Контрольная работа 1

Фронт волны представляет собой поверхность двойной кривизны и его приближенно можно считать сферическим.

выражение для амплитудно-фазового распределения в раскрыве рупора:

Конический рупор, с круглым поперечным сечением

Для объяснения принципа действия рупорной антенны рассмотрим ее продольное сечение: электромагнитная энергия от генератора через отрезок питающего волновода поступает к горловине рупора в виде волны с плоским фазовым фронтом. Большая часть энергии проходит через горловину и распространяется вдоль рупора в виде расходящейся волны. Небольшая часть энергии отражается от горловины и возвращается по волноводу к генератору. Чем больше угол раскрыва рупора 2Ф0 , тем больше коэффициент отражения. Волна в рупоре является цилиндрической, т.е. фазовый фронт волны образует часть поверхности цилиндра, ось которого проходит через вершину рупора

Оптимальный рупор-это рупор, имеющий такие размеры, что ДН будет максимально узкой.

Ширина ДН оптимального Н-плоскостного секториального рупора в Н-плоскости приближенно определяется по формуле

Ширина ДН в Е-плоскости

2. Типы линзовых антенн, их характеристики.

Рис.2.43. Типы линзовых антенн

Все приведенные типы линз состоят из двух самостоятельных частей: облучателя S и линзы L. Облучатель S представляет собой слабонаправленную антенну, помещенную на некотором расстоянии f от линзы. Это расстояние обычно совпадает с так называемым фокусным расстоянием линзы.

Линза представляет собой тело определенной геометрической формы, прозрачное для радиоволн, т.е. пропускающее сквозь себя электромагнитное излучение диапазона радиочастот с фазовой скоростью vФ, отличающейся от фазовой скорости в воздухе с. Иначе говоря, линзу можно представить как прозрачное тело, обладающее коэффициентом преломления

.

Так как преломление волн на границе двух сред происходит по закону

(где φ - угол падения, а - угол преломления), то для получения плоской волны внутри линзы, обладающей во всех точках одинаковым коэффициентом преломления, линза при n > 1 должна иметь обращенную к облучателю выпуклую поверхность (см. рис.2.43,а), а при n < 1 - вогнутую (см. рис.2.43,б).

А) Диэлектрическая линза

Простейшими являются диэлектрические линзы. Это просто диэлектрик, заполняющий весь объем линзы. В диэлектрике, как известно, фазовая скорость равна

а коэффициент преломления n = c/vФ = , где ε и ε0 - диэлектрические проницаемости соответственно диэлектрика и воздуха. Так как ε > ε0, то в данном случае n > 1 и диэлектрические линзы должны быть выпуклыми.

Б) Металлические линзы

Металлические линзы собирают из параллельных металлических пластин. Последние могут быть либо сплошными, либо с отверстиями, причем сплошные пластины могут быть плоскими или фигурными (рис.2.44). Электромагнитная волна распространяется в промежутке между пластинами, причем электрический вектор поля волны может быть либо параллелен поверхности пластин, либо перпендикулярен к ней.

В первом случае (рис.2.44,а) пространство между двумя такими пластинами с расстоянием d между ними образует волноводный канал, в котором фазовая скорость распространения волны, как известно, равна

Таким образом, коэффициент преломления у такой линзы будет

n = c/vФ = .

Так как у этих линз vФ > c, мы будем называть их металлическими ускоряющими линзами из сплошных пластин.

3) Металлодиэлектрическая линза

Представляет собой конгломерат из металлических частиц и воздушных прослоек, эквивалентный диэлектрику.

Подобно диэлектрическим линзам, металлодиэлектрические линзы характеризуются коэффициентом преломления n > 1 и имеют поэтому выпуклую освещенную поверхность.Различные варианты металлодиэлектрических линз отличаются друг от друга геометрической формой металлических частиц, составляющих линзу. Эти частицы могут иметь форму шариков, дисков, пластинок, лент и др.

3. Расчет профиля линзовых антенн.

Плоская волна в линзе означает, что время прохождения луча по любому пути от облучателя до раскрыва одинаково (т.е. одинаковы оптические длины пути).

Для случая n > 1

Для случая n < 1

Умножив обе части уравнений на с, заменив c/vФ на n и освободившись от радикала, получим для случая n > 1:

x2(n2 - 1) + 2fx(n - 1) – y2 = 0;

для случая n < 1:

x2(1 – n2) - 2fx(1 - n) + y2 = 0.

