Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Устройства СВЧ и антенны. Часть 3. Устройства СВЧ. Учебное пособие
.pdf
Поле облучателя с линейной поляризацией наводит на поверхности
'
12
( ) ( ) ,
1 cos
обл
f
E H AF
'
1
( ) ( ) 1 cos
2
обл
E M AF
f
0
0
1 , 0,1,2,3....
p
y
E y E p
R
10
1
0
sin
,
sin
p
гр
p
Y kR
F
kR
2
4
T
GS
зеркала токи (рис. 11.14), которые можно рассматривать как излучающие,
создающие поле зеркальной антенны. В направлении нормали к раскрыву
зеркала вертикальные составляющие токов будут создавать поле
вертикальной поляризации, которые будут складываться в фазе (рис. 11.14).
Горизонтальные составляющие токи образуют поля горизонтальной
поляризации и будут компенсировать друг друга в этом направлении. В
результате будем иметь поле вертикальной поляризации, соответствующее
поляризации поля облучателя. В направлениях, отличных от направления
нормали, будут поля и горизонтальной, и вертикальной поляризации. Этот
эффект (появления поля горизонтальной поляризации) называют эффектом
кроссполяризации.
Рассмотрим расчет диаграммы направленности зеркальной антенны.
.
Тогда
.
Рис. 11.15
Амплитудное распределение поля в раскрыве E(y) (рис. 11.15)
аппроксимируется функцией Ẽ(y), которая имеет вид
Тогда
где Y
– функция Бесселя.
p+1
Усиление зеркальной антенны
,
где S – площадь раскрыва, - коэффициент использования поверхности,
31
ант
обл
P
P
.
g
обл
cos , 0
2
()
0,
2
n
F
21
0
1 cos
n
Определим
как эффективность зеркальной антенны. Изменение
от угла раскрыва зеркала показано на рис. 11.16.
Зададим диаграмму направленности облучателя, как
.
Тогда
.
Рис. 11.16
Зависимость g от , при различных n приведена на рис. 11.17.
Облучатель в фокусе затеняет часть поля зеркальной антенны. Поле,
попадающее в облучатель, приводит к его частичному рассогласованию.
Облучатель затеняет поле антенны, т.е. приводит к неравномерности в
амплитудном распределении излучающего раскрыва, что уменьшает КНД
антенны. Для устранения влияния излучателя на зеркало применяют:
- вынос облучателя из фокуса;
- отражающие пластины (рис. 11.18);
Рис. 11.17
32
Рис. 11.18
- изменение плоскости поляризации (рис. 11.19).
Рис. 11.19
Разновидностью зеркальной антенны является антенна Кассегрена,
имеющая два отражающих зеркала (рис. 11.20).
Рис. 11.20
В этом случае уменьшается фидерный тракт и увеличивается g.
12. Сканирующие антенные решетки
12.1. Способы сканирования
Изменение положения диаграммы направленности решетки в
пространстве может осуществляться механическим способом,
осуществляющим перемещение диаграммы направленности в пространстве,
и электрическим путем (меняется амплитудно-фазовое распределение в
излучателях антенной решетки). В первом случае, меняя вынос облучателя из
фокуса, можно менять отклонение диаграммы направленности в зеркальной
антенне. Наиболее распространен электрический способ, реализуемый
сканирующими антенными решетками.
33
Рассмотрим линейную антенную решетку (рис. 12.1) (п.10) с
01
sin ( cos )
2
; ( ) ( ) ,
1
sin ( cos )
2
2
,
in
n
N
d
I I e F F
Nd
где
max
cos
d
0,5 max
22
max
.
2cos
d
соотношениями
d – период решетки, - отсчитывается от линии решетки
Рис. 12.1
Максимум ДН:
Отметим два способа сканирования: фазовый способ (изменение ) и
частотный способ (изменение ), который реализуется в волноводно–
щелевых антеннах бегущей волны.
