Экзамен по антеннам и устройствам СВЧ (Скачков)

Билет 1

1.Дальняя зона антенны. Особенности поля антенны в дальней зоне.

Рассмотрим некоторую поверхность S с локализованными на ней электрическими э( )и магнитными токами м( ). Выделим малый участок поверхности ∆ с размерами значительно меньшими длины волны.

При значительном удалении от источников /2 электромагнитное поле представляет собой совокупность неоднородных сферических волн с амплитудами, пропорциональными/ , где r – это расстояние от i-участка антенны. Рассмотрим ситуацию, когда удаление настолько велико, что характер результата интерференции электромагнитных полей практически не зависит от расстояния. Электромагнитное поле в этой области называется полем дальней зоны. Поле излучение представляет собой неоднородную сферическую волну( 0, ) = ( 0) ∙ / . Условная граница ДЗ будет определяться выражением дз = 2 2/ , где L – это max размер аппретуры, – это длина волны.

Особенности поля любой антенны в ДЗ: 1) Вектора поля и связаны между собой, как и в плоской волне; 2) Поле антенны в ДЗ имеет поперечный характер. Составляющие поле в направлении распространения отсутствуют; 3) Зависимость поля от расстояния имеет вид сферической волны; 4) При фиксированном значении r характер изменения поля в пространстве будет определяться комплексной ДН.

2.Линия передачи СВЧ. Поле в линии передачи, нагруженной на сопротивление.

Линией передачи СВЧ называется устройство, ограничивающее область распространения электромагнитных колебаний и направляющее поток электромагнитной энергии в заданном направлении. С помощью ЛП осуществляется передача мощности от генератора к нагрузке. Отрезок линии передачи является базой для создания СВЧ-устройств и служит для соединения отдельных устройств в СВЧ-тракт.

В нагруженной ЛП поле представляется суммой падающих и отраженных волн. Падающая волна бежит в сторону нагрузки, а отраженная волна от нагрузки. Полное напряжение будет суперпозиции напряжений: ̇( ) = ̇пад( ) + ̇отр( )

̇ ( )

̇отр( ) зависит от свойств нагрузки, которая характеризуется коэффициентом отражения Гн̇= ̇отр( ) = |Гн| н

пад

Если |Гн̇| = 0, т.е ̇отр( ) = 0, нагрузка называется согласованной, ЛП работает в режиме бегущей волны. Если |Гн̇| = 1 т.е. | ̇отр( )| = | ̇пад( )|, нагрузка называется реактивной, ЛП работает в режиме стоячих волн. Если 0 < |Гн| < 1, ЛП работает в режиме смешанных волн.

Доля отражений от нагрузки мощности равна: отр = |Гн|2 = Гн2

Рпад

Коэффициент стоячих волн: КСВ=1+Гн

1−Гн

Билет 2

1.Коэффициент направленного действия КНД и коэффициент усиления КУ

КНД – это число, показывающее, во сколько раз плотность потока мощности П(θ, φ) реальной (направленной) антенны больше плотности потока мощности ПЭ(θ, φ) эталонной (ненаправленной) антенны для этого же направления и на том же удалении при условии, что мощности излучения антенн одинаковы: (θ, φ) = П(θ, φ)/ПЭ при Σ = Σэ

КНД в произвольном направлении: (θ, φ) = 0 ∙ 2(θ, φ) − чем уже ДН, тем выше КНД антенны, максимальное значение КНД соответствует направлению главного максимума, для которого 2(θ, φ) = 1

КНД в направлении максимального излучения: 0 = 2

4

∫θ=0 ∫φ=0 2(θ,φ)∙sin( ) φdθ

КУ – это число, показывающее, во сколько раз плотность потока мощности П(θ, φ) реальной (направленной) антенны больше плотности потока мощности ПЭ(θ, φ) эталонной (ненаправленной) антенны для этого же направления и на том же удалении при условии, что мощности, подведённые к антеннам, одинаковы: (θ, φ) = П(θ, φ)/ПЭ при А = А Э, где А – мощность, подведённая к антенне

Коэффициент усиления можно выразить через КНД: (θ, φ) = (θ, φ) ∙ А, где А – КПД антенны.

