Главная  Анализ дифракции радиоволн 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 [ 29 ] 30 31

крыве осесимметричной параболической антенны практическп совпадает с распределением поля в поперечной плоскости в рас-крыве цилиндрической параболической антенны, если в этих плоскостях одинаковы диаграммы направленности облучателя, поляризация первичного электромагнитного поля и соответствующие сечения зеркал. Поэтому приводимые ниже данные дают представление также и о структуре поля в плоскости Н осесимметричной параболической антенны.

Исследовалось амплитудное и фазовое распределение поля в плоскостях у=const, параллельных плоскости раскрыва, как внутри зеркального отражателя, так и на различном удалении от него. Расчет проводился для а=5Х (линейный размер раскрыва антенны 2а=10Х) при четырех значениях угла (фо = 60, 75, 90 и 105°). В области у<Ур. где ур - значение координаты у, соответствующее раскрыву антенны, рассматривались значения координаты X в пределах О^л; I 2ру, а в области у>Ур - в пределах 0х:3а (рис. 9.54).

Перейдем к описанию полученных результатов. Амплитудное распределение поля. При анализе амплитудного распределения поля рассчитывался модуль напряженности вторичного электрического поля \Е{х, у)\ в плоскостях i/=const, параллельных плоскости раскрыва. При у<Ур, т. е. в области, ограниченной зеркальным рефлектором, значение \Е{х, у)\ нормировалось на значение, определяемое геометрической оптикой. Для этого значение \Е(х, у)\ делилось на модуль напряженности вторичного электрического поля в середине рас-крыва \Е(0, Ур)\ и у.множалось на коэффициент I \ + (х/р). Отличие истинных значений поля от значений, соответствующих расчету по геометрической оптике, определяется отличием от единицы значений функции

А (X) - \Е (X, y)\Vl+(x/pf/\E(0. ур) при у=const.

Расчеты показали, что отклонение значений функции А{х) от единицы в точках, расположенных в области, ограниченной цилиндрическим параболическим зеркалом (\х\-У2ру. О^у^ур), при 2а=10/. не превыщает нескольких процентов при всех рассмотренных значениях угла ifn.

В качестве примера на рис. 9.55 показаны графики функции А{х) для различных значений координаты у в случае фо=60°. Графики А{х) для других значений фо имеют аналогичный характер. Как видно, откло1ген11е действительного распределения поля от рассчитанного по геометрической оптике увеличивается по мере приближения к раскрыву антенны. Это отклонение, как правило, несколько меньще для более глубоких рефлекторов, однако вблизи краев рефлектора оно и.меет примерно одинаковые значения (у4(х) -1тах=0,07 при фо = 60°; 0,075 при фо=75°; 0,07 при фо=90° и 0,063 при фо=105°). 170

При анализе амплитудного распределения поля в области У>Ур также вычислялись значения модуля функции Е(х, у) в плоскостях =const, параллельных плоскости раскрыва. Эти значения нормировались на величину модуля напряженности вторичного электрического поля на оси симметрии £(0, у)\ при том же значении у. Рассматривались значения \у=у-Ур от нуля(пло-скость раскрыва) до Дг/= ЮООЛ.

Графики, приведенные на рис. 9.56, дают представление о процессе изменения распределения излучаемого поля в непосредственной близости к раскрыву антенны. По оси ординат отложены значения функции

ААх)(1Е(х,у)\/\Е{0,у)\)\ \+{х/р)\

аналогичной А(х) и отличающейся от последней только множителем, не зависящим от х. Приведенные данные относятся к случаю фо=бО°. Графики для других значений угла фо имеют аналогичный характер.

На рис. 9.57 приведены графики функции Ai{x) в интервале 0д::5Я, при различных значениях Ау (2Я^Лу< ЮООЯ) для фо=105° (сплошные линии) и фо=60° (точки). Кривые для фо= = 75 и 90° аналогичны и при Ау20Х проходят между графиками

для фо=60 и 105°.

Из полученных данных видно, что процесс формирования излучаемой антенной волны имеет сложный характер и зависит от угла фо.

