Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

АФУ

.pdf
Скачиваний:
53
Добавлен:
17.03.2015
Размер:
2.95 Mб
Скачать

РАЗДЕЛ №1. АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА РЭТ. ТЕМА №1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ АНТЕНН.

Любая антенна предназначена для излучения (приема) ЭМВ. Антенны делаются из метала т.к. внем много свободных зарядов. Под каждый диапазон волн используются свои антенны. Если l/л<1 -длинные волны, если l/л=1 – это КВ, если l/л>1 –УКВ.

В нашем курсе мы рассматриваем антенны УКВ. ФАР(фазированные антенные решетки). Антенны с обработкой сигналапередатчики приемники выносятся непосредственно на приемное полотно(сокращая потери в тракте).

К проволочным антеннам можно отнести вибраторные антенны. Простой симметричный вибратор.

Решетки поперечного излучения. Максимум излучения в плоскости, перпендикулярной полотну. Набор вибраторов запитанных от одного источника(синфазное полотно). ФАР по внешнему виду практически невозможно отличить от решеток поперечного излучения (отличие в том, что каждый излучатель запитывается со своей амплитудой и фазой).

Решетки осевого излучения(директорные антенные). Основой является активный вибратор( на рисунке Вибратор Пистелькорса) также рефлектор и необходимое количество директоров(для усиления). Данная антенна излучает вдоль своей оси. Также представлены разновидности вибраторных антенн.

Спиральные антенны.Активно используются. Могут принимать(излучать) кругло поляризованные волны, те фактически волны с любой поляризацией.

Антенны акустического типа. Волноводные антенны(волновод с открытым концом). Для сужения ДН применяются рупорные антенны.

Виды рупоров (H-секториальный, E-скториальный, коробчатый, конический, биконический(круглый расширяющийся волновод )).

Для того чтобы сузить ДН увеличивают количество излучателей и делают своеобразные решетки излучения. Решетка из 4х излучателей (директорных антенн). Решетка из 4х рупорных антенн обеспечивает сужение ДН. Волноводные разветвления, конструкция из 4х h-секториальных рупоров(формирует веерную ДН).

Антенны оптического типа.Производится выравнивание фронта волны.

Линзовые антенны. Облучатель стоит перед линзой. Лучи проходя через линзу формируют плоский фронт волны. Сплошная линза из диэлектрика позволяет сформировать довольноузкую ДН, но имеет большой вес. Поэтому делают облегченные варианты, диэлектрические дырчатые линзы. Различают ускоряющие(n<1) и замедляющие(n>1) линзы. Есть линзы спеременнымn. (линзы Люниберга).

Геодезическая линза(n=1) в тело линзы вкраплены металлические пластины.

Зеркальные антенны. Облучатель создает теневой эффект. Антенны в виде зеркала параболический цилиндр, облучатель в виде сегмента(вырезки) из параболоида. Также есть возможность формировать многолучевую ДН.(сложная облучающая система). Перископическая антенна чтобы не тянуть волноводный тракт в верхней антенне. Разновидность зеркальных антенн в виде развернутой книжки. Чтобы исключить теневой эффект и создать ДН направленности спец формы, делают различную кривизну зеркала.(офсетные антенныизлучатель смещается ниже).

Щелевые антенны. Щели прорезаются в месте где идут максимальные поверхностные токи. В местах выреза будет ток смещения. Как правило длина равна половине длины волны. ДН довольно широкая, но преимущество в низких ветровых нагрузках.

Антенны поверхностных волн. Представляют собой облучатель, диэлектрический слой либо замедляющая структура типа гребенки, и волна распространяется по поверхности этой антенны(огибая замедляющую структуру).

Радиотехнические характеристики и параметры передающих антенн, Определяющие преобразовательные свойства.

Любую антенну можно представить в виде элементарной модели в которой есть сопротивление излучения, потерь, активное и реактивное сопротивление X. Если мы подключим

к антенне передатчик.

 

U

1

Zвх.

A

Rвх. jXвх.

 

 

IA

 

На мощность излучения влияют R и сопротивление потерь .Следовательно подводимая

мощность.Рпод. Р Рпот. 2 С другой стороны мощность излучения:

Р IA2 2R , 3 R 2IРA2 . 4 Р 40 2 Im2 l 2 , 5 R 80 2 l 2 . 6

Аналогично рассчитаем сопротивление потерь и введем КПД антенны:

Рп

IA2

Rп

; 7

P

, 8 2 8

 

P

, 9 Р

I2 R

 

 

R

; 10

 

2

Pпод.

Р

Pпот.

 

R

Rпот.