2.Свойство отрезков линии передачи

Отрезок линии, нагруженный на одном конце на некоторое сопротивление, обладает трансформирующими свойствами, поскольку его входное сопротивление отличается от сопротивления нагрузки.

сопротивлением нагрузки на конце линии длиной l и входным сопротивлением. Из этого выражение следует то при равенстве сопротивлений нагрузки и волнового сопротивления линии (ZH=ZВ) входное сопротивление ZВХ линии совпадает с волновым, т.е. ZВХ= ZВ. В

этом случае исчезает волна, отраженная от нагрузки, и говорят, что линия идеально согласована.

Если начальная фаза колебаний исходной волны Н10 поворачивается на какой-либо угол φ, то фазы колебаний во всех остальных плечах изменяются на такую же величину φ. К достоинствам ВЩМ можно отнести компактность, простоту устройства, высокую развязку входных плеч.

Билет 5 1.Приемная антенная. Шумовая температура, коэффициент рассеивания.

Мощность шумов в приемной антенне: ш = А∆, здесь А – шумовая температура антенны. Она определяется следующим образом: ТА = 40 ∫ =0 ∫2 2(θ, φ) я (θ, φ)(θ, φ)θdφ, где я (θ, φ) – распределения яркостной температуры в пространстве,

характеризующего распределение интенсивности внешних помех. Другими словами, шумовую температуру приёмной антенны в значительной степени определяет расположение её относительно источников шумов (излучений). Как правило, тепловое излучение Земли воздействует по боковым лепесткам ДН. Если главный лепесток ДН направлен в сторону источников космического излучения, то шумовая температура антенны значительно увеличивается. Помимо направления, распределение яркостной температуры зависит ещё и от диапазона рабочих частот.

При оценке величины шумовой температуры можно использовать коэффициент рассеивания . Тогда шумовая температура идеальной антенны ТА= Σ=Тг(1−)+ п∙Тп+ з∙Тз, а для антенн с потерями ТА=Тг(1−) + п∙Тп∙+ з∙Тз∙+Т0(1−), где n из−характеризуют, какая часть мощности поступает в антенну через боковые лепестки переднего и заднего полупространства соответственно. Тг−главного лепестка; Тn, Тз−боковых лепестков переднего и, заднего полупространства, Σ называется эквивалентной шумовой температурой

2.КНД синфазного излучающего раскрыва.

из-за неравномерности АР.

Билет 6

1.Параметры антенн ДН, R, Zвх, поляризационная ДН, рабочий диапазон частот h

Комплексная векторная ДН характеризует относительную интенсивность, фазу колебания и ориентацию вектора напряженности электрического поля в неоднородной сферической волне. Характеристики ДН: 1) Главный лепесток – область, в которой антенна излучает наибольшее кол-во мощности. 2) УБЛ – отношение максимумов боковых лепестков к главному максимуму 3) Ширина ДН

– это угол между двумя направлениями в пределах главного лепестка, в которых амплитуда напряжённость электромагнитного поля составляет уровень 0,5 от максимального значения.

Диапазоном рабочих частот (полосой пропускания) антенны называется интервал частот от fmin до fmax, в пределах которого все параметры антенны не выходят из заданных пределов: f = fmax − fmin

Диапазон рабочих частот антенны чаще всего выражают в процентах к средней частоте диапазона ∆ = − ∙ 2 ∙ 100%

ср +

Поляризационная ДН представляет собой единичный вектор поляризации, совпадающий по направлению с вектором электрического поля антенны и описывающий зависимость его ориентации от угловых координат времени. Различают следующие виды поляризации: 1) линейная поляризация, если плоскость поляризации не меняет своего положения в пространстве. Линейная поляризация может быть вертикальной, горизонтальной и наклонной; 2) вращающаяся поляризация, если плоскость поляризации вращается вместе с вектором Е с угловой скоростью ω = 2πf вокруг направления распространения.

