ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЕ СТАНЦИИ И УЗЛЫ 2 страница

если известно решение системы (10.1) для антенны с N директорами, т. е. если известны токи . При этом собственные реактивные сопротивления всех вибраторов принимаются одинаковыми

X₀₀=X₁₁=X_22=…

Рекуррентная формула для тока в m-м вибраторе антенны с N+1 директорами имеет следующий вид:

При развертывании формулы (10.3) появляется слагаемое , которое представляет собой ток в отсутствующем вибраторе, по физическому смыслу равный нулю:

Правило пользования формулами (10.3) — (10.5) за­ключается в следующем. Предположим, что антенна со­стоит только из одного активного вибратора (N = 0). Амплитуда тока в нем будет

Для определения токов в антенне из одного актив­ного вибратора и одного пассивного директора (N+1=1) воспользуемся формулами (10.3) — (10.5). По фор­муле (10.4) находим

Затем для определения токов используем формулу (10.3) с учетом формулы (10.5).

Ток в активном вибраторе определяется формулой

и ток в директоре — формулой

Далее увеличиваем на единицу число директоров и указанным способом с помощью формул (10.3) — (10.5) определяем последовательно токи во всех вибраторах антенны.

Решение для антенны с рефлектором

Для антенны с рефлектором система уравнений, опре­деляющих токи в вибраторах, может быть записана сле­дующим образом.

Для всех вибраторов, кроме рефлектора.

В этих уравнениях I_m — комплексная амплитуда тока в пучности m-го вибратора антенны с рефлектором.

Решения системы уравнений (10.6) определяются че­рез решения системы уравнений (10.1), т. е. через токи антенны без рефлектора, следующим образом:

При этом система уравнений (10.6)'переходит в следующую

Коэффициенты W_m определяются методом последо­вательного решения. Сначала рассчитываются W_m для наименьшего и наибольшего значения т (m = 0 и m=N), а затем по найденным значениям последовательно рас­считываются значения W_m равноудаленные от крайних. Соответственно коэффициенты W_m определяются сле­дующими соотношениями:

и для случая 0<y<N (для неизвестных, равноудален­ных от крайних W₀ и W_N, например, при N=4, W₁ и W₃ и затем W₂) формулами

10.3. Расчет сопротивлений антенны

Расчет собственных сопротивлений вибраторов

Для вибраторов, длина 21 которых близка к λ/2, мож­но принять, что собственное сопротивление определяет­ся формулой

Для прямолинейного тонкого вибратора с круглым поперечным сечением и длиной, близкой к X/2, реактив­ная часть сопротивления

где а — радиус поперечного сечения вибратора; 2∆l=(2l-λ/2)- укорочение или удлинение вибратора по

сравнению с λ/2.

В приведенной формуле нет смысла учитывать по­правки строгой теории, основанной на решении задачи о поле (вибратора как эллипсоида вращения, так как весь метод расчета антенны основан на методе наведен­ных э. д. е., использованном при получении формулы (10.16).

Расчет наведенных сопротивлений

Взаимное сопротивление вибраторов Z_nm антенны определяется по таблицам для полуволновых вибрато­ров, приведенным, например, в [ЛO 4] и [ЛО 5].

Расчет входного сопротивления антенны

Входное сопротивление антенны (активного вибрато­ра, возбуждающего антенну), отнесенное к пучности то­ка, определяется формулами

Одним из условий получения высокого к. б. в. в фи­дере является равенство нулю реактивной части сопро­тивления нагрузки фидера (входного сопротивления виб­ратора) Хвх = 0.

Реактивная часть входного сопротивления вибрато­ра состоит из собственного и наведенного сопротивле­ний Хвх = Хоо + Хнаведенное

Если при' расчете оказывается, что Х_вх≠0, то это означает, что ранее принятое собственное реактивное сопротивление активного вибратора Х₀₀= Х₁₁= .. равное реактивному сопротивлению директоров, не компенсирует наведенное реактивное сопротивление и не обеспечивает получения чисто активного входного сопро­тивления антенны.

