Классификация антенн. Структурная схема антенны. Электромагнитные поля излучающих систем: дальняя зона, промежуточная область, ближняя зона. Основные соотношения для полей.

Антенны относятся к пассивным компонентам радиосистем, и в конструктивном отношении они представляют сочетание провод­ников и магнитодиэлектриков. Наряду с выполнением основных функций излучения и приема радиоволн современные антенны вы­полняют важнейшие функции пространственной фильтрации радио­сигналов, обеспечивая направленность действия радиосистем и осу­ществляя пеленгацию источников радиоизлучения и радиолокаци­онных целей.

По способу формирова­ния излучаемого поля выделяют следующие четыре класса антенн:

1. Излучатели небольших размеров (l<<k) для диапазона частот 10 кГц— 1 ГГц. К числу антенн этого класса относятся одиночные вибраторные и щелевые излучатели, полосковые и микрополосковые антенны, рамочные антенны, а также частотно-независимые излучатели.

2. Антенны бегущей волны размерами от λ, до 10λ для диапазона частот 3 МГц— 10 ГГц. Сюда относятся спиральные, диэлектриче­ские, директорные, импедансные антенны, а также антенны “выте­кающей” волны.

3. Антенные решетки размерами от λ до 100λ, и более для ча­стот 3 Мгц — 30 ГГц. Это антенны, состоящие из большого числа отдельных излучателей. Независимая регулировка фаз (а иногда и амплитуд) возбуждения каждого элемента антенной решетки обеспечивает возможность электрического управления диаграммой направленности. Применяются линейные, плоские, кольцевые, вы­пуклые и конформные (совпадающие с формой объекта установ­ки) антенные решетки.

4. Апертурные антенны размерами от λ, до 1000λ, для диапазона частот 100 МГц—100 ГГц и выше. Наиболее распространены зер­кальные, рупорные и линзовые апертурные антенны. К апертурным антеннам примыкают так называемые “гибридные” антенны, пред­ставляющие сочетание зеркал или линз с облучающей системой в виде антенной решетки.

С труктурная схема антенны. В схеме конкретной антенны можно выделить следующие эле­менты: вход, согласующее устройство, распределитель и излучаю­щую систему. Под входом антенны обычно понимают се­чение линии передачи с волной заданного типа. Положение этого сечения должно быть указано точно, что необходимо для однознач­ного электрического расчета тракта. Современные антенны могут иметь несколько, а иногда сот­ни и тысячи входов. Эти входы могут использоваться для од­новременной работы антенны на различных частотах или же для независимого формирова­ния нескольких различающих­ся характеристик направленности.

Согласующее устройство предназначается для обеспечения режима питающей линии, как можно более близкого к бегущей волне. Наряду с обычными схемами узкополосного и широкополос­ного согласования в антеннах часто используются возможности со­гласования входа путем рационального выбора ряда конструктив­ных размеров в распределителе.

Распределитель антенны представляет конструкцию из провод­ников и диэлектриков и предназначен для создания нужного за­кона распределения излучающих токов, обеспечивающего форми­рование требуемой характеристики направленности.

И наконец, излучающая система представляет собой область пространства, в которой протекают токи, возбуждающие электро­магнитные волны.

Рис. – к расчету электромагнитных полей излучающих систем: а — общий случай; б — точка наблюдения в дальней зоне

Введем сферическую систему координат R, θ, φ, центр которой помещен внутри излучающей системы (рис.а). Пусть точки Q(x', у', z') и Р(х, у, z) изображают соответственно текущую точ­ку интегрирования внутри излучающей системы и точку наблюде­ния в окружающей однородной среде. Расстояние r, равно , где α — угол между направлениями OQ и ОР.

Если R>R' и точка наблюдения находится на достаточном уда­лении от объема с излучающими токами, то расстояние г можно приближенно представить в виде ряда по степеням отношения:

(3)

Пусть R>>R, что соответствует наиболее важной для теории ан­тенн области дальнего поля (часто называемой дальней зоной, а также областью Фраунгофера).

Как известно из основ электродинамики, векторные потенциа­лы электромагнитного поля, создаваемого известным распределе­нием возбуждающих электрических и магнитных токов j^эм(х', у', z') в произвольной точке наблюдения Р(х, у, z), определяются вы­ражением:

. (7.1)

Тогда формула (7.1) упрощается:

1) в знаменателе подынтегрального выражения приближенно можно положить r=R, тогда множитель 1/R выходит из-под знака интеграла;

2) в показателе экспоненты под интегралом можно положить r≈R-R^’cosα, тогда функция ехр(-jβR) также выходит из-под знака интеграла.

И приходим к формуле векторного потенциала в дальней зоне:

.

Для перехода от векторных потенциалов к векторам полей Е и H в дальней зоне необходимо выполнить пространственное дифференцирование и после ряда тождественных преобразований запишем:

, z_c=120.

Сформулируем главные свойства электромагнитного поля излу­чающей системы в дальней зоне:

1. Поле дальней зоны имеет поперечный характер, т. е. составляющие векторов Е и Н в направлении распространения волны от­сутствуют.

2. Поле в окрестности точки наблюдения в дальней зоне носит характер плоской электромагнитной волны, т. е. компоненты E_θ и H_φ а также E_φ, и H_θ находятся в фазе и их отношение равно харак­теристическому сопротивлению среды.

3. Зависимость поля от расстояния R имеет вид расходящейся сферической волны ехр(-jβR)/R. Однако эквифазные поверхности для каждого компонента поля не являются в общем случае сфера­ми с центром в начале координат, поскольку E_θ и E_φ — комплекс­ные функции, зависящие от углов θ, φ, а начало координат выбра­но нами произвольно.

4. Угловое распределение составляющих вектора E в дальней зоне не зависит от расстояния R и может быть охарактеризовано функциями, называемыми нормированными диаграммами направленности по полю для соответствующих составляющих.

5. Поток мощности излучения в дальней зоне всегда направлен радиально. Плотность потока мощности равна радиальной состав­ляющей вектора Пойнтинга .

Промежуточная область (область Френеля).

При расстояниях R<2D²/λ дальняя зона излучающей системы плавно переходит в промежуточную область, иногда называемую областью Френеля. При расчете полей излучающих систем в про­межуточной области делаются следующие упрощения:

1. Как и в случае дальней зоны, величина r в знаменателе подынтегрального выражения (7.1) принимается приближенно рав­ной R и выносится из-под знака интеграла.

2. В показателе экспоненты подынтегральной функции в (7.1) принимается, r≈R-R^’cosα+R^’2(1-cos²α)/(2R), что соответст­вует отбрасыванию в степенном ряду членов выше второй сте­пени. Функция ехр(-jβR), не зависящая от координат источников, выносится из-под интеграла.

Таким образом, в промежуточной области векторные потенциалы определяются по формуле

3. При выполнении операций пространственного дифференцирования отбрасываются все члены, имеющие радиальную зависимость 1/R² и 1/R³, аналогично тому, как эго де­лалось при вычислении полей дальней зоны.

Компоненты векторов поля Е и Н в промежуточной области могут быть найдены с заменой в них векторных потенциа­лов A_∞^эм на векторные потенциалы А_фр^ЭМ.

Поперечный характер поля его локальное подобие плоской ЭМ волны сохраняется, но зависимость поля от расстояния не имеет характера сферической волны. Расчеты показывают, что на монотонное убывание поля по закону 1/R накладывается осциллирующее затухающее колебание.

Чем меньше расстояние R тем сильнее искажается диаграмма направленности анализ показывает, что пределы зоны определяются как , т.е. при размере D=10λ параметры будут 13,5≤R≤200λ.

Ближняя зона.

На расстояниях, меньших нижней границы промежуточной об­ласти, располагается ближняя зона излучающей системы. В этой области электромагнитное поле имеет сложный характер и при его расчете необходимо пользоваться строгими операторами. В ближней зоне в общем случае присутствуют все компоненты по­ля, зависимость поля от расстояния R носит нерегулярный харак­тер, вектор Пойнтинга становится комплексным и по направлению может не совпадать с радиусом-вектором R.

В ближней зоне излучающей системы сосредоточивается неко­торый запас электромагнитной энергии, как правило, затрудня­ющий хорошее согласование входа антенны в широкой полосе час­тот.