Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Устройства СВЧ и антенны. Часть 3. Устройства СВЧ. Учебное пособие
.pdf
Рис. 10.31
Для уменьшения отражения от конца стержня и уменьшения боковых
лепестков используют конические стержни (рис. 10.32).
Рис. 10.32
Расчет диаграммы направленности проводится как для цилиндрического
стержня среднего размера 2aср.
10.7. Спиральные антенны
Спиральные антенны (рис. 10.33) являются слабонаправленными
антеннами метрового и сантиметрового диапазонов. Они используются как
самостоятельные антенны вращающейся поляризации, как облучатели
зеркальных антенн и как элементы антенных решеток.
Рис. 10.33
Различные режимы работы спиральной антенны при формировании
диаграммы направленности показаны на рис. 10.34.
21
2
( ) ,
jl
J l Ae
сп
D
0,707
52
2
L NS
Dсп<0,2λ Dсп>0,45
0,3<Dсп<0,4
основной режим работы
спирали
Рис. 10.34
Представим, что имеем достаточно плотную намотку витков спирали.
Тогда излучение можно представить в виде линейного распределения
элементов, каждый из которых представляет рамку с током. При этом в
проводниках рамок имеет место бегущая волна тока,
.
Ток провода создает поле бегущей волны, которая распространяется вдоль
оси спирали с замедленной фазовой скоростью. Поэтому спиральную
антенну можно рассматривать как линейную решетку рамочных излучателей
бегущей волны с замедленной фазовой скоростью. Для этой антенны
характерно формирование поля вращающейся поляризации, если
,
т.е. на длине рамки укладывается длина волны.
Картина формирования поля вращающейся поляризации за счет
излучения смежных токов витка спирали показана на рис. 10.35
Рис. 10.35
Направление вращения вектора Е совпадает с направлением вращения
спирали от начала витков к концу. Характеристики спиральной антенны
приведены далее.
, где N – число витков спирали.
22
2
1
1
1
sin cos
2
15 , ( ) ( ) ( ), ( )
1
sin cos
2
NN
N
S
L NS
D F F F F
NS
,
1
()F
где
диаграмма направленности витка спирали.
11. Апертурные антенны
11.1. Диаграмма направленности плоской поверхности с однородным
синфазным распределением поля (идеальная плоская антенна)
Рис. 11.1
Поле в пределах площадки (рис. 11.1) имеет однородное синфазное
распределение. Излучение такой антенны можно представить как излучение
совокупности элементарных излучателей, составляющих такую поверхность.
Такие излучатели являются элементарными излучателями Гюйгенса.
Рассмотрим поле в плоскости УОZ (плоскость Е) (рис. 11.2)
Рис. 11.2
23
S=ab,
sin ,ry
0
0
sin
0
2
0
2
1 cos 1 cos ,
22
sin sin
2
1 cos .
2
sin
2
yy
ir
i r i
b
y
ir
b
E ady E ady
dE e e e
rr
b
ES
dE e
b
r
0
2
2.
b
2
4
ab
( ) cos
0
2
p
E x E x
y
4
2
ab
13,25
4
2
ab
23
2
4
ab
32
Аналогичное выражение можно получить для плоскости Н. Диаграмма
направленности в плоскости Е состоит из двух множителей, где второй
множитель характеризует диаграмму направленности идеальной линейной
антенны. Ширина диаграммы направленности имеет вид:
Чем больше размер b, тем ỳже диаграмма направленности основного
лепестка. КНД излучающего раскрыва (антенны):
КНД =
.
Чем больше площадь излучающего раскрыва, тем больше КНД.
11.2. Излучающая поверхность с неоднородным синфазным
распределением поля
Рассмотрим распределение поля в виде
где р = 0,1,2,…v .
По оси x имеем – неоднородное распределение поля. Представим:
1. р=0 D =
,
дБ
2. р=1 D = 0,81
,
дБ
3. р=2 D = 0,64
,
дБ
24
При неоднородном амплитудном распределении КНД такого раскрыва
2
4
ab
,
эф
геометр
геометр
S
S ab
S
эф
S
отлично от КНД идеальной плоской антенны того же размера. Для D (КНД)
вводится формула
D =
, где - коэффициент использования поверхности,
, где
- площадь такой идеальной антенны, КНД
которой совпадает с КНД реальной антенны. Чем больше скорость спадания
поля к краям раскрыва, тем шире основной лепесток диаграммы
направленности, меньше уровень бокового излучения, меньше КНД и
меньше в сравнении с идеальной антенной тех же размеров.
Ниже рассматриваются примеры апертурных антенн.
11.3. Рупорные антенны
Антенна имеет вид расширяющегося конца прямоугольного волновода.
Различают Н-плоскостной (рис. 11.3 а) и Е-плоскостной рупоры
(рис. 11.3 б).
При инженерном подходе токами, затекающими на теневую
поверхность рупора, пренебрегают и пренебрегают искажениями в раскрыве
за счет отражения волны. Рупорная антенна представляется в виде
излучающей поверхности S рупора. Амплитудное распределение в раскрыве
принимают как амплитудное распределение поля в регулярном
прямоугольном волноводе (рис. 11.4).
Рис. 11.3
25
2 2 2
1 8 1
22
MN N M
x x x
R R R
доп
2
доп
3
4
,ЕН
доп
sin sin
2
1
( ) (1 cos )
2
sin
2
p
E
E
p
b
F
b
Рис. 11.4
Фазовое распределение поля в раскрыве рупора отличается от
синфазного, т.к. в рупоре мы имеем волну со сферическим фронтом
(рис. 11.5). Фаза поля φ
М
Рис. 11.5
в точке М (рис. 11.5) раскрыва будет отличаться от фазы поля φN в точке N
раскрыва на величину, которая соответствует запаздыванию сферической
волны в рупоре на отрезке MN. Именно,
Распределение фазы по раскрыву рупора имеет квадратичный
характер (квадратичные искажения).
Вводят понятие допустимых фазовых искажений. В плоскости Е
=
. В плоскости Н ,
Амплитудное распределение в плоскости Н спадает к краям, что
ослабляет влияние фазовых искажений на диаграмму направленности.
Если
, то при расчете диаграммы направленности излучающий
раскрыв принимается синфазным. В плоскости Е имеем однородную
синфазную антенну. Тогда диаграмма направленности в плоскости Е:
.
=
.
.
26
Диаграмма направленности в плоскости Н:
2
2
sin sin
2
1
( ) (1 cos )
2
sin
22
p
h
H
H
p
h
a
F
b
0,5 0,5
2 0,88 , 2 1,18
EH
pp
ba
,
HE
DD
2
2
p
E
b
R
2
3
p
H
a
R
,
pp
ab
,
EH
RR
.
.
Рассмотрим КНД рупорной антенны, который определяется как
,
где
- КНД линейных антенн в плоскостях Н и Е, представляющих
сечения раскрыва рупора. Изменение DЕ в плоскости E представлено
на рис. 11.6
Рис. 11.6
Оптимальный рупор – рупор с максимальным КНД. Максимальный КНД
обеспечивается при достижении допустимых фазовых искажений.
Оптимальные размеры рупора определяются как:
- оптимальные размеры рупора в плоскости Е,
- оптимальные размеры рупора в плоскости Н.
Увеличение размеров раскрыва рупора
приводит к увеличению длины рупора
уменьшить, если использовать корректирующие линзы.
с целью увеличения КНД
. Длину рупора можно
27
1
()
1 cos
n
f
n
ср
c
ср
c
f
Линзовые антенны имеют аналогом оптические линзы и состоят из
облучателя и линзы (рис. 11.7).
Рис. 11.7
11.4. Линзовые антенны
Расчет линзовых антенн проводится на основе метода геометрической
оптики (на основе расчета траектории лучей). Линза преобразует
сферический фронт волны облучателя в плоский фронт на поверхности S.
Линзовую антенну рассматривают как синфазную излучающую
поверхность. Амплитудное распределение зависит от направленных
свойств облучателя, преломляющих свойств линзы и т.д.
Профиль линзы описывается как:
.
При замедляющей линзе n>1 (
), при ускоряющей линзе n<1 (
).
Профиль ускоряющей линзы показан на рис. 11.8.
Рис. 11.8
Ускоряющая линза имеет вид параллельных пластин указанного профиля
(рис. 11.9)
Рис. 11.9
28
Тогда
2
11
, где , 0,6 , 1
1
2
ф
ф
c a n
nc
a
1,5 1,6 замедляющая
линзы
0,5 0,6 ускоряющая
nn
.
Чем больше коэффициент преломления в линзе n отличен от 1, тем выше
преломляющие свойства линзы, меньше ее толщина, но тем больше
отражения сферической волны облучателя от поверхности линзы, как от
неоднородности.
Выбирают
.
Корректирующая металлопластинчатая линза в раскрыве Е
плоскостного рупора имеет вид (рис. 11.10)
Рис. 11.10
Корректирующая диэлектрическая линза в Н – плоскостном рупоре имеет
вид (рис. 11.11)
11.5. Зеркальные антенны
По принципу действия зеркальные антенны имеют своим аналогом
оптические зеркала и состоят из облучателя и отражающего зеркала. При
расчете используется принцип геометрической оптики. Поле от облучателя в
направлении лучей в раскрыве зеркала имеет вид пучка параллельных лучей,
что определяет поверхность раскрыва как синфазную поверхность. В
качестве зеркала используют параболоид вращения. В случае
параболического цилиндра излучателем является линейный источник. Есть и
другие разновидности антенн.
Рис. 11.11
29
Антенна в виде параболического зеркала имеет вид (рис. 11.12)
2
cos 2 , ( )
1 cos
f
f
00
2 , 2R f R f
Рис. 11.12
OM+MP=MN+MP=NP=2f,
.
Различают длиннофокусные и короткофокусные зеркала
.
В качестве облучателя зеркальной антенны используют слабонаправленные
облучатели. Чем больше фокусное расстояние, тем более равномерно
амплитудное распределение на поверхности раскрыва зеркала S. Однако, тем
большая доля мощности от поля облучателя «переливается» за края зеркала,
тем меньше КПД антенны, тем больше уровень боковых лепестков за счет
теневых токов и меньше КНД.
Рассмотрим облучатель в виде вибратора с рефлектором (рис. 11.13).
Рассмотрим зеркало с таким облучателем, который имеет линейную
поляризацию.
Рис. 11.13
Рис. 11.14
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]