Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Техническая электродинамика. Антенны, распространение радиоволн. Учебно-методическое пособие
.pdf
ЗАДАЧИ
Z
1. Определить КНД передающей антенны линейной поляризации,
нормированная амплитудная ДН которой описывается выражением
() sinF . Во сколько раз КНД этой антенны меньше КНД антен-
2
ны, нормированная амплитудная ДН которой описывается выражением () sin
F ?
3
2.
Максимальный КНД передающей антенны составляет
Ширина ДН по уровню половинной мощности в плоскости
E
2 200
0,5
сти
Н?
3.
нием с круглым раскрывом
4.
противление
кабелем, волновое сопротивление которого
5.
мрад. Чему равна ширина ДН на этом же уровне в плоско-
Определить КУ антенны с синфазным равномерным распределе-
30R
, КСВ < 2.
Определить КСВ по входу антенны, если известно входное со-
вх
73,1 3,2
j
Ом. Антенна работает с коаксиальным
75Z
Ом.
в
Определить КПД антенны, если КСВ по входу антенны равен 10.
10D
E равна
Потерями в излучающей системе можно пренебречь.
Определить КНД антенны с синфазным амплитудным распреде-
6.
20
лением и КИПР
7.
Передающая антенна характеризуется следующими параметра-
ми: полоса частот 300
зону
1, 2K
п
, волновое сопротивление фидера
. Размеры апертуры
0,8
f МГц, коэффициент перекрытия по диапа-
L
,
x
L
50R
в
.
8
y
Ом. Чему ра-
вен КУ антенны на средней частоте диапазона в направлении максимума ДН, если сопротивление излучения антенны
тивление потерь
1
A
, размеры антенны
n
8.
Относительная полоса пропускания антенны
5R
Ом. Амплитудное распределение равномерное
п
1, 8
L
м;
x
L
y
0,9
м.
45R
Ом, сопро-
пр 0
120 %ff
Определить коэффициент перекрытия диапазона, если несущая частота
излучаемой радиоволны
На какой частоте работает антенна, если ее эффективная поверх-
9.
ность
эф
2
, а КНД в направлении максимума ДН
18 мS
10f
ГГц.
0
10 000D
.
11
.
.
2. ДИПОЛЬНЫЕ АНТЕННЫ
2.1. СИММЕТРИЧНЫЙ ВИБРАТОР
Электрическим вибратором называется проводник конечной длины, в разрез которого подключается источник переменного тока высокой частоты. Отрезки проводника длиной
тока называются плечами вибратора. Если плечи имеют одинаковую
длину (
(рис. 2.1). Здесь
Поскольку
при любой ориентации имеет вид
ll
) и форму, то такой вибратор называется симметричным
12
– ширина зазора, к которому подключается фидер.
l
, то значение L – общая длина вибратора (
Рис. 2.1. Симметричный вибратор
Аналитическое выражение диаграммы направленности вибратора
l с обеих сторон источника
2Ll
).
cos( cos ) cos
kl kl
F
()
где
направлением распространения волны, определяемый через углы
и
соответственно:
– пространственный угол, составленный осью вибратора и
. При ориентации вибратора вдоль координатных осей z, x, y имеем
cos sin sin
cos cos
; cos cos sin
;
(1 co s ) s in
kl
;
sin 1 cos
12
, (2.1)
.
2
Из выражения (2.1) видно, что линейный симметричный электри-
Z
Z
ческий вибратор обладает направленными свойствами только в меридиональной плоскости (
поля этого вибратора в его экваториальной плоскости (
90
когда
, не зависит от угла . Поэтому амплитудная диаграмма
Е-плоскости). Напряженность электрического
H-плоскости),
направленности симметричного вибратора в его экваториальной плоскости представляет в полярной системе координат окружность. Диаграмма направленности полуволнового вибратора в 3D представлена
на рис. 2.2,
кости для различных отношений
а. Расчетные нормированные амплитудные ДН в Е-плос-
/l
показаны на рис. 2.2, б, в, г. Ана-
лиз формулы (2.1) и рассмотрение этих ДН показывает, что при любом
/l
значении
Амплитудная диаграмма направленности при
двух лепестков, каждый из которых является главным (рис. 2.2,
Увеличение длины плеча вибратора до
симметричный вибратор не излучает вдоль своей оси.
/0,5l
состоит из
а, б).
сопровождается ро-
0,5l
стом концентрации излучения в направлении, перпендикулярном оси
вибратора (главное направление излучения), за счет уменьшения излучения в других направлениях. При этом главные лепестки амплитудной ДН становятся уже.