Используя фазовый способ сканирования в антенных решетках, имеем
фазированные антенные решетки (ФАР), которые строятся на основе плоских
антенных решеток. Существенным при построении ФАР является требование
отсутствия дополнительных главных лепестков в секторе сканирования
(рис. 12.2).
В идеале можно предположить, что диаграмма направленности решетки
излучателя (элемента решётки) должна соответствовать сектору
сканирования. Реальная диаграмма направленности излучателя обозначена
пунктиром (рис. 12.2). Полная диаграмма направленности ФАР является
результатом перемножения этой диаграммы с множителем решётки.
- условие отсутствия дополнительного главного максимума
диаграммы,
.
Рис. 12.2
34
В качестве излучателей используются вибраторные элементы, раскрывы
/2
2
( , ) ( , ) (1 ( , )); ( , )
вх
вх
zW
GD ГГ
zW
0
2
4
( , ) cos ,
гл
D S S NS
0
S
волноводов, рупорные антенны, плоские излучатели. Для получения
направленных диаграмм элементов используют подрешетки.
12.2. Взаимное влияние элементов в ФАР
Излучатели ФАР располагаются в углах прямоугольной или
гексаугольной сетки антенны. Излучатели расположены на расстоянии
приблизительно
, исходя из условия отсутствия главных дополнительных
лепестков, то есть излучатели расположены близко друг к другу в ФАР и
находятся в условиях сильной взаимной связи. Как следствие сильной
взаимной связи, меняются диаграмма направленности излучателя и его
входное сопротивление. Эти характеристики зависят от угла сканирования.
С изменением входного импеданса элементов решетки изменяется
мощность генератора, отдаваемая в излучатель, меняется амплитуднофазовое распределение по элементам решетки и изменяется усиление
решетки, изменяются характеристики сканирования.
Необходимо оценить влияние условий взаимосвязи на характеристики
ФАР. Модель, позволяющая оценить взаимное влияние на диаграмму
направленности излучателя ФАР, предполагает один излучатель ФАР
активным, т.е. присоединенным к генератору, а соседние излучатели
нагруженными на согласованные нагрузки (рис. 12.3).
В излучателе наводятся токи, определяющие его импеданс и диаграмму
направленности. В этом случае коэффициент усиления определяется, как:
где
- площадь ячейки,N- число излучателей.
Рис. 12.3
;
,
35
С другой стороны,
( , ) ( , )G Ng
( , )g
1Г
( , ) 0Г
2
( , ) ( , ) cosgF
( , ) cosF
треб
0 треб фаз нач
;.
in
n
I I e
,
где
.
Эта формула связывает два режима работы ФАР.
Коэффициент усиления
характеризует усиление одного элемента,
когда другие нагружены на согласованные нагрузки. С другой стороны,
Г(θ,φ) характеризует режим решетки при возбуждении всех элементов.
Из указанной формулы следует, что есть углы, при которых
, т.е. в
элементе решетки полностью отражается волна генератора, что
соответствует провалу в диаграмме направленности решетки. При
(отсутствие отражения) имеем случай, который определяет идеальную
диаграмму направленности излучателя (рис. 12.4),
;
.
Рис. 12.4
При определенных условиях вся мощность от генераторов преобразуется
в мощность, переносимую поверхностной волной по структуре решетки.
Чтобы это предотвратить, в ФАР с излучателями в виде рупоров ставят
перегородки, если в виде стержней – их нагружают.
12.3. Способы возбуждения ФАР
Возбуждение ФАР предполагает наличие линии передачи от генератора
к излучателю, позволяющей формировать нужное амплитудно-фазовое
распределение в излучателе решетки. Фаза тока от излучателя к излучателю
меняется линейно
В зависимости от вида линии передачи различают фидерные и
оптические схемы возбуждения.