Сопротивление излучения – это некоторое воображаемое активное сопротивление, на котором выделяется мощность, равная

мощности излучения антенны. = 2 /2

2.Антенная решетка. Множитель системы линейной решетки. Равномерная прямофазная решетка

Антенная решётка (АР) представляет собой совокупность идентичных излучающих элементов (излучателей), расположенных в определённом порядке и возбуждаемых одним или совокупностью когерентных источников. По сравнению с одиночными антеннами, АР позволяет получить узкую ДН. Как правило, излучатели представляют собой идентичные одинаково

ориентированные излучатели. В этом случае множитель системы будет иметь вид имеет вид: сист(θ, φ) = ∙ [ + ], где Аi и i – амплитудные и фазовые распределения в решетке соответственно. В дальнейшем обозначим fсист=fN

Множитель линейной системы

Рассмотрим линейную решетку, фазовые центры отдельных излучателей которой расположены вдоль прямой линии.

= , где = 1 + 2 + , поэтому (θ, φ) = ∑ =1 ∙ [ + ] Множитель со системы от не зависит, т.к. система имеет очевидную симметрию

Выводы: расстояние между элементами одинаково, амплитуда токов в излучателях одинакова, фаза тока от излучателя к излучателю изменяется на некоторую постоянную величину

Множитель равномерной прямофазной решетки.

Где Ψ= − - обобщенный угол. Он равен разности фазовых полей, возбуждаемых в точке наблюдения соседними излучателями

Это выражение представляет собой сумму членов геометрической прогрессии, тогда: В соответствие с последним выражением фазовая диаграмма:

Фазовый центр системы находится в ее середине.

Билет 7

1.Поле излучения непрерывной антенны. (Внешняя и внутренняя задачи. Элементарные электрические источники. Вторичные источники)

Внутренняя задача – состоит в определении поля, тока, амплитуды или фазы в раскрыве антенны или на некоторой замкнутой поверхности, охватывающей антенну. Эта решается приближённо для каждого класса антенн, поэтому не существует общего решения

Внешняя задача – состоит в нахождении поля излучения антенны , по заданному или найденному в результате решения внутренней задачи распределению токов или поля в раскрыве антенны. Эта задача решается строго одним и тем же методом для разных антенн.

Методы решения внешней задачи: Поле излучение антенны может быть найдено с помощью использования вторичных источников на некоторой замкнутой поверхности S, т.е. используя принцип Гюйгенса-Френеля:

нахождению суммы полей элементарных объемов dV. При нахождении поля излучения результирующее поле находится в виде суперпозиции полей вторичных источников, расположенных на замкнутой поверхности S, охватывающей все токи.

Вторичные источники представляют собой элементарные площадки поверхности S с соответствующими значениями поля, возбуждаемые токами, находящимися внутри области, охваченной поверхностью S. Эти вторичные источники можно трактовать как совокупность поверхностных электрических и магнитных токов плотностей.

2. Матрица рассеивания многополюсника. (Трехплечевой мост)

Циркулятором называют невзаимный многополюсник, плечи которого задействованы таким образом, что волна из плеча с номером n проходит только в плечо с (n+1), а из последнего плеча — только в первое плечо. Матрица рассеяния идеального (без

Конструкция волноводного трехплечного циркулятора мостового типа:

Это симметричный волноводный тройник, на оси симметрии которого помещен ферритовый вкладыш 4 с диэлектрической втулкой 5, которая служит для улучшения согласования и расширения рабочей полосы частот устройства. Поле подмагничивания, перпендикулярное плоскости рисунка, создается постоянными магнитами 3, расположенными снаружи тройник. Подведенная к 1 плечу волна разделяется на две волны, огибающие ферритовый вкладыш с разных сторон.

Билет 8

1.Поле системы идентичных, одинаково ориентированных излучателей. Правило перемножения диаграмм направленностей.

Рассмотрим поле излучения решетки, создаваемое в точке M трехмерного пространства:

На основание принципа суперпозиции, суммарное поле, создаваемое всеми элементами АР, будет

равно: = ∑ =1

На практике АР чаще всего выполняют из одинаково расположенных в пространстве излучателей.

( , , ) = 1 0( , ) − ∑ =1 −

Это есть ничто иное, как ДН антенной решётки, а первый сомножитель в ней – ДН одиночного излучателя. Для выяснения физического смысла второго сомножителя предположим, что АР состоит из ненаправленных (изотропных) излучателей, т.е. F0(θ, φ) = 1. ( , ) = 1 ∑ =1 − т.е. сомножитель в виде суммы

представляет собой ДН этой же решётки, но состоящей из ненаправленных излучателей. Этот сомножитель называют множителем

системы: ( , ) = ∑ =1 −

Тогда итоговое выражение примет fN ( , ) = F0 ( , ) fC ( , )

Билет 10

1.Влияние амплитудного распределения на диаграмму направленности (косинусоидальное (спадающее до нуля) амплитудное распределение).