Поэтому при определении укорочения активного виб­ратора для выполнения условия Хвх=0 необходимо исходить из другого собственного реактивного сопро­тивления Х'₀₀ определяемого равенством

Х’₀₀ = -Хнаведенное =Хоо –Х_вх

при выполнении которого происходит взаимная компен­сация наведенного и собственного реактивного сопро­тивлений в активном вибраторе. С учетом этого равенства и формулы (10.16) необходимое укорочение актив­ного вибратора определяется соотношением

10.4. Расчет диаграммы направленности антенны

Антенны типа «волновой канал» в метровом диапазо­не волн часто располагают на высоте нескольких длин волн над землей или опорной поверхностью, являющи­мися экраном. Влияние экрана на излученное антенной поле в этом случае часто используется для формирова­ния в вертикальной плоскости диаграммы направленно­сти заданной формы.

В общем случае для антенны, состоящей из несколь­ких вибраторов, с учетом влияния земли, диаграмма на­правленности антенны определяется формулой

Где F₁(θ,φ)—множитель, определяющий диаграмму одного вибратора; F₂(θ,φ) - множитель антенны (ре­шетки); F₃(θ,φ) —множитель земли; θ и φ — угол места и азимут (рис. 10.1).

Множитель, определяющий диаграмму одного вибратора

Этот множитель определяется формулой диаграммы направленности полуволнового вибратора:

в горизонтальной плоскости

в вертикальной плоскости, перпендикулярной к оси виб­ратора,

Множитель антенны

Формула для множителя антенны выводится для антенны, состоящей из точечных излучателей с извест­ной фазой и величиной тока. Положение точечных из­лучателей совпадает с электрическими центрами виб­раторов, составляющих антенну типа «волновой канал».

Формула выводится для точки, расстояние которой от начала координат велико п-о сравнению с размерами антенны. Окончательное выражение имеет вид множитель антенны ненормирован и одинаков как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. А — постоянный коэффициент.

Множитель земли

Земля влияет на диаграмму направленности антен­ны только в вертикальной плоскости. В том случае, ког­да плоскость расположения вибраторов (рис. 10.1) параллельна земной поверхности, антенна создает гори­зонтально поляризованное поле, наиболее часто исполь­зуемое в ультракоротковолновом диапазоне при связи с учетом влияния земли.

Для горизонтально поляризованного поля модуль коэффициента отражения от земли близок к единице, а фаза к 180° тем точнее, чем меньше угол 0. Если при­нять это равенство точным, то множитель земли в вер­тикальной плоскости имеет вид

где H — высота антенны над землей. ,

Обычно при расчете множителя земли подбирают высоту антенны над землей такой, чтобы нижний лепе­сток множителя земли был направлен под заданным углом к горизонтальной плоскости.

Коэффициент направленного действия

Коэффициент направленного действия антенны типа «волновой канал» без учета влияния экрана определя­ется как и у антенны бегущей волны [ЛO 4] следующей приближенной формулой:

где L — длина антенны от рефлектора до последнего ди­ректора; К₁ — коэффициент, зависящий от длины антен­ны, лежащий в пределах 4—10 и определяемый по гра­фику рис. 10.2.

Коэффициент K₁ увеличивается с уменьшением дли­ны антенн, так как при этом увеличивается влияние множителя вибратора на общую диаграмму направленности антенны. Влияние экрана при достаточно больших его размерах и малых потерях увеличивает коэффициент направленного действия антенны приблизительно в два раза.

10.5. О расчете питания активного вибратора

Питание активного вибратора может осуществляться по последовательной (рис. 10.3, а) и параллельной (рис. 10.3,6) схемам. Так как входное сопротивление вибратора в антенне «волновой канал» мало и состав­ляет 20—30 ом, а волновое сопротивление стандартных фидеров лежит в пределах от 30 до 300 ом в зависимо­сти от типа фидера, то в обеих схемах необходимо со­гласование этих сопротивлений.

В последовательной схеме необходимо применение специальных согласующих устройств типа четвертьвол­нового или экспоненциального трансформаторов. Креп­ление активного вибратора к стреле 5 (см. рис. 10.1 и рис. 10.3) в этой схеме возможно только с помощью опорного элемента, выполненного из изолятора. В этом — недостаток последовательной схемы.

