1285

А.С. Шостак

АНТЕННЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ

Часть 2. Антенны

Учебное пособие для студентов специальности 160905 – «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования»

ТОМСК 2010

2

Рецензент: профессор кафедры КИПР ТУСУР, д.т.н. Татаринов В.Н.

Технический редактор: доцент кафедры КИПР ТУСУР, к.т.н. Озеркин Д.В.

Шостак А.С.

Антенны и устройства СВЧ. Часть 2. Антенны: Учебное пособие. - Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектрони-

ки, 2012.-168с.

Учебное пособие соответствует программе курса «Антенны и устройства СВЧ» для студентов, обучающихся по специальности 160905 - «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования».

Рассмотрены основные разделы теории и техники антенн – фидерных устройств, изложены основы теории линий передач и представлены различные устройства СВЧ с использованием матричного исчисления их внешних характеристик. Рассмотрены вопросы построения и расчета различных типов антенн

иантенных решеток, особое внимание уделено антеннам СВЧ

Шостак А.С., 2012

Кафедра КИПР Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, 2012

3

СОДЕРЖАНИЕ

1.2Векторная комплексная диаграмма направленности антенны.13

1.3Коэффициенты направленного действия и усиления антенны 22

1.4Сопротивление излучения, коэффициент полезного действия и

2.1Постановка и строгое решение задачи о распределении тока на

2.3Поле излучения симметричного вибратора и его диаграмма

2.4Сопротивление излучения, действующая высота и входное

2.5Сравнительный анализ строгой и приближенной теорий

3.4Излучение плоской и пространственной синфазных решеток.59

3.5Решетка с линейным набегом фазы. Антенны с электрическим

4

3.8Расчет входных сопротивлений излучателей с учетом

3.9Расчет характеристик антенн с директором и рефлектором.

4.2Применение принципа взаимности к изучению свойств

5.1Характеристики антенн с учетом влияния проводящей земной поверхности или летательного аппарата. Метод зеркальных

5.2Диаграммы направленности антенны с учетом влияния земли.

5.3 Особенности расчета бортовых слабонаправленных антенн ...96

5.4Щелевой вибратор. Применение принципа двойственности для

6.2Строгая и приближенная теории антенн СВЧ. Внутренняя и

6.3Поле излучения и диаграмма направленности плоского

6.4Коэффициент направленного действия синфазного плоского

6.5Влияние фазовых ошибок на диаграмму направленности и КНД

7.5Точность изготовления зеркальных антенн. Предельный

6

ВВЕДЕНИЕ

Одной из наиболее быстро развивающихся областей радиоэлектроники является техника антенн и устройств СВЧ. Уровень ее развития во многом определяет состояние телекоммуникационных систем, радиолокации, навигации, связи, радиоуправления, телеметрии радиоастрономии. Современные достижения в технике антенн и СВЧ -устройств базируется на современных разработках электроники, полупроводниковой техники, технической кибернетики, когерентной радиооптики и т.д. Новые характеристики радиоэлектронных систем во многих случаях достигаются благодаря органическому слиянию антенн с передающими, приемными устройствами и системы пространственно – временной обработки сигналов. Увеличение числа одновременно работающих радиосистем приводит насыщенности окружающего пространства радиосигналами, это вызывает необходимость электромагнитной совместимости (ЭМС) этих систем. Для решения этого вопроса создаются антенные системы, способные адаптироваться в окружающей обстановке. Различные объекты, например летательные аппараты, имеют десятки антенн различных диапазонов и назначений, и обеспечение их ЭМС во многом зависит от характеристик антенн и устройств СВЧ.

Настоящий курс лекций является предназначен для студентов, обучающихся по специальности 160905 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования» при изучении курса “Антенн и устройства СВЧ”. Курс лекций может быть использован также студентами, обучающимися по специальности 210201 - “Проектирование и технология радиоэлектронных средств” при изучении курса “Техническая электродинамика”.

Изложение материала ведется в предположении, что студенты знакомы общими разделами высшей математики, теории радиотехнических цепей и сигналов, электродинамики и распространения радиоволн.

7

8

1 ПОЛЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И НАПРАВЛЕННОСТЬ ДЕЙСТВИЯ АНТЕНН

1.1Электродинамические основы теории антенн

Современная теория антенн базируется на основных уравнениях электродинамики - уравнениях Максвелла.

В дальнейшем изложении будем иметь в виду электромагнитные процессы, гармонические во времени, т.е. изменяющиеся по закону sinωt, или в комплексной форме по закону exp(jωt). Среда предполагается однородной и

изотропной, в некоторых областях которой полагается заданным распределение возбуждающих (сторонних) электрических и магнитных токов.

Для простоты записи комплексные амплитуды полей будем писать без точки над буквой.

При указанных выше условиях уравнения Максвелла, включающие плотность стороннего тока, в дифференциальной форме имеют вид

где E - вектор комплексной амплитуды напряженности электрического поля, В/м; H - вектор комплексной амплитуды напряженности магнитного поля,

амплитуды объемной плотности стороннего магнитного тока, В/м.

Сторонний магнитный ток является фиктивной величиной, поскольку магнитных зарядов в природе не существует. Однако введение этого понятия позволяет сравнительно легко изучить излучение щелей в проводящих экранах.

Решение уравнений (1.1) при тех или иных конкретных условиях означает нахождение электромагнитного поля в виде функций пространственных ко-

ординат E r, , и H r, , по заданной функции координат J Э , J M .

Для решения уравнений Максвелла (1.1) обычно вводят два вспомогательных вектора: векторный потенциал электрических токов AЭ и векторный потенциал магнитных токов AM . При этом векторы электромагнитного поля

9

E и H определяются через эти вспомогательные векторы с помощью уравнений [2]

При подстановке (1.2) в (1.1) получаются следующие векторные волновые неоднородные уравнения для вспомогательных потенциалов:

Таким образом, при определении излучения антенных устройств интегрирование уравнений Максвелла может быть сведено к интегрированию векторных волновых неоднородных уравнений (10.3).

Если источники электромагнитного поля распределены непрерывно в некоторой области V, ограниченной поверхностью S, а среда, окружающая область V, представляет собой однородный изотропный диэлектрик, то для гармонического во времени поля решение уравнений (1.3) имеет вид

ке S x , y , z до точки наблюдения М (х, у, z).

Подстановка выражений (1.4) и (1.5) в уравнения (1.2) позволяет определить напряженности электрического E и магнитного H полей в любой точке пространства. Однако при этом не удается получить простых замкнутых выражений даже для сравнительно простых излучающих систем. Поэтому при-

ходиться прибегать к упрощающим предположениям, связанным с разби-

ением пространства на дальнюю, промежуточную и ближнюю зоны (обла-

сти).

Введем сферическую систему координат r, , , центр которой находится внутри излучающей системы (рис. 1.1,a), а точки S x , y , z и М (х, у, z) со-

ответствуют текущей точке интегрирования внутри излучающей системы и точке наблюдения в окружающей однородной среде.

Расстояние, входящее в формулы (1.4) и (1.5),