При переходе к косинусоидальному распределению ширина ДН увеличивается, УБЛ и КНД падают

2.Амплитудная ДН линейной антенной решетки.

В режимах с поперечным излучением главный лепесток ДН направлен вдоль нормали или отклонен от нее на некоторый угол. Тогда угол удобно отсчитывать от нормали к оси. Пусть

Ψ

( ) = 2 – это множитель решетки. В отличие от множителя системы непрерывно

Ψ2

распределенных излучателей, периодической функцией переменной Ψ. Величина периода 2 , при условии, что d<<λ

(Ψ)- имеет ряд одинаковых главных максимумов, соответствующих значениям Ψ=2 .

Максимум, соответствующий m=0 называют нулевым (центральным); m=1 – максимум первого порядка и т.д. Иногда центральный максимум называется главным, а другие – дифракционными.

Реальный угол изменяется в пределах - /2, /2 собственно рабочая область Ψ (область видимости) kd, где: ≤Ψ≤ −

В зависимости от величины kd и в пределах рабочей области будет один или несколько главных максимумов функции (Ψ). Это означает, что ДН может иметь один или несколько главных лепестков.

Билет 11

1.Оптимальное амплитудное распределение системы линейных непрерывно распределенных излучателей («косинус на пьедестале»)

Здесь ( ) = ∆ + (1 − ∆) ∙ cos( ) /2

Здесь параметр называется «пьедесталом» и показывает амплитуду поля на краях раскрыва

Нормированный множитель решетки:

УБЛ: Fб1 = (10%) или -20 дБ; Fб2=6%

Ширина ДН: или 20,50 = 58

КНД: D=1,86

Если = 1, то реализуется равномерный закон распределения амплитуды поля по раскрыву антенны, при этом m = 51 град; если = 0, то реализуется косинусоидальный закон распределения амплитуды поля по раскрыву антенны при этом m = 68 град

Таким образом, при использовании спадающих к краям раскрыва антенны амплитудных распределений происходит расширение главного лепестка ДН, уменьшение КИП, а также уменьшается уровень боковых лепестков ДН.

2.Плоская система непрерывно распределенных излучателей. Круглый раскрыв.

Если взять синфазный раскрыв с амплитудным распределением, не зависящим от , то множитель системы будет равен сист( ) = 2 ∫0 0 ( ) 0( )

Раскрыв, излучает сферическую волну. Фазовый центр в центре раскрыва

Нормированная ДН: сист(Ψ) = 2(Ψ)1(Ψ), где где = 0

Переход от прямоугольного к круглому раскрыву приводит к расширению главного лепестка ДН и снижению уровня боковых лепестков.

УБЛ: Fб1 = (13%) или -17 дБ; Fб2=7%

Ширина ДН: или 20,50 = 58

Для снижения уровня УБЛ применяется спадающие к краям АР. Фазовые искажения в круглом раскрыве приводят качественно к таким же изменениям ДН, что и для линейных систем.

Билет 12

1.Фазовое распределение. Система с линейным фазовым распределением. Искажения главного лепестка

Из выражения следует, что форма ДН при линейном фазовом распределении имеет тот же вид, что и в случае синфазной системы, но вся ДН смещается по оси Ψ на величину a.

В реальных координатах этому соответствует отклонение главного максимума от нормали к оси системы на угол , который определяется из условия: =

При изменении величины а (крутизна фазового распределения), меняется угол . В результате ДН качается и

искажается: Виды искажений:

1)Асимметрия: В обобщенных координатах главный лепесток семеричен, но Ψ и связаны нелинейной зависимостью. В результате2 − ≠ − 1 главный лепесток становится несимметричным, более отклоненная часть лепестка расширяется больше.

2)Расширение главного лепестка: Ширина отклонения ДН 20,5 = 1 С увеличением главный лепесток ДН расширяется.