В параллельной схеме не требуется специальных сог­ласующих устройств, так как в ней подключение фидера производится не в пучности тока, а к точкам вибратора с входным сопротивлением, соответствующим выполнению условия согласования. Расчет положения точки подключения k производится по формуле [ЛO 4]

где ρ_ф — волновое сопротивление фидера; ρ_в — волновое сопротивление вибратора; R_BX — входное сопротивление вибратора, рассчитанное по формуле (10.18).

Длина согласующего участка l₂ выбирается из конст­руктивных соображений

Вторым преимуществом параллельной схемы питания является возможность крепления неразрезанного актив­ного вибратора к стреле без изолятора в 'средней точке, так как в ней напряжение равно нулю.

Часто для увеличения входного сопротивления в ка­честве активного вибратора используют шлейф-вибратор (рис. 10.3,в), который также крепится к стреле без изо­лятора в средней точке. Расчет токов в вибраторах в случае активного шлейф-вибратора существенно услож­няется по сравнению с расчетом, изложенным в § 10.2 для случая одиночного активного вибратора.

Если в качестве фидера используется не симметрич­ная, а коаксиальная линия, то во всех схемах питания необходимо применение симметрирующих устройств типа четвертьволнового стакана или U-колена.

10.6. Порядок расчета антенны

Целью расчета является подбор расстояний между элементами антенны и определение собственных сопро­тивлений элементов для получения заданной диаграммы направленности. Обычно стремятся достигнуть макси­мального отношения величины излучения в прямом на­правлении (θ = 0) к величине излучения в обратном на­правлении (θ=180°). Расчет целесообразно вести в сле­дующем порядке.

1. Задаемся числом директоров и расстоянием между ними.

2. Задаемся собственными сопротивлениями активно­го вибратора и директоров:

рекомендуется брать Х_пп в пределах Х_пп =— (10÷120) ом.

3. Определяем по таблицам взаимные сопротивления Zmn=Znm

4. Рассчитываем токи в вибраторах без учета реф­лектора пo формулам (10.3) — (10.5).

5. Определяем с помощью формулы (10.24) отноше­ние амплитуды поля, излучаемого вперед (θ=0), к ам­плитуде поля, излучаемого назад (θ=180°).

6. Задаемся другими значениями собственных реак­тивных сопротивлений вибраторов в указанных в п. 2 пределах, меняя их примерно на 10—15 ом, и произво­дим расчеты, указанные в п.п. 4 и 5, считая взаимные сопротивления неизменными. На основании полученных расчетов строим график Е_т(0)/Е_т (180°) как функцию Х_пп и останавливаемся на том значении Х_пп, при кото­ром отношение Е_т(0)/Е_т (180°) максимально.

7. Переходим к расчету антенны с рефлектором при выбранном значении Х_пп. Задаемся собственным реак­тивным сопротивлением рефлектора X_-1,-1>0 в преде­лах (10÷100) ом, причем его полное сопротивление

и его расстоянием от активного вибратора.

8. Определяем взаимные сопротивления рефлектора и других вибраторов антенны Z_-1,n.

9. С помощью формул (10.9) и (10.10) находим ко­эффициенты Wo и W_N.

10. С помощью формул (10.11) —(10.13) находим ко­эффициенты W_m (т= 1, 2, 3, ..., N— 1) путем последо­вательного .расчета 'коэффициентов W_x и W_N-i, W₂ и W_N_2 и Т. д.

11. Находим ток в [рефлекторе по формуле (10.14).

12. П,ри помощи формулы (10.7) находим токи в остальных вибраторах.

13. Проверяем отношение Е_т(0)/Е_т (180°).

14. Находим оптимальное значение X-i,-i по макси­муму отношения Е_т(0)/Е_т (180°).

15. Для определения расстояния между вибратора­ми, при которых отношение Е_т(0)/Е_т (180°) достигает максимума, рекомендуется проделать вышеприведенный расчет (по пл. 2—14) для нескольких значений расстоя­ний между 'вибраторами (как между директорами и активным вибратором, так и между активным вибрато­ром и рефлектором). Сравнивая полученные значения Е_т(0)/Е_т (180°) для разных расстояний, останавлива­емся на тех расстояниях, при которых Е_т(0)/Е_т (180°) максимально.

