www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основы радиолокации

Антенна с косекансквадратной диаграммой направленности

косекансквадратная диаграмма
на практике
ВАРУ
идеализированная

Рисунок 1. Вертикальное сечение диаграммы излучения антенны с косекансквадратной характеристикой направленности

косекансквадратная диаграмма
на практике
ВАРУ
идеализированная

Рисунок 1. Вертикальное сечение диаграммы излучения антенны с косекансквадратной характеристикой направленности

Содержание « CSC²- Антенна »
  1. Изменение формы параболического отражателя
  2. Составной луч косекансквадратной диаграммы направленности
  3. Термин «косекансквадратный»

Антенна с косекансквадратной диаграммой направленности

Антенны с диаграммой направленности, постоянной по высоте, или с косекансквадратной диаграммой направленности специально разработаны для радиолокаторов обзора воздушного пространства. Антенна такого типа формируют специальное распределение излучения в луче и обеспечивают, тем самым, лучшие условия сканирования пространства. Диаграмма направленности такой антенны позволяет получить желаемую форму покрытия по углу места, при котором принимаемая мощность не зависит от дальности цели при постоянной высоте цели. Этим достигается большая равномерность уровня сигнала на входе приемника при движении цели на постоянной высоте в пределах луча.

Существует несколько вариантов практического получения косекансквадратной диаграммы направленности антенны:

Рисунок 2. Изменение кривизны поверхности идельной параболической формы
а) «верхняя губа»
б) «нижняя губа»

von dem Rotationsparaboloiden abweichende Formen des Reflektors

Рисунок 2. Изменение кривизны поверхности идельной параболической формы
а) «верхняя губа»
б) «нижняя губа»

Изменение формы параболического отражателя

На практике косекансквадратная диаграмма направленности может достигаться деформированием параболического отражателя. Облучатель находится в фокусе параболического отражателя и создает относительно резко сфокусированный лепесток, поскольку, в идеале, в этом случае формируется пучок параллельных лучей. Для получения косекансквадратной диаграммы направленности часть излучаемой энергии нужно отклонить от оси облучателя и направить вдоль повернутых лучей. Одним из способов является уменьшение кривизны поверхности зеркала в верхней части (Рисунок 2а). Это приведет к тому, что часть энергии, падающей на зеркало, будет отражаться от него несколько выше основного пучка лучей. Другим возможным вариантом решения такой задачи будет увеличение кривизны поверхности зеркала в нижней части (Рисунок 2б).

Интенсивность излучения облучателя на краях отражателя меньше, чем в его центре. Поэтому в повернутых лучах плотность мощности излучения меньше, чем ограничивается дальность действия радиолокатора на больших углах места.

Идеальная косекансквадратня диаграмма направленности, как показано на Рисунке 1, имеет форму, близкую к прямоугольнику со скругленными вершинами. В действительности, диаграмма направленности формируется в результате суперпозиции ряда боковых лепестков, в основном, в области больших углов места. Огибающая этих лепестков имеет форму, близкую к параболической. Это дает дополнительное приращение коэффициента усиления антенны в ближней зоне, требуемое для обеспечения постоянной интенсивности эхо-сигнала после временной автоматической регулировки усиления.

Рисунок 3. Косекансквадратная диаграмма направленности, полученная изменением формы рефлектора, изначально имевшего параболическую форму

Cosecant-squared pattern achieved by displacing the reflector surface from the original parabolic shape 
(нажмите для увеличения: 600·300 пиксель = 70 килобайт)

Рисунок 3. Косекансквадратная диаграмма направленности, полученная изменением формы рефлектора, изначально имевшего параболическую форму

Составной луч косекансквадратной диаграммы направленности

Рисунок 4. Составной луч косекансквадратной диаграммы направленности

Рисунок 4. Составной луч косекансквадратной диаграммы направленности

Рисунок 5: Использование двенадцати рупорных облучателей в антенне радиолокатора ASR-910 дает возможность получить косекансквадратную диаграмму в виде составного луча.

Die zwölf einzelnen Hornstrahler der Antenne der ASR 910

Рисунок 5: Использование двенадцати рупорных облучателей в антенне радиолокатора ASR-910 дает возможность получить косекансквадратную диаграмму в виде составного луча.

Косекансквадратная диаграмма направленности может достигаться путем применения двух или больше облучателей. Каждый облучатель формирует диаграмму направленности в соответствующем направлении. Если распределить мощность, поступающую на облучатели, неравномерно, то можно добиться приближения формы результирующей диаграммы направленности к косекансквадратной.

При использовании нескольких приемных каналов можно выполнить разрешение по высоте, поскольку в таком случае можно определить в каком луче поступил эхо-сигнал цели.

Антенны с косекансквадратной диаграммой направленности не ограничиваются только параболическими зеркальными антеннами. Такой формы диаграммы направленности можно добиться и на антеннах других типов. Так, при использовании решетки, состоящей из антенн типа «волновой канал» (антенна Яги) требуемая форма диаграммы направленности достигается за счет интерференции прямой волны, отраженной целью, и волны, отраженной от части земной поверхности вблизи антенны (первая зона Френеля).

Термин «косекансквадратный»

Термин «косеканс» звучит очень похоже на математическую тригонометрическую функцию. Это верно! Косеканс представляет собой функцию, обратной функции синуса. Однако какое отношение имеет этот термин к нашей антенне?

Высота цели H и ее дальность R определяют угол места цели ε
Мы помним, что написано здесь во введении:

За счет использования антенны с косекансквадратной диаграммой направленности «достигается большая равномерность уровня сигнала на входе приемника при движении цели на постоянной высоте в пределах луча».

Если мы запишем формулу для дальности цели и преобразуем ее, то появляется множитель в виде косекансквадрата угла места цели, более того…

Что еще было с «…равномерностью интенсивности сигнала…»?

Мы можем получить эту зависимость из уравнения радиолокации:
Если эхо-сигнал имеет равномерную интенсивность на входе приемника, то в этом случае четвертая степень дальности действия пропорциональна квадрату коэффициента усиления антенны.

Мы можем понизить степени, в которых в полученное уравнение входят дальность действия и коэффициент усиления антенны, арифметически поделив каждую из них на два…

Заменим дальность действия выражением, полученным выше и содержащим косеканс угла места цели. В соответсвии со сделанным ранее предположением, высота полета цели постоянна. Это означает, что при исследовании угловой зависимости коэффициента усиления антенны высоту также можно не учитывать.

Таким образом, мы получили математическое описание косекансквадратной диаграммы направленности антенны!