Область равномерного распределения значений функции А^х), т. е. область, в которой амплитудное распределение напряженности вторичного электрического поля при нормировке на значение \Е{0, у)\ соответствует распределению, рассчитанному по геометрической оптике, с удалением от раскрыва (при увеличении Ау) постепенно сжимается и достигает минимальной ширины на расстоянии (25-50) Я. В данном районе имеет место некоторая концентрация (фокусировка) электромагнитного поля. Это хорошо видно, например, из графиков на рис. 9.58, показывающих границы Xi* и Х2* указанной области по уровням 0,95 и 0,8 соответственно. Граничные значения xi* и Хч* для фиксированного значения определялись из условий: л1 (xi*) =0,95; л1(д;)<0,95 при JC,*<JC<G и Л,(С2*)=0,8; Л,(с)<0,8 при л:2*<л:<а соответственно. Приведенные кривые относятся к случаю фо= 105°. Графики для других значений (60, 75 и 90°) аналогичны.

Отметим, что расстояние Рэлея для рассматриваемого случая /.в = 2а7Я = 50л несколько больше расстояния от раскрыва антенны до указанного района концентрации поля.

На рис. 9.59 и 9.60 показана зависимость амплитуды напряженности вторичного электрического поля от переменной х в интервале О^лгЗо при различных значениях Ау для фо=105° (сплошные линии) и фо = 60° (точки). Графики для фо=75 и 90 аналогичны. Как видно, при \у>Еп мощность, излучаемая антенной, все более выходит за пределы столба л- :о.




о

й

1 1



- - - . .

Результаты расчета, характеризующие изменение поля в главном направлении (вдоль оси симметрии параболической направляющей цилиндрического зеркала), показаны на рис. 9.61. По осп ординат отложены значения отнощения \Е{0, у)\ к модулю напряженности вторичного электрического поля в середине раскрыва \Е(0, Ур)\ для того же угла ifo- Поэтому при Л(/ = 0 это от-нощение для любого значения угла tpo равно единице. Отметим, что действительные значения £(0, ур)\, соответствующие углам tfo, равным 60, 75, 90 и 150°, относятся как числа 0,15; 0,173; 0,198 и 0,226. По оси абсцисс в логарифмическом масштабе отложены значения Ау в долях длины волны. Сплошной линией показаны значения, соответствующие я15о=60°, пунктиром - яро=105°. Кривые, соответствующие я()о = 75 и 90°, аналогичны и при Лг/Д>15 проходят между кривыми для 11?о=60 и 105°, приведенными на рис. 9.61.

Как видно из графиков, при увеличении Ау амплитуда напряженности вторичного электрического поля вначале (при О^Лу 0,2Lr) сохраняет почти постоянное значение независимо ни от расстояния Ау, ни от угла раскрыва параболической направляющей зеркала антенны, т. е. поле имеет характер плоской волны. В интервале расстояний 0,5 Ья<:Ау<:Ея поле несколько возрастает по сравнению с его значениями на меньших расстояниях и при Лг/0,7 Lr имеет максимум. Это область некоторой концентрации плотности потока энергии излучаемой волны (область слабой фокусировки поля). В интервале LR<Ai/<oo поле убывает с увеличением расстояния Ау, и волна становится нормальной цилиндрической. Отметим, что для определения абсолютного уровня излучаемого поля вдоль оси антенны нужно учитывать не только графики, приведенные на рис. 9.61, но и указанные выше соотношения между значениями \Е(0, ур)\ для рассматриваемых углов фо- Получающиеся при этом результаты при Ay>Ln соответствуют представлениям, основанным на расчетах излучаемого поля апертурным методом.

Фазовая структура излучаемого поля. Рассмотрим теперь фазовую структуру поля, излучаемого цилиндрической параболической антенной.

Расчеты показывают, что внутри зеркального отражателя (т. е. при у<1ур) фаза вектора Е отличается от постоянного значения не более чем на единицы градусов. Эти отклонения отраженного поля от плоской волны несущественны для инженерной практики.

При у>Ур в пределах указанной выше области равномерного распределения значений функции Ai{x) фаза остается практически постоянной вплоть до At/ 0,5LR. При Аг/>0,5н фаза в пределах столба jc<a изменяется примерно по квадратичному закону.

Отсутствие зависимости амплитуды поля от угла г(1о объясняется принятой выше нормировкой значений величины £{0, у)\.



На рис. 9.62 приведены графики, показывающие зависимость фазы вектора Е от переменной х при различных значениях Ау. По оси ординат отложены значения функции Ф1(л;)=Ф(х)-Ф(0). где Ф(х) - значение фазы вектора Е в рассматриваемой точке (при фиксированном Ау).

Была произведена количественная оценка фазовой структуры поля в каждом данном сечении у=const по его фазовой диаграмме Ф1(л:) при 0х-:а. Использовалось определение фазового центра, данное в [129]. Положение фазового центра Дуф.ц=/о зависит от координат рассматриваемой точки и фазовой диаграммы Ф1(х) и определяется выражением /о = 0,5(а2/Л)-с, где

а .p=arctg(x/Ai/).

