Влияние повреждений зеркала на ДН

При любых повреждениях зеркала происходит изменение АФР поля на его раскрыве, что приводит к соответствующим искажениям ДН антенны. Для приближенной оценки амплитудно-фазового распределения в раскрыве поврежденного зеркала в инженерной практике наиболее широко используются методы геометрической оптики. При этом по профилю поврежденного участка и с учетом его размеров строится ход прямого и отраженного лучей. Затем находят амплитудное и фазовое распределения поля в раскрыве, устанавливается их связь с геометрическими параметрами повреждений. По амплитудному и фазовому распределениям с учетом общих методов определения поля системы излучателей рассчитывается ДН антенны и вычисляются радиотехнические параметры антенны.

Оценим влияние круглой одиночной вмятины высотой h и диаметром 2d на характеристики параболоида вращения. Допучтим, что центр вмятины совпадает с вершиной параболоида (рис. 3.1).

Рис. 3.1

Построив прямые и отраженные лучи (точечный облучатель находится в фокусе зеркала), устанавливаем, что на апертуре можно выделить три характерные зоны. В периферийной зоне 1, представляющей собой кольцо с внешним радиусом и внутренним , поле поврежденной антенны совпадает с полем неповрежденной: амплитуда монотонно спадает к краям зеркала, а фаза вследствие фокусирующего действия параболоида является постоянной. В центральной зоне 2 (круг с радиусом d) поле определяется формой профиля поврежденного участка. В промежуточной зоне 3, представляющей собой кольцо с внешним радиусом и внутренним d, поле образуется суперпозицией волн, отраженных от поврежденного и неповрежденного участков.

АДН такой антенны сохраняет осевую симметрию, максимум главного лепестка ориентирован вдоль фокальной оси. Амплитудное распределение поля вследствие рассеивающего действия поврежденного участка зеркала оказывается более равномерным, что, в принципе, должно было бы привести к сужению главного лепестка и некоторому возрастанию уровня боковых. Однако вследствие неравномерности фазового распределения появляются фазовые ошибки четного порядка (второго, четвертого и т. д.), что приводит к расширению главного и увеличению уровня боковых лепестков АДН.

При наличии повреждения общий уровень амплитудного распределения поля в раскрыве антенны несколько снижается. Это должно было бы привести к уменьшению мощности излучения антенны. Однако это не так, поскольку угол раскрыва зеркала не меняется, а следовательно, остается прежней общая величина перехваченной и переизлученной зеркалом мощности облучателя. Снижение же уровня амплитудного распределения означает уменьшение мощности, излучаемой антенной на главной поляризации, и возрастание на ту же величину мощности кроссполяризационной составляющей. Действительно, в области повреждения зеркала происходит искривление линий поверхностного тока по сравнению с линиями тока на неповрежденной антенне. В результате большие по величине горизонтальные компоненты тока в поврежденной области приводят к возрастанию кроссполяризационного излучения.

Таким образом, повреждение центрального участка параболического зеркала вызывает увеличение уровня боковых лепестков АДН при некотором расширении главного лепестка. Симметрия АДН не нарушается. Возрастает уровень кроссполяризационной составляющей.

Если вмятина не совпадает с вершиной зеркала(рис. 3.2, а), то область интерференции 3 оказывается несимметричной. В результате нарушается сим-

Рис. 3.2

метрия АФР поля в раскрыве зеркала, и помимо расширения главного и увеличения уровня боковых лепестков наблюдается смещение максимума АДН в сторону преимущественного отставания фазы (в сторону вмятины, если она представляет собой углубление в профиле, или в сторону, противоположную вмятине, если она своей выпуклостью обращена к раскрыву). Кроме того, увеличивается излучение на кроссполяризации как в осевом, так и во внеосевом направлении.

Определим допустимые размеры вмятин в зеркале. Из рис. 3.2 видно, что путь луча, отраженного от вмятины, изменится на величину . Это приращение пути вызовет фазовую ошибку на раскрыве:

. (3.1)

Вмятина может иметь направление, указанное на рис. 3.2, а может быть направлена в противоположную сторону. Поскольку вмятину можно считать явлением случайным и статистически независимым, то разность фаз необходимо увеличить в два раза, т.е.

. (3.2)

Как указывалось ранее, допустимая фазовая ошибка не должна быть больше p/4. Тогда допустимую величину вмятины можно найти из неравенства:

. (3.3)

Отсюда получаем:

. (3.4)

В центральной части зеркала (q=0) допустимый размер вмятины минимален и равен

. (3.5)

Расчеты показывают, что одиночные вмятины с размерами и снижают КНД антенны не более чем на 20%. При повреждении в виде множества мелких вмятин ( ), расположенных на поверхности зеркала случайным образом, возникают случайные изменения амплитудно-фазового распределения и АДН. Оценка их влияния на характеристики и параметры антенны производится статистическими методами.

