14.4.3. Отражающие поверхности

Для преобразования диаграммы направленности первичного излучателя широко используются отражающие поверхности или зеркала круговой, эллиптической, гиперболической, параболической и других форм. Например, с помощью зеркала в виде плоской пластины излучение антенны можно сосредоточить в направлении вперед, причем результирующая диаграмма направленности рассчитывается методом изображений. Таким же методом можно рассчитать [329] антенну с уголковым отражателем [260, 715], состоящим из двух плоских зеркал, пересекающихся под углом, равным целочисленной части от 180°.

Другой подход был использован для уголковых отражателей с произвольным углом раствора, возбуждавшихся линейным

излучателем [567] и элементарным диполем, ориентированным вертикально [499] или произвольно [250]. Эти теории подтверждены экспериментальными данными [187, 525, 660]. Например, если полуволновый диполь поместить на расстоянии от вершины 90° уголкового отражателя, то усиление возрастает на при удалении диполя от вершины лепестки становятся более узкими, но число их возрастает. Измерения [97], проведенные на частоте показывают, что усиление быстро возрастает при увеличении ширины уголкового отражателя, до размера в одну длину волны, а при последующем расширении отражателя усиление растет медленнее.

Рис. 14. 14. Антенны с отражателями: а — параболоид с облучателем, имеющим контррефлектор; б - параболический усеченный отражатель с рупорным облучателем; в — комбинация рупорно-параболической антенны и секторнального рупора.

При возбуждении наклонным диполем уголковый отражатель излучает волиы с круговой поляризацией [532]; такая антенна проста по конструкции и легко регулируется.

Широко используются зеркала в форме параболических цилиндров и параболоидов вращения [717, 718, 758]. Как видно из рис. 14,14, а, часть параболоида вращения преобразует сферическую волну, излучаемую точечным источником в фокусе в плоскую. Это следует из свойства параболы: если директрисса, для которой то для любой точки С параболы На сверхвысоких частотах эта элементарная теория усложняется из-за влияния дифракции. Для получения однородного апертурного распределения в случае, если фокус расположен в плоскости апертуры, амплитуда волны первичного источника, т. е. облучателя, в направлении ребра зеркала должна быть вдвое больше амплитуды в центральном направлении.

Практически диаграмма направленности первичного облучателя не должна выбираться слишком узкой, потому что для этого

требуется слишком большой размер облучателя, который будет рассеивать [68] главный лепесток диаграммы направленности антенны; в то же время диаграмма направленности облучателя не должна быть слишком широкой, так как при этом часть энергии будет излучаться за пределы зеркала. В качестве компромисса [98] допускается спадание на 10 дб мощности облучения зеркала от центра к краю, что приводит к приемлемому расширению главного лепестка и уменьшает уровень боковых лепестков. В качестве первичных облучателей, запитываемых через коаксиальную линию, обычно используются полуволновые диполи с отражателем либо в виде металлической пластины, либо в виде пассивного дипольного отражателя [274]. Волноводные облучатели имеют круглое или прямоугольное сечение, причем здесь могут использоваться небольшие расширения как плавные, так и ступенчатые. Фидеры питания, проходящие сквозь отражатель, механически проще, чем фидеры, подводимые с лицевой стороны отражателя; в одном из типов облучателей прямоугольный волновод возбуждает резонансный диполь, используемый совместно с дипольным рефлектором или, как это показано на рис. 14.14, а, с небольшой отражающей пластинкой.

Двухзеркальные системы [672, 677] могут иметь увеличенное эффективное фокусное расстояние и больше степеней свободы при выборе конструктивных параметров и положения облучателя. В системе Кассегрейна главное зеркало имеет параболическую форму, а контррефлектор является гиперболическим. В одном из фокусов гиперболоида находится реальный фокус системы, совпадающий с фазовым центром облучателя; другой фокус гиперболоида является мнимым и совпадает с фокусом параболоида. Контррефлектор обычно имеет выпуклую форму и небольшие размеры; возможны другие системы такого типа, в которых при возрастании диаметра контррефлектор становится сначала плоским, а затем вогнутым. В системе Грегори фокус главного отражателя находится между зеркалом и контррефлектором, имеющим вогнутую эллиптическую форму. В обеих системах затенение раскрыва облучателем очень мало, а затенение раскрыва контррефлектором можно свести к минимуму путем изменения поляризации.