36
Первые предполагают использование фидерных линий, с помощью
()
, , ;
(cos ).
n
нач
ф
фаз треб нач гл
c
nГd Г
nd
0
нач
которых производится:
- деление мощности последовательно между излучателями (рис. 12.5);
- деление мощности параллельным способом (рис. 12.6);
Последовательная схема деления мощности приведена на рис. 12.5.
Рис. 12.5
Деление мощности происходит последовательно между излучателями.
Подбирается коэффициент связи для ответвителя:
Электрическая длина пути до каждого излучателя переменная.
Схема деления мощности параллельным способом приведена на
рис. 12.6.
Рис. 12.6
Электрические длины до каждого излучателя одинаковы
Для большего числа излучателей используются схемы деления
оптического типа (рис. 12.7).
.
37
(0,1 0,5)l
фаз треб нач
o
2
0
sin / 2
/2
DD
0
D
Рис. 12.7
.
Рассмотрим способы фазирования (способы установления требуемой
фазы в фазовращателях), т.е.
.
Выделим:
- непрерывный способ фазирования;
- дискретный (коммуникативный) способ.
При непрерывном способе (аналоговом) фаза фазовращателя
устанавливается непрерывным способом. Этот способ фазирования
усложняется тем, что надо применять сложные схемы фазирования,
требующие применения разных способов стабилизации характеристик
управляющих элементов и зависимости их от управляющего напряжения.
Дискретный способ фазирования предполагает изменение фазы в
фазовращателе скачком на некоторую величину
. Такой способ устойчив к
дестабилизирующим факторам, но он вносит очевидные погрешности в
амплитудно – фазовое распределение решетки, что ведет к уменьшению КНД
решетки, росту боковых лепестков и т.д.
Основное свойство антенны - создание наибольшей напряженности поля в
заданном направлении. Величина напряженности поля зависит от мощности
излучения антенны и направленных свойств антенн. Рассмотрим
характеристики направленных свойств антенн. Поле в дальней зоне антенны
можно представить, как
,
- начальное КНД.
Такой способ наиболее распространен.
13. Основные параметры передающих и приемных антенн
13.1. Характеристики направленности передающих антенн
38
,
где - амплитудная характеристика поля антенны;
- фазовая характеристика;
- поляризационный множитель.
Основные характеристики направленности антенн следующие:
1. Диаграмма направленности антенны (ДН)
выражает зависимость амплитудного распределения поля. ДН может быть
записана в аналитическом виде в виде функции или графически.
В полярной системе координат ДН имеет вид:
В прямоугольной системе координат ДН имеет вид:
.
Уровень боковых лепестков определяется как: [дБ].
Чем меньше уровень бокового излучения, тем большая доля мощности
излучается в направлении основного лепестка и выше направленные
свойства антенны.
2. КНД (D) - коэффициент направленного действия
КНД .
КНД зависит от угла наблюдения.
39
Средняя напряженность поля Еср - это поле, созданное всенаправленной
(изотропной) антенной при той же мощности излучения, что и у данной
антенны. КНД показывает, во сколько раз надо увеличить мощность
излучения всенаправленной антенны, чтобы получать в данном направлении
ту же напряженность, что и у данной антенны.
Для КНД (D) можно получить соотношение
D(КНД) .
Если ДН осесимметрична относительно угла , то
D (КНД) .
3. Коэффициент усиления антенны:
G = D ,
где 𝜂 - коэффициент полезного действия (КПД) антенны
где Р
– мощность излучения антенны, Рвх – мощность, подводимая к входу
изл
антенны.
В диапазоне СВЧ: 𝜂 ;
КВ: 𝜂 .
4. Поляризационные характеристики поля антенны. Представим поле
антенны, как
1) При Ѱ = 0 имеем линейную поляризацию поля антенны:
; или .
:
2) При Ѱ ≠ имеем вращающуюся поляризацию поля: , , которая
характеризуется поляризационным эллипсом.
3) При Ѱ = и равенстве ортогональных составляющих поля имеем
поле излучения антенны круговой поляризации.
В общем случае, при поле имеет эллиптическую поляризацию.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]