АФУ_Экзамен

увеличивать размеры стенок, то обеспечивается лучшее согласование волновода с пространством. при этом конечная часть волновода образует рупор.

Распределение амплитуды Еу вдоль оси Z в раскрыве рупора определяется:

Еу= Еу cos( )

Разобьем мысленно раскрыв рупора на элементарные рисунки площадью dS=dy*dz. На основании принципа Гюйгенса каждый элементарный участок является источником вторичных волн, суперпозиция которых от всех элементов создает поле во внешнем пространстве.

Выводы:

1. Амплитуда (2 0 а в) поля в точке приема прямо пропорциональна площади

0

раскрыва рупора;

2.ДН в вертикальной плоскости зависит только от вертикального размера рупора (b) и не зависят от размера (а);

3.ДН полностью определяется функцией sinx/x;

4.Если допустить, что точка М лежит в плоскости XOZ, то:

Управление ДН в вертикальной и горизонтальной плоскостях можно осуществлять независимо друг от друга при помощи соответствующего изменения одного из размеров рупора.

5. Ширина основного лепестка излучения обратно пропорциональна длине соответствующей стороны рупора.

Рупоры могут изменяться в диапазоне от коротких до длинных.

Плюсы: хорошая направленность излучения, КПД близок к 100%, потери происходят только на внутренней стороне рупора, и они невелики. Большая диапазонность. Минусы: большие геометрические размеры, с увеличением длины волны направленность рупора снижается за счёт уменьшения размеров раскрыва. На практике берут компромиссный рупор, т.е. рупор средних размеров, так и облучатель более сложных антенн (в качестве как облучатель зеркальной антенны).

16. Спиральная антенна. Крайние случаи геометрии спиральной антенны

Представляет собой свёрнутый в спираль провод 1, который питается через коаксиальный кабель 2. Внутренний провод фидера соединяется со спиралью, а его внутренняя оболочка – с металлическим диском 3. Свойства спиральной антенны во многом опред. её формой и размерами. По форме спираль может быть цилиндрической, конической или иметь вид ломаной линии. Цилиндрическая спиральная антенна характеризуется следующими геом. размерами: a – радиус спирали, s – шаг спирали, lc — длина одного витка спирали, n – число витков спирали, – длина спирали по её оси, – угол подъёма спирали.

Имеет вертикальную и горизонтальную составляющее. Они сдвинуты по фазе на 90 градусов, в чем можно убедиться на примере участка с фазой π/2. В таких условиях изучаемая волна приобретает круговую поляризацию.

Если амплитуды горизонтальной и вертикальной составляющих не равны между собой, то волны получаются поляризованными эллиптически.

Спиральная антенна обладает хороший диапазонностью. ДН описывается уравнением, характерным для антенн бегущих волн:

( ) sin

( )

Где k = λ/ λ=c/Uc — коэффициент, показывающий во сколько раз фазовая скорость волны во воздухе, чем в спирали. Коэффициент А выражает направленные свойства одного витка,

которые так малы, что можно принять А=1. Наиболее выгодное значение = = 1,2.

Для расчёта спиральных цилиндрических антенн опытным путём найдены следующие формулы. Ширина ДН:

°

2 ′ = ( 52 ) ;

√

Коэф. направленного действия:

≈ = 15 ( )2 ;

Входное сопротивление:

вх ≈ 140 / (Ом).

Спиральные антенны применяются самостоятельно в МВ и дМВ диапазонах и как облучатели на сантиметровых волнах.

Крайние случаи геометрии спиральной антенны

1) Если s=0, то угол = ( ) = , т.е. вся спираль образует рамку, плоскость

которой перпендикулярна оси антенны. Такая рамка имеет очень малую действующую высоту и слабую направленность.

2) При s→∞ угол β→90°, т.е. шаг намотки настолько велик, что провод спирали вытягивается в прямую линию, обтекаемую бегущей волной тока. Такая антенна не излучает вдоль своей оси, главный максимум её ДН наклонен к этой оси. Спиральные антенны с углом β, близким к 0° или 90°, не имеют существенных преимуществ перед обычной рамочной антенной или обычной проволочной.

У данных антенн нет преимуществ перед другими антеннами.

Опытным путём установлено, что наиболее целесообразны спиральные антенны с β=1220°, а длина витка спирали равна или близка к длине волны λ. Последнее имеет целью создание в антенне режима бегущих волн. Такой режим возможен потому, что ток, проходя по спирали, излучает с её поверхности э/м волны. Чем интенсивнее излучение, тем больше затухает волна в спирали, тем меньше она отражается от её конца.

На рисунке показано распределение фазы в одном витке, длина которого равна λ, а шаг настолько мал, что виток кажется плоским.

Первая особенность. В пределах одного витка амплитуду тока можно считать одинаковой. Расстояние от любого сечения витка до любой токи оси ′ ′′ также одинаково. Вместе с тем сдвиг по фазе в диаметрально противоположных сечениях витка, равный π, компенсируется противопол. направлением тока (фазы π/2 и 3π/2 или 0 и π). Значит, поля всех сечений витка имют одинаковую амплитуду и фазу в любой точке оси

′ ′′. Отсюда следует, что рассматриваемая антенна создаёт макс. излучение вдоль своей оси.

