научная статья по теме ВЛИЯНИЕ СНЕЖНОГО ПОКРОВА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ РЕФЛЕКТОРНЫХ АНТЕНН Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ СНЕЖНОГО ПОКРОВА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ РЕФЛЕКТОРНЫХ АНТЕНН»

АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

УДК 621.396.677.833

ВЛИЯНИЕ СНЕЖНОГО ПОКРОВА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ РЕФЛЕКТОРНЫХ АНТЕНН

© 2015 г. О. И. Сухаревский1, С. В. Нечитайло1, Г. И. Хлопов2, О. А. Войтович2

1Харьковский университет воздушных сил им. Ивана Кожедуба Украина, 61023 Харьков, ул. Сумская, 77/79 2Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины Украина, 61085Харьков, ул. Академика Проскуры, 12 E-mail: nechitaylo_s@mail.ru Поступила в редакцию 15.07.2013 г.

Теоретически и экспериментально исследовано, как влияет наличие снега на поверхности рефлекторных и, в частности, зеркальных параболических антенн на их параметры. В приближении физической оптики получены расчетные соотношения, позволяющие оценить ухудшение параметров антенн. Экспериментально подтверждено, что слой снега в зависимости от его размеров и формы на поверхности параболического зеркала может привести к снижению коэффициента усиления на 4... 14 дБ, увеличению уровня боковых лепестков диаграммы направленности антенны на 10... 15 дБ и сужению ширины главного лепестка почти в два раза.

DOI: 10.7868/S0033849415060157

ВВЕДЕНИЕ

Многофункциональные сети метеорологических радиолокационных станций (РЛС) широко используются во многих странах мира (Великобритания, США, Россия, Украина, Франция и др.) для предупреждения об опасных явлениях в атмосфере [1], к которым относятся интенсивные осадки в виде града, снега и дождя. При этом поверхность антенн, в качестве которых широко используются зеркальные антенны, часто покрывается слоем осадков. Так как метеорологические РЛС должны измерять абсолютные значения отражаемости метеообъектов, то необходимо учитывать влияние осадков на характеристики излучения зеркальных антенн для правильной калибровки энергетического потенциала станции.

На рис. 1 приведен пример радиолокационного изображения снегопада в диапазоне длин волн 3 см [2] (водный эквивалент интенсивности Ж = 2 мм/ч) в координатах "высота—дальность" в начале (рис. 1а, на рефлекторе диаметром 3 м снег практически отсутствует) и через 40 мин после начала выпадения снега (рис. 1б, поверхность рефлектора покрыта снегом толщиной =3.. .4 см).

Как видно, наличие слоя снега на поверхности антенны (см. рис. 1б) существенно искажает информацию о радиолокационной отражаемости и пространственном распределении осадков, что приводит к неправильной оценке характера и количества выпавших осадков. Данные о влиянии

на электрические свойства снега его структуры, плотности, влажности и других параметров, достаточно полно приведены в литературе, например, в [3—6]. В работе [7] оценено влияние воды и снега на электродинамические свойства плоских сплошных и сетчатых экранов. Некоторые результаты экспериментального исследования влияния снега и дождя на работу рефлекторных антенн представлены в [8] и подтверждают их существенное влияние на характеристики излучения антенн. Цель данной работы —разработать метод расчета характеристик излучения рефлекторных антенн, поверхность которых частично покрыта снегом, и экспериментально проверить достоверности такого метода путем проведения измерений потерь коэффициента усиления антенны.

Один из наиболее распространенных подходов к расчету характеристик излучения рефлекторных антенн базируется на методе физической оптики (ФО) [9]. Обобщение этого подхода на случай неидеально отражающей поверхности рефлектора было сделано в работе [10], однако в ней были исследованы только эквидистантные слои осадков на поверхности антенны. Предложенная нами модельная задача, в отличие от [10], решается без разбиения на две ортогональные поляризации, что является более предпочтительным, особенно для направлений падения плоской волны, близких к нормали к текущей точке на поверхности зеркала антенны.

633

6*

Н, км

(а)

2

0 2 Н, км

4

4 6 8 10 12 Ь, км

(б)

:

;

!

---Ш ■Мк. !

0 2 4 6 8 10 12 Ь, км

Рис. 1. Радиолокационное изображение снегопада: а — рефлектор не покрыт снегом; б — рефлектор покрыт снегом.

1. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК

ИЗЛУЧЕНИЯ ЗЕРКАЛЬНЫХ АНТЕНН, ПОКРЫТЫХ СЛОЕМ СНЕГА

Рассмотрим зеркальную антенну, рефлектор которой представляет собой круговую вырезку из параболоида вращения (рис. 2), в фокусе которого (I = /) расположен облучатель.

Примем ряд допущений:

1) рефлектор антенны расположен в дальней зоне облучателя, что обычно соответствует практике построения антенн [11];

2) рефлектор антенны не влияет на форму диаграммы направленности (ДН) облучателя;

3) размеры рефлектора существенно больше длины волны 2а > x (а — радиус рефлектора, X — рабочая длина волны), что выполняется в большинстве случаев.

Считая распределение поля в раскрыве прямоугольного рупорного облучателя синфазным, запишем его ДН Вобл (0, ф) в следующем виде [12]:

В

обл (0, ф) = 1±СО80 Пх 4 ' 2 4 б1П (у н - п/2) + Б1П (у н + п/2)

V н - п/ 2

У н + п/ 2

Б1П у Е У Е

(1)

где у е

ЬЕп ■ ,

Б1П ф, у н

Б1П (

СОБ ф, ЬЕ и

X X

ЬН — размеры облучателя в Е- и Н-плоскости соответственно.

Также будем считать, что слой снега, покрывающего рефлектор антенны, представляет собой область между поверхностями двух параболоидов вращения (рис. 3). При этом проекция снега на плоскость хОу является кругом радиуса ас. Начало системы координат расположено на пересечении оси зеркала с поверхностью параболоида, ограничивающего слой осадков (см. рис. 2).

Учитывая сделанные допущения, поле, создаваемое в точке А с радиус-вектором X на поверхности слоя снега (см. рис. 2) (и на поверхности рефлектора, в случае отсутствия снега), можно записать в виде [11]

Еобл (х)=к Рехр (7к> Iх+р)

1 ' 4п |Х + р

в обл (е, ф),

н обл (х )=&П(С0 х Р)

(2)

(3)

в обл (е, ф).

ехр (( |Х + р|)

х X+р

В выражениях (2), (3) приняты следующие обозначения: Е° — единичный вектор, направ-

4

2

Облучатель

(-% У0, Точка наблюдения

Рис. 2. Геометрия рефлекторной антенны.

ленный вдоль луча, проведенного из фокуса рефлектора / в точку А на поверхности слоя снега (см. рис. 2); угол 9 определяет положение вектора

о 0

К относительно оси антенны; угол ф — положение точки А относительно плоскости -0^; р — радиус-вектор, проведенный из фокуса рефлектора в начало координат; вектор

к о /к о к о\ к К х I р х К )

к о /к о к о\ К х(р х К )

характеризует поляризацию волны, распростра-

К о о

няющейся в направлении К (р — единичный вектор, определяющий направление вектора напряженности электрического поля облучателя);

ко = юТбоЦо — волновое число свободного пространства; е0, ц0 — диэлектрическая и магнитная проницаемости свободного пространства. Отметим, что в случае, когда слой снега закрывает не всю поверхность рефлектора, то для таких "неукрытых" участков точка А лежит на рефлекторе антенны.

Для расчета ДН антенны воспользуемся интегральным представлением рассеянного поля [13]:

р ■ Ерас = -До

(4)

+ (( х го) ■ ЕL I ехр (-]ко (го ■ х))&

Здесь S — поверхность, охватывающая рефлектор

^ о п

антенны; г — орт направления излучения; К — расстояние от начала координат до точки наблюдения;

ЕL = п х Е, ЙL = п X Й, (Е, Н) — поле на поверхности S, порожденное рефлектором антенны и облучателем; п — внешняя нормаль к поверхности S.

Далее будем считать рефлектор антенны бесконечно тонким экраном и, учитывая его большие электрические размеры и малые радиусы кривизны, будем полагать на теневой (по отношению к облучателю) стороне рефлектора, что

Е = Й = о (как это принято в приближении физи-

Рис. 3. Расположение слоя снега на рефлекторе антенны.

Идеальный проводник

тт>т>>шш

можно

Eобл = П(0, ф)р'ехр[jko (R0 • X)), (5)

H °бл _

_ Бп (0,Ф)( ° х p') exp (( (R0 • !)), (6)

где углы 0, ф и, соответственно, орт Я отвечают направлению из фокуса рефлектора на соответствующую точку X на "освещенной" части поверхности S.

При этом решение модельной задачи о рассеянии плоской волны (5), (6) на плоскопараллельном диэлектрическом слое на идеально проводя-

щей подложке (рис. 4) в точках X на поверхности диэлектрического слоя будет иметь вид

Е(1) = П(0,ф)(Р + ротр)ехр(уко (Я0 • 1)), (7)

н (X ) = Ьп (0, ф)х v 7 (8)

х [((0 х р) + ((0 х ротр )] ехр (ко (Я0 • X?)).

Здесь ротр — комплексный векторный коэффициент отражения, который может быть вычислен следующим образом [13]:

Рис. 4. К рассеянию плоской электромагнитной волны на плоскопараллельном диэлектрическом слое, расположенном на идеально проводящей подложке.

ческой оптики [9]). Поверхность S при этом совпадает с теневой стороной рефлектора, а в "освещенной" облучателем области проходит по поверхности слоя осадков (там, где они присутствуют) либо по "освещенной" поверхности рефлектора.

Учитывая плавный характер слоя осадков можно приближенно принять, что поле на поверхности слоя осадков такое же, как на построенном (касательным образом к рефлектору в соответствующей точке) плоскопараллельном слое снега на идеально проводящей подложке. Толщина этого слоя совпадает с толщиной реального слоя снега в соответствующей точке вдоль нормали к зеркалу. В точках "освещенной" поверхности рефлектора, где снег отсутствует, используется обычное приближение физической оптики:

ЕL = 0, нL = 2 (п х нобл). При этом в качестве поля

г / ?обл ^обл\

облучения используется поле IЕ , н ), рассчитываемое по формулам (2) и (3). Это поле имеет характер неоднородной плоской волны с вектором поляризации р', зависящим от направления рас-

гтп / ^обл г:гобл\

пространения. То есть поле (Е , н ) представить в виде

^отр ^отр ^

p = pTv - n

(РТтр ■ R0)

А ' (9)

cos А

где П — орт внешней нормали к поверхности S и, соответственно, к слою диэлектрика;

- отр jccos0 + 1 - 0 2 jc

Рх = --Рт---х

jc cos 0- 1 jc cos 0- 1

RT

, (RT • p°)

jc - cos 0

+ R0

(Т • Р0)

(10)

S Ц

jc

2q Л cos 01

cos 0 ,

RT = R0 -

n(R° • n), R°l = n x R0, c = l^lcos 01tg X

x | k0^js1 S cos 01 J, cos2 01 = 1 - sin ^; S — толщина

слоя; s', ц' — относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости слоя (для снега ц' = 1).

Выражения (9) и (10) пригодны для вычисления рассеянного поля с помощью (7) и (8) при любой поляризаци

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»