Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Устройства СВЧ и антенны. Часть 3. Устройства СВЧ. Учебное пособие
.pdf
1( )
ф
Vc
( cos )
2
d
Рис. 10.13
.
В полярной системе координат множитель решетки имеет вид (рис. 10.14)
Рис. 10.14
Ширина основного лепестка диаграммы
.
В случае
В этом случае множитель решетки в полярной системе координат имеет вид
(рис. 10.15)
,
11
0
0,5
d
0
,D D N N
P
1
N
P
1
N
1
NN
N
0
2,L
D L Nd
0
4L
Рис. 10.15
Диаграмма направленности в осевом направлении раздваивается.
Рассмотрим КНД линейной решетки.
1) Случай синфазного возбуждения
– max.
- число излучателей решетки. Предположим, что
линейная решетка имеет мощность
раз меньше, чем ток первого излучателя с той же мощностью
как Р эквивалентно квадрату тока, то
,
. В этом случае КНД
, ток каждого излучателя в
). Суммарное поле решетки в
(так
направлении max излучения превышает поле одного элемента в N раз.
Это эквивалентно увеличению поля в
. КНД
пропорционально квадрату напряженности, отсюда КНД эквивалентно
N. Для длинных решеток
2)
. В режиме осевого излучения КНД =
.
.
Зависимость КНД линейной решетки от величины γ приведена на рис. 10.16 .
Рис. 10.16
12
10.3. Линейная антенна с непрерывным распределением тока
0
()I z I const
0
00
0
sin sin
22
ir
i r i r
I dz I dz
dE e e e
rr
cosrz
00
22
cos
00
00
22
sin cos
2
sin sin
22
cos
2
aa
i r i r
iz
aa
a
I dz I dz
E dE e e dz e
a
rr
sin
0
2
2
a
Многие антенны можно представить в виде модели, имеющей вид
линейного распределения тока на отрезке конечной длины (длины антенны)
(рис. 10.17)
Рис. 10.17
Рассмотрим линейную антенну с однородным синфазным
распределением тока. Такая антенна называется идеальной линейной
антенной,
. Непрерывную антенну можно представить
линейной совокупностью элементарных излучателей (рис. 10.18).
Рис. 10.18
Поле элемента dz имеет вид
,
.
Тогда поле линейной антенны
.
Диаграмма направленности линейной антенны имеет вид двух
множителей:
- диаграмма направленности элементарного излучателя, совокупность
которых образует данную антенну. Второй множитель – групповая
характеристика направленности. Этим множителем определяются
направленные свойства антенны. Ширина основного лепестка
.
13
Эту же формулу для диаграммы направленности можно получить,
( 1)L a N d
0d
N
0
N
sin cos sin cos
22
()
cos
sin cos
2
2
lim
p
d
N d a
F
a
d
N
0
( ) , .
z
ф
c
I z I e
V
0
N
sin ( cos ) sin ( cos )
22
()
( cos )
sin ( cos )
2
2
lim
d
N d a
F
a
d
N
0 1 1
( ) , 1, ( ) ( ) ( ), ( ) sin ,
sin cos
2
( ) .
cos
2
z
гр
гр
I z I e F F F F
a
F
a
рассматривая предельный переход от линейной решетки к непрерывной
линейной антенне. Рассмотрим этот переход (рис. 10.19).
Рис. 10.19
, где N - число излучателей.
При
,
имеем непрерывную линейную антенну.
.
Основные выводы о направленных свойствах линейных решеток применимы
и для линейных непрерывных антенн.
Рассмотрим линейную антенну в режиме бегущей волны
Используя формулу множителя решетки осевого
излучения, можно получить диаграмму направленности линейной антенны
бегущей волны
.
Пример.
Какой будет диаграмма направленности линейной антенны бегущей
волны с замедленной фазовой скоростью, если антенна состоит из
непрерывного распределения вертикальных вибраторов, ориентированных
перпендикулярно линейной антенне.
14
Диаграммы направленности множителей F1(Ɵ) и Fгр(Ɵ) показаны
()
( ) ( )
jz
I z A z e
()Az
()z
0
()const
на рис. 10.20 а,б соответственно
а)
б)
Рис. 10.20
10.4. Влияние амплитудных и фазовых искажений в распределении тока
линейной антенны на ее диаграмму направленности
Представим распределение тока
амплитудного распределения тока,
, где
- характеристика
- фазовая характеристика
распределения тока. Отличие амплитудного распределения от однородного
называют амплитудными искажениями в распределении тока. Отличие
фазового от синфазного распределения тока
называют фазовыми
искажениями.
Рассмотрим влияние амплитудных искажений на диаграмму
направленности линейной антенны. Наиболее распространенный пример
амплитудных искажений показан на рис. 10.21
Рис. 10.21
15
Эффективно работает на излучение лишь средняя часть антенны. Такую
23
0 1 2 3
( ) ...z z z z
0
()z
1
()zz
0
антенну можно сопоставить с идеальной линейной антенной меньшей длины.
Чем меньше эта длина, тем шире основной лепесток диаграммы
направленности, тем меньше КНД антенны, несмотря на уменьшение уровня
боковых лепестков. Такое искажение приводит к уменьшению КНД
линейной антенны.
Встречаются амплитудные искажения, представленные на рис. 10.22
Рис. 10.22
В этом случае сужается основной лепесток диаграммы направленности и
увеличивается уровень боковых лепестков, так что уменьшается КНД
антенны. Любое амплитудное искажение уменьшает КНД линейной антенны.
