- •Воронеж 2016
- •1. Основы теории антенн
- •1.1. Общие сведения об антеннах
- •1.2. Классификация антенн
- •1.3. Основные задачи теории антенн
- •1.4. Структура антенны. Электродинамические основы теории излучения антенн
- •1.5. Свойства электромагнитного поля антенн в дальней, промежуточной и ближней зонах
- •1.6. Расчет характеристик поля излучения в дальней зоне
- •1.7. Основные принципы технической электродинамики
- •1.8. Излучение элементарных источников
- •2. Основные электрические характеристики антенн
- •2.1. Характеристики направленности антенн в режиме излучения. Векторная комплексная характеристика направленности антенны
- •2.2. Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления антенны
- •2.3. Входное сопротивление и полоса рабочих частот антенны
- •2.4. Характеристики антенн в режиме приема
- •2.5. Мощность, выделяющаяся в нагрузке приемной антенны
- •2.6. Согласование передающей и приемной антенн по поляризации
- •2.7. Шумовая температура приемной антенны
- •3. Излучение антенных решеток
- •3.1. Линейные антенные решетки с равноамплитудным возбуждением и линейным изменением фазы токов
- •3.2. Влияние неравномерности амплитудного распределения на направленность излучения линейных антенных решеток
- •3.3. Влияние фазовых искажений на дн линейной антенной решетки
- •3.4. Входное сопротивление излучающего элемента и мощность излучения антенной решетки
- •3.5. Кнд линейных антенных решеток
- •3.6. Понятие о непрерывном излучателе
- •3.7. Плоские антенные решетки
- •4. Излучение возбужденных поверхностей. Основы теории апертурных антенн
- •4.1. Направленные свойства прямоугольного и круглого раскрывов с синфазным и равноамплитудным возбуждением
- •4.2. Влияние неравномерного амплитудного распределения поля на диаграмму направленности излучающей поверхности
- •4.3. Кнд излучающей поверхности
- •5. Вибраторные антенны и решетки
- •5.1. Основы теории симметричного электрического вибратора
- •Решение уравнения (5.2) имеет вид [10, 11]
- •Приведем несколько распределений и по длине вибратора для различных , рассчитанных по формулам (5.4) и (5.6):
- •Не зависит от угла , то есть представляет собой окружность.
- •Диаграммы направленности сэв
- •Нормированная дн по напряженности поля
- •5.5. Симметричный щелевой вибратор
- •5.6. Излучение системы из двух вибраторов
- •5.7. Директорные антенны
- •5.8. Влияние идеально электропроводящей и бесконечно протяженной поверхности на излучение расположенных вблизи нее антенн
- •5.9. Несимметричный электрический вибратор
- •5.10. Коллинеарные антенны
- •5.11. Способы и устройства подключения вибраторных антенн к линиям передачи
- •6. Щелевые антенны и антенные решетки
- •Волноводно-щелевые антенные решетки
- •6.2. Перспективные щелевые антенные решетки свч и квч
- •7. Полосковые и микрополосковые антенны и антенные решетки
- •7.1. Принципы действия и основные характеристики резонаторных полосковых антенн
- •7.2. Линейные и плоские полосковые антенные решетки
- •8. Антенны вытекающей волны
- •8.1. Принципы построения антенн вытекающей волны
- •8.2. Плоские антенные решетки вытекающей волны
- •8.3. Плоские дифракционные антенны
- •9. Апертурные антенны
- •9.1. Волноводные излучатели
- •9.2. Рупорные антенны
- •9.3. Зеркальные антенны
- •Влияние отражений от зеркала на входное сопротивление антенны (реакция зеркала на облучатель)
- •Линзовые антенны
- •10. Широкополосные антенны
- •10.1. Логопериодические вибраторные антенны
- •10.2. Спиральные антенны
- •11.1. Фазированные антенные решетки
- •Характеристики фар
- •Соответственно, минимальное число излучателей [4, 14, 47]
- •Дискретность изменения фазы приводит к скачкообразному перемещению дн в пространстве и определяет точность установки дн.
- •11.2. Многолучевые антенные решетки
- •12. Методы экспериментальных исследований антенн. Автоматизированное проектирование антенно-фидерных устройств
- •12.1. Измерение диаграмм направленности антенн
- •12.2. Измерение коэффициента усиления антенны
- •12.3. Программные средства компьютерного моделирования и системы автоматизированного проектирования устройств свч и антенн
- •Антенно-фидерные устройства в авторской редакции
- •Подписано к изданию 05.02.2016. Объем данных 9000 Кб
- •3 94026 Воронеж, Московский просп., 14
9. Апертурные антенны
К апертурным относят антенны, имеющие некоторую поверхность (апертуру, раскрыв) S, формирующую направленное излучение: волноводные излучатели, рупорные, зеркальные и линзовые антенны [2, 5]. В апертурных антеннах реализуется параллельное возбуждение элементов излучающей поверхности, благодаря чему форма и параметры ДН остаются практически неизменными в довольно широкой полосе рабочих частот. Максимальный КНД апертурных антенн определяется выражением
, (9.1)
где S — геометрическая площадь раскрыва; ν — КИП, зависящий от амплитудного и фазового распределения напряженности электрического поля, возбуждающего раскрыв; λ0 — длина волны. Из (9.1) следует, что КНД существенно зависит от отношения и при больших размерах раскрыва может достигать очень высоких значений порядка 104—105. КУ апертурных антенн определяется общим выражением , где η — КПД антенны.