Аналогичным образом оценивается влияние мелких ( ) сквозных отверстий в зеркале. При этом дополнительно к рассмотренным выше искажениям АДН увеличивается излучение в заднюю полусферу.

При увеличении размеров отверстий ( ) вся падающая на них мощность излучается в заднюю полусферу. По влиянию на АДН в области главного и первых боковых лепестков большие отверстия приближенно можно рассматривать как глубокие ( ) вмятины такого же диаметра.

Для временного восстановления поврежденной антенны на позиции РЛС применяют специальные накладки из мелкоячеистой сетки, которым в области повреждений придается форма зеркала. Накладки наклеиваются на поврежденные участки.

3.1.1.2. Влияние повреждений облучателя
на АДН зеркальной антенны

В процессе эксплуатации антенны возможны смещения облучателя из фокуса зеркала и его механические повреждения. Любое изменение положения облучателя можно представить в виде комбинации смещения вдоль фокальной оси, смещения в плоскости, перпендикулярной фокальной оси (рис. 3.3, а), и разворота в плоскости раскрыва на некоторый угол крена g (рис. 3.3, б).

При смещении облучателя вдоль фокальной оси в фазовом распределе-

Рис. 3.3

ние поля на раскрыве зеркала появляются четные фазовые ошибки. Вследствие этого происходит расширение главного лепестка и увеличение уровня боковых лепестков. При четно-симметричном фазовом распределении антенна не имеет фазового центра. Кроме того, при уменьшении расстояния от вершины зеркала до облучателя увеличивается кривизна линий тока на зеркале, что приводит к возрастанию кроссполяризационной составляющей.

Максимальную фазовую ошибку на краях зеркала определим, воспользовавшись изображением на рис. 3.3, а. Очевидно, что разность в длине пути лучей Dr максимальна между лучами, падающими на вершину зеркала:

.

Соответствующая фазовая ошибка

.

Искажения АДН считаются незначительными, если . Тогда

. (3.6)

Из выражения (3.6) следует, что с увеличением угла раскрыва зеркала допустимое смещение облучателя уменьшается, т. е. к смещению облучателя наиболее критичны короткофокусные антенны.

При смещении облучателя в плоскости, нормальной к фокальной оси, возникают ошибки нечетного порядка. Нечетные фазовые ошибки приводят к смещению максимума АДН относительно фокальной оси в направлении, противоположном смещению облучателя, нарушению симметрии АДН, увеличению уровня боковых лепестков. Считая максимальную ошибку равной , на основании вышеприведенных рассуждений можно определить допустимое смещение :

. (3.7)

Как видно, с увеличением фокусного расстояния и уменьшением радиуса зеркала требования к допустимому смещению облучателя снижаются.

Его разворот приводит к нарушению симметрии амплитудного распределения поля на раскрыве. Вследствие этого АДН становится несимметричной, уменьшается КИП антенны, увеличивается излучение на кроссполяризации.

3.1.2. Влияние повреждений и отказов элементов ФАР
на характеристики и параметры антенны

Как известно, ФАР включает в себя совокупность модулей, образующих собственно антенну, и управляющую ЦЭВМ. Анализ влияния отказов управляющей ЦЭВМ на характеристики и параметры ФАР является специфической и весьма сложной задачей, решение которой требует конкретизации архитектуры ЦЭВМ, алгоритмов управления и ряда других сведений, не относящихся к теории и технике антенн. Следует также иметь в виду, что система управления обычно характеризуется более высокими показателями надежности, чем собственно антенна (совокупность модулей). Поэтому далее рассматривается влияние отказов лишь в модулях ФАР.

При эксплуатации ФАР возможны механические повреждения элементов и узлов, образующих модули ФАР (перекосы арматуры, нарушение целостности радиопрозрачных защитных обтекателей, повреждения приемоизлучающих элементов, аналогичные рассмотренным ранее повреждениям облучателей зеркальных антенн, и т.п.), а также отказы в электрических и электронных элементах модулей. Все отказы и повреждения в модулях приводят к изменению амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве ФАР. При этом влияние механических повреждений на характеристики и параметры ФАР в принципе может быть учтено тем же способом, что и при анализе зеркальных антенн. В частности, все выводы, сделанные в предыдущем подразделе, применимы к ФАР с пространственным питанием отражательного типа, прототипом которых являются зеркальные антенны.

Учитывая это, в дальнейшем ограничимся рассмотрением отказов в электрических и электронных узлах модулей ФАР (в фазовращателях и усилителях ФАР с активным питанием).