16. Остановившись на оптимальном варианте антен­ны, рассчитываем диаграмму направленности по фор­мулам (10.21) —(10.25).

17. Рассчитываем к. н. д. антенны по формуле (10.26).

18. Рассчитываем входное сопротивление антенны по формуле (10.17).

19. По формуле (10.16) находим длину директоров и рефлекторов.

20. По формуле (10.20) находим длину активного вибратора.

21. Далее рассчитываем питание активного вибрато­ра (последовательного или параллельного) и фидер (к. п. д., согласование с антенной), а также проверяем антенну и фидер на пропускаемую мощность.

10.7. Замечания о конструкции антенны

Антенна типа «волновой канал» отличается просто­той конструкции. Все вибраторы крепятся к продольной стреле 5 (см. рис. 10.1), совпадающей с осью Z. Стрела и вибраторы обычно изготовляются из дюралюминиевых, латунных или медных трубок, покрытых краской или лаком для защиты от коррозии. Даже при таком покры-

тии потери в вибраторах малы и к. п. д. антенны близок к единице. Благодаря тому, что в средней точке всех пассивных вибраторов напряжение равно нулю, вибра­торы просто привариваются к стреле в этой точке. Стре­ла не влияет на работу вибраторов, так как она ориен­тирована перпендикулярно вектору напряженности элек­трического поля, создаваемого вибраторами.

Активный вибратор при последовательной схеме пи­тания крепится к стреле с помощью опорного элемента, выполненного из изолятора. При параллельной схеме его крепление аналогично креплению пассивных вибра­торов.

В том случае, если антенна располагается на опре­деленной высоте над землей или опорной поверхностью в метровом диапазоне, стрела крепится к опорной мач­те, выполняемой, как правило, из металлической трубы. Мачта, как и стрела, не влияет на поле антенны, так как она перпендикулярна плоскости расположения ви­браторов, т. е. к вектору напряженности электрического поля.

Если высота мачты превышает 2—3 м. и по условиям работы требуется применение расчалок, то их крепление к мачте осуществляется примерно на ²/з высоты мачты от земли. Так как расчалки неперпендикулярны векто­ру напряженности электрического поля, и наводимые в них токи искажают диаграмму направленности, то для уменьшения этих токов рекомендуется расчленять рас­чалки изоляторами на участки длиной меньше чем Я/8.

Варианты конструктивного выполнения антенн «вол­новой канал» представлены на рис. 10.4,а, б.

Литература

1. Ардабьевский А. И., Воропаева В. Г., Грине- в а К. И. Пособие по расчету антенн сверхвысоких частот. Обо- ролгиз, 1957.

2. К о ч е р ж е в с к и й Г. Н. Антенно-фидерные устройства. Изд-во «Связь», 1968.

3. Шу б ар и н Ю. В. Антенны сверхвысоких частот. Изд. Харь­ковского Государственного университета, 1960.

Глава 11

ОБЛУЧАТЕЛИ МОНОИМПУЛЬСНЫХ АНТЕНН

11.1. Назначение. Принцип работы

Моноимпульсные антенны отличаются от обычных способом получения информации об угловом положении цели. В этом случае полная информация может быть получена за счет приема одного лишь импульса, отра­женного от цели. Эта задача решается путем сравнения амплитуд (или фаз) сигналов, принятых одновременно несколькими антеннами с разнесенными в простран­стве диаграммами направленности [Л. 1]. В настоящее время широкое распространение получили моноимпульс - ные антенны с суммарно-разностными характеристика­ми. В этом случае антенна обеспечивает формирование трех диаграмм направленности: суммарной (однолепест- ковой) и двух разностных (двухлепестковых) соответст­венно iB азимутальной и углом естной плоскостях (рис. 11.1).

Для формирования суммарной диаграммы направлен­ности вся поверхность антенны должна возбуждаться синфазно (рис. 11.2,а). Максимум такой диаграммы на­правленности совпадает с фокальной осью антенны (рис. 11.1 2Я, 2£).

