ТЕМА № 3: «Основные системы и ТЕМА № 3: элементная база радиолокационных станций» Занятие № 3: Антенны и радиоволноводы радиолокационных станций
УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ: 1. Назначение и качественные показатели антенн. 2. Основные виды, характеристики и типовое устройство параболических антенн и фазированных антенных решеток (ФАР). 3. Назначение, виды и общее устройство волноводов.
Антенной называется устройство, предназначенное для преобразования электрических колебаний в электромагнитные (радиоволны) и излучения их в пространство (передающая антенна), а также для преобразования принятых радиоволн и преобразования их в электрические колебания (приемная антенна) Антенны обладают свойством обратимости, т. е. параметры антенны в режиме приёма определяются её параметрами в режиме передачи.
Качественные показатели антенны Изучаемая мощность PΣ - мощность электромагнитных волн, излучаемых антенной в свободной пространство. Сопротивление излучения r. S : характеризует способность антенны к излучению электромагнитной энергии при данной силе тока, возбуждаемого в антенне PS r. S = 2 Ia где Ia – действующее значение тока в антенне.
Мощность потерь (Рп) — мощность, расходуемая передатчиком в земле, в проводах и изоляторах антенны, а также в предметах, окружающих антенну. Сопротивление потерь RП : характеризует величину мощности, теряемой в процессе преобразования энергии в антенне при данной силе тока, возбуждаемого в ней Pп Rп = I 2 a где Ia – действующее значение тока в антенне.
Мощность в антенне (Ра) – мощность, подводимая к антенне от передатчика. Эта мощность состоит из излучаемой мощности и мощности потерь: Ра= РS + РП = Iа 2(r. S + RП) Мощности в антенне соответствует активное сопротивление: Ра Rа = Iа 2 Сопротивления Rа, r. S и Rп являются параметрами антенны.
КПД антенны – отношение излучаемой мощности ко всей мощности, подводимой к антенне: r. S PS Ia 2 r. S ha = Pa = I 2 R = r. S + RП a a где r. S - сопротивление излучения Rп – сопротивление потерь Для увеличения КПД антенны требуется увеличивать сопротивление излучения и уменьшать сопротивление потерь
Диаграммой направленности антенны (ДНА) называется графически представленная зависимость излучаемой или принимаемой мощности от направления. Диаграмму направленности снимают в двух плоскостях: горизонтальной и вертикальной. Диаграммы направленности строят в полярной или прямоугольной системе координат.
Диаграмма направленности антенны в полярной системе координат
Полярная система координат — двумерная система координат, в которой каждая точка на плоскости определяется двумя числами — полярным углом и полярным радиусом. Полярная система координат особенно полезна в случаях, когда отношения между точками проще изобразить в виде радиусов и углов; в более распространённой, декартовой или прямоугольной системе координат, такие отношения можно установить только путём применения тригонометрических уравнений.
Диаграмма направленности антенны в прямоугольной системе координат
В зависимости от формы, ДН подразделяются на косекансную, веерную, лопаточную, игольчатую. Рис. Типы диаграмм направленности а – косекансная; б – веерная; в – лопаточная; г –игольчатая.
Ширина диаграммы направленности антенны по половинному спаду мощности (в градусах) определяется: где λ – длина волны; d – диаметр зеркала антенны. От ширины ДНА зависит разрешающая способность РЛС по угловым координатам и точность измерения угловых координат.
Разрешающая способность РЛС по углу равна - Разрешающая способность РЛС по углу улучшается при уменьшении длины волны излучения и увеличении диаметра зеркала Ширина ДНА влияет на вероятность обнаружения целей, которая определяется количеством отраженных импульсов в пачке. где Тобл – время облучения цели при нахождении ее в пределах ДНА; Тп – период повторения РЛС
Время облучения определяется шириной ДНА и угловой скоростью вращения антенны: Коэффициентом направленного действия (КНД) называется отношение в направлении максимума ДНА к мощности излучения ненаправленной антенны. КНД показывает выигрыш в излучаемой мощности Р∑, который даёт в точке наблюдения антенна направленного излучения по сравнению с антенной ненаправленного излучения где Р∑ 0 - мощность, излучаемая антенной ненаправленного действия
КНД зеркальных антенн определяется: где S - геометрическая площадь антенны; V - коэффициент использования поверхности зеркала антенны (для параболических антенн близок к единице) 17
Коэффициентом усиления антенны Gа называется отношение мощности на входе ненаправленной антенны к мощности, подводимой ко входу направленной антенны, при условии, что обе антенны создают в данном направлении на одинаковом расстоянии равные значения плотности потока мощности. КУ антенны показывает, во сколько раз необходимо увеличить мощность на входе антенны (выходную мощность передатчика) при замене данной антенны идеальной ненаправленной антенной, чтобы значение плотности потока мощности излучаемого антенной электромагнитного поля в точке наблюдения не изменилось. При этом предполагается, что коэффициент полезного действия (КПД) ненаправленной антенны равен единице.
