Лабораторная работа № 6. Измерение амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве антенны Цель работы

1. Изучение основных методов измерения амплитудно-фазового распреде­ления (АФР) поля в раскрыве антенны.

2. Изучение влияния различных амплитудных и фазовых распределений на диаграмму направленности антенны.

3. Исследование АФР сегментно-параболической антенны.

4. Изучение методики определения диаграммы направленности антенны по измеренному АФР антенны.

1. Краткие теоретические сведения

Амплитудно-фазовое распределение в раскрыве антенны определяет ее комплексную диаграмму направленности. Поэтому знание АФР имеет большое значение при разработке и наладке антенн.

Р ассмотрим произвольный плоский раскрыв с непрерывным распределением источников электромагнитного поля, расположенный в плоскости (рис. 6.1).

В соответствии с теоремой перемножения электромагнитное поле плоского раскрыва в дальней зоне можно представить в виде

(6.1)

где — амплитудный множитель, зависящий от мощности, подводимой к антенне,  — характеристика направленности одиночного элементарного излучателя, определяющая поляризационную структуру излучаемого поля; для плоских раскрывов это элементарный источник Гюйгенса;  — комплексный множитель направленности системы изотропных излучателей (интерференционный множитель); — волновое число.

В декартовой системе координат интерференционный множитель имеет следующий вид

(6.2)

или

(6.3)

где   — площадь раскрыва;  — функция ампли­тудно-фазового распределения: — амплитудное распределение токов;  — функция распределения фазы токов. В качестве токов могут выступать как реальные токи, протекающие по реальной поверхности, так и эквивалентные токи, обтекающие вспомогательную поверхность и выражаемые через составляющие векторов поля. Поэтому, наряду с амплитудно-фазовым распределением эквивалентных токов используют понятие амплитудно-фазового распределения полей.

Рассмотрим влияние различных амплитудных и фазовых распределений на интерференционный множитель. Поскольку характеристика излучения элемента Гюйгенса в верхнем полупространстве является почти постоянной функцией, то характеристика направленности раскрыва в основном определяется интерференционным множителем .

Анализ влияния АФР на характеристику направленности раскрыва проводят, интегрируя по всему раскрыву, согласно выражению (6.3), различные задаваемые распределения амплитуд и фаз токов. Для сложных по форме раскрывов и АФР вычисления интерференционного множителя становится трудоемким. Однако задачу можно существенно упростить, если воспользоваться методом эквивалентного линейного излучателя. Введение понятия эквивалентного линейного излучателя позволяет просто и наглядно объяснить влияние формы раскрыва на характеристику направленности раскрыва, а также применить результаты теории синтеза линейных антенн к антеннам с плоским раскрывом.

2. Метод эквивалентного линейного излучателя в анализе плоского раскрыва

Р ассмотрим произвольный по форме плоский раскрыв с заданным АФР тока (рис. 6.2).

Интерференционный множитель раскрыва выражается интегралом (6.3). Входящую в показатель подынтегральной экспоненты величину можно трактовать как расстояние в плоскости раскрыва от начала координат до проекции точки интегрирования на направление , задаваемое углом . Переходя к новым координатам , , получим следующее выражение интерференционного множителя:

(6.4)

где и — уравнения кривых, определяющих нижнюю и верхнюю границы раскрыва. Внутренний интеграл в уравнении (6.4) обозначим как эквивалентное амплитудно-фазовое распределение тока

(6.5)

В этом случае интерференционный множитель плоского раскрыва принимает вид интерференционного множителя линейной антенны длиной с эквивалентным АФР тока :

(6.6)

Интерференционный множитель (6.6) представляет характеристику направленности плоского раскрыва только в одной плоскости =const. Для получения интерференционного множителя в другой плоскости необходимо вновь определить эквивалентное амплитудно-фазовое распределение эквивалентной линейной антенны.

Метод эквивалентного линейного излучателя позволяет легко учесть затенение части раскрыва, например, облучателем или элементами крепления. Для этого достаточно из эквивалентного амплитудно-фазового распределения тока вычесть вклад токов, которые попадают на затененные участки раскрыва. Получившееся распределение тока определит интерференционный множитель с учетом затенения. Кроме того, эквивалентное амплитудно-фазовое распределение тока (6.5) зависит не только от исходного распределения в раскрыве, но и от формы контура, ограничивающего раскрыв. Следовательно, метод эквивалентного линейного излучателя позволяет проанализировать влияние формы контура на интерференционный множитель.

Рассмотрим простейшие примеры синфазных квадратных раскрывов ( ) с равноамплитудным возбуждением (рис. 6.3). Такое распределение токов в раскрыве антенн практически не встречается. Обычно амплитудное распределение неравномерное и спадающее к краям. Однако рассмотрение такого идеального случая позволяет оценить предельные параметры характеристики направленности раскрыва.

Для первого раскрыва эквивалентное амплитудное распределение, согласно выражению (6.5), будет величиной постоянной:

. (6.7)

Подставляя это распределение в формулу (6.6), получим выражение для интерференционного множителя раскрыва

(6.8)

где — площадь первого раскрыва.

Для второго раскрыва эквивалентное амплитудное распределение повторяет форму контура раскрыва

(6.9)

где при , при . Амплитудное распределение является спадающим к краям. В этом случае интерференционный множитель будет иметь следующий вид:

(6.10)

где  — площадь второго раскрыва.

Сравнительный анализ выражений для интерференционных множителей первого и второго раскрывов (6.8) и (6.10) показывает, что спадающее к краям амплитудное распределение приводит к расширению главного лепестка множителя и уменьшению уровня боковых лепестков. Рассмотрим влияние амплитудно-фазового распределения на ДН антенны более подробно. В силу того, что любой плоский раскрыв можно проанализировать методом эквивалентного линейного излучателя, в дальнейшем будем рассматривать только линейные антенны (ЛА).