 

 

 

 

2

 

 

(на расчет этих параметром влияет поле в ближней зоне)

КПД-отношение мощности излученной в заданных границах пространства ко всей мощности, подводимой к антенне. Мощность потерь это часть подводимой мощности, тратящаяся в основном на тепло.

Действующая длина антенны. Рассмотрим, вся ли часть антенны, излучает эффективно в пространство.

Рассмотрим линейные антенны. Где амплитуда поля в точке наблюдения будет больше?! Данный параметр зависит от амплитудного распределения тока. 1 распределение Ам равномерное, следовательно эффективно излучает каждый излучатель.2 неравномерное А рас-

пределение, крайние участки мало участвуют в излучении, в середине больше.

EA1 EA2 , Lд L. Потому что не вся антенна эффективно излучает в заданных границах

пространства. Действующая длина антенны(действующая площадь) это длина антенны с равномерным А распределением тока которая создает в свободном пространстве туже напряженность поля в направлении максимального излучения, что и антенна с неравномерным распределением тока. Т.е. ДДА меньше чем геометрическая длина(площадь) антенны. Введем коэффициент использования поверхности антенны.

Lд ; Aэфф. .

L Aгеом..

Из прошлого семестра:

L

 

r Emax

,

12

k

 

2

;

E

 

 

30k Lд IA

, 13

 

 

 

 

 

 

 

 

д

 

30k IA

 

 

 

 

 

 

 

max

 

r

 

Если ток зависит от длины Z:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

30k

 

L

 

 

L

 

I I Z ,

Lд dZ,

Emax

 

 

 

I Z dZ, 14 S1 I Z dZ,

15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

Z 0

 

 

Z 0

 

Полагая (s1(вся площадь) s2(излучающая площадь)):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

1

 

 

L

 

 

 

 

S

 

S L I

L

 

 

1

 

 

 

 

I Z dZ. 16 q . 17

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1

д

д

I

 

 

 

I

 

Z 0

 

 

 

 

Где q коэффициент использования антенны. Также нельзя превышать 30кВ/см.(диэлектрический пробой)

Характеристики и параметры направленности передающих антенн. Особенности поля в дальней зоне.

Пусть имеется ряд излучателей. 0 совместим с началом координат. Определить поле в точке наблюдения. Точка наблюдения в дальней зоне.

Из-за того что расстояния от разных излучателей до точки наблюдения различны, будет разность хода волн. Т.к мы рассматриваем дальнюю хону(Фраунгоферову)то лучи идущие от излучателя можно считать параллельными.

ДН элементарного излучателя.

Диаграмма

направленности

В плоскости Е

В плоскости Н

Рис. 2

Поскольку законы электродинамики линейны(все члены в 1степени), то принцип суперпозиции применим, то любую антенну можно разбить на элементарные излучатели. Следвательно напряженность поля в точке (p) будет определятся:

 

 

 

 

 

 

 

 

jkr

 

 

 

 

 

 

 

E p Ei p ;

1

E

 

j

60 I l

e

 

; 2 Ei

p j

Z0

 

Ii

l

sinθi

ej t kri i i ; 2

r

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

2

 

ri

 

Z0 120 ,k 2

Добавляем синус, т.к. рассматривается уже система излучателей.

Рассмотрим элементарный вибратор. (i орт системы координат).

Из под знака сумму вынесем все кроме направления.

 

 

 

 

 

 

Z

 

 

 

l

 

j t kr0

 

 

 

 

 

 

0

 

I0

 

1,2

 

E

p

j

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

2

r0

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r0

 

 

 

 

 

jk r r

 

; 3

 

i

 

 

 

sinθi

e

 

 

0

i

i i

I

r

 

 

 

 

 

i

 

0

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поясним рисунком 4 на примере двух излучателей, а потом перенесем это на систему излучателей.

2L2

Критерий дальней зоны.r . Возникает вопрос, чему равна разность хода волн

0

r0 ri ?Из теоремы Пифагора.

ri

r0 i

cos ipi

ip (уупрощени дальней зоны) r0

 

i ip ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

p

 

Z0

 

I0 l

 

 

j t kr0

 

 

 

Ii

 

 

 

 

 

; 5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

jk i

ip

 

r0

ri i

ip;

4

 

 

 

 

; E

j

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

sinθi

e

 

 

i i

 

r

r

2

r

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

i

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

j t kr0

 

 

 

 

Z

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

Ii

 

 

 

jk i

ip

 

 

 

 

5 E p I0

f

θ,

 

 

 

 

; 6

f θ, j

 

 

 

 

 

 

sinθi e

 

 

i i

;

7

 

 

 

 

 

 

I0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r0

 

 

 

 

2

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f θ, комплексная векторная ДН.