Разностные диаграммы направленности формируют­ся при противофазном возбуждении левой и правой (рис. 11.2,6) или верхней и нижней (рис. 11.2,б) поло­вин раскрыта антенны. Эти две пары разностных диа­грамм направленности, имеющие нуль в направлении оси антенны и максимумы, разнесенные соответственно е азимутальной и угломестной плоскостях (рис. 11.1 А Я, Д Е), используются для получения сигнала ошибки в соответствующей плоскости [Л 1, Л 2, Л 3]. Формиро­вание требуемого фазового распределения (синфазного или противофазного) в раскрыве моноимпульсной антен­ны обеспечивается с помощью первичного источника или распределительной волноводной системы с соответству­ющим узлом возбуждения. В качестве первичных источ­ников в моноимпульсных антеннах могут быть исполь­зованы решетки из известных видов облучателей (вибра­торных, щелевых, рупорных, спиральных и др.), приме­няемых в обычных одноканальных антеннах, узел воз­буждения которых обеспечивает определенные фазовые

соотношения питающих напряжений решетки облучателя, состоящей из некоторого числа элементов, формирую­щих суммарную и две разностные диаграммы направ­ленности. Такие облучатели могут быть применены для построения антенных решеток с электрическим скани­рованием луча, а также моноимпульсных зеркальных, линзовых и других типов антенн. 278

11.2. Типы моноимпульсных облучателей

При проектировании моноимпульсных антенн могут быть применены облучатели, состоящие из системы полуволновых вибраторов, щелей, различных комбинаций открытых концов волноводов и вибраторов, рупоров и др., удовлетворяющие следующим основным требова­ниям:

1. Суммарная диаграмма направленности как в пло­скости вектора Н, так и в плоскости вектора Е, должна обеспечивать синфазное распределение поля в раскрыве антенны; одна разностная диаграмма направленности должна обеспечивать противофазное распределение поля только в плоскости вектора Н, другая — в плоскости вектора В.

2. Облучатель не должен излучать энергию в на­правлении, противоположном основному излучению, так как это излучение искажает суммарную диаграмму на­правленности и приводит :к отклонению «нуля» разност­ных диаграмм направленности.

3. Диаграмма направленности по суммарному кана­лу должна обеспечивать получение максимального ко­эффициента направленного действия, а по разностным каналам — максимальную крутизну пеленгационной ха­рактеристики [J1. 3].

4. Облучатель должен иметь минимальные попереч­ные габариты.

Рассмотрим принцип работы и расчет некоторых ти­пов облучателей.

Вибраторный облучатель

Простейший моноимпульсный вибраторный облуча­тель состоит из четырех полуволновых вибраторов, воз­буждаемых, например, коаксиальными линиями (рис. 11.3). Коаксиальные линии в свою очередь воз­буждаются с помощью гибридной волноводной схемы 5, выполненной в виде системы коаксиальных тройников, кольцевых мостов или свернутых двойных тройников, имеющей три входа: суммарный 2//, Е, разностный АН и разностный АЕ. Гибридная схема должна быть по­строена таким образом, чтобы полностью исключалась возможность попадания мощности из суммарного кана­ла в разностные, и наоборот.

При синфазном возбуждении электрических вибра­торов (рис. 11.3,6) формируется суммарная диаграмма направленности. Токи 1_и /₂, /₃ и /₄ в этом случае во всех четырех вибраторах имеют одинаковое направле­ние. Возбуждение этих вибраторов осуществляется через канал Е.

Формирование разностной диаграммы направленно­сти в магнитной плоскости (//) осуществляется с по-

мощью канала АН, который обеспечивает противофаз­ное возбуждение левой и правой пар электрических ви­браторов (рис. 11.3,б). В этом случае токи h и /₂ имеют одинаковое направление, а /₃ и /₄ — противоположные им.

Формирование разностной диаграммы направленно­сти в электрической плоскости (Е) осуществляется с по­мощью канала АЕ, который обеспечивает противофаз­ное возбуждение верхней и нижней пар электрических вибраторов. В этом случае токи U и /₃ имеют одинако­вое направление, а /₂ и /₄ — противоположные им (рис. 11.3,г).

