Коэффициентом усиления антенны называется произведение КПД на КНД антенны

.

Коэффициент усиления антенны зависит от геометрических размеров излучающей поверхности и длины волны электромагнитных колеба­ний

,

где S_эф=S_r^*K_исп - эффективная поверхность излучения антенны, которая представляет поверхность некоторой воображаемой площадки, расположенной в месте приема перпендикулярно направлению волны и через которую проходит мощность, численно равная мощности, отдаваемой антенной в нагрузку.

Коэффициент усиления учитывает как увеличение плотности потока мощности излучения за счет направленных свойств антенны, так и уменьшение этой плотности из-за потерь энергии, подводимой к антенне. От коэффициента усиления антенны зависит дальность действия РЛС

Рабочий диапазон антенны - это полоса частот, в пределах кото­рой параметры и характеристики антенны изменяются в допустимых пределах.

Ширина полосы пропускания антенны должна быть достаточной для излучения и приема с минимальными искажениями всего спектра частот сигнала.

ВЫВОД

Качество антенны как преобразователя энергии характеризует ее основные параметры: КПД, коэффициент направленного действия, коэффициент усиления антенны и ширину ДНА.

Параметры антенны влияют на тактические возможности РЛС. Так, коэффициент усиления антенны влияет на дальность действия РЛС, а ширина диаграммы направленности - на разрешающую способность по угловым координатам.

 

Второй учебный вопрос.

Формирование диаграммы направленности и особенности технического решения антенн РЛС метрового диапазона волн

Особенностью антенн РЛС является их направленное действие. Направленность антенн обеспечивает:

- возможность определения направления на цель (угловых координат) и разрешающую способность РЛС по угловым координатам;

- увеличение дальности действия РЛС за счет концентрации из­лучаемой энергии в направлении на цель;

- пространственную селекцию полезного сигнала в результате преимущественного приема с направления на цель и ослабления мешающего действия сигналов и помех, приходящих с других направлений (прием по боковым лепесткам ДНА значительно меньше, чем по главно­му лепестку). Тип антенны определяется назначением и условиями работы РЛС и зависит в основном от рабочего диапазона станции. В станциях обнаружения антенная система должна сформировать ДНА широкую в вертикальной и узкую в горизонтальной плоскости (рис. 4.7, слайд).

В изучаемых РЛС метрового диапазона волн используются антенны зеркального типа, которые также называются рефлекторными или параболическими.

В системе опознавания (дециметровый диапазон) используются антенны типа вибраторной решетки.

В РЛС сантиметрового диапазона волн применяются в основном рупорные и зеркальные антенны. В последнее время в РЛС используют­ся антенны типа фазированных решеток.

В основе построения зеркальных антенн лежат законы геометри­ческой оптики: прямоугольное распространение волн, законы прелом­ления и отражения. Основными элементами конструкции зеркальных антенн является отражатель (рефлектор, зеркало) и облучатель, который питается энергией генератора СВЧ.

В качестве отражателей антенных систем РЛС наиболее часто ис­пользуются поверхности усеченных параболоидов вращения и параболи­ческих цилиндров. Геометрические размеры отражателей выбираются больше длины волны.

Рассмотрим принцип действия зеркальной антенны (слайд 16).

Облучатель антенны устанавливается в фокусе параболического отражателя. Излучаемая облучателем электромагнитная энергия попа­дает на поверхность зеркала и отражается от него. В соответствии с законами оптики отражение электромагнитной энергии от поверхнос­ти параболоида происходит параллельным пучком. Следовательно, энергия облучателя концентрируется в узкий луч и распространяется только в одном направлении, формируя главный лепесток ДНА.

Так как геометрические размеры отражателя превышают длину волны не на много, то законы оптики для электромагнитной волны выполняются не полностью. Поэтому незначительная часть энергии распро­страняется и в боковых направлениях, формируя боковые лепестки ДНА.

Для уменьшения веса зеркало антенны изготавливается из алюминиевых сплавов сплошным, перфорированными (с отверстиями) или в виде сетки из проволоки (трубок). Чтобы отражатель был непрозрачным для радиоволн, диаметр отверстий или расстояние между трубка­ми в сетке должны быть значительно меньше длины волны d<(λ/4) или l<(λ/4).

Перфорация и сеточное исполнение зеркала уменьшают так­же и парусность антенны (воздействие на антенну сил ветра). Геоме­трические размеры антенны определяют её направленные свойства

.

Отражатель в виде параболоида вращения формируют ДНА игольча­того типа.