Вторая особенность данной антенны – круговая или эллиптическая поляризация

излучаемых ею волн. Участки, расположенные вертикально, создают вертикально поляризованное поле, гориз. участки возбуждают гориз. поляризованное поле, а поле промежуточных участков имеет и гориз., и вертик. поляризацию. Эти составляющие сдвинуты по фазе на 90°, в чём можно убедиться на примере вертик. участка с фазой О и гориз. участка с фазой π/2. В таких условиях излучаемая волна приобретает круговую поляризацию. Если амплитуды гориз. и вертик. поляризованных составляющих не равны между собой, то волны получаются эллиптически поляризованными.

Третья особенность рассм. антенны – её хорошая диапазонность. Для того, чтобы убедиться в этом, нужно доказать, что осевое направление макс. излучения сохраняется неизменным в широком диапазоне частот. Обозначим:

– длина одного витка спирали; , , = 2 / – фазовая скорость, длина волны и фазовая постоянная волны вдоль витка; c, λ, a=2π/λ – скорость распространения, длина волны и фазовая постоянная волны в воздухе; = /с = / – коэф., отражающий, во сколько раз фазовая скорость волны в воздухе больше, чем в спирали.

Пользуясь этими обозначениями, условие распределения одной длины волны в плоском витке можно записать так:

= 2 или (2 / ) = 2.

Т.к. в действительности соседние витки разделены шагом s, на протяжении которого волна распр. со скоростью c, то условие получения бегущей волны в спирали принимает вид:

Отсюда: с = + . (1)

Если допустима некоторая эллиптическая поляризация, то можно получить макс. коэф. усиления антенны. Для этого между полями начального и конечного элементов спирали вдоль её оси должен быть сдвиг по фазе, равный π, т.е. в каждом витке должен создаваться доп. сдвиг по фазе, равный π/n:

2 (с − ) = 2 + или с = + + 2 . (2)

Опытным путём установлено, что с увеличением длины волны фазовая скорость волн вдоль спирали уменьшается, а коэф. = / увеличивается. Вследствие этого равенства (1), (2), обеспечивающие максимум излучения по оси спирали, сохраняются в широком диапазоне частот.

Кроме того, благодаря режиму бегущих волн спиральная антенна имеет входное сопротивление активного характера. Всё это определяет широкий диапазон частот спиральной антенны.

17. Зеркальные параболические антенны (рефлекторные)

Рефлекторными антеннами называют устройства, в которых исп. явление отражения волн от рефлектора для преобразования ненаправленных/ слабонаправленных э/м волн, создаваемых первичным излучателем в остронаправленные волны, излучаемые в пространство.

Обычно в качестве рефлектора (зеркала) исп. параболоид вращения (поверхность, описываемая параболой при её вращении вокруг своей оси) и параболический цилиндр (основание – парабола).

Понятия, характеризующие эти антенны:

Раскрыв антенны – часть плоскости, ограниченная наружными краями рефлектора. У параболоида – круг с диаметром d, у цилиндра – прямоугольник со сторонами a и b. Фокусное расстояние f параб. рефлектора – кратчайшее расстояние от его поверхности до точки F (фокус параболы).

Фокальная линия параболоида цилиндра FF – линия, параллельная образующим цилиндра и проходящая через фокус параболы, которая является основанием цилиндра. Угол раскрыва ψ параб. рефлектора – угол между осью рефлектора и линией, соединяющей его фокус с крайней точкой параболы.

Диаметр d.

Геометрические размеры параб. вращения полностью определяются диаметром раскрыва и фокусным расстоянием, а геометрия параб. цилиндра – размерами раскрыва a и b и фокусным расстоянием.

= 4 – зависимость для параболоида вращения

Облучателем параболоида является точечный излучатель, помещённый в его фокус, а цилиндра – линейный, помещённый вдоль фокальной линии.

Принцип действия:

Парабола является геом. местом точек, равноудалённых от фокуса F и линии DIDII (директриса). Поэтому: FA=AIA; FO=CIO; FB=BIB …

Ширина ДН у параболоида вращения – 0, т.к. все лучи параллельны.

Из точечного источника излучается сферическая волна, она падает на поверхность параболоида вращения и отражается от этой поверхности. Сферический фронт преобразуется в плоский.

Волны, падающие из фокуса на зеркало отражаются в одном направлении (отраж.волны параллельны друг другу). Это доказывается, если к точкам параболы провести нормали и определить направление падающих и отражённых волн (соблюдая равенство углов падения и отражения).

+ = + = ;+ = + = ;+ = + = …

Т.к. = = = , то волны, исходящие из фокуса, приходят в плоскость раскрыва в одной фазе.

Точечный излучатель излучает сферические волны, а линейный — цилиндрические. Антенна с параболическим рефлектором преобразует сферические или цилиндрические волны излучателя в плоские. Из-за этого достигается макс. возможная направленность антенны (ширина ДН=0).

Если фокус расположен вне параболоида (ψ<90), то он является длиннофокусным. Если наоборот (ψ>90) – короткофокусным.

18. Волноводы. Принцип действия. Классификация волн в волноводе