При увеличении длины плеча от
до
0,5l
0,625l
сужение
главных лепестков продолжается, но появляются боковые лепестки
(рис. 2.2,
в). Это объясняется тем, что при
/0,5l
на вибраторе по-
являются участки с противофазными токами, длина которых растет по
мере увеличения
. При /1l
излучение в главном направлении
/l
(вдоль нормали к оси) отсутствует, так как противофазные участки
вибратора имеют одинаковую длину.
Входное сопротивление вибратора зависит от отношения напряжения к току в точках питания
вх
UI
и определяет зависимость со-
гласования входа антенны в нужной полосе частот.
В инженерной практике при расчете входного сопротивления вибратора хорошо зарекомендовал себя метод эквивалентных схем, который распространяется и на другие типы антенн. Согласно этому методу анализируемой антенне ставится в соответствие некоторая эквивалентная цепь с распределенными или
сосредоточенными параметрами.
Значения параметров подбираются таким образом, чтобы входное сопротивление цепи наилучшим образом аппроксимировало входное сопротивление в нужной полосе частот и правильно передавало зависи-
мость
от размеров антенны.
вх
13
Z
R
R
а б
в г
Рис. 2.2. Диаграмма направленности симметричного электрического
вибратора для различных длин его плеч
Для симметричного вибратора используют схему замещения в виде отрезка разомкнутой на конце двухпроводной линии с потерями
(рис. 2.3). Параметрами этой схемы являются длина отрезка
волновое сопротивление
и комплексный коэффициент распро-
в
L
, его
странения
2
где
множитель;
– погонное активное сопротивление каждого проводника длинной
1
– эквивалентный коэффициент фазы; – поправочный
Z
– эквивалентный коэффициент затухания;
1 в
j
,
линии.
Распределение тока в эквивалентном разомкнутом отрезке линии
описывается законом гиперболического синуса и уже не обращается в
нуль в узлах тока.
Условия эквивалентности состоят в следующем.
Длина отрезка полагается равной длине плеча вибратора l.
1.
14
Z
Рис. 2.3. Схема замещения электрического
вибратора двухпроводной линией
2. Полная мощность потерь в схеме замещения и мощность излу-
чения вибратора на всех частотах полагаются равными между собой.
Волновое сопротивление эквивалентной линии для вибратора
3.
длиной плеча
l и радиусом проводника
определяются приближенной
a
формулой
Z
где
Z
0
– характеристическое сопротивление среды, для сво-
0
0
бодного пространства
постоянная;
Эквивалентный коэффициент фазы выбирается больше волново-
4.
410
0
Z
0
7
в
120Z
Гн
м
0
ln 1
Ом;
– магнитная постоянная.
l
a
0
, (2.2)
9
10 Ф
36 м
– электрическая
го числа в окружающей вибратор среде на поправочный множитель
определяемый по экспериментальным данным 1,1
. Коэффициент
фактически учитывает емкости торцов вибратора, а также то, что вибратор в действительности не является однородной линией с равномерно распределенными погонными параметрами.
Пользуясь формулами теории длинных линий с потерями, получаем расчетное выражение для входного сопротивления вибратора:
Zj ljl
вх в
1cth( ),
15
(2.3)
,
где
Z
R
R
R
R
X
– волновое сопротивление линии без учета потерь в ней, опре-
в
деляемое формулой (2.2);
Используя выражение
2
– волновое число.
cth( )
j
sh2 sin 2
ch2 cos 2
j
и выполнив ряд простых преобразований, получим
R
Σ
Zj
вх
RR
WW
п
22
ΣΣ
пп
вв
22
sin sin
W
в
sin 2
kl
2
kl kl
, (2.4)
где
R
вх
1WZ j
вв
R
Σ
п
2
R
Σ
п
W
в
– комплексное волновое сопротивление эквивалент-
2
sin
kl
;
X
вх
W
в
2
R
W
п
в
sin 2
2
kl
sin
,
2
kl
ной вибратору длинной линии с учетом потерь, обычно называемое
волновым сопротивлением вибратора;
Rkl – сопротивле-
ΣΣ
п
ние излучения вибратора, отнесенное к пучности тока;
sin
2
– сопротив-
Σ
ление излучения, отнесенное к току в точках питания:
cos( cos ) cos
kl kl
Z
0
Σ
2sin
0
2
d
.
Графическая зависимость сопротивления излучения от относительной длины плеча тонкого вибратора представлена на рис. 2.4.
Формула (2.4) используется во многих технических расчетах реальных антенн. На рис. 2.4, б изображены кривые зависимостей актив-
ной
и реактивной
вх
составляющих входного сопротивления
вх
16
симметричного вибратора от отношения длины вибратора к длине
X
R
волны
l
для ряда значений la.
а
Рис. 2.4. Сопротивление симметричного вибратора в зависимости
от длины плеча:
а – сопротивление излучения; б – входное сопротивление
б
Анализ графика позволяет сделать следующие выводы.
1.
Вблизи
/0,25l
обращается в нуль, при этом в окрестности
и
/0,5l
реактивная составляющая
/0,25l
вх
вибратор ведет
себя подобно последовательному колебательному контуру, в окрестности
/0,5l
нансных длин несколько меньше, чем
отличием коэффициента фазы
– подобно параллельному контуру. Точное значение резо-
0, 25
и
, что объясняется
0,5
от k. Таким образом, для точной
настройки симметричного электрического вибратора в резонанс длину
вибратора следует несколько укоротить по сравнению с
довательном резонансе) или
(параллельном резонансе); величина
0,5
0, 25
(после-
укорочения зависит от радиуса вибратора. При последовательном резонансе (/ 0,25)l величина
0a
усом
); при увеличении радиуса до
равна 73,1 Ом (для вибраторов с ради-
вх
3
710
17
вх
94,8R
Ом. При
параллельном резонансе (/ 0,5)l величина
R
R
X
D
сильно зависит от
вх
радиуса и составляет сотни и даже тысячи Ом (для вибраторов с ради-
0a
усом
Чем больше радиус вибратора, тем плавнее кривые зависимости
2.
и
вх
).
от частоты. Используя терминологию теории цепей, гово-
вх
рят, что толстые вибраторы (вибраторы с низким волновым сопротивлением) обладают меньшей добротностью по сравнению с тонкими
вибраторами. Такие вибраторы могут без перестройки работать в более
широкой полосе частот.
2.2. КОЭФФИЦИЕНТ НАПРАВЛЕННОГО ДЕЙСТВИЯ
Для расчета КНД линейного симметричного электрического вибратора используется формула
2
2
DF dd
0max
00
(, )sin
,
где (, )F – нормированная амплитудная характеристика направлен-
ности линейного симметричного электрического вибратора (2.1).
Рис. 2.5. Зависимость КНД в направлении нормали
к оси вибратора от длины плеча
18
Расчетные значения КНД для различных длин плеч вибратора
R
изображены на рис. 2.5
Как видно, при малых значениях
к 1,5. Это объясняется тем, что при малых значениях
/l
(от 0,1 до 0,225) КНД близок
/l
нормированная амплитудная ДН по форме мало отличается от диаграммы элементарного электрического излучателя – правильной «восьмерки». Заметим, что для этого случая КНД равен 1,64.
90
. При
и воз-
Максимум КНД, равный 3,28, имеет место при
больших значениях
/l
КНД падает, поскольку, как уже отмечалось,
уменьшается интенсивность излучения в направлении
/ 0,625l
растает уровень боковых лепестков.
2.3. СПОСОБЫ ПИТАНИЯ ВИБРАТОРОВ
2.3.1. ПИТАНИЕ ДВУХПРОВОДНОЙ ЛИНИЕЙ
Возбуждение симметричных вибраторов осуществляется симметричной линией путем присоединения проводников непосредственно к
плечам вибраторов (рис. 2.6).
Токи, равные по величине, но противоположные по направлению в
проводах линии, переходя на проводники вибратора, протекают в одном
направлении, что обеспечивает синфазное возбуждение плеч вибратора.
Из-за большой разницы между
режим КСВ
~ 5...7 . Поэтому требуется согласование и настройка на
вх
и
в линии устанавливается
в
W
режим бегущей волны.
Более широкополосной является схема с шунтовым питанием
(рис. 2.7).
λ 2
73 ОмZ
вх
300...600 ОмW
в
Рис. 2.6. Полуволновый
симметричный вибратор
19
0,12λ
L
0,15λ
l
Рис. 2.7. Вибратор
с шунтовым питанием
λ 2
L
a
l
Подбирая размеры L и l шунта, удается в линии получить без до-
R
R
R
L
полнительных элементов настройки режим, близкий к режиму бегущей
волны. Преимущество такой схемы еще и в том, что в середине вибратора образуется узел напряжения, что дает возможность крепить вибратор к опоре без изоляторов.
Для повышения
вибратор делают петлеобразным. Он получил
вх
название вибратора Пистолькорса (рис. 2.8). Расстояние между параллельными проводниками по сравнению с
ваются синфазными (за счет длины вибратора, равной
мало и токи в них оказы-
/2
, и смене
направления тока на противоположное во втором проводнике) с максимумами в центре. ДН совпадает с ДН линейного вибратора (см.
рис. 2.2). Входное сопротивление
зано с входным сопротивлением
однопетлевого вибратора свя-
вх2
линейного вибратора соотноше-
вх1
нием
4 4 73 292RR
вх2 вх1
2
d
а б
Рис. 2.8. Петлеобразный вибратор Пистолькорса:
а – однопетлевой; б – двухпетлевой
λ 2
l
ш
Рис. 2.9. Вибратор Пистолькорса
с шунтом
20
, Ом.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]