Долбик Андрей Иванович : другие произведения.

Пособие по расчету антенных систем

Самиздат: [Регистрация] [Найти] [Рейтинги] [Обсуждения] [Новинки] [Обзоры] [Помощь|Техвопросы]
Ссылки:
Школа кожевенного мастерства: сумки, ремни своими руками
 Ваша оценка:


А. И. Долбик

УСТРОЙСТВА СВЧ И АНТЕННЫ

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАСЧЕТУ АНТЕННЫХ СИСТЕМ

2005

   Издание предназначено для обучающихся, изучающих дисциплину "Устройства СВЧ и антенны". Многие из приведенных методик могут оказаться полезными при написании обучаемыми курсовых и выпускных квалификационных работ.
  

ВВЕДЕНИЕ

   Теоретические знания, полученные обучающимися на лекциях, не сразу становятся инструментом активного познания явлений и процессов, происходящих в изучаемых объектах или системах. Необходимо определенное время, чтобы эта теория стала собственным убеждением обучающихся, нужен определенный опыт для формирования умений, приобретения навыков в ее применении на практике. Достигается это применением в учебных заведениях различных форм практического обучения. Основными из них являются практические занятия.
   На практических занятиях по дисциплине "Устройства СВЧ и антенны" обучающиеся осваивают элементы антенн и устройства СВЧ, овладевают основными методами и приемами инженерного расчета параметров и характеристик антенн и устройств СВЧ путем решения специально подобранных задач, а также получают разъяснение теоретических положений курса.
   При проведении практических занятий основное внимание уделяется:
   развитию аналитических и вычислительных навыков;
   привитию навыков составления и анализа моделей простых реальных задач;
   выработке навыков отбора данных нужных для решения задач и оценке их необходимой точности;
   рассмотрению задач, требующих предварительного вывода аналитических зависимостей;
   решению несложных задач прикладного характера, связанных с будущей специальностью обучающиеся;
   доведению задач до практически приемлемого результата;
   действиям с размерными величинами, методам контроля правильности решения;
   прикидкам, оценке порядков величин, асимптотическим оценкам;
   применению вычислительной техники, справочников и таблиц.
   Кроме того, могут сообщаться дополнительные теоретические сведения.
   В приложениях изложены как методики расчета различных антенн согласно плану занятия, так и методики расчета антенных систем наиболее значимых образцов РЭС, которые могут использоваться в ходе дипломного проектирования. Кроме того, приведены некоторые справочные данные, часто применяемые при расчете антенн.

Практическое занятие N 1

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕДАЮЩИХ АНТЕНН

   Время: 2 часа.

Учебные и воспитательные цели

   1. Выработать навыки в решении задачи определения характеристик и параметров передающих антенн, выполнении математических расчетов.
   2. Изучить влияние параметров антенн на ТТХ РЛС и возможность обнаружения воздушных целей.
   3. Сконцентрировать внимание курсантов на наиболее сложных, узловых вопросах в характеристиках и параметрах передающих антенн.
   4. Стимулировать активную познавательную деятельность курсантов в области теории передающих антенн.

Рассматриваемые вопросы

   1. Назначение и классификация антенн.
   2. Оценка влияния основных радиотехнических характеристик (РТХ) и параметров (РТП) передающих антенн на качественные показатели работы РТС.

Методические указания по подготовке и проведению занятия

   Данное практическое занятие базируется на материале лекции "Характеристики и параметры передающих антенн".
   При отработке первого вопроса закрепляется материал по классификации антенн, изучаются соответствующие образцы антенн, разбираются отличительные признаки каждого класса и их основные достоинства и недостатки (диапазонность, сложность конструкции, габаритные и весовые показатели, направленность), а также их использование в РЛС РТВ.
   При рассмотрении второго вопроса решается комплексная задача.
   Задача. РЛС имеет антенну с диаграммой направленности игольчатого типа. КПД антенны равен 0,95. При экспериментальном измерении ДНА были получены результаты, представленные в табл. 1.

Таблица 1

   ?, ?, град.

0

Ђ5

Ђ10

Ђ15

Ђ20

Ђ40

Ђ60

Ђ80

Ђ100

Ђ120

Ђ140

Ђ160

Ђ180

Е, мВ/м

   100

98

86

60

0

11

19

16

0

10

10

0

6

   Известно, что РЛС имеет частоту повторения импульсов Fп, максимальную дальность действия Rmax, а ее антенна вращается по азимуту ? со скоростью ?а.
   Требуется:
   1) определить потенциальную разрешающую способность РЛС по угловым координатам (??min, ??min);
   2) найти количество импульсов в пачке отраженных от цели сигналов;
   3) оценить, каким образом следует изменить параметры антенны, чтобы обеспечить максимальную дальность действия 0x01 graphic
и разрешающую способность по угловым координатам 0x01 graphic
, 0x01 graphic
.
   Варианты индивидуальных заданий практическому занятию приведены в табл. 2.
   Решение.
   При ответе на первый вопрос задачи необходимо уяснить, что потенциальная разрешающая способность РЛС по угловым координатам определяется шириной диаграммы направленности антенны.
   Для ее определения необходимо построить график ДНА в прямоугольной системе координат (рис. 1).

0x01 graphic

Рис. 1

   Следует обратить внимание на то, что ДН снята по амплитуде и для определения ее ширины необходимо выбирать уровень 0,707. В итоге вычисляются значения 0x01 graphic
, которые и являются ответом на первый вопрос.

Таблица 2

N
по списку

Fп, Гц

Rmax, км

?а, об/мин

0x01 graphic
, км

0x01 graphic
, град

1

300

90

6

200

2

2

350

100

240

3

3

400

110

180

4

4

450

120

220

5

5

500

130

200

2

6

550

90

180

3

7

600

100

240

4

8

300

110

220

5

9

350

120

200

2

10

400

130

3

180

3

11

450

90

240

4

12

500

100

220

5

13

550

110

200

2

14

600

120

180

3

15

300

130

240

4

16

350

90

220

5

17

400

100

200

2

18

450

110

180

3

19

500

120

240

4

20

550

130

220

5

21

600

90

6

200

2

22

300

100

180

3

23

350

110

240

4

24

400

120

220

5

25

450

130

200

2

26

500

90

180

3

27

550

100

240

4

28

600

110

220

5

29

300

120

200

2

30

350

130

240

3

   При ответе на второй вопрос задачи необходимо сформулировать понятие пачки импульсов от цели при обзоре пространства. Поняв физическую природу пачки, можно логически прийти к зависимости:
   0x01 graphic
. (1)
   Следует обратить внимание на то, что количество импульсов в пачке прямо пропорционально ширине ДН по азимуту.
   Для ответа на третий вопрос задачи надо рассмотреть формулу дальности действия РЛС с совмещенной приемопередающей антенной в свободном пространстве:
   0x01 graphic
. (2)
   Следует обратить внимание на роль коэффициента усиления (КУ) антенны в формуле. По условию задачи нахождения Gmax не требуется, однако целесообразно определить его значение по формуле:
   0x01 graphic
. (3)
   Чтобы избежать весьма распространенной грубой ошибки при проведении расчетов, надо учитывать, что в выражении (3) телесный угол в числителе выражен в радианах, а в знаменателе - в градусах.
   Далее, изменяя коэффициент усиления, необходимо добиться увеличения максимальной дальности и разрешающей способности. При этом выбирается КУ, который удовлетворяет обоим необходимым значениям (сначала производится расчет для дальности, потом для разрешающей способности и выбирается нужное значение).

Вопросы для подготовки к занятию

   1. Классификация антенных систем.
   2. Амплитудная диаграмма направленности антенны.
   3. Фазовая диаграмма антенны.
   4. Поляризационная диаграмма антенны.
   5. Частотная характеристика антенны.
   6. Основные РТП передающих антенн (ширина ДН, коэффициент направленного действия (КНД), КУ, КПД).

Рекомендуемая литература

   1. Шифрин Я.С. Антенны: Учеб. пособие. Харьков: ВИРТА ПВО, 1976. С. 3-36.
   2. Марков Л.Н. и др. Антенные системы радиоэлектронной техники. М: Воениздат, 1993. С. 3-47.
   3. Долбик А. И. Устройства СВЧ и антенны: Учеб. пособие. СПб: ФВУ ПВО, 2002. Ч.1: Основы теории антенн и элементы антенных систем. С. 3-15.
  

Практическое занятие N 2

РАСЧЕТ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРИЕМНЫХ АНТЕНН

   Время: 2 часа.

Учебные и воспитательные цели

   1. Выработать навыки в определении основных характеристик и параметров приемных антенн, выполнении математических расчетов.
   2. Освоить методику измерения основных характеристик приемных антенн.
   3. Стимулировать активную познавательную деятельность курсантов в области теории передающих антенн.

Рассматриваемые вопросы

   1. Основы теории приемных антенн.
   2. Методика измерения основных радиотехнических характеристик и параметров приемных антенн.
  

Методические указания по подготовке и проведению занятия

   Данное практическое занятие базируется на материале лекции "Характеристики и параметры приемных антенн".
   Основным из двух учебных вопросов занятия следует считать первый. При его отработке можно выделить два этапа:
   обсуждение основных понятий, изложенных на лекции, и контроль их усвоения;
   решение задач, связывающих теоретические выводы с практикой расчета основных параметров как приемных антенн, так и РЛС в целом.
   На втором этапе решаются задачи. Варианты индивидуальных заданий к практическому занятию приведены в табл. 3.
   Задача 1. Приемная антенна представляет собой полуволновый симметрич-

0x01 graphic

Рис. 2

   ный вибратор (рис. 2). Его максимальный коэффициент направленного действия равен 1,64. Определить эффективную площадь этой антенны, если длина волны ?.
   Решение

0x01 graphic
. (4)

   Следует обратить внимание на то, что полуволновый вибратор не имеет осязаемой геометрической площади, поскольку проводник, из которого он выполнен, может быть очень тонким. Однако его эффективная площадь достаточно велика, что говорит об условности, а не о физической реальности Sэфф.
   Задача 2. Размеры раскрыва приемной антенны - AвB (рис. 3). Коэффициент использования площади равен ?A, а коэффициент полезного действия - ?A. Напряженность падающего на антенну поля составляет E. Требуется определить мощность на согласованном с антенной входе приемника.

0x01 graphic

Рис. 3

Решение

0x01 graphic
, (5)

   где 0x01 graphic
; Sэфф=SГ?А; SГ=AвB.
   Задача 3. В результате неправильной эксплуатации зеркало приемопередающей антенны РЛС было деформировано, и коэффициент использования площади снизился с 0,9 до 0,5. Требуется узнать, как изменится дальность действия РЛС.
   Решение
   Уравнение максимальной дальности действия РЛС:
  

Таблица 3

N
по списку

?, м

AвB, м

?A

?A

Е, мкВ/м

1

3

3в1,5

0,9

0,6

0,5

2

2,5

4в2

0,5

0,6

3

2

4,5в1,5

0,4

0,7

4

1,5

3в2

0,6

0,8

5

1

5в2

0,5

0,9

6

0,5

4в1

0,4

1

7

3

3в1,5

0,6

0,5

8

2,5

4в2

0,5

0,6

9

2

4,5в1,5

0,4

0,7

10

1,5

3в2

0,95

0,6

0,8

11

1

5в2

0,5

0,9

12

0,5

4в1

0,4

1

13

3

3в1,5

0,6

0,5

14

2,5

4в2

0,5

0,6

15

2

4,5в1,5

0,4

0,7

16

1,5

3в2

0,6

0,8

17

1

5в2

0,5

0,9

18

0,5

4в1

0,4

1

19

3

3в1,5

0,6

0,5

20

2,5

4в2

0,5

0,6

21

2

4,5в1,5

0,9

0,4

0,7

22

1,5

3в2

0,6

0,8

23

1

5в2

0,5

0,9

24

0,5

4в1

0,4

1

25

3

3в1,5

0,6

0,5

26

2,5

4в2

0,5

0,6

27

2

4,5в1,5

0,4

0,7

28

1,5

3в2

0,6

0,8

29

1

5в2

0,5

0,9

30

0,5

4в1

0,4

1

   0x01 graphic
, (6)
   где 0x01 graphic
- коэффициент усиления приемо-передающей антенны.
   Обозначим исходный КИП символом ?А1, а КУ - Gmax1, соответственно КИП поврежденной антенны - ?А2, а КУ - Gmax2.
   Из приведенных выражений видно, что

0x01 graphic
.

