Объемные резонаторы
Колебательные контура с сосредоточенными параметрами, а также в виде отрезков длинных линий используются в дм и более длинноволновых диапазонах. На волнах короче дм они имеют низкую добротность из-за значительных потерь энергии в проводах, изоляторах и на излучение. Колебательными системами, свободными от указанных недостатков в см и мм диапазонах волн являются закрытые объемные резонаторы. Они представляют собой часть пространства, ограниченного хорошо проводящей поверхностью. В полости объемного резонатора могут иметь место э/м колебания с резко выраженными резонансными свойствами. Они могут быть в виде прямоугольного параллелепипеда, цилиндра или тора. Объемные резонаторы в виде прямоугольного параллелепипеда представляют собой волновод прямоугольного сечения, ограниченный торцевыми стенками. Э/м поле в нем приобретает характер стоячих волн. Вся энергия, запасенная в резонаторе переходит сначала в энергию электрического поля, через ¼ периода в магнитную и т.д. Возбуждение колебаний или вывод э/м энергии осуществляется с помощью рамки и ли шнура.
Антенны
Устройства, предназначенные для излучения или приема э/м волн, называют антеннами. Антенны разделяют на передающие и приемные. Антенна обладает свойством обратимости, согласно которому одна и та же антенна может как излучать, так и принимать э/м волны. Основные параметры антенны в режиме излучения сохраняются и в режиме приема. Конструкция антенны зависит от диапазона волн, желаемой направленности излучения, величины излучаемой мощности и места установки.
Рассмотрим основные физические параметры антенны. Введение этих параметров позволяет сравнивать различные типы антенн.
Мощность и сопротивление излучения, КПД, диаграмма направленности антенны, коэф-т направленного действия, коэф-т усиления, действующая длина антенны.
Мощностью
излучения называется среднее количество
э/м энергии, излучаемое антенной в 1
времени. Полная мощность Р, потребляемая
антенной от источника, складывается из
мощности потерь и мощности излучения.
Мощность потерь является следствием
конечной проводимости проводников
антенны, несовершенства диэлектриков:
Р=Ра+Рп.
В тех случаях, когда известна амплитуда
токов на клеммах антенны, которую из
составляющих мощности можно представить
в виде:
.
Сопротивление излучения антенны равно такому активному сопротивлению, на котором при токе, равном току на клеммах, рассеивается мощность, равная току излучения. Величина сопротивления излучения зависит от характера распространения тока вдоль провода антенны, от соотношения длины излучающего провода и длиной изучаемой э/м волны. Все полуволновые вибраторы имеют сопротивление излучения РΣ=73,1 Ом. Вибраторы с длиной в 1 волну имеют сопротивление 210 Ом. В общем случае сопротивление излучения антенны является комплексной величиной.
Антенна преобразует энергию источника э/м колебаний в энергию э/м волн. КПД этого преобразователя определяется Ри/Р. Таким образом КПД тем больше, чем больше сопротивление излучения по сравнению с сопротивлением волновых потерь. Величина КПД антенны для полуволнового вибратора равна 0,9.
Кол-во энергии, излучаемое антенной в 1 телесного угла, неодинаково. О направленности излучения антенны судят по ее диаграмме направленности (ДН). Различают ДН по полю и по мощности. ДН по полю называется графическое выражение зависимости напряженности электрического поля, которое создается в равноудаленных от антенны точках зоны, от направления излучения. В пространстве эту зависимость представить сложно, поэтому обычно строят сечение двумя взаимно ортогональными плоскостями. Линия пересечения совпадает с максимумом ДН. Одну из этих плоскостей совмещают с вектором Е и называют Е-плоскостью, а вторую плоскость совмещают с вектором Н и называют Н-плоскостью. След сечения ДН Е-плоскостью называют ДН в Е-плоскости, а след сечения ДН в Н-плоскости – ДН в Н-плоскости. Дальняя зона излучения антенны определяется условием, при котором расстояние от антенны до точки наблюдения, которая находится в дальней зоне, R>>22/λ, где - наибольший размер излучающего раскрыва антенны. Если выполнено это условие, то можно считать, что все идущие от антенны к точке наблюдения радиолучи параллельны. Направление излучения определяется углами θ, φ в полярной системе координат. В сферической – r, θ, φ. (РИСУНОК)
ДН антенны изображают в прямоугольной или в полярной системе координат. ДН симметричного полуволнового вибратора в Е-плоскости (ХОZ) имеет вид, показанные на рис.2. На этой диаграмме величина напряженности электрического поля в точке М откладывается по радиус-вектору. В плоскости, перпендикулярной оси вибратора (XOY) напряженность поля во всех направлениях одинаков и максимальна. ДН в этой плоскости имеет вид окружности. Пространственная ДН имеет форму тора. Любая антенна имеет направление максимального излучение, называемое максимумом ДН. Обычно используются антенны с резко выраженными направленными свойствами. Это позволяет: 1) определять направление на объекты, отражающие э/м волны, что находит широкое применение в радиолокации и радионавигации; 2) увеличить дальность действия радиоэлектронных устройств за счет концентрации излучаемой энергии в узком секторе пространства; 3) обеспечить повышение скрытности работы радиоэлектронных систем; 4) уменьшить влияние умышленных помех.
Коэф-т направленного действия (КНД) антенны – числовая характеристика степени концентрации энергии в пространстве, обеспечиваемой антенной. КНД – число, показывающее, во сколько раз нужно увеличить мощность излучения при переходе от направленной антенны к ненаправленной при условии, что они имеют одинаковые КПД. КНД – число, показывающее, во сколько раз мощность излучения антенны, приходящееся на 1 телесного угла в данном направлении, больше мощности излучения воображаемой ненаправленной антенны, также отнесенной к 1 телесного угла, при равенстве полных мощностей, излучаемых обеими антеннами.
где Р(θ,φ) – мощность излучения, приходящаяся на 1 телесного угла в направлении, определяемом углами θ и φ; РΣ – мощность излучения воображаемой ненаправленной антенной к 1 телесного угла.
Мощность излучения антенны на 1 телесного угла зависит от направления излучения и углов θ и φ. График изменения КНД в пространстве от углов θ и φ отличается от ДН по мощности постоянным множителем. Максимальная величина КНД достигает значения нескольких единиц у слабо направленных и десятки-сотни тысяч у антенн с узкой ДН (РЛС космической связи).
Две антенны, имеющие одинаковые ДН и, следовательно, КНД при равной подводимой мощности будут создавать в одинаково расположенных относительно антенны точках приема различные направления поля в зависимости от величины потерь энергии в антенне. Чтобы усилить влияние потерь энергии в антенне, вводят понятие коэф-та усиления. КУ равен произведению КПД на КНД, т.е. kус=ηА∙.
Для сравнения проволочных антенн различных типов вводят параметр действующая длина антенны (ДДА). Создаваемая элементарным отрезком антенны напряженность поля в точке приема, расположенной на направлении максимума ДН, определяется величиной тока в этом отрезке. Напряженность, которую создает вся антенна, определяется графически путем вычисления площади S1, ограниченной кривой распространения тока вдоль провода и осью провода. Эту площадь называют площадью тока. Антенны с одинаковой площадью тока создают одинаковые напряженности полей в равноудаленных точках приема, расположенных по максимуму ДН. Поэтому антенну длиной l можно заменить некоторой воображаемой антенной с той же площадью тока, но в которой ток одинаков по всей длине и равен току на клеммах реальной антенны. Такая воображаемая антенна будет иметь длину hд, которую и называют ДДА. Она всегда меньше реальной. Чем равномерней распределение тока по излучающему проводу, тем больше ДДА. Для наиболее распространенных антенн hд=λ/π.