3)Свёртывание главного лепестка. ДН в виде сплюснутого тороида. Свертывание ДН приводит к ошибкам в определении угловых координат цели и к уменьшению зоны обзора.

2.Условие единственности главного лепестка линейной решетки.

1) Для того, чтобы m-лепесток был главным, нужно подобрать такие параметры решетки, чтобы для m-го лепестка выполнялось

2)Использование неэквидистантных решеток. В неэквидистантных решетках расстояния между излучателями неодинаковы. Если > , то для каждой пары излучателей находим направление при котором поля этих двух излучателей складываются в фазе sin =λ/d. Но т.к. разные, то и для разных пар будет разным и произойдет «размазывание» дифракционных максимумов. Таким образом, неэквидистантность позволяет подавлять дифференциальные максимумы при d>λ.

3)Использование направленных свойств антенн. В соответствие с правилом перемножения ДН: fN ( , ) = F0 ( , ) fC ( , )

Билет 13

1.Фазовое распределение. Система с квадратичным и кубичным фазовым распределением.

Квадратичный закон изменения фазы (х) = −2 2, соотвественно тогда сист = 2 ∫−11 − ( 2−Ψx) . Если произвести точные расчёты с использованием выражения, то ДН такой антенны будет выражаться через интегралы Френеля. Анализ методом сравнения говорит о том, что, по сравнению с синфазным раскрывом, происходит расширение главного лепестка и рост боковых лепестков (рис. 5.7, б). Так как второе слагаемое распределения симметрично относительно центра раскрыва, то нарушение симметрии ДН не происходит. С ростом несинфазности заметно падает КНД раскрыва. Влияние фазовой ошибки (отклонения от синфазности) невелико, если на краю раскрыва она не превышает π/4.

несимметрична, то при изменении фазы по кубическому закону главный лепесток ДН не только расширяется, но и отклоняется в сторону отставания фазы. Вместе с этим нарушается симметрия ДН. Уровень боковых лепестков в направлении отклонения ДН становится выше, а в другом направлении – ниже.

2.Плоская система непрерывно распределенных излучателей. Прямоугольный раскрыв.

Полный множитель системы имеет вид:

Однако многие типы антенн имеют в раскрыве АФР, которое может быть представлено в виде произведения двух функций, каждая из которых зависит лишь от одной координаты (х или у)

Ширина ДН и УБЛ определяются соответствующими выражениями для линейной синфазной системы с равномерными АР.

1.Сопротивление излучения, КНД и входное соотношение симметричного вибратора

КНД симметричного вибратора: ( , ) = 2( , ) , где п − сопротивление излучения. Max КПД для полуволнового вибратора

30 п

1,64 (2,17 дБ)

Если использовать известные соотношения для разомкнутой линии без потерь ( ВХ = − в п cos ; ВХ = п sin ), то входное сопротивление вх = − в

Сопротивление излучения: = 60 ∫ [с os( )−cos( )]2 0

2.Турникетная антенна

ТА – это антенна с крестообразным расположением элементов. Два взаимно перпендикулярных вибратора одинаковой длины, возбуждаемые со сдвигом фаз токов в них на 900

Эти антенны используются в телевизионных центрах; они в азимутальной плоскости ненаправленные; в вертикальной плоскости имеют высокую направленность для достижения максимального КНД; поляризация поля горизонтальная, полоса частот широкая, хорошо согласованная; механически прочные и надежны против гроз.

Составляющие поля:

Нормированные ДН:

Билет 17 1.Щелевые антенны. Принцип двойственности Пистолькорса

ЩА представляют собой узкие щели, прорезанные в стенке волновода, резонатора коаксиального кабеля, полосковой линий. Ширина щелей составляет (0,03…0,05) , длина около полуволны. Щели прорезаются так, чтобы они пересекали линии поверхностного тока, текущего по внутренней стенке волновода или резонатора.

Элементарная щель. Принцип двойственности Пистолькорса

Если известно поле элементарного излучателя, принцип Пистолькорса позволяет найти поле элементарного магнитного излучателя (щели в экране), при условии, что граничные условия у них аналогичны.

