Введение

Различают антенны линейной, круговой и эллиптической поля­ризации. Под поляризацией антенны понимается поляризация электро­магнитных волн, излучаемых антенной при ее работе на передачу. При работе антенны на прием она должна быть согласована с передающей антенной по поляризации.

Поляризационные свойства антенны характеризуются [3, 5, 6] направлением вектора напряженности электрического поля волны, создаваемой антенной. Направление этого вектора определяет положение в пространстве так называемой плоскости поляризации электромагнитного поля волны, под которой принято понимать плоскость, проходящую через направление распространения волны (совпадающее в дальней зоне антенны с направлением вектора Пойнтинга ) и вектор . В общем случае положение вектора (плоскости поляризации) в пространстве в течение одного периода колебаний t = T, за который волна распространяется в пространстве на расстояние (с – скорость электромагнитных волн) может изменяться, а может и не изменяться. В последнем случае поляризация называется линейной (плоской) и говорят о плоско поляризованном излучении и об антеннах с линейной поляризацией.

Если же за период колебаний t = T плоскость поляризации делает полный оборот вокруг направления распространения, то конец вектора описывает пространственную кривую, проекция которой на плоскость, перпендикулярную направлению распространения, образует замкнутую кривую: эллипс или круг, – в зависимости от того, изменяется ли модуль вектора за период. Такое излучение называется излучением с вращающейся поляризацией, которая может быть эллиптической или круговой.

Поскольку круг и отрезок прямой линии являются частными случаями эллипса (в первом случае обе оси эллипса равны, во втором – малая ось равна нулю), любую антенну и ее излучение принято характеризовать так называемым поляризационным эллипсом и его положением в пространстве в выбранной системе координат. В соответствии с общепринятой методикой [3, 5, 6] поле с вращающейся поляризацией может анализироваться и технически создаваться излучающими элементами (синтезироваться) как результат суммирования двух ортогональных (взаимно перпендикулярных) линейно поляризованных полей одинаковой частоты, но не совпадающих по фазе (то есть с разными начальными фазами). Если предположить, что два ортогональных поля формируются в момент времени t = 0 в центре сферической (или декартовой) системы координат какой-либо совокупностью излучателей [правила построения (синтеза) такой совокупности излучателей составляют предмет отдельного рассмотрения], то вектор результирующего поля в произвольной точке наблюдения зоны Фраунгофера (дальней зоны) представляется как (напоминание: здесь также задействован математический аппарат комплексных представлений):

, (1)

где – орты сферической системы координат; – меридианальная и азимутальная составляющие вектора ; – сдвиг фаз (разность начальных фаз) составляющих .

Поместим в точку наблюдения начало прямоугольной системы координат (X, Y) так, чтобы одна из осей, например ось Х, совпадала с направлением орта , т.е.: . В новой системе координат при произвольном значении угла оси поляризационного эллипса не совпадают с осями ОХ и ОY (рис. 1). Если , уравнение поляризационного эллипса принимает вид:

, (2)

где малая и большая полуоси эллипса в определенном масштабе равны в данной точке наблюдения. Отношение малой и большой полуосей (эксцентриситет) поляризационного эллипса характеризует в антенной технике степень эллиптичности вращающейся поляризации и называется коэффициентом эллиптичности излучения и создающей его антенны: K = a/b. П ринято говорить о правом вращении вектора (плоскости поляризации) и приписывать коэффициенту эллиптичности К знак «плюс» при вращении этого вектора [формула (1)] по часовой стрелке, если смотреть из источника радиоволн (против часовой стрелки, если наблюдатель смотрит навстречу волне). Противоположное направление вращения плоскости поляризации называется левым и характеризуется отрицательным значением К. Существует простое правило [5]: вектор вращается в сторону составляющей, отстающей по фазе. При К = антенна имеет круговую, при К = 0 – линейную поляризацию.

В настоящей работе параметры поляризации антенн определяются экс­периментально: величины θ и К – по снятой поляризационной диаграмме изучаемой антенны, а знак К – из закона распределения направлений и фаз тока в антенне. Для срав­нения величина К может находиться также с помощью калиброванного коаксиального аттенюатора.

Е сли изучаемая антенна используется в режиме передачи (как в данной работе), а приемной служит антенна линейной поляризации, то при вращении приемной антенны вокруг направления прихода вол­ны принимаемая мощность будет зависеть от угла поворота  (рис. 2).

Полученная зависимость называется поляризационной диаграммой (по мощности). Поляризационная диаграмма совпадает с э ллипсом поляризации только в точ-ках, лежащих на концах большой и малой осей эллипса (рис. 3). Зная положение этих точек на получен­ной поляризационной диаграмме, нетрудно провести большую и ма­лую оси эллипса поляризации и определить величину угла наклона большой оси и коэффициента эллиптичности.

В лабораторной работе изучаются антенны, широко применяе­мые на сверхвысоких частотах.

1 . Турникетная антенна (рис. 4). Эта антенна относится к классу антенн, создающих поле вращающейся поляризации. Антенна состоит из двух идентичных взаимно перпендикулярных вибраторов, пи­таемых от общего генератора.

Однонаправленное излучение с максимумом, перпендикулярным плоскости расположения вибраторов, обеспечивается за счет применения плоского металлического реф­-лектора. Для создания круговой z длины двух питающих фидеров отличаются на четверть длины волны, что обеспечивает запитку вибраторов в квадратуре (сдвиг фаз возбуждающих вибраторы токов равен 90 градусов).

2 . Спиральная антенна (рис. 5). Цилиндрическая спиральная антенна имеет длину витка, равную примерно длине волны и шаг спирали в пределах (0,15…0,3) λ, являясь антенной бегущей вол­ны с замедленной фазовой скоростью. Максимум диаграммы направ­ленности при этом оказывается ориентированным вдоль оси спирали. Для питания антенны используется коаксиальный фидер, центральная жила которого подключена к проводу спи­рали, а наружная оболочка присоединена к экрану. Металлический экран препятствует затеканию тока на внешнюю поверх­ность коаксиального фидера, а также ос­лабляет излучение в заднюю полусферу. Закон изменения бегущей волны тока вдоль витка, записанный в виде , где l – расстояние, отсчитываемое в доль витка, можно представить двумя стоячими волнами, сдвинутыми по фа­зе на π/2, т.е. . Поэтому виток можно рас­сматривать как четыре изогнутых полуволновых вибратора, попарно ор­тогональных и возбужденных со сдвигом по фазе на π/2 (рис. 6), что обеспечивает в осевом направлении круговую поляризацию.

3. Параболическая антенна (рис. 7). Эта антенна относится к классу поверхностных (апертурных) зеркальных антенн, у которых поле излучения формируется в результате протекания поверхностных токов по спе­циальному рефлектору (зеркалу), выполненному в виде длиннофокус­ного параболоида вращения.

В качестве облучателя используется вибратор с рефлектором. Картина распределения токов на освещен­ной поверхности зеркала, спроецированная на плоскость хОy, име­ет вид, показанный на рис. 8. В соответствии с этим в направлении оси z поляризация антенны определяется составляющими тока и будет линейной, так как излучение составляющей будет взаимно скомпенсировано. В других направлениях также имеет место излучение, определяемое составляющей тока , и вследствие этого суммарное поле оказывается эллиптически поляризовано.

Как видно, для всех трех рассмотренных антенн поляризацион­ные свойства в осевом направлении (ось z ) отличаются от тако­вых для иных направлений. Объясняется это тем, что при отклонении от осевого направления происходит на­рушение тех амплитудно-фазовых соотноше­ний между ортогональными компонентами из­лученного поля, которые существовали в направлении оси z. Например, для турникетной антенны поляризация поля в точке М, лежащей в плоскости yOz (см. рис. 4), опреде­лится компонентом E_X , который будет та­ким же, как и в осевом направлении (при равенстве расстояний), и ортогональным ей компонентом E_Y, который будет отличаться от E_Y для осевого направления как по амплитуде за счет направленных свойств в плоскости хОу вибратора с током I_y, так и по фазе за счет разности хода Δr между крайними точками виб­ратора. Сказанное можно проиллюстрировать с помощью вектор­ной диаграммы. В результате поляризация поля в точке М окажется эллиптической. Детальное рассмотрение этого вопроса в строгой электродинамической постановке с привлечением соответствующего математического аппарата проводится в рекомендуемой литературе и в лекционном курсе.

Прокомментируем кратко особенности анализа согласования приемной и передающей антенн по поляризации, а также выведем уравнения для численного оценивания качества согласования, так как наводимая в приемной антенне ЭДС зависит от взаимной ориентации и направления вращения плоскостей поляризации обеих антенн.

Один из возможных вариантов анализа «поляризационного» согласования антенн опирается на материалы работ [5, 6], в которых при произвольной ориентации поля, создаваемого передающей антенной, наводимую в приемной антенне ЭДС определяют векторным выражением:

, (3)

где определяется согласно (1), а есть векторное представление действующей длины приемной антенны при ее работе в режиме передачи. Вектор можно представить в виде

, (4)

где – действующие длины антенны при приеме соответственно меридианального и азимутального компонентов поля. Величина учитывает факт несинфазности ортогональных составляющих данной приемной антенны (т.е. поляризацию) при ее работе в режиме передачи, а знак определяет направление вращения плоскости поляризации приемной антенны. Подставляя (1) и (4) в (3), находим

. (5)

Мощность, выделяемая в нагрузке приемной антенны, пропорциональна квадрату модуля ЭДС приемной антенны, который с учетом (5) равен:

. (6)

Далее фиксируется тот факт, что при различных соотношениях между в поляризованной волне среднее за период колебания значение вектора Пойнтинга приходящей волны не изменяется, т.е.:

. (7)

Здесь учтено, что произведение модуля комплексной величины на модуль ее сопряженной комплексной величины равно квадрату модуля самой комплексной величины, а реальная часть квадрата модуля комплексного числа равна самому квадрату модуля.

Далее соотношение (6) исследуется на экстремумы. Первое, вполне понятное и без комментариев условие имеет вид:

. (8)

При этом выражение (6) принимает вид:

. (9)

Далее методом неопределенных множителей Лагранжа находится максимум выражения (9) при условии (7) и варьируемых

, что приводит к двум уравнениям:

.

Найдя из одного уравнения и подставив его во второе, определяем второе условие максимума выражения (6):

. (10)

Полученные выражения (8) и (10) принято называть условиями согласования приемной антенны с приходящим электромагнитным полем по поляризации.

При выполнении условия (10) выражение (9) представимо в виде:

. (11)

Тогда уменьшение мощности, выделяемой в нагрузке приемной антенны из-за ее рассогласования с приходящей электромагнитной волной по поляризации, принято характеризовать отношением квадрата модуля ЭДС приемной антенны при текущих значениях параметров волны к квадрату модуля (11) той же ЭДС при полном согласовании антенны с полем по поляризации, что с учетом (6) приводит к выражению:

. (12)

При выполнении условий (8) и (10) коэффициент согласования по поляризации равен единице.

В случае антенн с эллиптической поляризацией условия (8) и (10) выполняются (при этом s = 1), если равны коэффициенты эллиптичности К поляризационных эллипсов, совпадают ориентации этих эллипсов и направления вращения плоскостей поляризации обеих антенн. При этом . В случае круговой поляризации поля s = 1 при . Если же при круговой поляризации , то их сумма равна и s = 0, т.е. обе антенны полностью рассогласованы по поляризации – приема сигнала передатчика не будет.

Для линейной поляризации условие (8) выполняется всегда, а условие (10) требует одинаковой ориентации плоскостей поляризации передающей и приемной антенн. Если плоскости поляризации будут взаимно перпендикулярны, то приема радиосигналов передатчика не будет: s = 0.

Когда антенна с круговой поляризацией принимает линейно поляризованное излучение, то в формуле (12) следует принять: . При этом s = 0.5, т.е. выделяемая в нагрузке приемной антенны мощность уменьшается в два раза по сравнению со случаем, когда антенны согласованы по поляризации. Такой же результат получается при приеме радиоволн с круговой поляризацией антенной, имеющей линейную поляризацию.

ЗАДАНИЕ