Из этих уравнений видно, что при n > 1 профиль линзы имеет гиперболическую форму, а при n < 1 - эллиптическую. Из данных уравнений получим для заданных значений D' и D'' расчетные формулы для максимальной толщины линзы

Из этих выражений видно, что d' всегда вещественно, d'' вещественно лишь при

Это означает, что при n > 1 для любого размера раскрыва D и любого фокусного расстояния f может быть найдена такая толщина линзы, при которой сферическая волна будет преобразована в плоскую, в то время как при n < 1 сферическая волна может быть преобразована в плоскую лишь при сравнительно больших фокусных расстояниях, определяемых неравенством.

4. Линзовые антенны с широкоугольным сканированием.

Апланатические линзы. Как отмечалось ранее, при смещении облучателя из фокуса перпендикулярно фокальной оси направление максимального излучения также смещается. Однако если не принять специальных мер по оптимальному подбору конфигурации линзы, то даже при небольшом смещении облучателя ее направленные свойства существенно ухудшаются (уменьшается КНД, увеличивается УБЛ и т.д.).

Пусть облучатель смещается из фокуса на небольшое расстояние d , причем d << f, где f - фокусное расстояние линзы (рис.2.47). Тогда разность путей луча FA (A - текущая точка на освещенной поверхности линзы) и луча F'A определяется равенством FA - F'A = δ∙sinψ .

Чтобы при сканировании направленные свойства антенны практически не искажались, необходимо, чтобы расфазировка поля в раскрыве линзы, вызванная разностью хода δ∙sinψ , была линейной или, другими словами, чтобы величина δ∙sinψ была пропорциональна y

y = f'∙sinψ ,

где f'- постоянная величина, не зависящая от ψ, которая обычно называется параксиальным фокусом. Это равенство называется условием Аббе. Линзовые антенны, для которых условие Аббе выполняется, называются апланатическими и обеспечивают широкоугольное безиыскаженное сканирование.

Неоднородные линзы. Линза Люнеберга.

Неоднородные линзы - линзы, показатель преломления которых меняется от точки к точке. Траектория лучей в такой линзе криволинейна.

Наибольшее практическое значение среди них имеет линза Люнеберга. Люнеберг показал, что сферическая линза, выполненная из неоднородного диэлектрика, показатель преломления которой меняется по закону

(где r - текущий радиус; R - радиус линзы) и возбуждается облучателем F в какой-либо точке ее поверхности, преломляет лучи таким образом, что на выходе линзы имеет место синфазный фронт волны

Рис.2.48. Линза (а) и рефлектор (б) Люнеберга

Линза Люнеберга может быть использована и как радиолокационный отражатель (рефлектор Люнеберга). Для этого необходимо металлизировать часть поверхности линз.

Плоские проходные линзы.

Для выравнивания фазового фронта используются специальные линии задержки

5. Схема и принцип действия параболических антенн (достоинства и

недостатки).

Антенна состоит из металлического зеркала в виде параболоида вращения и облучателя, помещенного в фокусе. Действие параболического зеркала заключается в том, что расходящиеся лучи, идущие от источника, находящегося в фокусе зеркала, после отражения от его поверхности становятся параллельными.

Энергия, направляемая облучателем на зеркало, возбуждает его, т.е. возбуждает токи на его поверхности. Каждый элемент поверхности параболоида, обтекаемый током, можно рассматривать как элементарный источник, излучающий энергию по весьма

широкой диаграмме. Как известно, для получения узкой ДН необходимо распределить энергию

между большим количеством элементарных вибраторов, располагаемых и возбуждаемых таким образом, что в нужном направлении их поля оказываются синфазными. В данном

случае распределение энергии осуществляется облучателем, а роль элементарных вибраторов играют элементы возбуждаемой поверхности параболоида, причем

распределение токов в пространстве таково, что в направлении оси z все элементы параболоида создают поля одинаковой фазы.

Для точного расчета излучения параболической антенны традиционно используется метод эквивалентных поверхностных электрического и магнитного токов.

Применяются два способа записи интегралов излучения: 1) с интегрированием по поверхности плоского раскрыва и по теневой (тыльной) стороне параболоида; 2) с интегрированием по криволинейной поверхности, которая проходит по освещенной и

теневой сторонам параболоида. Для упрощения в обоих случаях излучением относительно малых электрических поверхностей токов на теневой стороне параболоида пренебрегают.

Преимущества: простота изготовления и широкий спектр сканирования,

Недостатки: облучатель закрывает часть передаваемого сигнала, что уменьшает эффективность антенны;

6. Эффективность параболических антенн.

Рассмотрим раскрыв параболоида как излучающую поверхность. Если распределение поля на поверхности синфазно и равномерно, то КНД возбуждаемой поверхности в направлении оси oz может быть определено формулой

где S - площадь возбуждаемой поверхности. Пусть теперь в раскрыве антенны распределение поля задано функцией Е(М), где М - текущая точка поверхности. Тогда КНД такой антенны определяется следующей формулой:

где

Согласно неравенству Коши-Буняковского

поэтому ka ≤ 1.

Таким образом, в классе синфазных распределений апертурный коэффициент использования площади не превышает единицы, причем ka = 1 справедливо только для равномерного распределения.

Для параболических антенн с круглым раскрывом во многих практических случаях можно аппроксимировать параболическое распределение с пьедесталом

.

На краю раскрыва E(R0) = 1 - . Эта величина обычно называется пьедесталом распределения. В этом случае величина апертурного коэффициента использования антенны с параболическим распределением выражается формулой

Коэффициент перехвата. Обозначим полную мощность, излучаемую облучателем, через PΣ, а мощность, попадающую на зеркало антенны, через Pn. Тогда коэффициент

характеризует эффективность канализации энергии облучателя на зеркало антенны и называется коэффициентом перехвата.

Коэффициент утечки kут= 1 – k0 = (PΣ – Pn)/PΣ определяет долю энергии облучателя, проходящую мимо зеркала антенны. Таким образом, КНД параболической антенны с учетом утечки части энергии облучателя за края зеркала будет

Формула (2.29) определяет КНД антенны в идеальных условиях (абсолютно точное выполнение профиля зеркала, отсутствие затенения раскрыва зеркала и т.д.).

Назовем коэффициентом использования поверхности параболической антенны ku отношение ее КНД к КНД идеальной поверхности такой же площади с синфазным и равномерным распределением поля. Имеем ku = ka k0 k, где коэффициент k учитывает дополнительные факторы, влияющие на эффективность параболической антенны.

7. Понятие оптимального облучателя.

Оптимальное облучение параболоида. Для обеспечения высокой эффективности параболической антенны необходимо иметь равномерное или близкое к равномерному распределение поля в раскрыве антенны и минимальную утечку энергии облучателя мимо зеркала антенны. Эти требования противоречат друг другу. Действительно, чем равномернее распределение поля в раскрыве антенны, тем больше его уровень на краю антенны и тем, следовательно, надо ожидать большей утечки энергии. С другой стороны, добиться высокого коэффициента перехвата можно лишь при низком уровне облучения края антенны, что противоречит требованию равномерного освещения поверхности и снижает апертурный коэффициент использования. Поэтому для достижения максимального эффекта необходим компромисс между требованием равномерного распределения и требованием минимальной утечки.

Анализ показывает, что для большинства облучателей отмеченный компромисс имеет место, если кромка антенны возбуждается примерно на 10 дБ слабее, чем центр антенны. При этом ku ' = ka k0 составляет примерно 70 - 80 %.

При освещении кромки зеркала уровнем –10 дБ обеспечивается максимум КНД. В тех случаях, когда основным требованием, предъявляемым к антенне, является высокая помехозащищенность, следует подбирать облучатель таким образом, чтобы освещенность края была близка к нулю

8. Двухзеркальные параболические антенны (антенны Кассегрена и

Грегори).

Двухзеркальная антенна состоит из облучателя 1, освещающего поверхность небольшого зеркала 2, от поверхности которого волна направляется на большое зеркало 3. После отражения от большого зеркала в его раскрыве создается синфазное поле. Будем в дальнейшем использовать термины "малое зеркало" и "большое зеркало". Питание к облучателю подводится фидером 4 от передатчика (приемника) 5.

Cферическая волна, излучаемая из фокуса параболоида, преобразовывается в плоскую, а исходя из какого-либо фокуса гиперболоида или эллипсоида, после переизлучения сохраняет сферическую форму фронта волны. При этом ее фазовый центр переносится во второй фокус малого зеркала. Если второй фокус (точку фазового центра) совместить с фокусом параболоида, то после второго переизлучения от параболоида образуется плоская волна

Рис.2.55. Двухзеркальные антенны: а – Кассегрена; б- Грегори

У двухзеркальных антенн появляется новый фактор - можно регулировать форму поверхности малого зеркала. Подбором его формы и формы большого зеркала можно изменять и фазовое, и амплитудное распределение в раскрыве и оптимизировать их. При двухзеркальной антенне можно максимально уменьшить длину волноводного тракта, располагая облучатель вблизи вершины большого зеркала. Двухзеркальные антенны имеют очень слабое заднее излучение и очень слабое ближнее поле. По этим признакам двухзеркальные антенны сравнимы с рупорными и рупорно-параболическими антеннами.

9.Сферическое зеркало (принцип действия, область применения).

Всферическом зеркале благодаря центральной симметрии можно (при перемещении облучателя по концентрической кривой) качать луч в пределах широкого угла без искажения ДН. Для пояснения особенностей сферического зеркала обратимся к рис.2.56,а, на котором СО''D - дуга окружности радиуса R с центром в точке О. Уравнение дуги CO''D имеет вид: