВ-11000 (ГДР) и т. п.

Отечественное оборудование снабжается перископическими антеннами, выполненными по трехэлементной схеме (рис. 2.376), когда облучатель нижнего зеркала устанавливается непосредственно в техническом здании, а нижнее зеркало выполняется по схеме вынесенного облучения [8]. Возможен также вариант с относом нижнего зеркала от мачты (рис. 2.38).

Трехэлементная схема построения перископической антенны позволяет полностью исключить высокочастотный тракт вне помещения, что суи1ественно по-выщает надежность работы тракта при неблагоприятных метеоусловиях. Дополнительным преимуществом трех-5.лементнон схемы является то. что в связи с большим HaiMOHOM поверхности нижнего зеркала к земле вероятность образования на ней гололеда или задержки снега уменьшается. Особенно это проявляется в варианте, показанном на рис. 2.38.

Для защиты перископических антенн, выполненных по двухэ.тементной схеме (см. рис. 2.37а), от влияния снега или гололеда употребляются диэлектрические колпаки конической формы. Однако они оказывают заметное неблагоприятное влияние на электрические параметры перископической антенны и, кроме того, не исключают полностью возможности оседания на них снега или льда.

Верхнее зеркало - перензлучатель выполняется плоским; нижнее - имеет параболоидальную или эллипсоидальную поверхность. Обычно контур раскрыва нижнего зеркала в двухэлементной схеме представляет собой окружность, а в трехэлементной схеме - эллипс, проекции которого на главные направления являются окружностями. Контур верхнего зеркала -- прямоугольник или эллипс (соответственно в проекции - квадрат или круг).

Усиление перископической антенны зависит от коэффициента усиления излучателя, величины утечки энергии на участке «излучатель - переизлучатель» и характера распределения амплитуды и фазы поля в раскрыве верхнего зеркала. Коэффициент направленного действия (КНД) перископической антенны D (или коэффициент усиления, отнесенный к входу облучателя) может быть

определен по формуле [1]

/> = Д„зл*£ = *исп4.

где £)изл - коэффициент направленного действия нижнего зеркала; /е - коэффициент выигрыша перископической антенны; лисп - коэффициент использования поверхности излучателя; /?„ - радиус нижнего зеркала.

На рис. 2.39 приведена расчетная зависимость коэффициента выигрыша /fe=-для случая, когда радиусы верхнего и нижнего зеркал одинаковы (Rs=Rb) а поле в раскрыве излучателя синфазно, т. е. облучатель нижнего зеркала на-

0,6 0,2

2,6 12

О 50 20 :S0 21В сиВ 350 Zfa3

Рис. 2.39. К вопросу об эффективности перископической ян-тенны

В 30

т ш т тграЗ

Рис. 2.40. Зависимость дополнительного выигрыша (/=5;4 - кривая /, г=5/3 - кривая 2)

ходится в его фокусе. Расчет произведен для случая, когда распределение амплитуды поля в раскрыве излучателя имеет косннусондальныи характсо со

спаданием на кра;о на 10 лБ. По o.:ii абсцисс отлол;ен параметр Л = р--(Я -

расстояяир между тлучатело.! и переизлучателем).

Из рисунка видно, что прн больших А, что соответствует относительно небольшим высотам подзеса Н. kE~l п эффективность перископической антенны примерно такая же, как эффективность излучателя. При больших высотах Я (малые А) коэфснииеит выигрыша ие-с.-нк. .Это объясняется Со.чьшсГ утсчко;* энергии на участке <излучатель - переизлучатель». По.чтому в таки.\ случаях целесообразно увеличивать размер верхнего зеркала. На рис. 2.40 показана величина дополнительного выигрыша Аь(/>1)/е(/=1) для перензлучателен увеличенных размеров (l = R,,/Rj,).

Приведенные выше данные относятся к случаю сннфазиого распределения поля в раскрыве нижнего зеркала. Однако известно, что максимальному усилению соответствует, вообще говоря, несннфазиое распределение поля в раскрыве излучателя. Такое распределение может быть осуществлено, например, путем выно-

са облучателя из фокуса вдоль фокальной осн. Обозначим С=-д/а, где /а-

фокусное расстояние излучателя, а а/а - величина смещения облучателя из фокуса, с -расфазировка на краю зеркала, сопт - расфазировка, при которой осуществляется максимальное усиление. На рис. 2.41 приведены графики величин Сот/А и сопт в зависимости от л; на рис. 2.42 зависимость дополнительного выигрыша йе(сопт)/ае(с = 0). Графики рис. 2.41 и 2.42 при!5едены для случая 7?в=7?н(/=1).

Для обеспечения максимальной эффективности часто необходимо работать в режиме расфазироваиного излучателя. Для этого должна быть предусмотрена возможность перемещения облучателя вдоль фокальной оси.