1) Для вибратора:

2)Для щели:

2.Укорочение, возбуждение, симметрирование симметричного вибратора

Укорачивание вибратора используется для того, чтобы получить чисто активное входное сопротивление. Величина укорачивания ∆ подбирается такой, чтобы вэ = ctg = 42,5

Задача возбуждения симметричного вибратора распадается на две: 1) задача согласования 2) задача симметрирования

1)Для согласования применяют: четвертьволновой трансформатор, шлейф Татаринова, петлевой вибратор (наиболее часто используемый, поскольку он более широкополостен и более удобен конструктивно (непосредственное крепление к директорной антенне))

2)При подключении вибратора к коаксиальной линии возникает асимметрия токов в плечах вибратора из-за того, что ток, текущий по правой половине вибратора, частично ответвляется на внешнюю «оплетку» наружного проводника фидера через паразитную емкость.

Для того чтобы устранить асимметрию токов применяют различные типы симметрирующих устройств: 1) Четвертьволновый стакан; 2) U-колено; 3) Симметрирующая приставка; 4) Симметрирующая щель.

Билет 18

1.Многовибраторные антенны. Метод наводимых ЭДС

Для повышения направленности вибраторов, которые обычно имеют слабую направленность, применяют системы одинаково ориентированных вибраторов – решетки вибраторов. ДН любой решетки при известных токах в вибраторах находится при помощи правила перемножения ДН. Для нахождения входного сопротивления вибратора при наличии других вибраторов используется метод наводимых ЭДС

2.Сканирующи антенны. ФАР.

Сканирующая антенна формирует остронаправленную ДН и перемещает ее в пространстве. Способы сканирования:

1)Механический – поворот всей антенны, инерционен;

2)Электромеханический – электродвигатели или электромагниты осуществляют перемещение элементов антенн, что приводит к наклону эквифазной поверхности поля при неподвижном раскрыве. Инерционность меньше, т.к. меньше массы. Скорость коммутации луча DH в обоих способах не удовлетворяет современным скоростям, нельзя одновременно следить за несколькими объектами.

3)Электрический – обеспечивает наибольшую скорость перемещения луча DH, ограничивается переходными процессами в управляющих элементах, инерция на несколько порядков меньше.

Нормированная ДН: ( ) = ∑ =1 sin

Фазированной антенной решеткой называется решетка излучателей в которой перемещение луча в пространстве производится путем введения переменных фазовых сдвигов между токами, возбуждающими отдельные излучатели. По характеру размещения

излучателей: эквидистантные и неэквидистантные. В зависимости от геометрии расположения излучателей в пространстве:

одномерные, двумерные, трехмерные. По способу возбуждения ФАР подразделяются на решетки: с фидерным питанием, с оптическим питанием.

Билет 19

1.Волноводно-щелевые антенны.

Так как одиночная щель имеет слабо выраженные направленные свойства для получения узких ДН применяют многощелевые антенны. Важным типом таких антенн является ВЩА, т.е. система полуволновых щелей, прорезанных в стенке волновода, чаще с волной Н10. Различают резонансные и нерезонансные

1) Резонансные ВЩА. Расстояние между щелями и их расположение обеспечивает синфазность возбуждения щелей. Резонансная антенна работает в режиме стоячей волны, для чего в конце антенны (волновода) устанавливается коротко замыкающий поршень расстояние от поршня до последней щели должно быть таким, чтобы щель находилась в пучности той составляющей тока, которой она возбуждается. При небольших изменениях частоты нарушается синфазность возбуждения и искажается ДН антенны.

2) Нерезонансные ВЩА. Возбуждение щелей осуществляется бегущей волной и в антенне получается линейное фазовое распределение, максимум главного лепестка ДН отклонен на некоторый угол от к оси волновода в сторону распространения волны при > λ/2 и в противоположном направлении, если < λ/2. Чтобы отраженная от конца антенны волна не приводила к появлению паразитного лепестка, который симметричен (зеркально) основному, в конце волновода устанавливают поглощающую нагрузку.

2.Собственное сопротивление вибратора

Метод наводимых ЭДС позволит определить и собственное сопротивление вибратора:

Здесь ̇ - величина численно равная напряженности поля у элемента вибратора, создаваемого током, текущим по всем элементам

11

этого же вибратора. Для полуволнового вибратора: