Материал: 736

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

стью этого класса антенн является параллельная схема возбуждения элементов апертуры посредством системы независимых лучей и, как следствие, независимость формы диаграммы направленности от размеров апертуры или от частоты. Наиболее распространенным инженерным методом расчета АА является так называемый апертурный метод. Этим же методом можно провести расчет и некоторых типов АБВ (спиральные, диэлектрические стержневые, антенны поверхностных волн).

Антенные решётки

Это системы однотипных излучателей, расположенных в пространстве по определенному закону и определенным образом возбуждаемых. Антенные решётки (АР) могут быть одномерными (или линейными) и двумерными (или поверхностными). Примерами линейных решёток являются директорная антенна и система щелей, прорезанных в стенках волновода. Из совокупности одномерных решёток можно составить двумерную решетку. Излучатели в решётках могут располагаться на плоских поверхностях или на поверхностях с криволинейной образующей. Схема питания элементов решёток может быть как последовательной, так и параллельной, а также комбинированной. Важное место в классе антенных решёток занимают фазированные антенные решётки (ФАР) с независимой регулировкой амплитудно-фазовых распределений на её элементах.

Антенно-фидерные устройства

В более широком смысле часто говорят не только об антеннах, но в целом об антенно-фидерных устройствах (АФУ), понимая под последними совокупность соединённых вместе линий передач, антенн и других устройств, обеспечивающих преобразование, согласование, распределение электромагнитной энергии, ее селекцию по поляризации или частоте и т.п. Все они имеют не только конструктивную общность, но и общность методов расчета и проектирования, основанную на теории электромагнитного поля и теории линейных радиотехнических цепей.

Внутренняя и внешняя задачи

В ряде случаев задачу проектирования антенн разбивают на две – внутреннюю и внешнюю. Внутренняя задача состоит в нахождении распределения тока в линейной антенне или амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве апертурной антенны при выбранном способе возбуждения. Внешняя задача заключается в нахождении по известным распределениям тока или поля в раскрыве антенны её характеристик излучения.

Прямая и обратная задачи

Задача расчета антенн также может быть прямой или обратной. Прямая задача или задача анализа заключается в нахождении электрических параметров антенны по заданным или известным ее конструктивным параметрам, способу возбуждения и рабочему диапазону частот. Обратная задача или

задача синтеза заключается в нахождении распределения тока и конструктивных параметров антенны, которые в определенном частотном диапазоне обеспечивают реализацию заданных характеристик излучения и входных параметров антенны.

Принцип электродинамического подобия

Применительно к антеннам формулируется следующим образом: антенна, работающая на частоте f1, не изменит своих характеристик, если на новой более высокой (низкой) частоте f2 = n×f1 ее геометрические размеры будут уменьшены (увеличены) в n раз, электрическая проводимость будет увеличена (уменьшена) в n раз (s2=n×s1), а электрическая и магнитная проницаемости материалов антенны и среды останутся без изменений. Принцип используется, например, при пересчете характеристик и параметров антенн с одной частоты на другую или при моделировании и экспериментальных исследованиях антенн. Трудно точно выполнить все условия принципа

подобия, в частности увеличение s. Это приведет к другим значениям тех параметров, которые учитывают потери. Но характеристики излучения антенны при этом не изменятся.

1.2. Элементарные излучатели

Кним относятся элементарные электрические вибратор (диполь Герца)

ирамка, элементарные излучающая щель (магнитный диполь Герца) и площадка (элемент Гюйгенса).

Комплексные амплитуды электрического (в вольтах на метр) и магнитного (в амперах на метр) полей в дальней зоне элементарного электрического вибратора, находящегося в однородной изотропной среде с волновым сопротивлением w, определяются по формулам


		wI	0 l
		wI	0 l
&	= i			F (q ) exp(−ikr) ;
Eθ	= i			F (q ) exp(−ikr) ;	(1.1)
		2l r


	&			&	/ w ,	(1.2)
		Hϕ		= Eθ
где k = 2π / λ – волновое число;					λ – длина волны; I 0 = const –	амплитуда
тока в вибраторе; l –	длина вибратора; r – расстояние от центра вибратора
до точки наблюдения;			(θ ) = sinθ – нормированная амплитудная ДН вибра-
		F
тора в плоскости, проходящей через ось вибратора (плоскость Е);						θ – угол

между осью вибратора и направлением в точку наблюдения. Сопротивление излучения элементарного электрического вибратора

находится как

R∑ =	2 l			2
		pw		.	(1.3)
	3		l

Комплексные амплитуды электрического и магнитного полей в дальней

зоне элементарной электрической рамки, находящейся в однородной изотропной среде с волновым сопротивлением w, определяются по формулам

	πwI	0 S	Р
&				F (θ)exp(−ikr)
Eϕ =	λ2 r				;	(1.4)

&	&	w ,	(1.5)
Hθ = − Eϕ

где F (θ ) = sinθ ; Sр – площадь рамки.

Комплексные амплитуды электрического и магнитного полей в дальней зоне элементарной односторонней щели в экране, находящейся в среде с

волновым сопротивлением w, равны

Eщlb

= −i

F (θ ) exp(−ikr) ;

Eϕ

(1.6)

λ r

w ,

(1.7)

Hθ

= − Eϕ

sin

;

щ =

щ /b – напряженность электрического поля в щели;

где F ( )

U щ = const –

напряжение в точках питания щели; l , b –

длина и ширина

щели.

Проводимость излучения элементарной односторонней щели находится как

		=	8π	l	2
G

	∑		3w	λ .		(1.8)

Комплексные амплитуды электрического и магнитного полей в дальней зоне элемента Гюйгенса в однородной изотропной среде с волновым сопротивлением w определяются по формулам

		E0 S
&	= −i	E0 S	F (θ ) sin ϕ exp(−ikr) ;
Eθ	= −i	λ r	F (θ ) sin ϕ exp(−ikr) ;	(1.9)
		λ r
&		E0 S
&		E0 S
Eϕ = −i		λ r	F (θ ) cosϕ exp(−ikr) ;	(1.10)
		λ r
&		&	w ;	(1.11)
Hθ = − Eϕ			w ;	(1.11)


&	&	w ,			(1.12)
Hϕ = − Eθ
где E0 = const –	напряженность электрического поля на поверхности эле-
мента; S – площадь элемента;				(θ ) = 0,5(1 + cosθ ) –
			F		нормированная ампли-

тудная ДН в плоскостях Е (ϕ = 0) и Н (ϕ = π /2).

1.3. Свойства полей, создаваемых источниками в однородной безграничной среде

j э,м

Пусть в некотором объеме V΄ находятся источники электрических и магнитных полей с векторами объемных плотностей j э,м . Они порождают поля, которые описываются электрическим и магнитным векторными потен-

циалами. Потенциалы через выражаются посредством интегралов по объему, занятому источниками. В декартовой системе координат эти выражения имеют вид

э, м

′ ′ ′

e−i k R

′

(x, y, z) =

∫

(x , y , z )

(1.13)

4π V ′

где

R = QP =

′

+ (z

′

′ ′ ′

(x − x )

+ ( y − y )

− z )

, dV

=d xd yd z .

Наряду с декартовой (x,y,z) введем в рассмотрение сферическую (r,θ,ϕ) систему координат, начало которой поместим в центр излучающей системы (см. рис. 1.1). В сферической системе координат расстояние между точками ис-


точника и наблюдения будет равно R =	r	2	′ 2	′	cosα .
точника и наблюдения будет равно R =	r		+ (r )	− 2rr	cosα .

Рис. 1.1. К расчету поля излучения источников

Будем интересоваться полем в области r > r', для которой можно за-

писать разложение R в ряд по степеням отношения (r′ / r)								вида
		r¢		1	r¢ 2
R = r 1	-		cos a +				sin2 a - × ××	(1.14)
R = r 1	-		cos a +				sin2 a - × ××	(1.14)
		r		2		r

Дальняя зона

Рассмотрим случай так называемой дальней зоны, когда r >> r'. Полагая в знаменателе R ≈ r, а в показателе быстро осциллирующей экспоненты удерживая первый и второй члены разложения (1.14), получим

R −ikr

A∞э,м(x, y, z) = eπ

4 r

Rэ,м	′ ′ ′	ik r′cosα	′
	(x , y , z )e		dV ,	(1.15)
∫ j

V′

где

r′cos α = (x′cosϕ + y′sinϕ)sinθ + z′cosθ = r′[sinθ sinθ ′cos(ϕ -ϕ′) + cosθ cosθ ′].

Если с использованием выражений (1.15) по известным в электродинамике формулам найти и проанализировать компоненты напряженности полей, то установим, что в дальней зоне:

∙поле имеет поперечный характер (Er = Hr = 0);

∙в окрестности любой точки наблюдения поле локально имеет характер плоской волны, т.е. Е = wН, где w – волновое сопротивление среды;

∙зависимость поля от расстояния имеет вид расходящейся сферической волны (1r )× e − i k r ;

∙угловое распределение напряженности поля не зависит от r, что следует из (1.15), где под знаком интеграла отсутствует зависимость от r ;

∙поток мощности от источников направлен строго в радиальном направлении.

Оценим границу применимости формулы (1.15). Если в (1.14) учесть еще и третий член разложения, то величина фазовых искажений или разность фаз между этими приближениями составит

ΔΦ = k(r′ sinα )2 2r .

Обозначим максимальный размер излучающей системы через a, тогда мак-

симальная (в направлении α = π 2 ) разность фаз будет

ΔΦ max = ka 2 8 r .

Примем, что максимальные допустимые фазовые искажения не должны превышать ΔΦmax =π 8 . Тогда расстояние до границы дальней зоны составит

r λ = 2(a λ )2 .

(1.16)

Эта формула справедлива для случая находящейся в дальней зоне приемной изотропной (абсолютно ненаправленной) антенны, размеры которой пренебрежимо малы. Если вместо нее будет антенна с максимальным размером b, то при допустимых фазовых искажениях ΔΦmax =π 8 вместо (1.16) необходимо пользоваться формулой

r λ = 2[(a + b) λ] 2 .

(1.17)

С увеличением электрических (волновых или в длинах волн) размеров антенн граница дальней зоны отодвигается. Например, из формулы (1.16) имеем:

если (a/λ) = 0,1 , то (r/λ) = 0,02;

если (a/λ) = 1 , то (r/λ) = 2;

если (a /λ) = 10, то (r/λ) = 200.

Условия (1.16), (1.17) необходимо учитывать при экспериментальных исследованиях характеристик излучения антенн. Поэтому очень узкие диа-

Источник: https://studfile.net/preview/16438500/

Смотрите также:



_1966(~1
_Антонян Ю.М., Сексуальные преступления. Чикатило и другие
_РГР № 1 (2)
- Габариты и масса 27
'Образ–Я' и его развитие средствами диалога
"Их невинная наложница "
"Логистическая технология JIT"
"Особенности правовой системы Российской Федерации" по дисциплине "Теория государства и права"