(6) - Обобщенная запись напряженности электрического поля в точке наблюдения для произвольной антенны. (7) - Векторная комплексная ДНА.

Из этого следует, что зависимость от угловых координат(тетта и фи) и расстояния являются разделяющимися. Следовательно Характеристики.

1)Для различных фиксированных расстояний угловое распределения поля одинаковое, уменьшается только амплитуда.

2)Все орты i i расположены в плоскости перпендикулярной распространению ЭМВ. Т.Е. вектора E и H расположены аналогично ортам i i в плоско-

сти перпендикулярной на-

правлению распространения. Т.Е. по-

ле в дальней зоне является

поперечным, волна типа Т.

Ei Z0 120 ;

Hi

 

 

 

 

e

j t kr0

 

3) Из

E

p I0

f θ,

 

 

видно, что зависимость поля от расстояния есть зависи-

 

r0

 

 

 

 

 

 

 

 

мость сферической волны, а сферическую волну создает точечный источник, следовательно антенне можно представит в виде точечного источника помещенного в начало координат. На основании свойства 2, достаточно, для описания векторной природы поля в картинной плоскости ввести пару ортогональных ортов по которым можно разложить вектор Е. Эти орты базисные, выбираются из практики. Введем орты сферической системы координат.

Функцию мы можем разложить по ортам.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, делая математически преобразования

 

 

 

f , i

f , i f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и вводя обозначения получим

f , e, Р , ; 8

 

 

 

f , -Амплитудная ДН.

 

 

-фазовая ДН. Р , - вектор поляриза-

 

 

 

Ф ,

 

 

ции излучения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

j

t kr0

 

 

e

j t kr0

 

 

6 E p I0 f

θ,

 

 

 

I0

f θ, P θ,

 

 

; 9 (9) Мгновенное значение

 

 

r0

 

 

 

 

поля в дальней зоне.

 

 

 

 

 

 

 

r0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

jkr0

Комплексное значение. -

 

E p I0

f θ, e, P θ,

 

; 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r0

Формула для амплитуды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E p

I0

f θ, ; 11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ДНА. Виды и параметры ДН.

ДН по полю называют зависимость амплитуды поля от пространственных угловθ, при неизменных условиях наблюдения и возбуждения. Нормированная ДН.

F ,

f ,

 

 

E ,

 

. 12

fmax ,

Emax ,

 

 

 

ДН по мощности называется зависимость плотности потока излучаемой мощности от пространственных углов θ, при неизменных условиях наблюдения и возбуждения. Нормированная ДН.

,

S ,

 

 

E2 ,

 

F2 , . 13

Smax ,

E2max ,

 

 

 

Нормированная ДН обеспечивает облегчение сравнения направленных свойств различных антенн.

ДН имеет сложную многолепестковую структуру.

ДН характеризуют формой главного лепестка и шириной ДН в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

К параметрам ДН любой антенны мы можем отнести:

1)Вид ДН

2)Ширину ДН в двух ортогональных плоскостях

3)Уровень боковых лепестков. Ширину ДН могут измерять по уровню половинной мощности 2 0,5p 2 0,707E (0,707 по

Амплитуде) или по нулевому уровню2 0 . Как правило ширину ДН измеряют по 2 0,5p .

Тороидальная(если вращать элементарный электрический или симметричный вибратор)

Игольчатая –как ручка(ширина в обеих плоскостях одинаковая).

Веерная - в одной плоскости широкая в другой узкая. Используется в дальномерах. Косекансная(спец вида) используется в радиолокации.

От выбора ДН зависит выбор способа обзора пространства.

Уровень боковых лепестков снижает мощность, скрытность, электромагнитную совместимость, помехозащищенность. Ширина ДН влияет на точность измерения координат и на разрешающую способность.

2 0,707E 2 0,5p; 2 0,33E 2 0,1p. 14

Fбл дБ 20lgFбл 10lgF2бл. 15

Ниже изображены ДН в прямоугольной системе координат, в полярной системе координат и реже отображают ДН картографическим способом.

в)

Фазовая ДНназывают зависимость начальной фазы поля от пространственных углов θ, при неизменных условиях наблюдения(фиксированного расстояния от начала координат) и возбуждения. Для характеристики фазы удобно рассматривать эквифазные поверхности которые тесно связаны с фазовой ДН. Эквифазная поверхность(фронт волны) представляет собой поверхность в пространстве во всех точках которой в данный момент времени фаза одинакова.(16) уравнение эквифазной поверхности, Ф0 начальная фаза тока,

Ф , фазовая ДН.

