Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Техническая электродинамика. Антенны, распространение радиоволн. Учебно-методическое пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ТЕХНИЧЕСКАЯ
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА
АНТЕННЫ, РАСПРОСТРАНЕНИЕ
РАДИОВОЛН
Учебно-методическое пособие
НОВОСИБИРСК
2016
1
УДК 621.396.67(075.8)
Т 382
Коллектив авторов:
Ю.О. Филомонова, Б.И. Иванов
Е.А. Муценик, К.А. Лайко
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор В.П. Разинкин
канд. техн. наук, доцент А.Н. Денисов
Работа подготовлена на кафедре конструирования и технологии
радиоэлектронных средств и утверждена Редакционно-издательским
советом университета в качестве
учебно-методического пособия
для бакалавров РЭФ, направление 11.03.03 «Конструирование
и технология электронных средств»
Т 382 Техническая электродинамика. Антенны, распростра-
нение радиоволн: учеб.-метод. пособие / Ю.О. Филимонова,
Б.И. Иванов, Е.А. Муценик, К.А. Лайко. – Новосибирск: Изд-во
НГТУ, 2016. – 51 с.
ISBN 978-5-7782-3110-8
Пособие представляет собой сборник примеров и упражнений по
курсу «Техническая электродинамика» и включает в себя краткие
теоретические сведения. Предназначено для бакалавров факультета
радиотехники и электроники, направление 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств».
УДК 621.396.67(075.8)
ISBN 978-5-7782-3110-8 Филимонова Ю.О., Иванов Б.И.,
Муценик Е.А., Лайко К.А., 2016
Новосибирский государственный
технический университет, 2016
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Курс «Техническая электродинамика» включен в программу в связи с необходимостью обеспечения сквозной подготовки бакалавра и в
соответствии с требованиями государственного образовательного
стандарта к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы по направлению подготовки дипломированного
специалиста 11.03.03 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств».
Основная цель курса – получение фундаментальных знаний по основам теории электромагнитных процессов, происходящих в различных средах, влиянию передачи электромагнитной энергии, объемным
и планарным резонаторам, СВЧ-устройствам и антеннам.
Основу курса составляют математические модели электромагнитного поля в различных средах, на границах раздела сред в антеннофидерных устройствах и устройствах СВЧ.
Структура курса разбита на десять основных тем и
изучения физических основ плоской однородной электромагнитной
волны, изучения ее свойств отражения и преломления. Изучение этой
темы невозможно без твердого знания основ векторного анализа и линейной алгебры. Подробно рассматривается теория различных линий
передач, типов волн в линиях передач. Кроме того, рассматриваются
основные типы резонаторов, выполненных в виде волноводов
нарных структур. В заключение рассмотрены вопросы распространения радиоволн, уравнения радиолокации, конструкций антенн СВЧ и
фазовых антенных решеток.
В рамках данного курса один из авторов (доц. К.А. Лайко) читает
лекции по дисциплине «Техническая электродинамика», где более подробно освещены вопросы распространения радиоволн и работы СВЧустройств. Настоящее учебное
курсу.
пособие является дополнением к этому
начинается с
и пла-
3
,
E
E
E
E
1. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ АНТЕНН
1.1. ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ
Диаграмма направленности (ДН) – это зависимость в дальней зоне
комплексных компонентов напряженности электрического поля от угловых переменных
сферической системы координат:
Ф (, )
i
,
(, ) (, ) (, )
FFpe
,
где
(, )F – амплитудные ДН по полю для компонентов
(, )p – поляризационная диаграмма;
,
граммы для компонентов
.
Ф (, )
,
– фазовые диа-
,
Когда говорят о диаграммах направленности, прежде всего под ними понимают амплитудные ДН. Диаграмма направленности характеризует возможность антенны концентрировать энергию в заданном
угловом секторе в пространстве. В некоторых случаях используется
2
(, )F
понятие амплитудной ДН в квадрате, т. е.
. Поскольку среднее
(во времени) значение плотности потока мощности в дальней зоне
2
(, )F
пропорционально квадрату амплитудной ДН, функция
назы-
вается диаграммой направленности по мощности.