Для получения ДНА РЛС обзора используются отражатели типа усеченного параболоида, у которого раскрыв в горизонтальной плос­кости значительно больше, чем в вертикальной. КНД параболической антенны пропорционален отношению R/λ, т.е. направленные свойст­ва антенны в вертикальной плоскости ухудшаются - ДНА расширяется, оставаясь неизменной (узкой) в горизонтальной плоскости.

При уменьшении размеров зеркала в горизонтальной и увеличение в вертикальной плоскостях ДНА сужается в вертикальной и расширяется в горизонтальной (слайд 17). ДНА подобного типа используется в высотомерах.

Из приведенных рассуждений видно, что ширина ДНА обратно пропорциональна её размерам (чем меньше размер антенны, тем шире ДНА и наоборот).

Значительно расширять ДНА параболической антенны в вертикальной плоскости путем большого усечения зеркала невыгодно, так как при этом уменьшается геометрическая площадь раскрыва, и как следствие, КНД антенны и дальность действия РЛС. Поэтому для расширения зоны обзора в вертикальной плоскости (без снижения дальности действия) формируют с помощью одного усеченного параболического зеркала нескольких веерных ДН, перекрывающих одна другую на уровне, большем половинной мощности. Такую сложную веерную ДНА можно сформировать несколькими облучателями, один из которых устанавливается в фокусе зеркала, а остальные смещаются вверх или вниз (слайд 18).

Для формирования ДНА, близкой к косекансной, облучатели пита­ются разной мощностью (Р₀₂>Р₀₁ и Р₀₃). Количество лепестков в главном направлении определяется количеством облучателей.

Недостатком метода смещенных облучателей является зависимость ДНА в горизонтальной плоскости от величины смещения облучателей. Чем больше смещение облучателей, тем шире главный лепесток, т.е. при разных углах места ширина ДНА в горизонтальной плоскости полу­чается разной. Поэтому метод смещенных облучателей позволяет полу­чить косекансную ДНА до углов места, не больших 30⁰.

Параболическим антеннам свойственна реакция зеркала на облучатель, которая заключается в следующем. Часть энергии, отраженной от зеркала антенны, принимается облучателем и передается в питающий фидер. В фидере отраженная волна, вызывающая рассогласование облучателя с питающей его линией, приводит к уменьшению излу­чаемой облучателем мощности и, следовательно, антенны. Для устранения реак­ции рефлектора на облучатель прибегают к специальным мерам, которые несколько снижают действующую площадь антенны.

Основные способы уменьшения реакции отражателя показаны на слайде 19).

В качестве облучателей зеркальных антенн в метровом диапазоне волн применяются полуволновые вибраторы. Симметричный вибратор, как было указано при изучении первого учебного вопроса, обладает слабонаправлен­ными свойствами, т.е. излучает энергию в двух взаимно противополож­ных направлениях. При использовании полуволновых вибраторов в ка­честве облучателей они имеют рефлектор с линейными размерами, нес­колько большими, чем λ/2. Рефлектор устанавливается на расстоянии λ/4 от вибратора (слайд 20.)

В точке 1 располагается вибра­тор, получающий энергию от генера­тора СВЧ. В точке 2 устанавливается рефлектор.

Пассивный рефлектор получает энергию от электромагнитных волн, излучаемых вибратором 1. Эти волны проходят путь λ/4 и поэтому возни­кает отставание по фазе на 90°.

При сложении прямой и отраженной волн в фазе дальность дей­ствия РЛС в этом направлении увеличивается (рис. 4.73, б, направление 1). При суммировании волн в противофазе в ДНА появляется провал - даль­ность обнаружения уменьшается (направление I, рис. 4.13, б).

Размеры зоны отражения, существенно влияющей на формирование ДНА, зависят от длины волны и высоты антенны над поверхностью зем­ли.

Зона отражения называется зоной Френеля.

Следовательно, при выборе позиции РЛС метрового диапазона необ­ходимо учитывать рельеф местности. Местность должна быть ровной в пределах зоны Френеля, а неровности не должны превышать величин, указанных в формуляре на РЛС. Ровная поверхность приближает отраже­ние радиоволн к зеркальному и уменьшает провалы в ДНА.

Для преподавателя. В заключении показать конструкцию антенны РЛС 5Н84 и обратить внимание на назначение третьего облучателя.

ВЫВОД

1. Достоинством зеркальных антенн является простота конструк­ции и высокая механическая прочность.