Амплитудно-фазовое распределение в раскрыве зеркала. Методика расчета диаграмм направленности

В инженерной практике для расчета поля излучения и ДН зеркальных антенн применяются два метода: метод поверхностных токов и апертурный метод. Оба названных метода дают приблизительно одинаковые результаты в области главного и нескольких ближайших к нему боковых лепестков ДН. Метод поверхностных токов несколько точнее, но значительно сложнее.

В дальнейшем для расчета зеркальных антенн будем пользоваться апертурным методом. Для определения в соответствии с апертурным методом ДН параболоида вращения необходимо определить амплитуду, фазу и поляризацию ЭМП в раскрыве зеркала.

Волна, падающая на зеркало, и само зеркало полагаются локально (в пределах небольшого участка) плоскими, что позволяет представить волну в виде лучей и пересчитать поле облучателя в поле в раскрыве зеркала (рис. 7.57).

Для зеркала в виде параболоида вращения и точечного облучателя с линейной поляризацией излучаемого поля амплитуда поля в точке М раскрыва зеркала

где - мощность, излучаемая облучателем; Z)₀ - максимальное значение КНД облучателя; F₀(|/,a) - нормированная ДН облучателя; г - расстояние от фокуса до точки на поверхности зеркала.

Рис. 7.57. Волна, падающая на зеркало антенны

При выводе формулы (7.56) предполагалось, что зеркало находится в дальней зоне облучателя; после отражения от зеркала к его раскрыву распространяется плоская волна; амплитуда этой волны на участке пути ММ' не меняется.

Фаза поля в соответствии с принципом действия антенны во всех точках раскрыва зеркала одинакова (раскрыв синфазный), т. е. ср(х) = 0.

Значительно сложнее определить поляризацию поля в раскрыве зеркала. Не останавливаясь на подробном решении этой задачи, отметим лишь способы ее решения и проанализируем окончательные результаты.

Поляризацию поля в раскрыве зеркала находят, разлагая вектор электрического поля облучателя ?₀бл на две составляющие, соответствующие Е_х вертикальной и Е_у горизонтальной поляризации падающей на зеркало волны, и используя законы отражения для каждой из этих составляющих. Так как величина и ориентация вектора Е₀^_п зависят от типа облучателя, значит и поляризация поля в раскрыве зеркала будет разной при различных облучателях.

Полученная по описанной методике структура электрического поля в раскрыве глубокого зеркала для случая, когда в качестве облучателя использован вибратор, показана на рис. 7.58. Как видим, вектор Е в раскрыве зеркала имеет различную ориентацию. В произвольной точке раскрыва его можно разложить на две составляющие Е_х и Е_у.

Рис. 7.58. Картина электрических полей в раскрыве зеркала

Составляющие Е_х создают поле излучения основной поляризации, а составляющие Е_у - поле поперечной поляризации (кросс-поляризации).

В главных плоскостях (xOz и yOz) поле поперечной поляризации отсутствует, так как составляющие Е_у в симметричных относительно оси х и оси у раскрыва равны по величине и противоположны по направлению.

В плоскостях, расположенных под углом к главным плоскостям, излучаемое антенной поле содержит составляющие как основной, так и поперечной поляризации. Из-за сдвига фаз между этими составляющими результирующее поле поляризовано эллиптически. Электрические силовые линии в раскрыве зеркала начинаются и заканчиваются в точках, названных полюсами (рис. 7.58).

В периферийных областях за полюсами основная составляющая электрического поля Е_х имеет противоположное направление по сравнению с полем в основной части раскрыва. Эти периферийные области уменьшают излучаемое антенной поле в направлении оси z и называются «вредными зонами». «Вредные зоны» появляются только при использовании глубоких зеркал и обусловлены тем, что по разные стороны от оси вибратора направление вектора ?₀бл противоположны (рис. 7.58).

Из-за наличия «вредных зон» и больших составляющих Е_у глубокие зеркала обычно не применяются. В случае использования мелких зеркал (z₀ < f) «вредные зоны» отсутствуют, а составляющие Е_у в раскрыве и порождаемое ими поле излучения поперечной поляризации малы.

Оценив структуру поля в раскрыве зеркала, найдем АФР в раскрыве и соответствующее ему поле излучения антенны в дальней зоне и ее ДН.

Ограничившись анализом излучаемого поля и ДН антенны в главных плоскостях, для которых необходимо учитывать лишь составляющие поля в раскрыве зеркала Е_х, раскрыв можно представить как систему идентичных одинаково ориентированных излучателей Гюйгенса, для которой справедливо правило перемножения:

где F_o(0) = 0,5 (1 + cos0) - нормированная ДН излучателя Гюйгенса; Fchct(0) - нормированный множитель системы.

При определении множителя системы в силу синфазности раскрыва зеркала следует ФР принять равным нулю, т. е. ср(р, а) = 0.

АР находим, используя формулу (7.56):

где Е(0) - амплитуда поля в центре раскрыва зеркала.

В общем случае АР получается сложным с неразделяющимися переменными.

Для определения множителя системы F_CHCT(0) найденное по формуле (7.58) АР аппроксимируется одним из стандартных распределений, для которых множитель системы заранее рассчитан. Ряд таких функций А(р, а) и соответствующие им значения Г’сщД©) и параметров направленности антенны приведены в специальной литературе.