Экспериментальная оценка характеристик антенных окон для условий эксплуатации

Для проведения эксперимента необходимы комплекс для аэродинамического нагрева и радиотехнический комплекс.

Интересующие нас характеристики антенны – это диаграмма направленности, КПД и шумовая температура, о которых мы подробно говорили в разделах ранее.

Самое простое измерение, которое мы можем провести, это измерение ДН. СВЧ-детектор (в виде индикаторов) будет реагировать на изменение напряженности поля. Имея такой датчик, можно вращать антенну, чтобы снять распределение. Однако можно вращать и сам датчик. Если мы не можем вращать ни антенну, ни датчик, используется кассета с набором индикаторов-датчиков, расположенных по окружности с шагом . Съем информации идёт дискретно по всему полураскрыву, который облучается антенной.

 

 

 

На рисунке изображена экспериментальная установка с двумя зеркальными антеннами (внешний канал), которые имеют в качестве профиля эллипсоид вращения и раскрыв которых приблизительно 1/3 м. У правой антенны волновод с открытым концом находится в фокусе. Между антеннами находятся ионизирующие камеры плазмотрона, из которых истекает плазменная струя. Плазмотрон – устройство, использующее энергию электрического разряда. Внизу – измерительная аппаратура, на которую работает измерительная техника. В этой аппаратуре используется 8-мм диапазон длин волн.

 

В этом стенде используются специально созданные приборы. Апертура антенны порядка метра. Фокусируем на длину 1,5 . Частотный диапазон – 10 ГГц (3 см). Антенны выклеивались по образцу из стекловолокна, проводящая часть металлизируется (на стекловолокно наносится фольга или проводящая краска).

 

Вернемся к измерению диаграммы. Для измерений используются подобные схемы, как на рисунке ниже.

Диаграммасъёмное устройство

 

Штриховыми линиями показано греющая плазма. Другие обозначения на рисунке:

	прямоугольный волновод, соединённый по фланцу
	аттенюатор
	вентиль
	амплитудный модулятор
	усилитель
	коаксиальный кабель
	направленный ответвитель (сверху – согласованная нагрузка)

 

Зачем нужна развязка (вентиль)? В генераторах малой мощности обычно для генерации используется клистрон. Генерация происходит в резонаторе, на который работает клистрон, с него же и снимаем энергию. Если в резонатор попадает отраженная волна, происходит расстройка резонатора, меняется частота. Это малоприятное явление, т.к. должны работать на фиксированной частоте. Расстройки можно избежать с помощью вентиля.

СВЧ диод, установленный в тракте левого направленного ответвителя, выделяет модулированное колебание. С помощью левого тракта оцениваем мощность генератора, идущую на антенну. Правый направленный ответвитель, расположенный ближе к антенному окну, реагирует на отраженную мощность.

Зная подводимую и отраженную мощность, находим коэффициент отражения, который будет меняться из-за нагрева антенного окна и согласования антенного окна с трактом.

Таким образом, два направленных ответвителя работают на непрерывное вычисление коэффициента отражения.

Мы знаем, что антенна излучает в полупространство. Индикаторы, расположенные в этом полупространстве, работают как детекторы СВЧ. и выделяют модулирующий сигнал. Коаксиальным кабелем снимаем показания, электронный коммутатор коммутирует диоды (проводит быстрый опрос), но работаем уже не на самописец, а на цифро-печатающее устройство. Измерение индикаторами поля проводим в дискретные промежутки времени, когда ионизирующую плазму убираем из зоны измерения, при этом идет быстрое остывание, из чего следует, что убирать плазму должны на очень малый промежуток времени. Это определяет требование к быстродействию съема интересующей информации.

Так как обычно диаграмма изображается в графическом виде в сферических координатах (зависимость напряженности поля от функции угла), то показания диодов, расположенных на разных телесных углах, фиксируем на печатающем устройстве и используем для построения графика.

Рассмотрим схему для измерения КПД.

 

Устройство для измерения КПД

 

	циркулятор
	вентиль

 

Первый циркулятор работает либо на антенну, либо на согласованную нагрузку. Второй циркулятор работает либо на антенну, либо на тракт, состоящий из направленного ответвителя. Энергия, которая не ответвляется, идет через развязку на радиометр. Тракт от диодного генератора до радиометра – тракт оценки мощности, которую мы хотим подвести к антенне. Сигнал от дополнительного генератора шума, подсоединенный к направленному ответвителю, служит эталонным для радиометра.

Антенной излучаем шумовой сигнал в соответствии с диаграммой направленности. Мы хотим знать эту излученную мощность. Должны вести замеры всей мощности в пространстве, охватывающем в том числе эталонную антенну. Она представляет собой зеркальную антенну с профилем эллипсоида.

Правая цепочка, также, как и левая, включающая радиометр, предназначена для оценки шумовой мощности, принятой антенной.

В этой измерительной схеме плазма:

1) греет;

2) выступает источником шумового излучения.

Наши измерения ведутся не по сигналу, который подводится к антенному окну, а по сигналу, который оно принимает от плазмы (при этом диодный генератор шума через циркулятор замкнут на согласованную нагрузку!). Эталонная антенна измеряет шумовую мощность плазмы. Таким образом, мощность, принимаемая эталонной антенной, отличается от мощности, принимаемой антенным окном, на величину КПД. Однако мы не учли, что эталонная антенна также принимает шумовое излучение бортовой антенны (она шумит, так как греется).

Уменьшить влияние пленки расплава можно с помощью перераспределение ионов в расплаве, т.е. в апертуре создаем решетку «зона с ионами»-«зона без ионов», которая позволяет пленку расплава сделать более радиопрозрачной.

На ионы можно повлиять с помощью электрического поля. Как это сделать на практике?

 

 

 

Внешнее кольцо – апертура излучателя; внутри внешнего кольца – теплозащита. Вертикальные полоски – обогащенные зарядами участки теплозащиты.

 

АО с наложением электрического поля

 

Разрезание кольца позволяет подвести к одному и другому полукольцу ЭДС. Рассматривая с торца, видим углубления.

Для практики этот способ не очень удачен, поскольку антенна в процессе эксплуатации сгорает.

 

Есть еще вариант с охлаждением антенны. Для охлаждения антенной вставки хладагентом можем использовать составную конструкцию вставки, состоящую по крайней мере из двух материалов.

Зачем два материала? Они имеют разную теплопроводность. Благодаря этому можно добиться перераспределения температур. Явление охлаждения основано на испарении. Как нужно подобрать температуры испарения T1, T2? T2<T1 Если при нагреве раньше начинает испаряться материал кольца (синий цвет, T2), то при этом он охлаждает втулку (зеленый цвет, T1).

 

 

 

 

Конструкция АО осесимметричной структуры из ТЗМ BN и ВИО–18

(l = 3 см)

 

Этот вариант также встречает некоторые сложности. При нагреве материалы расширяются. Чтобы не было разрушения кольца при использовании двухкомпонентной вставки, нужно, чтобы линейный коэффициент температурного разрушения был гораздо выше.

Если Т2 очень маленькая величина, кольцо полностью испарится и не будет охлаждать втулку. Поэтому надо подбирать материалы с близкими температурами.

Если размеры кольца большие, то мы проигрываем в эффективности по мощности.