Для каждого значения д;Д=0, 1, 2, 5 вычислялось свое значение /о. За истинное значение /о принималось среднее арифметическое из всех вычисленных значений.

На графиках рис. 9.63 показана зависимость среднего значения множителя с от расстояния Ау. Сплошная линия соответствует фо = 60°, пунктир - iJ)o = 105°, а точки - 1]зо=90°. График, соответствующий г{)о = 75°, почти не отличается от кривой для il5o=90°.

Из полученных результатов следует, что независимо от угла раскрыва параболической направляющей зеркала антенны излучаемая волна в дальней зоне становится цилиндрической с фазовым центром, расположенным на оси симметрии на расстоянии 0,5Lr от плоскости излучающего раскрыва. Интересно отметить, что положение фазового центра плавно меняется от 0,5Lr для Лу-оо до нуля при Ay0,25LH практически по одному и тому же закону для всех значений фо. Вероятно, эта закономерность будет iLviCTb место и для антенн с круглым раскрывом. Этот результат имеет важное практическое значение. Его можно сформулировать также следующим образо.м: поле излучения плоского синфазного раскрыва представляет собой в дальней зоне расходящуюся волну с фазовым центром, расположенным перед раскрывом антенны на расстоянии 0,5/-r от него. Иными словами, измеряя на конечном расстоянии диаграмму направленности антенны, настроенной на бесконечность, следует иметь в виду, что фазовый центр излученного поля расположен на определенном расстоянии от раскрыва, и пересчитать измеренные значения относительно истинного центра вращения антенны.

В интервале расстояний (1/5)Lh Ау s 0,5Z,r фазовый центр колеблется по обе стороны от плоскости раскрыва с разбросом от -0,05Lr (в рассматриваемом случае -2,5Я) до 0,05Lr (в рассматриваемом случае 2,ЪХ). В этом интервале волна не плоская и не цилиндрическая. Видимо, при конструировании двухзеркаль-ных систем с первичным источником плоской волны целесообразно не размещать малое зеркало в этом интервале расстояний из-за возможных фазовых искажений отраженного поля. 174

В интервале расстояний 0<Ду {Ub) фазовый центр ста-ь интервале н - ,пvцяюшeгo паскрыва. Этот ре-

В интервале расстоянии ubsiiif/ ywi -г--------

бильно расположен в плоскости излучающего раскрыва. Этот результат неоднозначен. Значение с = 0 может быть получено как в случае 0i(jc)=O (тогда излученное поле - плоская волна), так и в случае Ф] (х) =0(х'), когда волна является расходящейся с фазовым центром в середине раскрыва. Как известно, однородная плоская волна имеет фазовый центр, формально расположенный

в точках ±оо. В то же время из резуль-

20\ О 20 20 О -20

-20 20

1

-Ау=2т 1 .

-гоол 1

i 1

вел

2СЛ

\ 1

\ \-1--

татов расчетов следует, что неоднородную плоскую волну в области 0< <Ду Ы5 можно представить как цилиндрическую расходящуюся волну с фазовым центром в середине раскрыва.

Рис. 9.62.

2 J * i/Д


0,1 0,0 Рис. 9.63.

Эти результаты можно объединить следующим образом. При расчете фазового распределения синфазной апертуры фазовые ошибки в небольшом угловом секторе, вырезаемом апертурой, пренебрежимо малы вне зависимости от того, где расположен фа- < зовый центр излучаемого поля: в центре раскрыва, на бесконечности или в любой точке между этими крайними значениями. Эта особенность имеет важное практическое значение при построении двухзеркальных антенн, так как позволяет шире варьировать профили вспомогательных зеркал при их расположении в указанном интервале расстояний. С физической точки зрения, учитывая также характер амплитудных распределений и изменения поля с расстоянием, излученное поле в указанном интервале ближе к плоской неоднородной волне, чем к расходящейся цилиндрической.

Сформулированные ниже выводы действительны для f-поля-ризации или, как говорят инженеры, для поля в плоскости Я. Так как расчеты проводились для 2а/К= 10, то выводы можно распространить и на большие значения 2аД.

1- Применение геометрической оптики для расчета поля в рас-крыве параболических антенн по заданному полю источника оправдано для всех значений угла раскрыва параболы. Наибольшие отклонения по амплитуде наблюдаются в длиннофокусных



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 [ 29 ] 30 31

© ООО "Карат-Авто", 2001 – 2018
Разработчик – Евгений Андрианов