4.6. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

•Структурную схему установки;

•Таблицы и графики экспериментальных ДН облучателей и ЗА с ними;

•Расчетные графики поля в раскрыве ЗА;

•Расчетные ДН антенн в виде графиков;

•Расчет ШГЛ, КНД, КРЛ, УБЛ;

•Выводы.

5. ВЛИЯНИЕ ПРОВОДЯЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕНН

При расположении антенны над проводящей поверхностью ее ДН претерпевает существенные изменения по сравнению с характеристиками в свободном пространстве. В некоторых частотных диапазонах (СДВ, ДВ, СВ) земля и водная поверхность могут рассматриваться как поверхности с хорошей проводимостью, в связи с этим исследование влияния подстилающей поверхности на характеристики антенн и ее учет при разработке, размещении и выборе поляризации излучения антенн позволяет улучшить характеристики радиотехнических систем.

Учет эффектов влияния проводящей поверхности на ДН антенн в лабораторной работе проводится на основе метода зеркальных изображений. Он позволяет провести решение электродинамических задач при наличии границ раздела сред и найти электрические и магнитные поля, создаваемые антенной, расположенной вблизи проводящей поверхности. Суть метода заключается в том, что, путем введения фиктивного источника, задача поиска полей в присутствии проводящей поверхности сводится к более простой задаче в свободном пространстве. При этом величину поля, создаваемого фиктивным источником, и его расположение определяют из условия обеспечения граничных условий.

В данной лабораторной работе экспериментально и теоретически исследуются характеристики антенны в виде открытого конца волновода, расположенного над проводящей поверхностью, и определяется поведение ДН антенны при изменении высоты подъема антенны для различных поляризаций излучаемого поля.

50

5.1. Идея метода зеркальных изображений

Рассмотрим следующую ситуацию. Имеется источник поля, расположенный над бесконечной идеально проводящей поверхностью S (рис. 5.1), которая делит пространство на два полупространства – 1 и 2. В полупр о- странстве 2 поле отсутствует, так как оно экранировано от источника. Требу-

Метод зеркальных изображений позволяет рассчитать поле в полупространстве 1 путем замены экрана зеркальным изображением источника в нем. Искомое поле представляется тогда суммой полей истинного источника и его зеркального изображения. На месте удаленного экрана должно при этом обеспечиваться выполнение условия (5.1). Рассмотрим применение метода на примере вертикального и горизонтального диполя Герца с моментом pэ=il (i -

ток, l-длина диполя) (рис. 5.2). На основе метода зеркальных изображений откажемся от проводящей границы раздела и запишем выражение для напряженности электрического поля, создаваемого в дальней зоне диполя Герца с момен-

том pэ в следующем виде: E1 = eθ pэ ( j k) e− jkr sin (θ). На фиктивной границе

4π r

двух сред орт eθ можно представить как сумму нормальной и касательной к

видно, что одиночной диполь имеет отличную от нуля касательную к поверхности составляющую электрического поля, что не удовлетворяет ГУ (5.1). В связи с этим необходимо осуществить выбор расположения и фазы дипольного момента изображения, при которых обеспечивается выполнение ГУ. Поле мнимого изображения должно скомпенсировать касательную составляющую электрического поля оригинала, следовательно, моменты оригинала и изображения должны быть синфазными. В этом случае поле, создаваемое изображением, за-

51

суммарное поле будет удовлетворять ГУ (5.1) и таким образом, поле в дальней зоне системы из двух источников окажется эквивалентным полю диполя над проводящей поверхностью.

Рис. 5.2

Повторяя изложенные рассуждения для горизонтально расположенного диполя можно сделать вывод, что в этом случае моменты должны быть противофазными.

5.2. Применение метода зеркальных изображений к антеннам, размещенным над проводящей плоскостью

Как известно, любую антенну можно представить совокупностью элементарных электрических и магнитных диполей Герца. Поэтому очевидна законность переноса метода зеркальных изображений и на этот случай. Суть метода полностью сохраняется: чтобы найти поле антенны в полупространстве 1, нужно отбросить экран, а его действие заменить действием зеркального изображения антенны. Необходимо лишь выяснить связь между характеристиками направленности реальной антенны и ее зеркального отображения. Для удобства анализа рассмотрим отдельно случай антенны с вертикально- и горизонтально-поляризованным полями излучения.

Вертикальная поляризация. Пусть центр О1 антенны 1 поднят над поверхностью на высоту h (рис. 5.3). Центр изображения (антенны 2) должен, очевидно, находиться в зеркально-симметричной точке О2. Суммарное напряженность электрического поля обеих антенн должно иметь нулевую касательную составляющую в любой точке А на поверхности S. Определим

52

нему отсчитывается от вертикали, так что в данном случае он равен θ2 (см.

рис. 5.3).

Чтобы поле Eв (A) = Eв1(A) +Eв2(A), полученное суммированием (5.2) и (5.3), имело нулевую касательную составляющую относительно S, значения Fв1(θ1) и Fв2 (θ2) должны совпадать. Только в этом случае касательные составляющие обоих полей взаимно компенсируются. Заметим, что углы θ1 и θ2 в данном рассмотрении жесткосвязаны: θ1 +θ2 = π. Поэтому Fв2 (θ2)= Fв1(θ1), θ1 +θ2 = π. Это равенство означает, что характеристика направленности ан-

53

θтенны 2 должна быть зеркальным отражением харак-

дикулярному плоскости рисунка. Во-вторых, характеристика направленности имеет индекс «г», а не «в». Таким образом,

Поле антенны 2 также поляризовано по орту eα:

Сумма векторов (5.5) и (5.6) должна обратиться в нуль, поскольку орт eα касателен к S. Следовательно, значения Fг1(θ1) и Fг2 (θ2) должны быть равны и противоположны по знаку:

Таким образом, характеристики направленности антенн являются зеркальными изображениями друг друга, но, согласно (5.7) в отличие от верт и- кальной поляризации (см. (5.4)), антенны должны быть возбуждены в противофазе.

В особом случае, когда характеристики направленности симметричны

54