При конструировании параболических антенн [106, 111] необходимо учитывать ряд обстоятельств. Например, облучатель в виде электрического диполя возбуждает ортогонально поляризованное поле, у которого интенсивность максимальна под углом 45° к главным плоскостям; это приводит к перекрестно-поляризованным дополнительным лепесткам в диаграмме направленности, которые имеют минимум интенсивности в направлении оси антенны. Такое частичное изменение поляризации обусловлено наклонным отражением линейно-поляризованного поля диполя от изогнутой поверхности зеркала. Показано [219], что при возбуждении параболоида комбинацией электрического и магнитного диполей, у которых оси взаимно перпендикулярны, а отношение магнитного и электрического тока равно указанной перекрестной поляризации не

возникает. В одном из таких комбинированных облучателей [861 использован электрический диполь в сочетании с открытым концом прямоугольного волновода; при облучении таким устройством параболоида диаметром 50 см в плоскостях получились диаграммы направленности одинаковой ширины, а уровень боковых лепестков составлял —30 дб. Решетка из нескольких диполей образует [474] четыре независимых облучателя, которые будут обеспечивать работу большого параболоида в диапазоне частот

Симметричное параболическое зеркало образует карандашный луч; путем обрезки зеркала можно получить диаграмму направленности с различной шириной в плоскостях Е и если отношение ширин диаграмм направленности должно превосходить величину порядка 2,5, то появляются затруднения с конструированием облучателя [361, 441]. В таких случаях более предпочтительным является параболический цилиндр с параллельными боковыми пластинами [38, 104, 240], как показано на рис. 14.14, б.

Изображенная на рис. 14.14, в антенна [55, 349], представляет собой комбинацию параболического цилиндра с плавно переходящим: в него рупорным облучателем. Поступающая из волновода волна распространяется Между параллельными пластинами так, как если бы она излучалась из фокуса параболического цилиндра, образующего заднюю стенку рупора. В результате в раскрыве антенны получается плоский волновой фронт и путем расширения узкой стороны раскрыва можно получить заданную направленность в обеих плоскостях. Размер раскрыва может быть 4—155: в длину и 2—3 в ширину, так что такая рупорно-параболическая антенна может использоваться для формирования веерообразных диаграмм направленности шириной 4—15° в плоскости с большой направленностью и до 25° в перпендикулярной плоскости. Один из примеров, такой антенны на частоте имел КСВН лучше 1,1 в полосе частот 6%. Другие варианты рупорно-параболических антенн в виде комбинации рупора с параболоидом [725] особенно полезны в тех случаях, когда надо получить низкий уровень бокового излучения в большом диапазоне углов.

Описание антенны с круговой поляризацией для частоты дано в неопубликованной работе Мередита (R. Meredith). Изображенная на рис. 14.15, а четвертьволновая пластина имеет показатель преломления для вектора Е, параллельного ребрам, равный 0,81. При глубине ребер 1,05 см составляющая вектора Е, параллельная ребрам, получает опережение по фазе на 85°, а перпендикулярная составляющая получает фазовую задержку на 5°, так что между составляющими возникает разность фаз 90°. Поскольку коэффициенты прохождения для обеих поляризаций несколько различались, то наилучшее полученное значение коэффициента эллиптичности по полю равнялось 1,04. Такая фазирующая пластина может применяться совместно с отражающей поверхностью, при этом глубина ребер уменьшается вдвое.

В другом методе круговая поляризация создается самим облучателем и затем излучается через апертуру, которая для произвольной линейной поляризации формирует симметричный относительно оси главный лепесток. Например, круглый волновод, возбуждаемый на волне с круговой поляризацией, можно сузить до диаметра, скажем , причем для того, чтобы волна могла распространяться, волновод заполняется диэлектриком.

Рис. 14. 15. Антенны с круговой поляризацией. Частота 35 Ггц. а — решетчатая четвертьволновая пластина, облучаемая линейно-поляризованной волной; б - облучатель с круговой поляризацией в виде диэлектрического стержня.

При таком уменьшении апертуры уменьшается и расфокусировка из-за несовпадения фазовых центров [29, 69] излучения для плоскостей, хотя диаграмма направленности такого облучателя будет, разумеется, очень широкой. Диэлектрические стержни имеют почти симметричные диаграммы направленности; на рис. 14.15, б показана соответствующая конструкция для частоты такой облучатель имеет ширину диаграммы направленности в плоскостях около 25°. Применяются и другие облучатели [86], дающие диаграммы с одинаковой шириной плоскостей Е и конструкция [686], в которой

используется квадрупольный реберный волновод, может работать в полосе частот В качестве широкополосных облучателей с круговой поляризацией могут также применяться спирали [663, 666].

Небольшая доля энергии, отраженной от зеркала, попадает обратно на облучатель. В случае симметричного параболоида коэффициент отражения дается выражением

где есть КНД облучателя. Отсюда можно вычислить КСВН в линии, питающей антенну; для типичных значений он равен 1,25.

Рис. 14. 16. Применение пластины в вершине параболоида: а — векторная диаграмма поля излучения; б и в — различные формы пластины. (См. [351].)

Такое зависящее от частоты отражение можно устранить с помощью пластины, расположенной в вершине зеркала Амплитуда и фаза волны, отраженной обратно к облучателю, представляется векторами, концы которых в зависимости от радиуса зеркала описывают спираль, изображенную на рис. 14.16, а, на котором вектор соответствует отражению от всего зеркала. Пусть перпендикуляр к линии пересекает спираль в точке В, что дает равнобедренный треугольник Вектор соответствует отражению от внешней области зеркала, а вектор отражению от внутренней области. Если фазу изменить на 60°, что дает вектор равный по величине и противоположный по знаку вектору то в облучатель отраженная мощность поступать не будет. Используя геометрические свойства параболы, можно показать, что это эквивалентно перемещению зоны с диаметром в направлении к облучателю на расстояние как показано на рис. 14.16, б.

В другом варианте на расстоянии от вершины зеркала помещается плоская пластина такого же диаметра, как показано на рис. 14,16, в. Применение согласующей пластины у вершины зеркала приводит к некоторому расширению главного лепестка диаграммы направленности и увеличению уровня боковых лепестков, так что

при такой коррекции компромисс часто определяется экспериментально. Например [160], параболоид с диаметром на частоте 2 Ггц, снабженный согласующей пластиной, имел в полосе частот 550 Мгц, КСВН лучше чем 1,06, усиление около 32,8 дб, что соответствовало коэффициенту использования раскрыва около 55%, и уровень боковых лепестков ниже —26 дб.

Рис. 14. 17. Получение диаграмм направленности специальной формы: а — форма зеркала представляет комбинацию параболического и кругового сечения; показана диаграмма направленности от 10 до 70° по углу места; б - параболоид с диэлектрической призмой; показана диаграмма направленности от 2 до в — вырезка из параболоида в виде лимонной дольки; рабочая частота показаны диаграммы направленности зеркала, металлической полоски и всей антенны. (См. [274, 427].)

При других методах согласования используются направленные ответвители, либо смещение облучателя [461, 570], или механическое смещение одной половины зеркала относительно другой. Искажения диаграммы направленности устраняются [305] путем разделения рефлектора металлической перегородкой, идущей обратно к облучателю, причем каждая половина возбуждается сопряженными выходными плечами гибридного соединителя с короткой щелью.

При соответствующем выборе отражающего зеркала можно получить диаграммы направленности специальной формы. В изображенном на рис. 14.17, а примере половина цилиндрического зеркала имеет параболическое поперечное сечение, а другая половина — круговое поперечное сечение, поэтому при облучении линейным источником определенная часть энергии будет излучаться под большим углом к оси. Такая антенйа рассчитана для получения диаграммы

направленности по полю пропорциональной косекансу угла, отсчитываемого от заданной оси и, как видно из приведенной на рисунке диаграммы направленности, эта зависимость выполняется в угловом секторе от 10 до 70°.

Другое зеркало, рассчитанное на точечный первичный облучатель, состоит наполовину из параболоида и наполовину из изогнутого цилиндра. При конструировании так называемых бочкообразных зеркал [469] следует принимать меры против явлений, связанных с перекрестной поляризацией, которая расширяет диаграмму направленности в другой плоскости. Для получения косекансной диаграммы направленности в угловом секторе от 2 до 45° успешно применяется [274] комбинация параболоида и диэлектрической призмы, изображенная на рис. Луч от призмы смещен относительно луча параболоида на угол, зависящий от угла призмы, причем ширина луча обратно пропорциональна ширине призмы, а его интенсивность относительно главного луча зависит от расстояния призмы до середины апертуры. Таким образом, изменяя эти параметры призмы, можно изменять результирующую диаграмму направленности антенны. Необходимо, чтобы основной луч и луч от призмы, грубо говоря, были синфазны в направлении, где они перекрываются. Призма может быть сделана либо из твердого диэлектрика, либо для уменьшения веса из искусственного диэлектрика.

Косекансные диаграммы направленности могут создаваться антеннами с многоэлементными облучателями [427]. Если параболоид облучается двумя рупорами, один из которых смещен с оси, то образуются два луча, причем угол между ними определяется угловым расстоянием между рупорами. Амплитуда каждого луча приблизительно пропорциональна квадратному корню из мощности, подводимой к каждому рупору.

Этот метод был распространен на систему с изображением, в которой использовались [211] вырезка из параболоида и плоский заземленный экран. Лучи, отраженные от этого экрана, кажутся выходящими из изображения одиночного действительного рупора. Направленность мнимого облучателя зависит от диаграммы направленности действительного облучателя, а мощность определяется углом наклона действительного рупора относительно отражающего экрана. Таким образом, мнимый рупор приводит к появлению луча антенны, смещенного относительно оси параболоида на угол, пропорциональный где расстояние между действительным и мнимым облучателем; при соответствующем выборе этих параметров на частоте от апертуры см была получена гладкая косекансная диаграмма направленности.

В другом примере, описанном Сильвером [427] и изображенном на рис. 14.17, в, получается диаграмма направленности, имеющая форму двойного косеканса. Вырезка из параболоида в виде лимонной дольки имеет раскрыв посредине зеркала вдоль его большого размера установлена металлическая полоска. Оптимальная

ширина полоски для рабочей частоты 3 Ггц оказалась равной 20 см, а ее расстояние от зеркала — около 0,65 см. На рисунке показаны диаграммы направленности одной параболоидальной вырезки, одной полоски и всей антенны.