Ф , Ф0 kr0 C; 16

Решаем относительно r0 получаем уравнение сферы.

r0

 

Ф , Ф0 C

; 17

 

 

 

k

В отличии от амплитудной ДН, фазовая ДН зависит от положения начала координат на антенне. Если сместить начало координат на ,то в новой фазовая ДН будет определяться:

Ф , Ф , k cos . 18

Если можно найти такое положение начала координат в антенне, где фазовая ДН=const или меняется скачком от одного лепестка к другому, то говорят что начало координат совпадает НК совпадает с фазовым центром антенны. В этом случае фронт волны представляет собой часть сферы хотя бы в пределах ДН, следовательно, антенна имеет фазовый центр. Также, Если в пределах ДН получаем сферическую волну и фаза там либо постоянна либо меняется скачком на п при переходе от одного главного луча на другой, то имеется фиктивный фазовый центр.

Облучатель помещаем в фазовый центр, если фазового центра нет то можно совместить облучатель с фокусом параболоида, тем самым обеспечить в пределах ДН сферическую волну, эту точку принимаю за фиктивный(условный) фазовый цент антенны.

Коэффициент направленного действия. Коэффициент усиления. Поляризационная диаграмма. Рабочий диапазон частот.

КНД введен Пистолькорсом в 1929. КНД - характеризует степень выигрыша по мощности получаемого в следствии направленности антенны. Вводится гипотетическая изотропная(ненаправленная) антенна. Которая излучает во все стороны равномерно(создать такую антенну практически невозможно).

Сформировать узкую ДН можно моделью зеркальной антенны, облучатель помещен в фокусе (фазовом центре антенны), на выходе происходит фокусирование электромагнитной энергии, выравнивание сферической волы в плоскую.

КНД показывает во сколько раз мощность излучаемая изотропной антенной должна быть больше мощности излучаемой рассматриваемой антенны при условии равенства возбуждаемых ими полей направлении углов θ, .

D ,

P 0

при E , E0. 19

P

 

 

КНД – показывает во сколько раз плотность потока мощности излучаемая антенной в направлении углов θ, больше чем плотность потока мощности излучаемой изотропной антенной при условии равенства мощностей излучаемых обеими антеннами.

D ,

E2 ,

 

при

P

P . 20

E02

 

 

0

 

Замечание: КНД определяется только формой ДН(шириной ДН). КНД увеличивается с уменьшением ширины ДН. Максимальное значение КНД достигается в направлении главного максимума.

 

 

4

Dmax

 

 

, 21

2

 

 

 

 

F2 , sin d d

0 0

Текущее значение КНД.F2 , -квадрат нормированной ДН.

D , Dmax F2 , , 22

Формула максимально КНД(применятся дли игольчатых ДН), практическая формула.

D

max

 

25000 30000

, 23

 

 

 

 

 

 

2 00,5p 2 00

,5p

Напряженность поля в дальней зоне.

 

 

 

 

F , . 24 -формула идеальной радиопередачи.

E ,

 

60P Dmax

 

r0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Dmax дБ 10lgDmax. 25

Элементарный вибратор КНД=1.5. Симметричный полуволновый вибратор 1.64, ширина 78. Директорная антенна 20-40. Зеркальная антенна 1000-50000. Зеркальные антенны крупных радиотелескопов 108 .

Коэффициент усиления.

КУ характеризует степень выигрыша антенны с учетом потерь в ней.

Подводимые мощности одинаковы, ДН разные. У 1й антенны потери больше чем во второй. Потери характеризуются КПД.

P ; Pподв. P Pпот.. 26

Pподв.

КУ показывает во сколько раз мощность подводимая к изотропной антенне не имеющей потерь должна быть больше мощности подводимой к рассматриваемой антенне при условии равенства полей возбуждаемых этой антенной в направлении углов θ, .

G ,

P0 подв.

при Е , Е0 . 27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pподв.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

:G ,

P0

подв.

 

P

0

 

 

P

D , . 28

Домножим числитель и знаменатель наP

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pподв.

P . Pподв.

 

Замечание: Для УКВ диапазона n 1, следовательно G D .

 

 

Поляризационная ДН. Величины Е

и Е напряженность электрического поля в

азимутальной и угломестной плоскостях имеют различные амплитуды и как правило

сдвинуты по фазе. Поле антенны будет поляризовано элептически.

Рассмотрим поляриза-

ционный эллипс.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вводится параметр называем коэффициентом поляризации.

(меньше либо равен)

Характеризуется углом наклона большей оси эллипса и направлением вращения вектора Е. При переходе из одной точки в другую, параметры поляризационного эллипса меняются.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.