Изображение ДН в трехмерной графике имеет вид замкнутых поверхностей (рис. 1.1). На практике обычно ограничиваются сечениями
const
ДН в двух взаимно ортогональных плоскостях
и
const
проходящих через направления максимумов излучения. Эти сечения
называются главными (на рис. 1.1 они заштрихованы). Их можно провести таким образом, чтобы вектор электрического либо вектор магнитного поля лежал в этих сечениях. Тогда говорят ДН в E-плоскости
или в H-плоскости. На рис. 1.2 изображены ДН в этих сечениях в полярной и декартовой системах координат.
4
;
,
б
а
в
г
Рис. 1.1. Виды пространственных диаграмм направленности:
а – тороида, соответствующая ДН элементарного электрического вибратора;
б – остронаправленные (игольчатой формы); в и г – главные направления
максимумов излучения в двух взаимно ортогональных плоскостях
const
и
а б
const
Рис. 1.2. Способы изображения диаграмм направленности:
а – в полярной и декартовой системах координат; б – в логарифмическом масштабе
5
Направленные свойства антенны характеризуют ширину ДН. Вво-
E
E
E
E
дится понятие ширины главного луча по уровню половинной мощности –
левого излучения
. Иногда ширину главного луча определяют по уровню ну-
2
0,5
2
.
0
Наряду с шириной луча важным параметром является уровень боковых лепестков (УБЛ) антенны
. УБЛ характеризуют максимумом
наибольшего бокового лепестка по отношению к значению главного
максимума. Ширина луча и УБЛ антенны являются параметрами,
определяющими разрешающую способность и помехозащищенность
радиосистем.
1.1.1. ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ
Под фазовой диаграммой (ФД) понимают зависимость от угловых
координат
уса
вой диаграммой называют угловую зависимость расстояния (, )r
, фазы поля в дальней зоне на поверхности сферы ради-
constr . Существует и второе равнозначное определение: фазо-
от
фазового центра до точек на эквифазной поверхности. Таким образом,
ФД характеризует фронт волны, который является поверхностью равных фаз и определяется уравнением
где
Ф const
0
(, ) ФФ(, )kr
0
.
1.1.2. ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ ДИАГРАММА
,
Поляризационная диаграмма антенны (ПД) определяется характером изменения во времени и в пространстве величины и ориентации
вектора напряженности электрического поля
.
Поляризация называется линейной, если плоскость поляризации с
течением времени не меняет своего положения в пространстве. Разли-
чают при этом горизонтальную поляризацию (вектор
поверхности земли), вертикальную (вектор
верхности земли) и наклонную. Если вектор
перпендикулярен по-
вращается вокруг
параллелен
направления распространения, делая один оборот за период СВЧ-
6
колебаний, то вместе с ним вращается плоскость поляризации, и поля-
Z
R
R
R
R
ризацию тогда называют вращающейся или эллиптической. В зависимости от направления вращения различают поляризацию правого и
левого вращения.
1.2. ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
Входное сопротивление антенны – это сопротивление, измеренное
на ее входе. Если на входе антенны известны комплексные амплитуды
тока и напряжения, то
U
где
RR
вх п
вх
I
вх
RiX
вх вх вх
.
,
Активная часть входного сопротивления представляет собой сумму
сопротивления излучения
и сопротивления активных потерь
в
п
антенне. Реактивная часть входного сопротивления антенны связана с
реактивной мощностью.
Входное сопротивление определяет согласование антенны с фидерным трактом и ее способность к излучению и (приему) электромагнитных волн с максимальной эффективностью.
1.3. КОЭФФИЦИЕНТ НАПРАВЛЕННОГО
ДЕЙСТВИЯ
Коэффициент направленного действия (КНД) характеризует способность антенны концентрировать излученную мощность в определенном направлении. КНД (обозначим его
D
) показывает отношение
модуля вектора Пойнтинга в направлении максимального излучения на
удалении
в дальней зоне к среднему модулю вектора Пойнтинга на
поверхности сферы того же радиуса, охватывающей антенну. Таким
образом, имеем:
П
max
D
при
П
ср
constR
.