Рассмотрим влияние фазовых искажений на диаграмму
направленности. Представим:
В зависимости то того, какой член преобладает, вводят классификацию
фазовых искажений
1.
, имеем синфазное распределение тока.
При однородном амплитудном распределении диаграмма направленности
совпадает с диаграммой направленности идеальной линейной антенны.
2.
, имеем линейные фазовые искажения (рис. 10.23).
Максимальное излучение направленно по нормали к эквифазовой линии.
Диаграмма направленности совпадает с диаграммой направленности
идеальной антенны и повернута в пространстве на угол
Рис. 10.23
.
16
3.
2
2
()zz
3
3
()zz
,
s
j n Ht
, имеем квадратичные фазовые искажения. Изменение
диаграммы направленности (ДН) показано на рис. 10.24
Рис. 10.24
КНД такой антенны меньше КНД идеальной линейной антенны.
4.
, имеем кубические фазовые искажения. Изменение
диаграммы направленности показано на рис. 10.25
Рис. 10.25
КНД в этом случае меньше КНД идеальной антенны.
Любое амплитудное и фазовое искажение тока в линейной антенне
приводит к уменьшению ее КНД в сравнении с идеальной линейной
антенной той же длины. Тот же вывод справедлив для антенны в виде
излучающей поверхности, когда диаграмма направленности поверхности в
разных плоскостях будет определяться линейным распределением в
соответствующих сечениях этого раскрыва.
10.5. Волноводно-щелевые антенны
Антенны этого типа используют в качестве направленных антенн в
сантиметровом диапазоне волн. Антенна имеет вид щелей, прорезанных в
стенках волновода (рис. 10.26). Волновод играет роль линии питания для
щелевых излучателей.
В широкой стенке волновода щели могут быть продольными и
поперечными и размещаются так, чтобы пересекать
наводимые
поверхностные токи.
17
1
sin sin
2
( ) ( )
sin sin
2
d
N
FF
d
N
1
()F
2
d
Рис. 10.26
Различают волноводно-щелевые антенны резонансного возбуждения и
антенны при возбуждении в режиме бегущей волны.
Волноводно-щелевая антенна резонансного возбуждения показана на
рис. 10.27
Рис. 10.27
Антенну можно рассматривать как синфазную решетку линейных
излучателей. В плоскости Н диаграмма направленности имеет вид
,
где
направленности пары щелей в плоскости Е),
- диаграмма направленности элемента решетки (диаграмма
, где Λ – длина волны в
волноводе, N - число щелей в антенне. В плоскости Е (в плоскости,
перпендикулярной оси волновода) диаграмма направленности определяется
двумя щелями по разные стороны от оси (слабонаправленная диаграмма
направленности). Недостаток этого способа возбуждения – сильная
зависимость от частоты, т.к. с изменением частоты меняется резонансный
размер d и меняется диаграмма направленности.
Волноводно-щелевая антенна бегущей волны показана на рис. 10.28.
Рис. 10.28
18
Для определения диаграммы направленности применима теория линейной
0,2 0,7d
1
sin sin
2
( ) ( )
1
sin sin
2
N
d
FF
Nd
Гd
Г
1
ф
c
max
sin 1
Гd
dd
2
d
2
d
1
sin sin
2
( ) ( )
sin sin
2
Nd
FF
d
N
антенны бегущей волны,
.
В плоскости Н диаграмма направленности имеет вид,
,
где
- разность фаз между соседними щелями,
где Г ,
,
,
.
Направление максимума диаграммы определяется как,
,
т.е. имеем режим наклонного излучения решетки. При
наклонен в сторону генератора, а при
максимум
max наклонен в сторону
нагрузки. Тогда
.
В плоскости Е диаграмма направленности определяется двумя щелями. У
этих антенн есть зависимость направления максимума диаграммы
направленности от частоты f . Этот эффект называется частотным
сканированием.
Антенну применяют в сантиметровом диапазоне волн как направленную
антенну осевого излучателя (рис. 10.29)
10.6. Диэлектрическая стержневая антенна
Рис. 10.29
19
В диэлектрическом стержне антенны возбуждаются гибридные волны типа
1
sin cos
2
( ) ( )
cos
2
L
FF
L
1
()F
1, ( )
ф
ф
c
c
опт
2
1
1
L
НЕ. Такую антенну можно уподобить линейной антенне бегущей волны с
замедленной фазой скорости. При расчете предполагают:
1. Поле в диэлектрическом стержне такое же, как поле в регулярном
диэлектрическом волноводе.
2. Отражением от конца диэлектрического стержня пренебрегают.
Тогда в плоскости Е диаграмма направленности имеет вид
,
где
L – длина стержня,
- диаграмма направленности элемента стержня, ,
- коэффициент замедления в диэлектрике
.
Зависимость замедления от диаметра стержня приведена на рис. 10.30.
Рис. 10.30
Чем больше диаметр 2a, тем больше доля мощности, приносимая волной,
приходится на поперечное сечение стержня, тем больше замедление в
стержне. Этот эффект имеет место при увеличении стержня. Основным
понятием для антенн бегущей волны является понятие оптимальной длины
антенны, при которой имеет место max КНД D.
Оптимальная длина выбирается из соотношения
На рис. 10.31 показана зависимость D от длины стержня .
.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]