9.1. Волноводные излучатели
В качестве слабонаправленных антенн (в том числе, облучателей зеркальных и линзовых антенн), а также элементов антенных решеток СВЧ и КВЧ диапазонов широко используются излучатели в виде открытых концов металлических волноводов, обычно прямоугольного или круглого сечения [2,5]. ЭМВ, распространяющаяся по волноводу и достигающая его открытого конца, частично отражается в силу появления неоднородности — отличия характеристического сопротивления рабочей волны в волноводе от волнового сопротивления окружающего пространства, а частично излучается (рис. 9.1) . В области открытого конца в силу нарушения регулярности структуры возникают волны высших типов.
Рис. 9.1. Излучатель в виде открытого конца прямоугольного металлического волновода с волной Н10
Учет всех названных факторов очень усложняет задачу определения поля излучения открытого конца волновода и ее строгое математическое решение сопряжено с большими трудностями. Согласно принципу Гюйгенса—Кирхгофа, применительно к волноводному излучателю можно рассмотреть замкнутую поверхность, внутри которой находятся источники ЭМП — токи, протекающие как по внутренним, так и по внешним стенками волновода. Эта поверхность выбирается так, что она совпадает с поверхностью открытого конца волновода и с наружными поверхностями его стенок. Упрощенный анализ излучения волновода обычно проводят с использованием принципа эквивалентности с учетом граничных условий для тангенциальных компонент полей ; причем на внешней поверхности волновода поверхностные токи и принимаются равными нулю. Соответственно, в случае прямоугольного волновода, возбуждаемого основной волной типа , считают, что ЭМП в раскрыве определяется падающей и отраженной волнами и представлено следующими взаимно перпендикулярными компонентами напряженностей и [10]:
, (9.2)
, (9.3)
где — напряженность электрического поля в середине раскрыва волновода; — длина волны в свободном пространстве; — длина волны в волноводе; — комплексный коэффициент отражения волны от открытого конца; Ом — волновое сопротивление среды (свободного пространства); a и b — внутренние размеры широкой и узкой стенок.
Выражения для комплексных амплитуд вектора Е ЭМП излучения в дальней зоне, полученные в соответствии с теорией излучения возбужденных поверхностей, для главных плоскостей Е (yoz) и Н (xoz) имеют вид [10]
(9.4)
(9.5)
где — площадь раскрыва; угол θ отсчитывается от нормали к плоскости раскрыва (оси z).
Обозначим в выражениях (9.4) и (9.5) отношение и запишем формулы для ненормированных ДН по напряженности поля для плоскостей Е (при φ=π/2) и Н (φ=0) :
, (9.6)
. (9.7)
Заметим, что если не учитывать отражения от конца волновода ( ) и считать, что длина волны в раскрыве равна длине волны в свободном пространстве, т.е. принять γ=1, то из формул (9.6) и (9.7) легко получить формулы для нормированных ДН плоского раскрыва, возбуждаемого плоской поперечной ЭМВ, аналогичные полученным в разделе 4:
, (9.8)
. (9.9)
КНД открытого конца волновода без учета отражений определяется приближенным выражением [10]
. (9.10)
Размеры поперечного сечения стандартного волновода невелики, и поэтому ширина ДН в обеих плоскостях велика ( , ).
Соответственно, КНД открытого конца прямоугольного волновода составляет около 4 дБ, модуль коэффициента отражения ≈0,3; КНД волновода со стандартным фланцем составляет около 6 дБ, модуль коэффициента отражения ≈0,25 [45], т.е., открытый конец прямоугольного волновода плохо согласован со свободным пространством.
Надо отметить, что приведенные выше выражения дают лишь приближенные результаты и удовлетворительно описывают ДН только в переднем полупространстве. Это связано с тем, что, в частности, при их выводе не учитывались токи на внешних поверхностях волновода.
Несколько лучшими характеристиками обладает излучатель в виде открытого конца круглого металлического волновода с рабочей волной основного типа Н11 [10]. Так, для волновода с радиусом а при рабочей длине волны значительно короче критической ширина ДН по половинной мощности в Е- и Н-плоскостях определяется выражениями [10]
, , (9.11)
КНД —
. (9.12)