7
Значение КНД в направлении главного максимума
F
E
4
D
2
00
2
(, )sin
.
dd
При проектировании антенны полезны следующие формулы расчета:
4 S
D
2,2
эф
,
2
0,5 0,5
H
– ширина ДН по
где
32 000
D
– эффективная площадь антенны;
S
эф
EH
22
0,5 0,5
;
уровню половинной мощности в главных плоскостях в градусах.
– это поверхность фронта плоской электромагнитной волны, с
S
эф
которой антенна «собирает» и направляет в согласованную нагрузку
принимаемую мощность с направления максимума ДН при полном
совпадении поляризации падающей волны и приемной антенны, при
отсутствии в антенне потерь.
1.4. КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ПОВЕРХНОСТИ РАСКРЫВА
Коэффициент использования поверхности раскрыва (КИПР) – относительный коэффициент усиления антенны. Показывает, насколько
эффективно используется поверхность системы (апертуры):
S
эф
где
S
– геометрическая площадь раскрыва.
геом
S
,
геом
КИПР зависит от амплитудно-фазового распределения поля в апертуре антенны и не превышает единицы. Только для синфазного равномерного амплитудного распределения КИПР равен единице.
8
1.5. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ
R
f
f
Коэффициент полезного действия (КПД) определяет способность
антенны преобразовывать подводимую к ней энергию в излучаемую:
P
– мощность излучения;
где
тенне;
– активная часть входного сопротивления антенны. Фор-
вх
PRR
PP R R R
пΣвхпвх вх
Σвх Σвх
P
– мощность активных потерь в ан-
п
,
мула записана для антенны, согласованной с фидером.
Потери в антенне складываются из потерь в металлических конструкциях, диэлектрике и изоляторах.
1.6. КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ
Коэффициент направленного действия не учитывает потерь под-
G
водимой энергии в антенне, в связи с чем вводится параметр
, учи-
тывающий эти потери и называемый коэффициентом усиления (КУ)
антенны:
GD.
КУ показывает, во сколько раз должна быть увеличена входная
мощность при замене реальной направленной антенны с потерями на
абсолютно ненаправленную гипотетическую антенну без потерь при
условии сохранения модуля вектора Пойнтинга в точке наблюдения.
КУ поддается непосредственному измерению методом сравнения.
В этом методе используется вспомогательная эталонная антенна с известным КУ.
1.7. ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Диапазон рабочих частот антенны – это частотный интервал от
min
до
, в пределах которого параметры антенны не выходят из
max
заданных техническими условиями значений. Определяют как
ff
f
2 100 %
fff
ср max min
max min
9
.
При
10 %
/10%ff
ср
/50%ff
ср
сверхширокополосной, а при
антенну называют узкополосной, при
– широкополосной, при
/ 100 %ff
ср
50 % / 100 %ff
ср
– диапазонной. Широко-
–
полосные свойства антенны характеризуются также коэффициентом
перекрытия по частоте
п max min
/Kf f
.
1.8. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ
Электрическая прочность антенны, как и электрическая прочность
устройств СВЧ, определяется наибольшей мощностью, пропускаемой
антенной, или максимальной напряженностью поля между токонесущими элементами антенны, начиная с которой происходит пробой. Эти
значения называются критическими. Они ограничивают предельно допустимую мощность в антенне. Разрешенная для эксплуатации мощность выбирается обычно в четыре раза меньше
предельно допустимой, поскольку в режиме стоячей волны напряженность электрического поля в максимуме в два раза больше напряженности поля в режиме
бегущей волны.
Во время пробоя или разряда закорачиваются отдельные элементы
антенны, появляются дополнительные направления распространения
тока, что приводит к рассогласованию и резкому снижению мощности
излучения. При переходе разряда
в дуговой (пробой воздуха, молния)
происходит значительное выделение тепла, разрушение диэлектрика и
его выгорание.
1.9. ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТЬ АНТЕННЫ
Помехозащищенность антенны характеризуется уровнем боковых
лепестков (УБЛ) и определяется с помощью коэффициента защитного
действия (КЗД).
КЗД антенны – отношение мощности, выделяемой антенной на согласованной нагрузке при приеме с бокового направления, к мощности
на той же нагрузке при приеме с главного направления:
P
10
P
общ
max
КЗД 10lg
.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]