КУ однозначно связан с КНД D и КПД η антенны: Коэффициент усиления характеризует выигрыш по мощности, который даёт направленная антенна по сравнению с идеальным ненаправленным излучателем. Коэффициент усиления параболической антенны определяется:
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ТИПОВОЕ УСТРОЙСТВО ПАРАБОЛИЧЕСКИХ АНТЕНН И ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК
Зеркальными антеннами называются антенны, у которых поле в раскрыве антенны формируется в результате отражения электромагнитной волны от металлической поверхности специального профиля. Источником электромагнитной волны служит элементарная антенна, называемая облучателем зеркала или просто облучателем. В качестве облучателя применяют рупор, открытый конец волновода и т. д. Зеркало и облучатель являются основными элементами зеркальной антенны. Наиболее распространенным является зеркала в виде параболоида вращения, усеченного параболоида
Принцип действия зеркальных антенн Электромагнитная волна, излученная облучателем, достигнув проводящей поверхности зеркала, наводит на ней токи, которые создают вторичные поля, называемые полями отраженной волны. Для того чтобы на зеркало попала основная часть излученной электромагнитной энергии, облучатель должен быть однонаправленным, то есть излучать только в направлении зеркала. Облучатель формирует волну с сферическим фронтом. Для того, чтобы обеспечить узконаправленную ДНА, фронт волны должен быть как можно более плоским. Для этого отражатель выполняют в виде параболоида вращения, а облучатель помещают в фокус параболоида.
Рис. Траектория падающих и отраженных от параболоида лучей
Управление ДНА. Если фазовый центр облучателя совпадает с фокусом зеркала, то фронт волны, отраженной от зеркала, будет плоским и совпадать с раскрывом зеркала. Направление максимума ДНА совпадает с осью зеркала. Смещение облучателя в направлении перпендикулярном оптической оси зеркала вызывает отклонение направления главного максимума в сторону, противоположную смещению облучателя.
Для измерения трёх координат при помощи одной РЛС требуется сканирование электронного луча с ДН игольчатой формы в угломестной плоскости с одновременным вращением антенной системы по азимуту. Это достигается применением фазированной антенной решётки (ФАР).
26
В активной фазированной антенной решётке, каждый элемент решётки или группа элементов имеют свой собственный миниатюрный микроволновый передатчик, обходясь без одной большой трубки передатчика, применяемой в радарах с пассивной фазированной решёткой. В обычной пассивной решётке один передатчик мощностью несколько киловатт питает несколько сотен элементов, каждый из которых излучает только десятки ватт мощности. Активные решётки более надежны, т/к отказ одного приёмопередающего элемента решётки искажает ДНА, что несколько ухудшает характеристики локатора, но в целом он остаётся работоспособным. 27
Рупорная антенна- металлическая конструкция, состоящая из волновода переменного (расширяющегося) сечения с открытым излучающим концом. Рупорную антенну возбуждают волновод, присоединенным к узкому концу рупора.
Рупорные антенны очень широкополосны и весьма хорошо согласуются с питающей линией — фактически, полоса антенны определяется свойствами возбуждающего волновода. Для них характерен малый уровень задних лепестков диаграммы направленности (до -40 d. B) из-за того, что мало затекание ВЧ-токов на теневую сторону рупора. Рупорные антенны с небольшим усилением просты конструктивно, но достижение большого (>25 d. B) усиления требуют применения выравнивающих фазу волны устройств (линз или зеркал) в раскрыве рупора. Без подобных устройств антенну приходится делать непрактично длинной. Применяют как самостоятельно, так и в качестве облучате -лей зеркальных и других антенн, конструктивно совмещен -ную с параболическим отражателем (рупорно-параболичес -кая антенна). Рупорные антенны с небольшим усилением из-за удачного набора свойств и хорошей повторяемости часто используются в качестве измерительных.
НАЗНАЧЕНИЕ, ВИДЫ И ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО ВОЛНОВОДОВ
Волновод - это полая металлическая труба, используемая для передачи электромагнитных волн. Механизм их распространения в волноводе обуслов -лен многократным отражением электромагнитных волн от его стенок (дм, см, мм диапазона волн). Можно использовать трубы с любой формой поперечного сечения. Более удобны прямоугольные. Круглые волноводы применяются во вращающихся сочлинениях.