Важно, чтобы гибридное устройство 5 обеспечивало одинаковый подвод мощности от суммарного Е и разностных АН, АЕ каналов к каждому из вибраторов (/, 2, 3, 4). Только в этом случае как суммарная, так и разностные диаграммы направленности будут иметь симметричную, относительно продольной оси облучате­ля, форму. В (рассматриваемом варианте облучателя гибридное устройство должно обеспечивать подвод к каждому вибратору как от суммарного, так и от раз­ностных каналов одну четвертую часть мощности. На­личие контррефлектора 6, который может быть выпол-- нен в виде прямоугольной пластины или пассивных ви­браторов, обеспечивает направленное излучение. Несим­метричность питания вибраторов при использовании коаксиальных линий может быть устранена с помощью различного рода симметрирующих устройств, например четвертьволновых стаканов.

Расчет диаграммы направленности вибраторного облучателя

Поле в любой точке пространства такого облучателя определяется как сумма полей всех вибраторов, а при наличии контррефлектора — с учетом их зеркальных изображений.

Для трехканального облучателя, состоящего из че­тырех электрических вибраторов с общим контррефлек­тором в виде прямоугольной пластины (рис. 11.3), полу­чаются следующие формулы для расчета диаграмм на­правленности:

— разностная диаграмма направленности в магнитной ■лоскости;

— разностная диаграмма направленности в электричес­кой плоскости;

Для трехканального облучателя, состоящего из полу­волновых вибраторов и контррефлектора, расположенно­го на расстоянии D = k/4, получаются следующие форму­лы для расчета диаграммы направленности в главных плоскостях

— суммарная диаграмма направленности в магнитной плоскости: — суммарная диаграмма направленности в электричес­кой плоскости

— разностная диаграмма направленности в магнитной плоскости;

— разностная диаграмма направленности в электри­ческой плоскости,

где /с=2яД — волновое число; а — расстояние между вибраторами в магнитной плоскости; b — расстояние между вибраторами в электрической плоскости. 282

Ширина как суммарной, так и разностных диаграмм направленности такого облучателя зависит от размеров а и b (рис. 11.3). Выбор геометрических размеров облу­чателя и расчет входных сопротивлений может быть проведен по методике, рассмотренной в работе [JI 4].

Волноводно-вибраторный облучатель

Облучатели, состоящие из электрических вибраторов, возбуждаемых открытым концом волновода, широко ис­пользуются в качестве первичных источников различных типов одноканальных антенн. Возбуждая электрические вибраторы несколькими плоскими волноводами, можно сформировать суммарную и разностные диаграммы на­правленности. Моноимпульсный волноводно-вибраторный облучатель состоит из п — числа электрических вибра­торов, установленных на металлической пластине, воз­буждаемых, например, четырьмя плоскими волноводами (рис. 11.4). Волноводы в свою очередь возбуждаются

системой свернутых двойных тройников, образующих гибридную схему с тремя входами: суммарным (2//, Е) и двумя разностными (АН, АЕ).

При возбуждении суммарного канала в гибридной схеме возникают колебания типа Ню, которые распро­страняются в волноводах (/, 2, 3, 4) и обеспечивают синфазное возбуждение электрических вибраторов (рис. _П.4,б). В результате этого, как в плоскости век­тора Ы, так и в плоскости вектора Ё формируется сум­марная диаграмма направленности.

При возбуждении разностного канала АН в волно­водах 1, 2 и 3, 4 возбуждаются волны Н₁₀ с фазами, отличающимися на 180° (рис. 11.4,в), в результате чего токи в вибраторах 5 и 6 имеют противоположные на­правления. Это обеспечивает формирование разностной диаграммы направленности в магнитной плоскости.

Разностная диаграмма направленности в электриче­ской плоскости формируется за счет возбуждения с по­мощью канала АЕ противофазных волн Ню соответст­венно в волноводах 1, 3 и 2, 4 (рис. 11.4,г). В этом слу­чае токи в вибраторах 5 и 6, находящихся над метал­лической пластиной 7, отличаются по фазе на 180° от токов этих же вибраторов, находящихся под металличе­ской пластиной. Контррефлектор 8, как и в случае ви­браторного облучателя, обеспечивает направленное из­лучение в сторону зер'кала. Число вибраторов выбирает­ся в зависимости от требований к ширине суммарной и разностной диаграммам направленности.