Кальных сферических антеннах часть поверхности зеркала, используемой для формирования диаграммы направленности, существенно зависит от ширины диаграммы направленности и сектора качания (рис. И). Это и понятно, поскольку должна использоваться только такая часть сферического зеркала, у которой поверхность еще мало отличается от поверхности параболоида вращения.

Рис. и. Схема сферической однозеркальной антенны

Рис. 12. Схема двухзеркальной сферической антенны

Соответствующая величина раскрыва А определяется выражением

= 1/3,601,, (6)

где Ro- радиус сферического зеркала, ifo.s - ширина диаграммы направленности.

Коэффициент использования сферического сегмента k, например для углового сектора качания 90° и ширины диаграммы 0°,5 менее 0,3 (в эту величину, естественно, не входит коэффициент использования освещаемой поверхности). В двухзеркальной сферической антенне радикально устранены недостатки однозеркальной сферической антенны, связанные с плохим использованием поверхности зеркала [3, 61. Схема двухзеркальной сферической антенны показана на рис. 12.

Большое зеркало - часть сферы, малое зеркало рассчитывается так, чтобы полностью компенсировать фазовые ошибки и сформировать в раскрыве сферического зеркала синфазный фронт. Поэтому коэффициент использования всего сферического сегмента k = = DflDcp, где Dp- диаметр используемого раскрыва, а Dcp-диаметр среза сферического зеркала и сектор качания не зависит от ширины диаграммы и длины волны. Качание диаграммы направленности обеспечивается поворотом малого зеркала совместно с излучателем относительно центра сферического зеркала. Луч (максимум диаграммы) отклоняется при этом синхронно с поворотом малого зеркала.

Принципиально большое зеркало можно выбрать в виде полусферы, однако всю полусферу использовать нельзя. Коэффициент использования сегмента k связан с сектором качания а простой зависимостью

------

Рис. 13. Схема двухзеркальной сфероидальной антенны

И при секторе качания а = 90° k = 0,77; при а > 90° k будет уменьшаться также из-за экранировки лучей периферийными частями большого зеркала. Если максимальный действующий раскрыв Dp = 1,4 Ro, то диаметр малого зеркала при этом равен d = 0,36-/?o; расстояние раскрыва малого зеркала до центра сферы при этом равно примерно 0,7 Ro.

Если уменьшить d до 0,1 Ro, то величина k = 0,57, т. е. уменьшится почти на 20%.

Сферические двухзеркальные антенны оказались особенно перспективными в радиоастрономии, и мы к ним еще вернемся.

Наряду со сферическими двухзеркальными антеннами интересны родственные им системы, у которых большое зеркало представляет собой часть тороидальной поверхности. Такие системы, получившие название сфероидальных, могут использоваться в тех случаях, когда требуется качать диаграмму в одной плоскости, а и другой плоскости иметь диаграмму специальной формы. На рис. 13 показана одна из возможных схем сфероидальной двухзеркальной антенны.

6. Двухзеркальные антенны с поворотом поляризации на большом зеркале

Двухзеркальные антенны с поворотом плоскости поляризации на большом зеркале лишены известного недостатка, присущего двухзеркальным антеннам осевой симметрии, - экранировки части площади раскрыва поверхностью малого зеркала. В связи с этим диаметр малого зеркала ограничен и может составлять не более 25% от диаметра большого зеркала. В некоторых случаях такое ограничение размеров малого зеркала суживает возможности двухзеркальных антенн, не говоря уже о том, что вообще экранировка малым зеркалом несколько ухудшает электрические параметры антенны.

Схема двухзеркальной антенны с поворотом плоскости поляризации на большом зеркале показана на рис. 14. Малое зеркало (в данном случае мы называем его малым условно, поскольку размеры его могут быть соизмеримы с размерами большого зеркала)

представляет собой решетку из проводов или пластин, пропускающую одну поляризацию и отражающую взаимно перпендикулярную поляризацию. Волны, исходящие от о&лучателя и падающие на малое зеркало, поляризованы параллельно проволокам (пластинам) решетки малого зеркала; малое зеркало отражает их в сторону большого зеркала. На поверхности последнего наряду с трансформацией фронта волны поляризация волны поворачивается на 90° и затем отраженные от большого зеркала волны проходят практически беспрепятственно сквозь малое зеркало; поляризация этих волн перпендикулярна проволокам решетки и для них малое зеркало электрически прозрачно. Для обеспечения поворота поляризации на 90° вблизи поверхности большого зеркала (на расстоянии Я/4 от его поверхности) располагается проволочная или пластинчатая решетка. Провода этой решетки ориентированы под углом 45°

Рис. 14. Двухзеркальная антенна с поворотом плоскости поляризации

Рис. 15. Узел, поворачивающий

поляризацию на 90° 1 - поляризация падающей волиы, г - поляризация отраженной волиы

Рис. 16. Двухзеркальная антенна с управляющим плоским зеркалом

К направлению проводов на малом зеркале. Принцип действия узла, поворачивающего поляризацию на 90°, ясен из рис. 15.

Падающую на большое зеркало волну можно разложить на две взаимно перпендикулярных составляющих, одна из которых проходит через решетчатый фильтр, а другая отражается от него. Прошедшая через фильтр волна отражается от металлического зеркала и затем, приобретя дополнительный сдвиг фаз на 180°, складывается с составляющей, отраженной от решетчатого фильтра. Результирующая волна будет таким образом иметь поляризацию, перпендикулярную проводам решетки малого зеркала. Параметры решетки малого зеркала и решетчатого фильтра большого зеркала выбираются таким образом, чтобы одновременно эффективно отра-

зить волны одной поляризации и пропустить волны взаимно перпен--дикулярной поляризации.

Например, этому условию удовлетворяет проволочная решетка, диаметр проводов которой меньше Vso и расстояние между проводами не больше VgX. Суммарные потери (поляризационные) в такой системе не превышают 5%. Правда, надо учесть еще дополнительные потери в структуре тонкого диэлектрического листа или в слое пенопласта, в которых крепятся и монтируются поляризационные решетки. Обычно они составляют тоже около 5%. Максимальный коэффициент использования двухзеркальных антенн с поворотом плоскости поляризации может быть сделан равным 0,75-0,8. Эти системы позволяют резко сократить продольные размеры антенны, поскольку малое зеркало можно приблизить к большому, не опасаясь увеличения размеров малого зеркала. Кроме того, такие системы очень выгодны при качании луча в значительных пределах путем перемещения облучателя - они могут быть сделаны весьма длиннофокусными или им эквивалентными; о таких системах будет сказано ниже.

Интересна схема двухзеркальной антенны с поворотом плоскости поляризации, получившая в последнее время широкое распространение,- система с управляющим большим зеркалом. Общий вид такой системы показан на рис. 16. Антенна состоит из параболического решетчатого зеркала (играющего роль «малого» зеркала) и плоского зеркала с поляризационным фильтром, которое поворачивает поляризацию падающей на него волны на 90°. При повороте плоского зеркала на угол а луч (максимум диаграммы) отклоняется на угол 2а. Принцип действия такой антенны аналогичен перископической системе с той существенной разницей, что зеркало, формирующее диаграмму, расположено на пути лучей, отраженных плоским зеркалом, но не вызывает затенения из-за преобразования поляризации.

При одинаковых диаметрах параболического и плоского зеркал перемещение луча в угловом секторе, равном 140° (сектор качания плоского зеркала соответственно 70°), вызывает уменьшение коэф-. фициента усиления антенны на 30% при максимальном отклонении. При увеличении диаметра плоского зеркала всего на 20% коэффи-- циент усиления остается практически равномерным во всем указанном выше секторе. Вес перемещающихся частей у таких систем невелик (качается только плоское зеркало). Угловые и линейные перемещения управляющего плоского зеркала вдвое меньше, чем у других зеркальных систем, осуществляющих качание луча; за счет этого удается лучше использовать предоставленные для антенны пространства, значительно уменьшить вес проводов.

Важно отметить, что в этих системах радикально упрощается волноводный тракт, так как необходимость в переходах вращения отпадает,- все управление лучом обеспечивается путем перемещения только малого зеркала. Поэтому рассматриваемые двухзеркаль-

ные антенны с управляющим плоским зеркалом весьма удобны при построении многоканальных систем. Например, трех- или четырехканальные радиолокационные моноимпульсные системы сравнительно легко реализовать с помощью такой антенны. У основания плоского зеркала устанавливается сложный облучатель, он неподвижен так же, как и питающие его волноводы. Двухзеркальные антенны с управляющим плоским зеркалом успешно могут быть использованы в системах, работающих на нескольких разнесенных диапазонах волн, так как трудности, связанные с созданием комбинированного перехода вращения на несколько волн, здесь отпадают. Соответствующие решетчатые фильтры на несколько волн можно сделать, а угловое перемещение луча в системах с управляющим плоским зеркалом определяется геометрией системы и не зависит от Л. Для повышения коэффициента усиления в некоторых случаях можно немного модернизировать системы с управляющим зеркалом, в этих случаях профили зеркала будут слегка отличаться от параболы и прямой рис. 17.

Рис. 17. Модифицированная система с управляющим плоским зеркалом

7. Апланатические, бифокальные и многолучевые двухзеркальные антенны

Двухзеркальные системы открывают новые возможности электрического и электромеханического управления диаграммой направленности. Можно рассчитать, например, поверхности зеркал таким образом, чтобы при смещении излучателя диаграмма направленности отклонялась на определенный угол без заметного изменения ее формы [7]. В астрономической оптике используются так называемые апланатические объективы и зеркала, у которых скомпенсированы искажения - сферическая аберрация и кома и тем самым достигается относительная широкоугольность оптической системы. В случае двухзеркальных антенн можно рассчитать аналогичные системы, хотя принципиально аналогия с апланатическими астрономическими системами здесь довольно условная. Дело в том, что в астрономических системах угловой сектор, в пределах которого изображение не искажено, мал; он составляет единицы градусов (хотя в этом секторе укладывается много десятков или сотен диа-

. грамм). Для антенн же характерен угловой сектор качания диаграммы, составляющий несколько десятков градусов, в котором укладывается всего несколько десятков диаграмм. Поэтому, строго говоря, методы астрономической оптики (так называемые условия апланатизма) к двухзеркальным антеннам можно применять весьма

. ограниченно. В двухзеркальных апланатических антеннах неиска-

женный сектор качания луча определяется главным образом отношением р/1, где р - фокусное расстояние до характеристической поверхности и I - продольный размер системы. Из рис. 18 можно видеть порядок построения характеристической поверхности. Наименьшие искажения получаются при p/t = \,\~\,2. Для примера в двухзеркальной апланатической антенне может быть обеспечено

Рис. 18. Схема построения характеристической поверхности

Рис. 19. Бифокальная двухзеркальная антенна

качание диаграммы шириной Г в угловом секторе 40°, тогда как для однозеркальной антенны, имеющей такие же продольные и поперечные размеры, соответствующий угловой сектор составляет всего 15°. Удобно компоновать апланатическую двухзеркальную систему с развертывающим устройством, обеспечивающим электромеханическое или электрическое перемещение луча путем перемещения фазового центра сложного облучателя.

С помощью двухзеркальных антенн можно создать несколько сильно разнесенных лучей. В частности, представляют интерес бифокальные двухзеркальные антенны, обеспечивающие фокусировку для двух положений относительно оси оптической системы. В аналогичных системах осевой симметрии неискаженные диаграммы будут соответствовать положениям облучателя по определенному кольцу. На рис. 19 показана схема бифокальной двухзеркальной системы осевой симметрии с двумя облучателями. Иногда требуется йолучить несколько карандашных» диаграмм, каждая из которых соответствует своему каналу, причем уровень пересечения соседних диаграмм должен быть достаточно высоким. С помощью однозеркальных антенн трудно обеспечить высокий уровень пересечения диаграмм, сохранив при этом хорошее использование поверхности зеркала. Применение двухзеркальных антенн в значительной мере облегчает эту задачу. Можно повысить уровень пересечения соседних диаграмм, располагая по обе стороны решетчатого малого зеркала облучатели со взаимно перпендикулярной поляризацией.