Воробьев Теория электромагн поля и СВЧ (Кривець)

211

лепипеда, цилиндра, сферы). Размеры волновода, диэлектрической неоднородности, проницаемости материала, из которого выполнены данные резонаторы, выбирают так, чтобы в структуре возникал волноводнодиэлектрический резонанс.

Подобные резонаторы широко используются на практике. Применение низкопроницаемых материалов упрощает решение вопросов перестройки частоты резонатора. Допуски на геометрические размеры менее критичны, что особенно существенно в миллиметровом диапазоне.

Одной из проблем, возникающих при использовании ДР, является обеспечение температурной стабильности их параметров. Два основных фактора приводят к температурной нестабильности электрических параметров: дрейф линейных размеров резонатора и диэлектрической проницаемости материала.

Для создания термостабильных ДР ведутся работы по следующим направлениям:

- разработка и применение диэлектрических материалов с низким температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости TKε и низким

температурным коэффициентом линейного расширения;

-применение составных, многослойных ДР из материалов с противоположными знаками TKε ;

-обеспечение механической стабилизации за счёт использования технологических зазоров между диэлектрическим резонатором и другими элементами СВЧ-устройства.

Полосковые резонаторы. Основой для построения полосковых резонаторов являются как симметричные, так

инесимметричные ПЛ с диэлектрическим и воздушным заполнением. Резонаторы могут быть выполнены на базе регулярных и нерегулярных ПЛ. В случае применения

212

нерегулярных ПЛ закон изменения волнового сопротивления вдоль длины линии чаще всего задаётся изменением ширины токонесущей полоски. Наиболее широко используются резонаторы, выполненные на основе МПЛ, что позволяет успешно решать задачи миниатюризации различных СВЧ-устройств.

Исходя из геометрии токонесущего проводника, различают следующие основные виды резонаторов в микрополосковом исполнении [27]: прямоугольные (рис. 4.24 а), круглые (рис. 4.24 б), кольцевые (рис. 4.24 в), эллиптические (рис. 4.24 г).

4.6 Основные сведения по антеннам

Одним из основных элементов РЭС являются антенны, которые обеспечивают приём и передачу электромагнитных волн при организации систем связи на большие расстояния.

4.6.1 Классификация и основные характеристики антенн.

Антенны классифицируются по диапазону радиоволн, применению, общности отдельных характеристик (полосы пропускания, диаграммы направленности и т.д.) и принципу действия. Наиболее целесообразно антенны

213

классифицировать по принципу действия, который во многом определяет форму, основные характеристики и применение антенн.

По принципу действия антенны можно разделить на три группы:

1)линейная антенна – излучающая система с поперечными размерами, значительно меньшими длины волны и переменными токами, текущими вдоль оси системы. К линейным антеннам, применяемым в СВЧдиапазоне, относятся вибраторы;

2)антенная решётка - система однотипных излучателей, расположенных определённым образом и возбуждаемых одним или несколькими когерентными генераторами. Типичными антенными решётками являются директорная антенна, щелевая антенна, поверхностные антенны из полуволновых симметричных вибраторов и др.;

3)апертурная антенна – устройство, в котором поток излучаемой (принимаемой) электромагнитной энергии проходит через некоторую поверхность. Размеры этой поверхности, называемой апертурой или раскрывом, обычно больше длины волны. К апертурным антеннам относятся системы акустического типа (рупоры), оптического типа (зеркала и линзы), антенны поверхностной волны.

Основные параметры и характеристики антенн. К

ним относятся:

1) эффективная площадь антенны Sg характеризует

размер площади, через которую приёмная антенна собирает энергию.

Sg = Ku S ,

где Ku <1 – коэффициент использования поверхности раскрыва;

214

S- поверхность раскрыва антенны;

2)коэффициент полезного действия ( КПД )

представляет собой отношение излучаемой мощности к полной мощности, подводимой к антенне;

3) коэффициент направленного действия ( КНД ) –

отношение мощностей излучения направленной и ненаправленной антенн, создающих в данном направлении на одном и том же расстоянии одинаковую напряжённость поля. КНД показывает, какой энергетический выигрыш

даёт применение направленной антенны по сравнению с ненаправленной антенной.

Иногда вместо КНД используют коэффициент усиления ( КУ ) антенны, который равен произведению

эквивалентной величиной, определяющей согласование антенны с СВЧ-трактом.

Zвх = R + jX ,

сопротивления излучения RΣ ;

X - реактивное сопротивление антенны, характеризующее отражение волн от антенны.

При условии R >> X входное сопротивление антенны примерно равно волновому сопротивлению питающего тракта Zвх ≈ Zв ;

5) рабочий диапазон частот антенны характеризуется интервалом частот от fmax до fmin , в котором значения

всех параметров антенны не выходят за пределы заданных;

215

6) диаграмма направленности ( ДН ) – это зависимость

→

амплитуды напряжённости электрического поля E в точке наблюдения от направления излучения антенны (угловых координат в полярной системе координат θ и ϕ ) при

постоянном расстоянии от антенны до точки наблюдения. Обычно диаграмму направленности изображают в виде двух графиков в полярной системе координат: в виде

зависимости E = f (ϕ) в горизонтальной плоскости вокруг антенны и зависимости E = f (θ ) в вертикальной

плоскости. На рис. 4.25 схематично приведена наиболее распространённая форма диаграммы направленности – игольчатая, которая применяется на радиорелейных линиях, в радиолокации и в радиоуправлении;

E /2 max

E

E /2 max

Рисунок 4.25 – Диаграммы направленности: а – в вертикальной плоскости; б – в горизонтальной плоскости

216

7) ширина главного лепестка. Диаграмма направленности имеет несколько направлений максимального излучения (несколько лепестков). Одно из них, имеющее наибольшую амплитуду, называется

главным. Ширина главного лепестка определяется как угол 2θ0,5 или 2ϕ0,5 при напряжённости электрического

поля, составляющей половину от максимального значения

( E = E2max ) (см. рис. 4.25). У направленных антенн ширина

главного лепестка составляет от нескольких десятков градусов до нескольких минут;

8) поляризационная характеристика – это зависимость амплитуды сигнала в приёмной антенне с линейной поляризацией от угла поворота этой антенны в плоскости, перпендикулярной излучению. Поляризационная характеристика определяется видом поляризации волн (линейная, круговая и эллиптическая поляризация).

Определению основных параметров и характеристик рупорных антенн посвящена лабораторная работа 3 (см. прил. Б).

4.6.2 Основные типы антенн и их свойства.

Рассмотрим основные типы антенн.

1 Вибраторные антенны относятся к числу наиболее простых типов антенн. В СВЧ-диапазоне они используются как возбудители антенных устройств или как элементы сложных устройств с дискретными излучателями (антенных решёток). Вибраторы в качестве антенн чаще всего используются в длинно-, средне- и коротковолновых частях радиодиапазона.

К наиболее распространенным конструкциям вибраторных антенн относятся электрические

218

четвертьволновые электрические вибраторы можно рассматривать как разомкнутую линию передачи со свойственным для неё распределением токов и напряжений. Частотная зависимость входного сопротивления вибратора имеет форму резонансной характеристики. Резонансная длина симметричного вибратора равна λ0 /2, а несимметричного - λ0 /4.

Поле излучения вибраторов можно найти суммированием полей его отдельных элементарных участков, представляющих собой элементарные вибраторы.

Электрический симметричный полуволновой вибратор имеет КНД =1.74, Sg = 0,21λ 2 , RΣ =73.1 Ом. Магнитный

полуволновой вибратор имеет КНД =1.64, Sg = 0.21λ 2 .

2Антенные решётки. Многовибраторные антенны называются антенными решётками. Вибраторы в антенной решётке располагаются определённым образом относительно друг друга и питаются по заданному закону от общего или когерентных источников сигнала.

В качестве излучателей могут использоваться не только рассмотренные вибраторы, но и рупоры, диэлектрические, спиральные и другие антенны. В зависимости от расположения излучателей (вибраторов)

различают линейные (одномерные) и поверхностные

(двумерные) решётки. Поле, создаваемое решётками, представляет собой результат суперпозиции волн, возбуждаемых каждым излучателем в отдельности.

3Директорная антенна представляет собой линейную решётку полуволновых вибраторов. Её конструкция показана на рис. 4.27. Директорная антенна состоит из одного активного 3 и нескольких пассивных 2 вибраторов. Вибраторы крепятся на металлическом стержне. Такая конструкция допустима в связи с тем, что в месте

219

крепления находится узел электрического поля, и сам крепящий стержень перпендикулярен к плоскости поляризации излучателей.

~

3

Рисунок 4.27 – Конструкция директорной антенны: 1 - рефлектор; 2 - директор; 3 - активный вибратор

Взаимное влияние вибраторов уменьшает входное сопротивление антенны, поэтому в качестве активного вибратора выбирают петлевой вибратор, который крепят в центре петли к стержню. Рядом с активным вибратором на расстоянии λ0 /4 (со стороны, противоположной

излучению) помещают пассивный вибратор, выполняющий функцию рефлектора 1.

Так как рефлектор усиливает поле в направлении активного вибратора и ослабляет его в обратном направлении, применение нескольких рефлекторов не имеет смысла, поскольку все рефлекторы, следующие за первым, будут возбуждаться очень слабо. Эффект концентрации электромагнитной энергии в направлении излучения усиливается с увеличением количества директоров. Однако на практике применяется не более 5-7

220

директоров. Это объясняется малым увеличением КНД

при дальнейшем увеличении количества вибраторов и удлинении антенны. Коэффициент направленного действия антенны невысок и может быть определён по приближённой формуле

КНД ≈ Kala / λ0 ,

где la - общая длина антенны;

Ka ≈(5-7) - коэффициент, зависящий от длины антенны

(убывает с увеличением длины).

Директорные антенны применяются в метровом и дециметровом диапазонах волн. Их рабочая полоса частот составляет (5-15)%, диаграмма направленности имеет ширину (15-40)° и зависит от количества вибраторов и качества настройки.

4 Волноводно-щелевые антенны, используемые в качестве излучателя, имеют несколько щелевых вибраторов, прорезанных в волноводе (рис. 4.28). Принцип работы соответствует ранее рассмотренному элементарному щелевому вибратору. Щель, как и вибраторы антенны, обладает резонансными свойствами. Резонансная длина щели 2l приблизительно равна λ0 / 2 .

Прорезанная в волноводе щель, естественно, имеет однонаправленное излучение. Она может быть прорезана в широкой и узкой стенках волновода. При этом продольная щель в широкой и узкой стенках эквивалентна параллельно включенному в линию резистору, поперечная щель в широкой стенке - последовательно встроенному резистору.

Сопротивление щели зависит от места расположения в волноводе. В тех случаях, когда необходимо обеспечить согласование антенны с трактом, меняют месторасположение щели или поворачивают её.