   Второй вопрос посвящен рассмотрению основных методов, используемых для измерения радиотехнических характеристик и параметров приемных антенн. Основные теоретические сведения по этому вопросу приведены в приложении 1.

Вопросы для подготовки к занятию

   1. Принцип взаимности.
   2. РТХ приемных антенн.
   3. Основные РТП приемных антенн (ширина ДН, КНД, КУ, КПД, эффективная площадь антенны, мощность, отдаваемая антенной в нагрузку).

Рекомендуемая литература

   1. Шифрин Я.С. Антенны: Учеб. пособие. Харьков: ВИРТА ПВО, 1976. С. 37-52.
   2. Марков Л.Н. и др. Антенные системы радиоэлектронной техники. М: Воениздат, 1993. С. 48-62.
   3. Долбик А. И. Устройства СВЧ и антенны: Учеб. пособие. СПб: ФВУ ПВО, 2002. Ч.1: Основы теории антенн и элементы антенных систем. С. 15-22.
  
  

Практическое занятие N 3

Влияние волновых размеров и АФР
на множитель линейной системы излучателей.

   Время: 2 часа.

Учебные и воспитательные цели

   1. В ходе решения практических задач углубить знания курсантов в вопросах зависимости множителя линейной антенной системы от ее параметров и амплитудно-фазового распределения.
   2. Освоить методику построения графического изображения множителя системы в прямоугольных и полярных координатах.
   3. Формировать у курсантов самостоятельность в работе, уверенность в своих силах.

Рассматриваемые вопросы

   1. Влияние волновых размеров на множитель системы.
   2. Влияние амплитудного распределения на множитель системы.
   3. Влияние фазового распределения на множитель системы.

Методические указания по подготовке и проведению занятия

   Данное практическое занятие базируется на материале лекций "Линейные системы дискретно распределенных излучателей", "Влияние фазового распределения на множитель системы" и самостоятельной работы "Линейные системы непрерывно распределенных излучателей".
   Занятие посвящено решению задач по расчету множителя линейной системы излучателей при различных параметрах антенны. Индивидуальные задания на практическое занятие даны в табл. 4.
   Методика решения указанных задач приведена в приложении 2.
   Задача 1. Рассчитать и построить нормированный множитель непрерывной синфазной линейной системы длиной L при длине волны ? и равномерном амплитудном распределении. Определить уровень первого и второго боковых лепестков и ширину основного лепестка по нулям.
   Дано: L, ?, А(х)=1, ?(х)=0.
   Требуется: построить 0x01 graphic
0x01 graphic
найти Fб1, Fб2, 2?0.
   Задача 2. Определить, как изменится диаграмма направленности линейной антенной системы в условиях задачи 1, если ее длину уменьшить в n раз.

Таблица 4

N
по списку

?, см

L, см

0x01 graphic

n

d, cм

1

10

40

?

2

d=?

2

12

60

3

15

80

4

20

120

5

10

60

6

12

120

7

15

90

8

20

80

9

10

40

10

12

60

?/2

11

15

80

12

20

120

13

10

60

14

12

120

15

15

90

16

20

80

17

10

40

18

12

60

19

15

80

20

20

120

21

10

60

?

22

12

120

23

15

90

24

20

80

25

10

40

26

12

60

27

15

80

28

20

120

29

10

60

30

12

120

   Дано: L/n, ?, А(х)=1, ?(х)=0.
   Требуется: построить 0x01 graphic
0x01 graphic
найти Fб1, Fб2, 2?0.
   Задача 3. Что произойдет с множителем системы в условиях задачи 2, если равномерное амплитудное распределение заменить косинусным.
   Дано: L/n, ?, А(х)=cos(?/2)x, ?(х)=0.
   Требуется: построить 0x01 graphic
0x01 graphic
найти Fб1, Fб2, 2?0.
   Задача 4. Определить, что произойдет с множителем системы в условиях задачи 2, если синфазное распределение заменить прямофазным 0x01 graphic
.
   Дано: L/n, ?, А(х)=1, 0x01 graphic
.
   Требуется: построить 0x01 graphic
0x01 graphic
найти Fб1, Fб2, 2?0.
   Задача 5. Как будет выглядеть множитель линейной системы в условиях задачи 1, если вместо непрерывной ее сделать дискретной, а расстояние между элементарными излучателями выбрать равной длине волны?
   Дано: L, ?, d, А(х)=1, ?=0.
   Требуется: построить 0x01 graphic
0x01 graphic
найти Fб1, Fб2, 2?0.
  

Вопросы для подготовки к занятию

   1. Множитель линейной непрерывной системы излучателей.
   2. Множитель линейной дискретной системы излучателей.
   3. Виды амплитудных распределений.
   4. Виды фазовых распределений.
   5. Влияние амплитудного распределения на диаграмму направленности.
   6. Влияние амплитудного распределения на диаграмму направленности.

Рекомендуемая литература

   1. Шифрин Я.С. Антенны: Учеб. пособие. Харьков: ВИРТА ПВО, 1976. С. 73-107.
   2. Марков Л.Н. и др. Антенные системы радиоэлектронной техники. М: Воениздат, 1993. С. 80-132.
   3. Долбик А. И. Устройства СВЧ и антенны: Учеб. пособие. СПб: ФВУ ПВО, 2002. Ч.1: Основы теории антенн и элементы антенных систем. С. 23-64.
  

Практическое занятие N 4

Многовибраторные антенны.
Расчет и анализ их основных параметров
.

   Время: 2 часа.

Учебные и воспитательные цели

   1. Ознакомить курсантов с порядком расчета собственных и взаимных сопротивлений вибраторов в многовибраторной антенне.
   2. Дать обучаемым понятие о согласующих и симметрирующих устройствах, о способах расширения полосы пропускания вибраторных антенн.
   3. Ознакомить курсантов с методикой электрического и конструктивного расчета директорной антенны.
   4. Привить практические навыки применения методики для расчета директорной антенны.
   5. Формировать у курсантов самостоятельность в работе, уверенность в своих силах.

Рассматриваемые вопросы

   1. Входное сопротивление в многовибраторной антенне.
   2. Согласующие и симметрирующие устройства.
   3. Способы расширения полосы пропускания.
   4. Расчет элементов конструкции директорной антенны.
   5. Расчет характеристик и параметров директорной антенны.

Методические указания по подготовке и проведению занятия

   Данное практическое занятие базируется на материале лекции "Вибраторные антенны".
   Занятие разбивается на два этапа. В ходе первого этапа рассматриваются три первых вопроса. При этом обучаемым излагается новый материал. В ходе второго этапа решаются три задачи на конструктивный расчет директорной антенны. Индивидуальные задания приведены в табл. 5.
   Задача 1. Определить размеры симметричного полуволнового вибратора для работы на частоте f0 с полосой пропускания ?F.
   Решение: Длина волны 0x01 graphic
. Волновое сопротивление вибратора
  

Таблица 5

N
по списку

f0, МГц

?F, МГц

XРЕФ, Ом

XАКТ, Ом

2?0,5Р, град

1

200

50

20

0

47

2

150

30

35

3

100

40

32

4

200

40

28

5

150

30

26

6

100

50

47

7

200

50

35

8

150

30

32

9

100

40

28

10

200

40

30

26

11

150

30

47

12

100

50

35

13

200

50

32

14

150

30

28

15

100

40

26

16

200

40

47

17

150

30

35

18

100

50

32

19

200

50

28

20

150

30

26

21

100

40

40

47

22

200

40

35

23

150

30

32

24

100

50

28

25

200

50

26

26

150

30

47

27

100

40

35

28

200

40

32

29

150

30

28

30

100

50

26

   0x01 graphic
. (7)
   Из формулы для волнового сопротивления
   0x01 graphic
(8)
   определяется диаметр проводника вибратора. При этом 0x01 graphic
. Теперь несложно вычислить диаметр 2а.
   Укорочение вибратора рассчитвается по формуле:
   0x01 graphic
. (9)
   Окончательно длина плеча вибратора определяется как 0x01 graphic
   Задача 2. Рассчитать директорную антенну с шириной диаграммы направленности 2?0,5Р для работы на частоте f0 с полосой пропускания ?F.
   Решение приведено в приложении 3 в виде методики общего расчета директорной антенны.
   Задача 3. Определить значения Dmax, 2?0,5p, Zвх по заданным значениям длины волны ?, количеству вибраторов N и расстоянию между ними d.
   Решение приведено в приложении 4 в виде методики определения основных радиотехнических характеристик и параметров директорной антенны.

Вопросы для подготовки к занятию

   1. Основные РТХ и РТП симметричного вибратора.
   2. Система из двух симметричных вибраторов.
   3. Директорная антенна.

Рекомендуемая литература

   1. Шифрин Я.С. Антенны: Учеб. пособие. Харьков: ВИРТА ПВО, 1976. С. 115-148.
   2. Марков Л.Н. и др. Антенные системы радиоэлектронной техники. М: Воениздат, 1993. С. 157-183.
   3. Долбик А. И. Устройства СВЧ и антенны: Учеб. пособие. СПб: ФВУ ПВО, 2002. Ч.1: Основы теории антенн и элементы антенных систем. С. 66-81.

Практическое занятие N 5

Волноводно-щелевая антенна. Расчет и анализ ее
основных параметров.

   Время: 2 часа.

Учебные и воспитательные цели

   1. Закрепить знания курсантов о конструкциях волноводно-щелевых антенн, их характеристиках и параметрах, полученные на лекции.
   2. Ознакомить обучаемых с методикой электрического и конструктивного расчета волноводно-щелевой антенны (ВЩА).
   3. Сформировать практические навыки в применении методики расчета ВЩА.
   4. Выработать у курсантов самостоятельность в работе, уверенность в своих силах.

Рассматриваемые вопросы

   1. Конструкции, характеристики и параметры волноводно-щелевых антенн.
   2. Расчет характеристик и параметров волноводно-щелевой антенны

Методические указания по подготовке и проведению занятия.

   Данное практическое занятие базируется на материале лекции "Щелевые антенны".
   В рамках первого вопроса закрепляется материал по классификации и конструктивным параметрам щелевых антенн, их радиотехническим характеристикам и параметрам, способам питания.
   При рассмотрении второго вопроса решаются задачи по расчету конструкции ВЩА, а также определению ее основных РТХ и РТП.
   Индивидуальные задания на практическое занятие представлены в табл. 6.
   Задача 1. Рассчитать приемную волноводно-щелевую антенну с линейной поляризацией на длине волны ? и коэффициентом направленного действия 0x01 graphic
.
   Решение задачи приведено в приложении 5 в виде методики общего расчета резонансной волноводно-щелевой антенны.
   Задача 2. Проверить возможность использования рассчитанной антенны в качестве передающей с мощностью излучения Р? при коэффициенте запаса kз.
  

Таблица 6

N
по списку

f0, МГц

Dmax

kз

Способ

питания

Р?, кВт

1

200

12,8

2

2?

80

2

150

19,2

90

3

100

25,6

160

4

200

32

100

5

150

38,4

120

6

100

12,8

40

7

200

19,2

60

8

150

25,6

80

9

100

32

90

10

200

38,4

120

11

150

12,8

3

80

12

100

19,2

90

13

200

25,6

160

14

150

32

100

15

100

38,4

120

16

200

12,8

?

40

17

150

19,2

60

18

100

25,6

80

19

200

32

90

20

150

38,4

120

21

100

12,8

4

80

22

200

19,2

90

23

150

25,6

160

24

100

32

100

25

200

38,4

120

26

150

12,8

40

27

100

19,2

60

28

200

25,6

80

29

150

32

90

30

100

38,4

120

   Решение: Проверка сводится к определению ширины щели, при которой происходит электрический пробой, и сравнению ее с полученной в задаче 1.
   Ширина щели должна быть больше (либо равна) минимальной ширины при заданных параметрах антенны:
   0x01 graphic
, (10)
   где 0x01 graphic
- максимальное напряжение на щели в пучности, 0x01 graphic
- мощность, излучаемая одной щелью, 0x01 graphic
- проводимость щели.
   Если dщdmin, то рассчитанная антенна может быть использована в качестве передающей.

Вопросы для подготовки к занятию

   1. Конструкции и характеристики щелевой антенны.
   2. Принцип двойственности Пистелькорса.
   3. Основные РТХ и РТП одиночной щели.
   4. Конструкции, характеристики и способы питания резонансной волноводно-щелевой антенны.
   5. Конструкции, характеристики и способы питания нерезонансной волноводно-щелевой антенны.

Рекомендуемая литература

   1. Шифрин Я.С. Антенны: Учеб. пособие. Харьков: ВИРТА ПВО, 1976. С. 149-162.
   2. Марков Л.Н. и др. Антенные системы радиоэлектронной техники. М: Воениздат, 1993. С. 193-209.
   3. Долбик А. И. Устройства СВЧ и антенны: Учеб. пособие. СПб: ФВУ ПВО, 2002. Ч.1: Основы теории антенн и элементы антенных систем. С. 81-90.
  
  

Практическое занятие N 6

Расчет и анализ основных характеристик рупорных
и линзовых антенн.

   Время: 2 часа.

Учебные и воспитательные цели

   1. Закрепить знания курсантов о конструкциях волноводных и рупорных антенн, их характеристиках и параметрах, полученные на лекции.
   2. Проверить знания обучаемых о конструкциях линзовых антенн, их характеристиках и параметрах, полученные на самостоятельной работе.
   3. Привить курсантам практические навыки в расчете рупорных и линзовых антенн.
   4. Сформировать практические навыки в расчете характеристик и параметров рупорных и линзовых антенн.
   5. Воспитать у курсантов самостоятельность в работе, уверенность в своих силах.

Рассматриваемые вопросы

   1. Расчет и анализ АФР, характеристик направленности и параметров рупорных антенн.
   2. Принцип действия замедляющих и ускоряющих линз. Геодезические линзы.

Методические указания по подготовке и проведению занятия

   Данное практическое занятие базируется на материале лекции "Рупорные антенны" и самостоятельной работы "Линзовые антенны".
   При отработке первого вопроса закрепляется материал по классификации и конструктивным параметрам волноводных и рупорных антенн, их радиотехническим характеристикам и параметрам. При этом необходимо решить четыре задачи.
   Индивидуальные задания на практическое занятие даны в табл. 7.
   Задача 1. Определить ширину диаграммы направленности и максимальный КНД открытого конца волновода сечением aвb.
   Решение: Стандартный волновод имеет размеры: а=0,72?, b=0,34?. Отсюда ?=a/0,72.
   Ширина ДН в Е-плоскости
  

Таблица 7

N
по списку

aвb, мм

АвВ, см

R1, см

f, м

n

1

72в34

10в10

6

1,5

2

2

72в34

10в3,4

8

3

72в34

7,2в10

10

4

34в15

8в8

5

5

34в15

8в1,5

6

6

34в15

3,4в8

8

2

7

23в10

12в12

4

8

23в10

2,3в12

6

9

23в10

12в1,0

8

10

72в34

12в12

6

11

72в34

7,2в12

8

2,5

1,7

12

72в34

12в3,4

10

13

34в15

18в18

5

14

34в15

18в1,5

6

15

34в15

3,4в18

8

16

23в10

10в10

4

3

17

23в10

10в1,0

6

18

23в10

2,3в10

8

19

72в34

10в10

6

20

72в34

10в3,4

8

21

72в34

7,2в10

10

1,5

1,5

22

34в15

8в8

5

23

34в15

8в1,5

6

24

34в15

3,4в8

8

25

23в10

12в12

4

26

23в10

2,3в12

6

2

27

23в10

12в1,0

8

28

72в34

12в12

6

29

72в34

7,2в12

8

30

72в34

12в3,4

10

   2?0,5Р=5100x01 graphic
=5100x01 graphic
, (11)
   в Н-плоскости -
   2?0,5Р=6800x01 graphic
=6800x01 graphic
. (12)
   Максимальный КНД определяется как

Dmax=0,810x01 graphic
=0x01 graphic
. (13)

   Задача 2. Определить ширину ДН и максимальный КНД рупора с размерами раскрыва АвВ, питаемого стандартным волноводом сечением aвb.
   Решение: Стандартный волновод имеет размеры: а=0,72?, b=0,34?. Отсюда ?=0,34b.
   Формулы для определения основных РТП различных рупоров приведены в табл. 8.

Таблица 8

Тип антенны

Dmax

КИП

2?0,5р?

2?0,5р?

Ropt

Открытый конец

волновода

0x01 graphic

0,81

0x01 graphic

0x01 graphic

-

Н-секториальный

рупор

0x01 graphic

0,64

0x01 graphic

0x01 graphic

0x01 graphic

Е-секториальный

рупор

0x01 graphic

0,64

0x01 graphic

0x01 graphic

0x01 graphic

Пирамидальный

рупор

0x01 graphic

0,5

0x01 graphic

0x01 graphic

0x01 graphic

Конический

рупор

0x01 graphic

0,51

0x01 graphic

0x01 graphic

0x01 graphic

   Задача 3. Вычислить величину фазовых искажений в соответствующих плоскостях на краях раскрыва рупора с размерами АвВ, питаемого стандартным волноводом сечением aвb, для длин волн ?, ?1= ?/2 и длин рупора R1, R2=R1/10.
   Решение: Величина фазовых искажений в рупоре определяется по формуле:
   0x01 graphic
, (14)
   где L - размер рупора в соответствующей плоскости.
   Задача 4. Вычислить оптимальную длину рупора для условий предыдущей задачи и длин волн ?, ?1= ?/2.
   Решение: Формулы для определения оптимальной длины рупора любого типа приведены в табл. 8.
   При отработке второго вопроса путем устного опроса и диалога с курсантами обсуждаются принцип действия и конструкции замедляющих, ускоряющих линз, геодезических, неоднородных линз. Далее решается задача на конструктивный расчет и определение основных РТП линзовой антенны.
   Задача 5. Однородная замедляющая линза (рис. 4), выполненная из диэлектрика с коэффициентом преломления n, имеет фокусное расстояние f. Угол ее раскрыва составляет 2?0=60®.
   Определить диаметр 2R0 и толщину z0 линзы, а также ширину ДН 2?0,5 и максимальный КНД такой линзовой антенны, если длина волны ?, а КИП ?а=0,5.

Решение:

0x01 graphic
;

0x01 graphic
;

0x01 graphic
.

   Для замедляющих линз АФР спадает на краях, и его обычно аппроксимируют функцией cos. При этом коэффициент С0,5=(60-80)о. Основные РТП определяются по формулам:

0x01 graphic

Рис. 4

   0x01 graphic
0x01 graphic
; 0x01 graphic
; 0x01 graphic
. (15)

Вопросы для подготовки к занятию:

   1. Классификация и основные РТП апертурных антенн.
   2. Классификация и основные РТП рупорных антенн.
   3. Классификация линзовых антенн.
   4. Конструкции и принцип действия замедляющих линз
   5. Уравнение профиля замедляющей линзы.
   6. Конструкции и принцип действия ускоряющих линз.
   7. Зонирование линз.
   8. Конструкции, принцип действия и применение неоднородных линз.
   9. Конструкции, принцип действия и применение геодезических линз.

Рекомендуемая литература

   1. Шифрин Я.С. Антенны: Учеб. пособие. Харьков: ВИРТА ПВО, 1976. С. 218-238, 283-304.
   2. Марков Л.Н. и др. Антенные системы радиоэлектронной техники. М: Воениздат, 1993. С. 179-201.
   3. Долбик А. И. Устройства СВЧ и антенны: Учеб. пособие. СПб: ФВУ ПВО, 2004. Ч.2: Антенные системы РЭС РТВ. С. 3-18.
  

Практическое занятие N 7

Расчет и оценка основных характеристик и
параметров зеркальных антенн

   Время: 2 часа.

Учебные и воспитательные цели

   1. Выработать навыки в решении задач определения основных радиотехнических характеристик зеркальных антенн, производстве математических расчетов.
   2. Изучить возможности зеркальных антенн по формированию различных видов диаграмм направленности.
   3. Сформировать у курсантов самостоятельность в работе, уверенность в своих силах.

Рассматриваемые вопросы

   1. Особенности конструкции и классификация зеркальных антенн РТС.
   2. Способы создания различных типов диаграмм направленности.
   3. Оценка основных РТХ зеркальных антенн РТС.

Методические указания по подготовке и проведению занятия

   Данное практическое занятие базируется на материале лекций "Зеркальные антенны" и "Способы создания различных диаграмм направленности с помощью зеркальных антенн".
   При отработке первого вопроса закрепляется материал по классификации и конструктивным параметрам зеркальных антенн, их радиотехническим характеристикам и параметрам.
   В рамках второго вопроса путем устного опроса и диалога с курсантами обсуждаются принципы создания различных диаграмм направленности, рассматриваются конструкции зеркальных антенн, применяемых в РЛС РТВ.
   В ходе отработки третьего вопроса следует решить три задачи на расчет основных конструктивных и радиотехнических параметров зеркальных антенн.
   Индивидуальные задания на практическое занятие приведены в табл. 9.
   Задача 1. Антенна радиолокационного дальномера представляет собой усеченный параболоид приблизительно прямоугольной формы с размерами зеркала АвВ. Длина излучаемой волны ?. Вычислить КНД антенны, если коэффициент использования площади усеченного параболоида равен ?A.
   Решение.
   0x01 graphic
; 0x01 graphic
. (16)
   Задача 2. Для условия предыдущей задачи определить ширину ДН антенны в главных плоскостях.
   Решение:
   0x01 graphic
; 0x01 graphic
. (17)
   Задача 3. Радиолокационный дальномер должен обеспечить беспровальную проводку целей в секторе углов места 0® - ?. Ширина ДН по уровню половинной мощности составляет 5®. Требуется определить, сколько парциальных диаграмм и зеркал необходимо для создания зоны обнаружения дальномера, если фокусное расстояние параболоида f, а размер антенны в вертикальной плоскости - B.
   Решение.
   1. Количество парциальных диаграмм n в секторе 0® -? (0x01 graphic
) составляет:
   0x01 graphic
. (18)
   2. Величина смещения облучателя из фокуса для формирования n-го лепестка веера определяется из выражения:
   0x01 graphic
, (19)
   где Кр=0,7...0,95 - коэффициент редукции.
   Тогда величина смещения из фокуса n-го облучателя

Таблица 9

N
по списку

?, см

АвВ, м

?A

?, град

f, м

1

10

6в4

0,4

45

2

2

12

7в3

30

3

3

14

8в5

15

4

4

15

9в4

45

5

5

16

6в2

30

2

6

10

9в5

15

3

7

12

6в4

45

4

8

14

7в3

30

5

9

15

8в5

15

2

10

16

9в4

0,45

45

3

11

10

6в2

30

4

12

12

9в5

15

5

13

14

6в4

45

2

14

15

7в3

30

3

15

16

8в5

15

4

16

10

9в4

45

5

17

12

6в2

30

2

18

14

9в5

15

3

19

15

6в4

45

4

20

16

7в3

30

5

21

10

8в5

0,5

15

2

22

12

9в4

45

3

23

14

6в2

30

4

24

15

9в5

15

5

25

16

6в4

45

2

26

10

7в3

30

3

27

12

8в5

15

4

28

14

9в4

45

5

29

15

6в2

30

2

30

16

9в5

15

3

   0x01 graphic
. (20)
   3. Максимально необходимая величина смещения определяется как
   0x01 graphic
. (21)
   4. Максимально возможная величина смещения облучателя определяется из следующего соотношения:
   0x01 graphic
. (22)
   5. Производится сравнение xmax и ?Xmaxдоп:
   если xmax<?Xmaxдоп, достаточно одного зеркала;
   если xmax>?Xmaxдоп, необходимо использовать дополнительное зеркало (или несколько зеркал).
   Методики расчета различных зеркальных антенн для РЛС РТВ, которые могут оказаться полезными при курсовом и дипломном проектировании, приведены в приложении 9.

Вопросы для подготовки к занятию

   1. Классификация и основные РТП зеркальных антенн.
   2. Принцип действия параболоида вращения полного профиля.
   3. Конструктивные параметры параболоида вращения полного профиля.
   4. Основные РТХ и РТП параболоида вращения полного профиля.
   5. Способы создания веерной диаграммы направленности.
   6. Конструкция и принцип действия параболоцилиндрической антенны.
   7. Необходимость и способы создания косекансной ДН.

Рекомендуемая литература

   1. Шифрин Я.С. Антенны: Учеб. пособие. Харьков: ВИРТА ПВО, 1976. С. 239-282.
   2. Марков Л.Н. и др. Антенные системы радиоэлектронной техники. М: Воениздат, 1993. С. 202-225.
   3. Долбик А. И. Устройства СВЧ и антенны: Учеб. пособие. СПб: ФВУ ПВО, 2004. Ч.2: Антенные системы РЭС РТВ. С. 18-39.
  
  

Практическое занятие N 8

Расчет основных характеристик антенных решеток

   Время: 2 часа.

Учебные и воспитательные цели

   1. Закрепить и проверить знания курсантов о классификации, принципах построения ФАР, их характеристиках и параметрах, полученные на лекции.
   2. Привить обучаемым практические навыки в расчете конструктивных и радиотехнических параметров фазированных решеток.
   3. Сформировать у курсантов самостоятельность в работе, уверенность в своих силах.

Рассматриваемые вопросы

   1. Основные радиотехнические характеристики линейных решеток.
   2. Расчет характеристик антенной решетки.

Методические указания по подготовке и проведению занятия

   Данное практическое занятие базируется на материале лекций "Электромеханические сканирующие устройства", "Фазированные антенные решетки" и "Принципы построения излучающих систем ФАР".
   При отработке первого вопроса закрепляется материал по классификации сканирующих устройств, конструкциям фазированных решеток (ФАР), их радиотехническим параметрам, принципам построения их излучающих систем.
   В рамках второго вопроса решается задача на расчет основных конструктивных и радиотехнических параметров фазированной антенной решетки.
   Индивидуальные задания на практическое занятие приведены в табл. 10.
   Задача 1. Для использования в моноимпульсном радиолокаторе с суммарно-разностной обработкой сигнала предложена плоская коммутационная ФАР отражательного типа, обеспечивающая на фиксированной длине волны ? следующие характеристики 0x01 graphic
, 0x01 graphic
, 0x01 graphic
.
   Требуется:
   1) рассчитать размеры ФАР (2a, f, 2?0);
   2) выбрать форму элемента и вычислить его размеры;
   3) определить количество элементов;
   4) найти необходимый дискрет фазы;
   5) рассчитать потери усиления ФАР и максимальный уровень паразитных лепестков.

Таблица 10

N
по списку

?, см

0x01 graphic
, град

0x01 graphic
, град

0x01 graphic
, дб

Вид расположения элементов

1

3

1

18

©25

В углах прямоугольной сетки

2

6

1,5

21

©22,5

3

9

2

24

©20

4

12

1

27

©25

5

15

1,5

18

©22,5

6

18

2

21

©20

7

3

1

24

©25

В углах треугольной сетки

8

6

1,5

27

©22,5

9

9

2

18

©20

10

12

1

21

©25

11

15

1,5

24

©22,5

12

18

2

27

©20

13

3

1

18

©25

В углах прямоугольной сетки

14

6

1,5

21

©22,5

15

9

2

24

©20

16

12

1

27

©25

17

15

1,5

18

©22,5

18

18

2

21

©20

19

3

1

24

©25

В углах треугольной сетки

20

6

1,5

27

©22,5

21

9

2

18

©20

22

12

1

21

©25

23

15

1,5

24

©22,5

24

18

2

27

©20

25

3

1

18

©25

В углах прямоугольной сетки

26

6

1,5

21

©22,5

27

9

2

24

©20

28

12

1

27

©25

29

15

1,5

18

©22,5

30

18

2

21

©20

   Решение задачи приведено в приложении 9 в виде методики общего расчета фазированной антенной решетки.

Вопросы для подготовки к занятию

   1. Классификация ФАР.
   2. Схемы построения ФАР.
   3. Фазовый способ качания луча.
   4. Частотный способ качания луча.
   5. Способы размещения излучателей в раскрыве ФАР.
   6. Эквивалентные площади излучателей.
   7. Взаимная связь излучателей в ФАР.
   8. Многолучевые антенные решетки.

Рекомендуемая литература

   1. Шифрин Я.С. Антенны: Учеб. пособие. Харьков: ВИРТА ПВО, 1976. С. 322-365.
   2. Марков Л.Н. и др. Антенные системы радиоэлектронной техники. М: Воениздат, 1993. С. 226-264.
   3. Долбик А. И. Устройства СВЧ и антенны: Учеб. пособие. СПб: ФВУ ПВО, 2004. Ч.2: Антенные системы РЭС РТВ. С. 40-69.
  

Практическое занятие N 9

Оценка характеристик антенных систем
при их повреждении

   Время: 2 часа.

Учебные и воспитательные цели

   1. Закрепить знания курсантов, полученные на лекции, о влиянии повреждений антенных систем на их характеристики и параметры.
   2. Выработать у обучаемых навыки в решении задачи оценки характеристик и параметров зеркальной антенны при ее повреждении.
   3. Сформировать практические навыки применения ПЭВМ для оценки характеристик и параметров ФАР при ее повреждении.
   4. Воспитать у курсантов самостоятельность в работе, уверенность в своих силах.

Рассматриваемые вопросы

   1. Влияние повреждений и отказов на радиотехнические характеристики и параметры зеркальных антенн.
   2. Влияние повреждений и отказов элементов ФАР на характеристики и параметры антенн.

Методические указания по подготовке и проведению занятия

   Данное практическое занятие базируется на материале лекции "Влияние метеорологических факторов, повреждений и отказов элементов антенных систем на их радиотехнические характеристики и параметры".
   При отработке первого вопроса закрепляется материал по влиянию механических повреждений зеркальных антенн на их радиотехнические характеристики и параметры, проводится сравнительный анализ изменения РТХ при различных повреждениях. В рамках этого вопроса решается комплексная задача.
   Индивидуальные задания на практическое занятие приведены в табл. 11.
   Задача 1. Параболическая антенна с осесимметричным зеркалом (2R0, f) работает на частоте f0. Определить:
   1) допуск на отклонение профиля зеркала от расчетной кривой в центре зеркала (допустимую глубину обширной центральной неглубокой вмятины) - hдоп ц;
   2) допуск на отклонение профиля зеркала от расчетной кривой на краю зеркала (допустимую глубину обширной неглубокой вмятины на краю зеркала) - hдоп нц;
   3) допуск на точность установки облучателя в фокусе параболоида (допустимое смещение облучателя) - ?zдоп.
   Решение. Допустимые значения точности искривления зеркала и смещения облучателя определяются из условия непревышения фазовых ошибок значения ?/4. В центральной части зеркала допустимый размер вмятины равен:
   0x01 graphic
, (23)
   На краю зеркала допуск на отклонение профиля определяется выражением:

0x01 graphic

Рис. 5

   0x01 graphic
, (24)
   где 0x01 graphic
- половина угла раскрыва зеркала.
   Значение 0x01 graphic
можно определить из геометрических соотношений в зеркальной антенне, приведенных на рис. 5:

0x01 graphic
. (25)

   Допустимое вертикальное смещение облучателя определяется выражением:

Таблица 11

N
по списку

f0, ГГц

2R0, м

f, м

1

1

6

2

2

5

8

3

3

10

10

4

4

1

12

5

5

5

16

2

6

1

6

3

7

5

8

4

8

1

10

5

9

5

12

2

10

1

16

3

11

5

6

4

12

10

8

5

13

1

10

2

14

5

12

3

15

10

16

4

16

1

6

5

17

5

8

2

18

10

10

3

19

1

12

4

20

5

16

5

21

1

6

2

22

5

8

3

23

1

10

4

24

5

12

5

25

1

16

2

26

5

6

3

27

10

8

4

28

1

10

5

29

5

12

2

30

10

16

3

  
   0x01 graphic
. (26)
   Допуск на точность установки облучателя по горизонтали рассчитывается по формуле:
   0x01 graphic
. (27)
   В рамках второго вопроса производится анализ влияния повреждений элементов ФАР на основные радиотехнические характеристики и параметры фазированной антенной решетки. При этом с использованием ПЭВМ решается задача по оценке изменения РТХ вследствие различных повреждений ФАР.
   Задача 2. Оценить влияние выхода из строя элементов ФАР на ее диаграмму направленности. Исходные данные:
   число излучателей - 100;
   дискретность установки фазы - 22,5®;
   тип излучателей - изотропный;
   расстояние между излучателями - 0,5?;
   амплитудное распределение равномерное.
   Требуется оценить изменение ширины ДН, уровня БЛ при условии:
   повреждения элементов ФАР (устанавливаются значения количества вышедших из строя элементов в процентах - 0, 10, 20, 40, 60);
   наличия погрешности установки амплитуды (устанавливаются значения погрешности в процентах - 0, 10, 20, 40, 60);
   установки фазы с погрешностью амплитуды (устанавливаются значения погрешности в процентах - 0, 10, 20, 40, 60).
   Необходимо зафиксировать значения РТП в каждом случае, выполнить по два-три рисунка диаграммы направленности по каждому типу повреждений.

Вопросы для подготовки к занятию

   1. Влияние центральной вмятины на РТХ зеркальной антенны.
   2. Влияние нецентральной вмятины на РТХ зеркальной антенны.
   3. Влияние повреждений облучателя на РТХ зеркальной антенны.
   4. Виды повреждений и отказов элементов ФАР.
   5. Влияние отказов элементов ФАР на ее РТХ.

Рекомендуемая литература

   2. Марков Л.Н. и др. Антенные системы радиоэлектронной техники. М: Воениздат, 1993. С. 285-299.
   3. Долбик А. И. Устройства СВЧ и антенны: Учеб. пособие. СПб: ФВУ ПВО, 2004. Ч.2: Антенные системы РЭС РТВ. С. 80-89.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Методы измерения основных радиотехнических характеристик и параметров приемных антенн

   1. Традиционные методы.
   В настоящее время для измерения ДН антенн, как правило, применяют методы вращающейся или неподвижной антенны.
   При первом методе исследуемая антенна (ИА) устанавливается на поворотное устройство, а вспомогательная антенна (ВА), обычно устанавливаемая на вышке, неподвижна и ориентирована максимумом ДН на ИА. Приемник, подключенный к ИА, регистрирует зависимость величины принятого сигнала, излученного ВА, от угла поворота ИА.
   Данный метод удобен в лабораторных условиях и при заводских испытаниях. В войсковых условиях он применяется для измерений ДН в азимутальной плоскости. Однако этот метод не позволяет получить пространственную ДН антенны РЭС, в частности ДН в угломестной плоскости.
   При втором методе ИА неподвижна и вокруг нее в определенной плоскости перемещается ВА. В процессе измерений максимум ДН ВА сохраняет ориентацию на ИА.
   При использовании обоих методов важно согласование по поляризации ИА с ВА. В процессе измерений необходимо поддерживать стабильность работы передатчика и постоянство усиления приемника. Метод неподвижной антенны реализуют в наземных условиях (ВА перемещается вдоль поверхности земли) или с помощью самолетов либо вертолетов (метод облета).
   Метод облета. ВА размещается на борту летательного аппарата. Определенные трудности представляет контроль пространственной ориентации бортовой антенны (максимума ДН) и измерение ее пространственных координат. Для контроля ориентации максимума диаграммы направленности ВА можно установить рядом с ИА антенну опорного канала с заранее известными характеристиками (ДН, КУ). Она может быть слабонаправленной или иметь коэффициент усиления, соизмеримый с КУ ИА. При наличии антенны опорного канала нет необходимости измерять параметры ВА. Изменение ориентации главного максимума ВА повлечет за собой соответствующее изменение принимаемой мощности от калиброванной антенны опорного канала.
   Наличие антенны опорного канала (эталонной антенны - ЭД) позволяет измерить КУ ИА методом сравнения. Для этого необходимо сориентировать максимумы ДН ИА и ЭА на ВА, согласовать ИА в ЭА с фидерным трактом, с тем чтобы обеспечить равенство подводимых к этим антеннам мощностей. При данных условиях плотности потока мощности, создаваемые ИА и ЭА в области ВА, будут пропорциональны коэффициентам усиления исследуемой Gи и эталонной Gэ антенн. Определяя показания индикатора ?и и ?э на выходе квадратичного детектора бортовой аппаратуры при приеме сигналов поочередно от ИА и ЭА и зная величину Gэ, можно рассчитать Gи по формуле:
   0x01 graphic
. (28)
   Метод облета требует наличия специальной аппаратуры, значительных временных затрат на измерения и связан с организационными сложностями. Вместе с тем он позволяет измерять КУ и ДН в различных плоскостях с учетом влияния земной поверхности, местных предметов и в ряде случаев является единственно возможным для измерения и контроля характеристик антенн в войсковых условиях.
   Недостатки традиционных методов антенных измерений заключаются в следующем:
   при их использовании расстояние между ИА и ВА должно удовлетворять условию дальней зоны: 0x01 graphic
. С увеличением габаритов современных антенн выполнить его становится все труднее;
   существует необходимость уменьшения влияния отражений от земли и окружающих объектов на результаты измерения ДН в свободном пространстве;
   создание специального оборудования для ВА и осуществление связи между ИА и ВА связано с определенными сложностями;
   данные методы характеризуются слабой скрытностью.
   В связи с этим разрабатываются новые методы антенных измерений. Их внедрение новых методов антенных измерений стимулируется тем, что антенны современных РЭС сложны и дорогостоящи и требуют периодического контроля их характеристик в ходе эксплуатации.
   Новые методы измерений параметров антенн можно разделить на две большие группы - методы измерений параметров антенн на сокращенных расстояниях и радиометрические методы.
   2. Методы измерения параметров антенн на сокращенных расстояниях
   К ним относятся метод фокусировки, коллиматорный метод, методы определения параметров антенн по измерениям поля в ближней зоне (их называют также фазометрическими, апертурно-зондовыми).
   Суть метода фокусировки состоит в том, что в раскрыве исследуемой антенны (рис. 6) устанавливают (дополнительно к исходному) квадратичное фазовое распределение с опережением к краям антенны

0x01 graphic

Рис. 6

   0x01 graphic
, (29)
   где z - координата раскрыва; k=2?/?; rф, ?ф - координата точки фокусирования, расположенной в зоне Френеля (на рис. 6 ?ф=0). Такое фазовое распределение позволяет в некоторой окрестности точки фокусирования (области фокусировки) добиться ком-
   пенсации квадратичной фазовой составляющей, присутствующей в разности хода волн для точек наблюдения в зоне Френеля. Поэтому фазовые соотношения для полей от излучателей антенны в этих точках получаются такими же, как и для дальней зоны антенны, когда лучи от системы до точки наблюдения считаются параллельными.
   Угловое распределение поля в пределах области фокусировки повторяет угловое распределение поля в дальней зоне антенны с исходным АФР. Размеры области фокусировки определяются соотношением:
   0x01 graphic
, (30)
   где коэффициент Френеля 0x01 graphic
показывает, во сколько раз расстояние до дальней зоны больше расстояния до точки фокусирования.
   Таким образом, задаваясь значениями rф, ?ф и устанавливая в раскрыве антенные фазовое распределение (29), можно измерить в области (30) обычными методами ДН антенны в дальней зоне в требуемом угловом секторе.
   Коллиматорный метод метод основан на использовании того факта, что при размещении ВА в дальней зоне на ИА в режиме приема падает плоская однородная волна, которую можно получить с помощью коллиматора-линзы или зеркала с облучателем в фокусе (рис. 7). Сферический (или цилиндрический) фронт излуча-

0x01 graphic

Рис. 7

   емой облучателем волны преобразуется коллиматором в плоский. ДН ИА, работающей в режиме приема и расположенной в поле плоской волны, измеряется методом вращающейся антенны. Для того чтобы обеспечить в пределах раскрыва исследуемой антенны достаточно однородный фронт волны, размеры коллиматора должны в 2-3 раза превышать размеры ИА.
   Данный метод, в целом малопригодный в войсковых условиях, является эффективным и экономичным при испытаниях серийных антенн на полигонах заводов-изготовителей.
   При фазометрическом методе производятся измерения поля в ближней зоне антенны на некоторой поверхности (плоской, цилиндрической или сферической) и после соответствующей обработки результатов этих измерений определяются параметры в дальней зоне.
   Широкое применение находят косвенные методы измерения АФР, например измерение только мощности (интенсивности) поля. В войсковых условиях для контроля параметров антенн можно осуществлять обработку результатов регистрации ближнего поля с помощью ЭВМ, находящихся в составе РЭС. Наиболее простым является алгоритм при измерении ближнего поля антенны на плоскости (планарные измерения).
   С точки зрения контроля характеристик антенны в процессе эксплуатации РЭС, зачастую оказывается достаточным измерение АФР (или интенсивности) в раскрыве антенны. Если измеренное поле не превышает допустимых отклонений от эталонного значения, то, очевидно, отпадает необходимость в определении ДН антенны и ее параметров. Для текущего контроля исправности антенны, как правило, можно ограничиться проверкой работоспособности ее наиболее ненадежных элементов или узлов (например, в ФАР - фазовращателей, усилителей или в целом каналов излучателей).
   3. Радиометрические методы измерения параметров антенн основаны на использовании в качестве вспомогательной передающей антенны либо космических источников радиоизлучения (радиоастрономические методы), либо искусственных источников - так называемых "черных дисков" (метод "черного диска"). В последнем случае в качестве ВА используется искусственный источник шумового поля. Он представляет собой щит определенной конфигурации и размеров, изготовленный из поглощающих ЭМВ материалов.
   Эти источники излучают сигналы, сходные по своей структуре с внутренними шумами приемника. Исследуемая антенна работает в режиме приема шумового поля, излучаемого источниками, что приводит к изменению ее шумовой температуры (ТАИ). Параметры исследуемой антенны определяются путем измерений и анализа шумовой температуры или ее приращения. Величина ТАИ, определяемая внешними источниками, зависит от ориентации ДН антенны, так как с изменением направления главного максимума изменяется "шумовая обстановка" в пределах телесных углов, занимаемых главным и боковыми лепестками ДН.
   С этой целью применяют специальные приемники-радиометры, которые отличается тем, что в их состав входит устройство компенсации внутренних шумов.
   По измеренной шумовой температуре антенны или ее приращению можно определить ДН, КУ и КПД антенны.

Приложение 2

Методика решения задач
на расчет множителя линейной системы излучателей

   Задача 1. Рассчитать и построить нормированный множитель непрерывной синфазной линейной системы длиной L при длине волны ? и равномерном амплитудном распределении. Определить уровень первого и второго боковых лепестков и ширину основного лепестка по нулям.
   Дано: L=60 см, ?=12 см, А(х)=1, ?(х)=0.
   Требуется: построить 0x01 graphic
0x01 graphic
; найти Fб1, Fб2, 2?0.
   Решение. Исследуемая система представлена на рис. 8.

0x01 graphic

Рис. 8

0x01 graphic

Рис. 9

   Аналитическое выражение для множителя системы (МС) имеет вид:

0x01 graphic
, (31)

   где 0x01 graphic
- приведенная угловая координата (при этом реальный угол 0x01 graphic
).
   График функции 0x01 graphic
приведен на
   рис. 9 (верхняя часть графика).
   1. Нули множителя системы определяются из условия 0x01 graphic
(при ?=0):
   0x01 graphic
, где n=1, 2,... (32)
   Интервал 0x01 graphic
занимает главный лепесток; следовательно, 0x01 graphic
.
   2. Рабочий интервал углов ?, соответствующий диапазону углов ? от -90® до +90®, рассчитывается из соотношения:
   0x01 graphic
. (33)
   В нашем случае интервал составляет 0x01 graphic
.
   Таким образом, в рабочем интервале находится главный лепесток и восемь боковых (по четыре с каждой стороны от главного).
   3. Максимумы боковых лепестков расположены примерно посередине между их нулями, поэтому 0x01 graphic
   4. Уровни боковых лепестков Fб1, Fб2 вычисляются по формуле (31):
   0x01 graphic
, (34)
   0x01 graphic
.
   5. По 0x01 graphic
строится 0x01 graphic
(см. рис. 9, нижняя часть графика).
   6. Ширина главного лепестка "по нулям" 2?0 рассчитывается по выражению (33):
   0x01 graphic
. (35)
   Задача 2. Определить, как изменится диаграмма направленности линейной антенной системы в условиях задачи 1, если ее длину уменьшить в 2 раза.
   Дано: L=30 см, ?=12 см, А(х)=1, ?(х)=0.
   Требуется: построить 0x01 graphic
0x01 graphic
; найти Fб1, Fб2, 2?0.
   Решение.
   1. Аналитическое выражение для множителя системы не меняется:
   0x01 graphic
.
   Следовательно, сохраняет свою форму график множителя, положение нулей
   и максимумов, уровни боковых лепестков.
   2. В выражении 0x01 graphic
в два раза уменьшается отношение L/?, которое влияет на рабочий диапазон углов ? и ширину главного лепестка 2?0:

0x01 graphic
.

   Это означает, что в рабочей области углов ? и ? укладывается не девять лепестков, как в предыдущем случае, а только четыре: один главный и по полтора боковых с каждой стороны.
   3. Строятся графики 0x01 graphic
и 0x01 graphic
(рис. 10).
   4. Определяется ширина главного лепестка "по нулям" 2?0:

0x01 graphic
.

0x01 graphic

Рис. 10

   Вывод: при укорочении линейной непрерывной системы излучателей в 2 раза уменьшается примерно в 2 раза уровень боковых лепестков и во столько же раз расширяется главный лепесток множителя системы.
   Задача 3. Что произойдет с множителем системы в условиях задачи 2, если равномерное амплитудное распределение заменить косинусным?
   Дано: L=30 см, ?=12 см, А(х)=cos(?/2)x, ?(х)=0, L/?=2,5.
   Требуется: построить 0x01 graphic
0x01 graphic
; найти Fб1, Fб2, 2?0.
   Решение.
   I. Изменяется аналитическое выражение для множителя системы:
   0x01 graphic
, (36)
   где 0x01 graphic
- приведенная угловая координата.
   II. Изменится и график множителя, в частности положение нулей, максимумов боковых лепестков и их уровни.
   1. Нули множителя системы определяются из условия 0x01 graphic
. Следовательно,

0x01 graphic
, где n=1, 2,... (37)

   Тогда 0x01 graphic
   Значение 0x01 graphic
входит в пределы главного лепестка и не является нулевым. Следует заметить, что нуль главного лепестка соответствует 0x01 graphic
, а не ?, как в случае равномерного амплитудного распределения, т.е. главный лепесток по нулям расширяется в 1,5 раза.

0x01 graphic

Рис. 11

   2. Максимумы боковых лепестков находятся между нулями, т.е. 0x01 graphic
и т.д.
   3. Уровни боковых лепестков рассчитываются по формуле (36):
   0x01 graphic
; (38)
   0x01 graphic
.
   III. Строятся графики 0x01 graphic
и 0x01 graphic
(рис. 11).
   IV. Рабочий диапазон углов ? при данных условиях остается тем же, что и в задаче 2 (0x01 graphic
), так как величины в выражении (33) не изменились. Однако в этот диапазон кроме главного лепестка вошло только по одному боковому с каждой стороны.
   V. Ширина главного лепестка "по нулям" равна:
   0x01 graphic
. (39)
   Задача 4. Определить, что произойдет с множителем системы в условиях задачи 2, если синфазное распределение заменить прямофазным 0x01 graphic
, причем a=?.
   Дано: L=30 см, ?=12 см, А(х)=1, 0x01 graphic
, a=?, L/?=5.
   Требуется: построить 0x01 graphic
0x01 graphic
; найти Fб1, Fб2, 2?0; оценить форму главного лепестка.
   Решение.
   1. Формула для множителя системы принимает форму, учитывающую фазовое распределение по линейному закону:
   0x01 graphic
, (40)
   где 0x01 graphic
- приведенная угловая координата, ?1=a=?.
   2. Положение максимума главного лепестка МС соответствует условию 0x01 graphic
, т.е. 0x01 graphic
. Отсюда следует, что 0x01 graphic
. Это значит, что максимум главного лепестка имеет абсциссу, равную ?, и весь график МС сдвинут вправо на величину ?, при этом его форма не меняется.

0x01 graphic

Рис. 12

   3. Смещение вправо максимума диаграммы направленности по координате ? означает поворот его по часовой стрелке по координате ? на величину ?m, определяемую из условия (40): 0x01 graphic
. Следовательно,
   0x01 graphic
. (41)
   4. Рабочая область углов ? остается прежней, т.е. 0x01 graphic
. Также не изменяются значения ?0, Fб1, Fб2.
   5. Строятся графики 0x01 graphic
и 0x01 graphic
(рис. 12).
   6. Ширина главного лепестка 2?0 определяется как разность ?2-?1 (в нашем примере ?1=0):
   0x01 graphic
. (42)
   В случае прямофазной системы 2?0=59® (вместо 48® при синфазной системе).
   Выводы:
   1) главный лепесток отклоняется от нормали на угол ?m тем больше, чем больше значение ?1;
   2) главный лепесток 0x01 graphic
значительно расширяется и становится асимметричным (но в координатах ? остается симметричным).
   Задача 5. Как будет выглядеть множитель линейной системы в условиях задачи 1, если вместо непрерывной ее сделать дискретной, а расстояние между элементарными излучателями выбрать равным длине волны?
   Дано: L=60 см, ?=12 см, d=12 см, А(х)=1, ?=0, L/?=5.
   Требуется: построить 0x01 graphic
0x01 graphic
; найти Fб1, Fб2, 2?0.
   Решение.
   1. Множитель линейной эквидистантной антенной решетки с равномерным амплитудным распределением имеет вид:
   0x01 graphic
, (43)
   где 0x01 graphic
- приведенная угловая координата, 0x01 graphic
.
   Это периодическая функция, период которой составляет 2?. Ширина главных максимумов 0x01 graphic
.
   Между главными максимумами расположены убывающие к середине интервала 2? боковые лепестки, ширина каждого из которых равна 0x01 graphic
, а количество N-2=4.
   2. Нулевые значения функции имеют координаты 0x01 graphic
?, 0x01 graphic
..., кроме значений 2?, 4? и т.д.
   3. Максимумы боковых лепестков находятся посредине между нулями, т. е.
   0x01 graphic
, 0x01 graphic
...
   4. Уровни боковых лепестков рассчитываются по формуле (43):

0x01 graphic
=0,24;

0x01 graphic

Рис. 13

0x01 graphic
.

   5. Рабочий интервал углов ?, соответствующий диапазону углов ? от -90® до +90®, определяется из соотношения:
   0x01 graphic
. (44)
   Следовательно, этот интервал лежит в пределах 0x01 graphic
.
   6. Строятся графики 0x01 graphic
и 0x01 graphic
(рис. 13).
   7. Определяется ширина главного лепестка "по нулям":
   0x01 graphic
. (45)
  
  

Приложение 3

Общая методика расчета
элементов конструкции директорной антенны

   Целью расчета является определение количества вибраторов в антенне, их длин и расстояний между ними (рис. 14). Исходные данные - 2?0,5p, ?.

0x08 graphic
0x01 graphic

Рис. 14

   1. По заданному значению 2?0,5p, и длине волны ? находится ориентировочная длина антенны L. Связь между 2?0,5p и L/? задается графиком (рис. 16).
   2. Вычисляется среднее расстояние между вибраторами dср из следующих соображений: если количество директоров nд©3, то dср=0,15?; если nд>3, то dср=0,27? .
   3. По L и dср определяется общее число вибраторов: 0x01 graphic
.

0x01 graphic

Рис. 15

   4. Рассчитываются взаимные сопротивления между активным вибратором и остальными вибраторами по графику, представленному на рис. 15. Расстояние между вибраторами выбирается в диапазоне d=(0,1...0,2)? при nд©3 и d=(0,2...0,34)? при nд>3.
   5. Задаются значения активных сопротив-
   лений всех вибраторов (73 Ом), а реактивные выбираются в следующих диапазонах: Хреф=(0...40) Ом; Хдир=-(0...40) Ом; Хакт=0.
   6. По значениям реактивных сопротивлений с помощью графиков (рис. 17) определяются длины всех вибраторов.
   7. Вычисляется укорочение активного вибратора: 0x01 graphic
.

0x01 graphic

Рис. 16

0x01 graphic

Рис. 17

Приложение 4

Методика определения основных радиотехнических характеристик и параметров директорной антенны

   1. По заданным значениям ?, N и dср записываются выражения для ДНА в двух взаимно перпендикулярных плоскостях ?Е и ?Н:
   0x01 graphic
; (46)
   0x01 graphic
. (47)
   2. Определяются значения 2?0,5p для плоскостей Е и Н. Приближенная оценка 2?0,5p осуществляется по формуле:
   0x01 graphic
, (48)
   где В - коэффициент, зависящий от L/?. При L/?=1,5...10,2 - В=56®...71®.
   3. Коэффициент направленного действия оценивается в соответствии с выражением:
   0x01 graphic
. (49)
   При L/?=1...7 значение коэффициента составляет А=10...5.
   4. По значениям ? и d рассчитываются взаимные сопротивления вибраторов Zmn.
   5. Составляется и решается система уравнений для токов в вибраторах. Вычисляется АФР токов (при N>3 - с помощью ЭВМ).
   6. Определяется входное сопротивление антенны:
   0x01 graphic
. (50)

Приложение 5

Методика расчета волноводно-щелевой антенны

   1. Для длины волны ? выбирается стандартный волновод из условия: ?/2<a<? (см. таблицу в приложении 6).
   2. Рассчитывается критическая длина волны в волноводе: ?кр=2а.
   3. Определяется длина волны в волноводе:
   0x01 graphic
. (51)
   4. Необходимое число щелей в волноводе
   0x01 graphic
. (52)
   5. Выбирается ширина щели (из условия d=(0,03...0,15)?): d=0,1?.
   6. Рассчитывается волновое сопротивление щели, Ом:
   0x01 graphic
. (53)
   7. Укорочение щели вычисляется как: 0x01 graphic
.
   8. Длина щели с учетом укорочения 0x01 graphic
.
   9. Нормированная диаграмма направленности в плоскости Н для ?в/2 при размещении продольных щелей в шахматном порядке на широкой стенке волновода (?-способ питания) определяется выражением:
   0x01 graphic
, (54)
   где 0x01 graphic
(соответственно для 2?-способа 0x01 graphic
).
   Задаваясь значениями ?, строим график F(?)Н; по нему определяется ширина ДН (2?0,5р).

Приложение 6

Стандарты для прямоугольных волноводов

Тип волновода

Диапазон частот для основного типа волн, ГГц

Диапазон основного типа волн, см

Внутренние размеры, мм

Толщина стенок, мм

ширина

высота

мэк-3

0,32-0,49

93,7-61,2

584,2

292,10

-

МЭК-4

0,35-0,53

85,7-56,6

533,4

266,70

-

МЭК-5

0,41-0,62

73,2-48,4

457,2

228,60

-

мэк-6

0,49-0,75

61,2-40,0

381,0

190,50

-

МЭК-8

0,64-0,98

46,9-30,6

292,1

146,05

-

МЭК-9

0,76-1,15

39,5-26,1

247,65

123,82

-

МЭК-12

0,96-1,46

31,2-20,5

195,58

97,79

-

МЭК-14

1,14-1,73

26,3-17,3

165,10

82,55

2,030

МЭК-18

1,45-2,20

20,7-13,6

129,54

65,77

2,030

МЭК-22

1,72-2,61

17,4-11,5

109,22

54,61

2,030

МЭК-26

2,17-3,30

13,8-9,09

86,36

43,18

2,030

МЭК-32

2,60-3,95

11,5-7,59

72,14

34,04

2,030

МЭК-40

3,22-4,90

9,32-6,12

58,17

29,083

1,625

МЭК-48

3,94-5,99

7,61-5,01

47,55

22,149

1,625

МЭК-58

4,64-7,05

6,46-4,25

40,39

20,193

1,625

МЭК-70

5,38-8,17

5,58-3,67

34,85

15,799

1,625

МЭК-84

6,57-9,99

4,57-3,00

28,499

12,624

1,625

МЭК-100

8,20-12,5

3,66-2,40

22,86

10,160

1,270

МЭК-120

9,84-15,0

3,05-2,00

19,05

9,525

1,270

МЭК-140

11,9-18,0

2,52-1,67

15,799

7,899

1,015

МЭК-180

14,5-22,0

2,07-1,36

12,954

6,477

1,015

МЭК-220

17,6-26,7

1,77-1,12

10,668

4,318

1,015

МЭК-260

21,7-33,0

1,38-0,90

8,636

4,318

1,015

МЭК-320

26,4-40,0

1,14-0,75

7,112

3,556

1,015

МЭК-400

32,9-50,1

0,91-0,60

5,690

2,845

1,015

МЭК-500

39,2-59,6

0,76-0,50

4,775

2,388

1,015

МЭК-620

49,8-75,8

0,60-0,40

3,759

1,880

1,015

МЭК-740

60,5-91,8

0,50-0,33

3,099

1,549

1,015

МЭК-900

83,8-112

0,36-0,27

2,540

1,270

1,015

МЭК-1200

92,2-140

0,325-0,214

2,332

1,016

1,015

МЭК-1400

114-173

0,263-0,173

1,651

0,826

-

МЭК-1800

145-220

0,21-0,136

1,295

0,648

-

МЭК-2200

172-261

0,174-0,115

1,092

0,846

-

МЭК-2600

217-330

0,138-0,09

0,864

0,432

-

  

Приложение 7

Методика расчета зеркальных антенн различных типов.

1. Методика расчета зеркальной параболической антенны
полного профиля

   Расчет, как правило, производится по заданным:
   ширине ДН в одной из плоскостей (0x01 graphic
или 0x01 graphic
);
   допустимому уровню первого бокового лепестка ДН (0x01 graphic
);
   длине волны (?).
   При этом требуется определить профиль и геометрические размеры зеркала, рассчитать облучатель и линию передачи энергии.

Порядок расчета

   1.1. Расчет геометрических размеров и профиля зеркала.
   1.1.1. На рис. 18, 19 соответственно представлены графики диаграмм направленности параболоида вращения в Н- и Е-плоскостях, полученные экспериментально для нескольких значений отношения радиуса апертуры антенны к параметру параболы (R0/p). Основные радиотехнические параметры для каждого случая сведены в табл. 12 и 13 соответственно.

Таблица 12

R0/p

0x01 graphic

2?0,5р,

рад

2?0,5р,

град

КИП

0x01 graphic
, дб

первый БЛ

второй БЛ

0,4

1,67

0x01 graphic

0x01 graphic

0,98

-

-

0,6

1,73

0x01 graphic

0x01 graphic

0,84

-16

-20

0,8

1,9

0x01 graphic

0x01 graphic

0,66

-24

-29

1,0

2,17

0x01 graphic

0x01 graphic

0,47

-27

-30

Таблица 13

R0/p

0x01 graphic

2?0,5р,

рад

2?0,5р,

град

КИП

0x01 graphic
, дб

первый БЛ

второй БЛ

0,4

1,73

0x01 graphic

0x01 graphic

0,98

-

-

0,6

1,95

0x01 graphic

0x01 graphic

0,84

-16

-20

0,8

2,27

0x01 graphic

0x01 graphic

0,66

-24

-29

1,0

2,63

0x01 graphic

0x01 graphic

0,47

-27

-30

  

0x01 graphic

Рис. 18

  

0x01 graphic

Рис. 19

   По заданному уровню первого бокового лепестка 0x01 graphic
необходимо выбрать соответствующую ДН и определить значение a0=R0/p.
   1.1.2. По заданной ширине диаграммы направленности (0x01 graphic
или 0x01 graphic
) с помощью соответствующих графиков или таблиц определяется значение обобщенной угловой координаты (0x01 graphic
или 0x01 graphic
). Связь этих значений определяется выражениями:
   0x01 graphic
, 0x01 graphic
, (55)
   где k=2?/? - волновое число.
   1.1.3. Определяется радиус раскрыва зеркала:
   0x01 graphic
. (56)
   1.1.4. По полученным значениям a0 и R0 вычисляются параметр и фокусное расстояние параболы:
   0x01 graphic
; 0x01 graphic
. (57)
   1.1.5. Рассчитывается и строится профиль зеркала с использованием уравнения параболы:
   0x01 graphic
. (58)
   1.1.6. Определяется угол раскрыва зеркала по формуле:
   0x01 graphic
. (59)
   1.2. Расчет облучателя.
   1.2.1. Выбирается тип облучателя. Обычно, для дециметрового и сантиметрового диапазона волн в качестве облучателя используется рупорная антенна.
   1.2.2. Параметры облучателя рассчитываются из условия облучения кромки зеркала 10%-ным уровнем мощности:
   0x01 graphic
, (60)
   где 0x01 graphic
- ширина диаграммы направленности рупора по уровню мощности 0,1.
   Величина 0x01 graphic
для пирамидального рупора определяется по формулам:
   в Н-плоскости -
   0x01 graphic
; (61)
   в Е-плоскости -
   0x01 graphic
, (62)
   где А и В - размеры рупора соответственно в Н- и Е-плоскостях.
   Размеры рупора вычисляются по соотношениям:
   0x01 graphic
; 0x01 graphic
. (63)
   Длина рупора, а также его максимальный КНД рассчитываются по формулам, приведенным в табл. 8.
   1.2.3. Диаграмма направленности рупорного облучателя определяется по формулам:
   0x01 graphic
; (64)
   0x01 graphic
. (65)
   1.3. Расчет линии передачи энергии.
   1.3.1. Составляется схема линии передачи.
   1.3.2. Выбираются размеры волновода. Для этого используется таблица стандартов прямоугольных волноводов, приведенная в приложении 8.
   1.3.3. Определяется предельная и допустимая мощность.
   1.3.4. Выбираются элементы линии передач (переходы, изгибы, волноводные сочленения, согласующие устройства и др.), их количество, типы и параметры. Рассчитываются коэффициент затухания и коэффициент полезного действия линии передачи энергии.

2. Методика расчета зеркальной параболической антенны,
формирующей косекансную ДН методом парциальных диаграмм

   Исходные данные:
   ширина ДН в горизонтальной плоскости (0x01 graphic
);
   допустимый уровень первого бокового лепестка ДН (0x01 graphic
);
   длина волны (?);
   -требуемый коэффициент усиления (Gmax);
   -пределы создания веерной и косекансной ДН в вертикальной плоскости (0x01 graphic
, 0x01 graphic
, 0x01 graphic
);
   -излучаемая мощность.
   Требуется рассчитать параметры зеркала, блока облучателей и линии передачи анергии.

Порядок расчета

   2.1. Расчет геометрических размеров и профиля зеркала.
   2.1.1. По заданному уровню первого бокового лепестка 0x01 graphic
необходимо выбрать соответствующую ДН и определить значение a0=R0/p по графикам, представленным на рис. 18, 19, или табл. 12, 13.
   2.1.2. Для выбранной диаграммы определяется значение 0x01 graphic
и рассчитывается горизонтальный размер раскрыва зеркала:
   0x01 graphic
. (66)
   2.1.3. По полученным значениям a0 и DГ вычисляются параметр и фокусное расстояние параболы:
   0x01 graphic
; 0x01 graphic
; 0x01 graphic
. (67)
   2.1.4. По заданному КУ антенны и горизонтальному размеру зеркала определяется вертикальный размер раскрыва:
   0x01 graphic
, (68)
   где gA - коэффициент эффективности зеркальной антенны (для усеченного параболоида обычно принимают gA=0,3...0,4).
   В том случае, когда коэффициент усиления не задан, можно использовать приближенную формулу:
   0x01 graphic
. (69)
   2.1.5. Рассчитывается и строится профиль зеркала в горизонтальной и вертикальной плоскостях с использованием выражений:
   0x01 graphic
. (70)
   2.1.6. Вычисляются углы раскрыва зеркала в обеих плоскостях по формулам:
   0x01 graphic
; 0x01 graphic
. (71)
   2.2. Расчет блока облучателей.
   2.2.1. Вычисляется ширина одной парциальной диаграммы в вертикальной плоскости для облучателя, расположенного в фокусе:
   0x01 graphic
. (72)
   2.2.2. Определяется количество парциальных диаграмм в веерной и косекансной частях ДН:
   0x01 graphic
; (73)
   0x01 graphic
, (74)
   где k1 и k2 - коэффициенты расширения парциальной диаграммы при выносе облучателя из фокуса (фактически величина обратная, коэффициенту редукции). Обычно принрмают k1ср=1...1,2; k2ср=1,2...1,5.
   2.2.3. Определяется количество зеркал, необходимых для создания парциальных диаграмм в пределах (0x01 graphic
, 0x01 graphic
). Для этого рассчитывается максимальное смещение облучателей с учетом симметричного выноса первого и последнего из них:
   0x01 graphic
. (75)
   Если условие (75) выполняется, выбирают одно зеркало, если не выполняется - два (как правило, одинаковых).
   2.2.4. Рассчитывается смещение каждого облучателя:
   0x01 graphic
, (76)
   где 0x01 graphic
- направление максимального излучения n-й парциальной диаграммы.
   Направление максимума каждой парциальной диаграммы с учетом расширения за счет выноса облучателя из фокуса рассчитывается по формуле:

0x01 graphic

Рис. 20

   0x01 graphic
, (77)
   где 0x01 graphic
- коэффициент расширения (n-1)-й диаграммы, определяемый по графику зависимости расширения луча kp и уменьшения усиления ? параболической антенны от смещения облучателя из фокуса ?x/p (рис. 20).
   Последовательно производя вычисления по формулам (76) и (77), уточняют количество парциальных диаграмм в ДН, а, следовательно, количество облучателей.
   Если косекансная ДН формируется одним зеркалом, то в фокусе располагают облучатель, максимум диаграммы которого совпадает с направле-
   нием 0x01 graphic
ДН. Облучатели, смещенные вверх, формируют веерную, а смещенные вниз - косекансную часть ДН.
   Если общая диаграмма формируется двумя зеркалами, то веерная часть создается нижним, а косекансная - верхним зеркалом. Фокальная ось нижнего зеркала поднимается на угол 0x01 graphic
, фокальная ось верхнего зеркала - на угол 0x01 graphic
.
   2.2.5. Рассчитывается распределение мощности в парциальных диаграммах косекансной части ДН:
   0x01 graphic
, (78)
   где Pi - мощность, излучаемая i-м облучателем; PВ - мощность, излучаемая облучателем, формирующим начало косекансной части ДН; ?В, ?i - коэффициенты, учитывающие уменьшение усиления антенны при выносе облучателя из фокуса (определяются по графику, представленному на рис. 20).
   Алгоритм расчета облучателя и линии передач аналогичен приведенному в п. п. 1.2, 1.3 настоящего приложения.

3. Методика расчета зеркальной параболической антенны, формирующей косекансную ДН с помощью зеркала специального профиля

   Исходные данные:
   ширина ДН в горизонтальной плоскости (0x01 graphic
);
   допустимый уровень первого бокового лепестка ДН (0x01 graphic
);
   длина волны (?);
   требуемый коэффициент усиления (Gmax);
   пределы создания веерной и косекансной ДН в вертикальной плоскости (0x01 graphic
, 0x01 graphic
, 0x01 graphic
);
   -тип зеркала (цилиндрическое или двойной кривизны).
   В данном случае требуется определить конструктивные параметры зеркала двойной кривизны, блока облучателей и линии передачи анергии.

Порядок расчета

   3.1. Расчет размеров и профиля зеркала в горизонтальной плоскости.
   3.1.1. Горизонтальный размер раскрыва рассчитывается по формуле:
   0x01 graphic
. (79)
   3.1.2. Фокусное расстояние зеркала определяется выражением:
   0x01 graphic
. (80)
   3.1.3. Рассчитывается и строится профиль зеркала в горизонтальной плоскости с использованием выражения:
   0x01 graphic
. (81)
   3.1.4. Определяется угол раскрыва зеркала в горизонтальной плоскости:
   0x01 graphic
. (82)
   3.2. Расчет размеров и профиля зеркала в вертикальной плоскости.
   3.2.1. По заданному КУ антенны и горизонтальному размеру зеркала определяется вертикальный размер раскрыва:
   0x01 graphic
, (83)
   где величина коэффициента эффективности gA=0,3.
   В том случае, когда коэффициент усиления не задан, можно использовать приближенную формулу:
   0x01 graphic
. (84)
   3.2.2. Определяют углы раскрыва зеркала, принимая DB1-DB2-DB/2

0x01 graphic

Рис. 21

   (см. рис. 21):
   0x01 graphic
(85)
   3.2.3. В заданном секторе (0x01 graphic
, 0x01 graphic
) строится косекансная ДН (пунктирная линия на рис. 22):
   0x01 graphic
(86)
   При конечных размерах зеркала не удается получить идеальную косекансную диаграмму направленности, поэтому производится "сглаживание", (рис. 22,

0x01 graphic

Рис. 22

0x01 graphic

Рис. 23

   сплошная кривая).
   3.2.4. Строится ДН облучателя в вертикальной плоскости по мощности 0x01 graphic
исходя из условия:
   0x01 graphic
. (87)
   Соответствующий график диаграммы направленности приведен на рис. 23.
   3.2.5. Определяется зависимость 0x01 graphic
. Для этого необходимо вычислить левую и правую части уравнения баланса мощности
   0x01 graphic
(88)
   и построить их на одном графике (рис. 24). Вычисление производится путем графического интегрирования с помощью графиков, представленных на рис. 22 и 23.

0x01 graphic

Рис. 24

   Если фокальная ось зеркала OZ направлена под углом 0x01 graphic
, то 0x01 graphic
. В остальных случаях принимается 0x01 graphic
. Значение 0x01 graphic
соответствует величине 0x01 graphic
.
   По полученной зависимости 0x01 graphic
с помощью формулы
   0x01 graphic
(89)
   методом численного интегрирования рассчитывается профиль зеркала в вертикальной плоскости (плоскость XOZ на рис. 21).
   Для определения профиля зеркала в вертикальных сечениях А1О1В1, А2О2В2 и т. д. (рис. 25) в формулу (89) вместо величины f подставляют значения ?1, ?2,...?2N и т. д. (рис. 26), которые для ряда задаваемых значений z1, z2,...zN можно рассчитывать по формуле:
   0x01 graphic
. (90)

0x01 graphic

Рис. 25

0x01 graphic

Рис. 26

   Алгоритм расчета облучателя и линии передач аналогичен приведенному в п. п. 1.2, 1.3 настоящего приложения.
  

Приложение 8

Методика расчета фазированной антенной решетки отражательного типа

   Общий вид ФАР отражательного типа приведен на рис. 27.

1. Расчет размеров ФАР.

   Поперечные размеры рассчитываются исходя из выражения для ширины диаграммы направленности антенны при сканировании:

0x01 graphic

Рис. 27

0x01 graphic
, (91)

   где 0x01 graphic
- коэффициент, учитывающий расширение главного лепестка ДН при сканировании.
   Следовательно,

0x01 graphic
. (92)

   Для того чтобы рассчитать диаметр плоской круглой ФАР, необходимо найти коэффициент 0x01 graphic
, который
   определяется амплитудным распределением на антенне. Кроме того, амплитудное распределение определяет и другие параметры антенны, в частности уровень боковых лепестков. Наиболее выгодное соотношение между шириной главного лепестка и уровнем боковых лепестков на практике позволяет получить квазиоптимальное амплитудное распределение. Чаще всего используется АР вида:
   0x01 graphic
, (93)
   где 0©?©1 - так называемый "пьедестал".
   График зависимости 0x01 graphic
, 0x01 graphic
, ?A от 0x01 graphic
приведен на рис. 28. В соответствии с уровнем 0x01 graphic
выбирается коэффициент 0x01 graphic
. После этого определяется диаметр ФАР 2а.
   Для питания ФАР отражательного типа необходимо, чтобы блок облучателей располагался на расстоянии 0x01 graphic
(эквивалентное фокусное расстояние ФАР), а края антенны из фокуса были видны под углом 0x01 graphic
. Радиус ФАР, 0x01 graphic
и 0x01 graphic
связаны простым соотношением:
   0x01 graphic
. (94)

0x01 graphic

Рис. 28

   Основные геометрические соотношения в ФАР приведены на рис. 29.

0x01 graphic

Рис. 29

   Для антенн отражательного (зеркального) типа отношение 0x01 graphic
выбирается исходя из максимума коэффициента эффективности 0x01 graphic
. Поскольку чаще всего в качестве облучателя используется рупорная антенна, то можно предложить использовать графики, представленные на рис. 30. Выбрав, например, аппроксимацию ДН облучателя вида 0x01 graphic
, по соответству-
   ющей кривой получим (при 0x01 graphic
):
   0x01 graphic
. (95)

0x01 graphic

Рис. 30

   Следовательно, 0x01 graphic
.
   Тогда из (94)
   0x01 graphic
.

2. Выбор формы элемента и определение его размеров

   Для обеспечения оптимального использования раскрыва ФАР желательно плотное заполнение элементами. Кроме того, для получения минимального числа элементов ФАР, площадь излучающего элемента должна быть как можно больше.
   Этим условиям удовлетворяют два вида расположения излучателей - в углах прямоугольной и треугольной сетки, что соответствует двум типам эквивалентных излучателей - с квадратным и шестиугольным раскрывом. Расстояние между элементами определяется из условия единственности главного максимума при отклонении главного лепестка на величину 0x01 graphic
.
   В случае размещения элементов в узлах квадратной сетки (рис. 31) это условие выглядит следующим образом:

0x01 graphic

Рис. 31

0x01 graphic
. (96)

   На основании данного соотношения выбирается расстояние между элементами d.
   Размер эквивалентного элемента (квадрата) можно взять равным d, а площадь элемента определяется выражением:
   0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x01 graphic
. (97)

0x01 graphic

Рис. 32

   Если же эквивалентные элементы являются шестиугольниками (рис. 32), то условие единственности главного максимума имеет вид:

0x01 graphic
. (98)

   Длина стороны такого элемента
   0x01 graphic
. Площадь эквивалентного излучателя в треугольной сетке вычисляется следующим образом:
   0x01 graphic
. (99)

3. Определение количества элементов

   Количество элементов в ФАР рассчитывается по формуле:
   0x01 graphic
. (100)
   При использовании эквивалентных квадратных элементов их количество вычисляется по выражению:
   0x01 graphic
. (101)
   В случае применения треугольной сетки необходимое количество элементов:
   0x01 graphic
. (102)
   Таким образом, использование треугольной сетки и эквивалентных шестиугольных излучателей обеспечивает выигрыш на 15 %. Однако они неудобны в конструктивном отношении. Кроме того, в этом случае в ФАР отсутствует возможность строчно-столбцевого фазирования. Поэтому обычно выбирается квадратная сетка расположения элементов.

4.Определение необходимого дискрета фазы
коммутационного фазовращателя

   Максимально необходимое изменение фазы, определяемое размерами сектора сканирования, рассчитывается по формуле:
   0x01 graphic
, (103)
   где k=2?/? - волновое число.
   Коммутационная ФАР предполагает дискретный способ управления фазой (рис. 33). При этом изменение фазы происходит скачком с дискретом
   0x01 graphic
, (104)
   где 0x01 graphic
, ?=1, 2, 3.... Число ? называется разрядностью фазовращателя.

0x01 graphic

Рис. 33

   При дискретном способе управления фазой необходимое фазовое распределение устанавливается с ошибкой, что приводит к уменьшению максимального КНД ФАР и увеличению уровня коммутационных боковых лепестков (наибольшую величину имеет лепесток с номером m-1). Основные значения этих изменений при различных ?? приведены в табл. 14.

Таблица 14

??

?

?/2

?/4

?/8

D/D0 раз (дб)

0,405 (-3,92)

0,811 (-0,91)

0,95 (-0,22)

0,987 (-0,05)

Fбm-1 раз (дб)

-

0,333 (-9,54)

0,143 (-16,9)

0,067 (-23,5)

   Очевидно, что с уменьшением дискрета фазы ошибки уменьшаются, однако при этом с увеличением разрядности фазовращателей усложняется схема управления фазовым распределением. Как правило, выбирают фазовращатели с ?=3-4.
   При дискретном фазировании на раскрыве ФАР образуются синфазные участки длиной 0x01 graphic
. На каждом таком участке находится 0x01 graphic
излучателей, имеющих одинаковую фазу. Все вышесказанное справедливо для границы сектора сканирования. При других положениях луча величины 0x01 graphic
и 0x01 graphic
соответственно изменяются.
   Кроме того, необходимо помнить, что в ФАР обычно применяют фазовращатели с изменением фазы до 2?. При этом для управления фазовым распределением в решетке используют схемы со "сбросом" фазы на величину, кратную 2?.

5. Расчет потерь усиления и максимального уровня
паразитных лепестков

   Коэффициент усиления коммутационной ФАР значительно снижается по сравнению с КУ, например, синфазной зеркальной антенны таких же габаритов.
   Для плоской ФАР на краю сектора сканирования потери усиления
   0x01 graphic
, (105)
   где 0x01 graphic
- снижение коэффициента усиления, обусловленное ступенчатым фазовым распределением с дискретом ??;
   0x01 graphic
- снижение коэффициента усиления, обусловленное отклонением главного максимума от нормали;
   0x01 graphic
- потери в фазовращателях.
   Уровень n-1-го паразитного лепестка можно рассчитать по формуле:
   0x01 graphic
. (106)

ЛИТЕРАТУРА

   1. Электродинамика и техника СВЧ. М: Воениздат, 1985. Ч.2: Техника сверхвысоких частот.
   2. Марков Л.Н. и др. Антенные системы радиоэлектронной техники. М: Воениздат, 1993.
   3. Шифрин Я.С. Антенны: Учеб. пособие. Харьков: ВИРТА ПВО, 1976.
   4. Ловеров В.Н., Ямайкин В.Е. и др. Основы проектирования антенных устройств СВЧ / Под ред. А. В. Рунова. Минск: МВИЗРУ ПВО, 1970. Ч.1.
   5. Ямайкин В.Е., Ковалев В.Н. и др. Основы проектирования антенных устройств СВЧ / Под ред. А. В. Рунова. Минск: МВИЗРУ ПВО, 1972. ч.2.
   6. Неледва В.А. Расчет антенных систем. Киев: КВИРТУ, 1976.
   7. Долбик А. И. Устройства СВЧ и антенны: Учеб. пособие. СПб: ФВУ ПВО, 2002. Ч.1: Основы теории антенн и элементы антенных систем.
   8. Долбик А. И. Устройства СВЧ и антенны: Учеб. пособие. СПб: ФВУ ПВО, 2004. Ч.2: Антенные системы РЭС РТВ.
  

ОГЛАВЛЕНИЕ

   Введение......................................................................................................... 3
   Практическое занятие N 1. Исследование элементов
СВЧ трактов РЭС ............................................................................... 5
   Практическое занятие N 2. Расчет радиотехнических пара-
метров приемных антенн ...................................................................... 9
   Практическое занятие N 3. Влияние волновых размеров и АФР
на множитель линейной системы излучателей ........................................... 13
   Практическое занятие N 4. Многовибраторные антенны.
Расчет и анализ их основных параметров .................................................. 16
   Практическое занятие N 5. Волноводно-щелевая антенна.
Расчет и анализ ее основных параметров ................................................. 19
   Практическое занятие N 6. Расчет и анализ основных харак-
теристик рупорных и линзовых антенн ................................................. 22
   Практическое занятие N 7. Расчет и оценка основных харак-
теристик и параметров зеркальных антенн .............................................. 26
   Практическое занятие N 8. Расчет основных характеристик
антенных решеток ............................................................................. 30
   Практическое занятие N 9. Оценка характеристик антенных
систем при их повреждении .................................................................. 32
   Приложения ........................................................................ 36
   Приложение 1. Методы измерения основных радиотехнических
характеристик и параметров приемных антенн .................................................... 36
   Приложение 2. Методика решения задач на расчет множителя
линейной системы излучателей ........................................................................... 41
   Приложение 3. Общая методика расчета элементов конструкции
директорной антенны ....................................................................................... 48
   Приложение 4. Методика определения основных радиотехнических
характеристик и параметров директорной антенны ............................................ 50
   Приложение 5. Методика расчета волноводно-щелевой антенны ............. 51
   Приложение 6. Стандарты для прямоугольных волноводов ..................... 52
   Приложение 7. Методика расчета зеркальных антенн различных типов .. 53
   Приложение 8. Методика расчета фазированной антенной решетки
отражательного типа ................................................................................. 65
   ЛИТЕРАТУРА ......................................................................................... 71
  
  
  
  
  
  
  
  

71

  
  
  
   d
  
   L
  
  
  

 Ваша оценка:

Связаться с программистом сайта.

Новые книги авторов СИ, вышедшие из печати:
О.Болдырева "Крадуш. Чужие души" М.Николаев "Вторжение на Землю"

Как попасть в этoт список

Кожевенное мастерство | Сайт "Художники" | Доска об'явлений "Книги"