Материал: 736

35

Вопросы для самоконтроля

Основные характеристики и параметры антенн

1.Понятие и особенности диапазона СВЧ.

2.Что такое антенна?

3.Определение и особенности класса линейных антенн.

4.Определение и особенности класса апертурных антенн.

5.В чём заключается различие понятий «центр излучения антенны» и «фазовый центр антенны».

6.Понятие поляризации, её виды.

7.Особенности низкочастотных антенн.

8.Особенности антенн СВЧ.

9.Принцип электродинамического подобия и его применение в антенной технике.

36

2. Элементы общей теории антенн

2.1. Линейная непрерывная система

Под линейной непрерывной системой (ЛНС) будем понимать систему однотипных элементарных излучателей, непрерывно распределенных вдоль заданного направления в пространстве. Длина линейной системы произвольна, а ее поперечные размеры много меньше длины волны и ее продольных размеров.

Множитель направленности и КНД

Пусть ось ЛНС совпадает с осью z прямоугольной системы координат

(рис. 2.1).

Рис. 2.1. К расчету множителя направленности ЛНС

Диаграмму направленности такого идеализированного излучателя называют множителем направленности (МН) системы. Множитель направленности ЛНС не зависит от азимутальной координаты и обладает осевой симметрией. Он описывает интерференцию сферических волн, излучаемых точечными изотропными источниками, расположенными вдоль оси системы.

По определению МН ЛНС описывается выражением

где I&(z) = I (z) ei Ф( z ) – комплексная амплитуда тока в ЛНС.

Простейшей реализацией ЛНС является прямолинейный провод длиной L с бегущей вдоль него волной электрического тока. Распределение тока опи-

Vф – фазовая скорость волны тока вдоль провода.

37

Амплитуда тока в ЛНС предполагается постоянной, а фаза с расстоянием меняется по линейному закону. Значение ξ = 0 соответствует синфазному распределению тока. При ξ < 1 волна будет ускоренной, а в случае ξ > 1–

замедленной. Если ξ = 1, то волна тока распространяется со скоростью света. ЛНС является эталоном, относительно которого оцениваются свойства линейных систем с другими АФР.

Выражение для нормированного множителя направленности ЛНС получается подстановкой (2.2) в (2.1) и последующим интегрированием:

Множитель направленности линейного излучателя является вещественной функцией. Поверхность равных фаз поля в дальней зоне имеет вид сферы с центром в середине линейного излучателя. Следовательно, независимо от

значения коэффициента ξ фазовый центр линейного излучателя совпадает с его геометрическим центром.

Проведем анализ функции (2.3). Ее график показан на рис. 2.2. Основные

Рис. 2.2. Множитель направленности ЛНС

свойства этой функции: главный лепесток имеет максимум в направлении

ψ = 0 ; его ширина по нулям равна 2π ; боковые лепестки симметричны, их ширина по нулям равна π. Нули располагаются в точках

ψ = nπ , n = ±1,±2,... . Уровни боковых лепестков (УБЛ) по напряженности поля относительно главного составляют

УБЛ n ≈ [π (n + 12)] −1 , n = 1,2,… – номер лепестка.

38

Уровень 1-го лепестка по напряженности поля УБЛ1 ≈ 0,21 или –13,2 дБ. Чем больше электрическая длина системы kL, тем больше количество лепестков в ДН.

Положение главного максимума определяется из условия ψ = 0 , что

Область cos θ £ 1 называется видимой областью углов и ей соответствуют

значения ψ из интервала − π L λ ≤ ψ ≤ π L λ . Вне этой области необ-

ходимо считать cos θ ³ 1 , что соответствует комплексным (мнимым) зна-

чениям θ. В случае синфазного возбуждения (ξ = 0) главный лепесток бу-

дет ориентирован в направлении θ 0 = π 2 , т.е. имеет место режим попе-

речного излучения. При 0 < ξ < 1 имеем режим наклонного излучения, когда главный максимум отклоняется от поперечного направления в сторону движения волны; при ξ = 1 он ориентирован строго в направлении оси системы. Это – режим осевого излучения. Форма множителя направленности ЛНС в зависимости от ξ показана на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Зависимость множителя направленности ЛНС и её КНД от коэффициента замедления ξ

При дальнейшем увеличении ξ амплитуда главного максимума убывает и он постепенно исчезает, перемещаясь в область мнимых углов комплексной плоскости. При этом увеличивается реактивная мощность и происходит относительный рост УБЛ. Антенна плохо излучает, так как парциальные вол-

39

ны, излучаемые отдельными элементами системы, в значительной степени

компенсируют друг друга. При дальнейшем увеличении ξ система приобретает свойства замедляющей структуры.

Приведем асимптотические выражения для параметров, определяющих излучение длинных (L>>λ) ЛНС. Ширина главного лепестка в градусах для режима наклонного излучения равна

Однако в этом случае имеем направленность системы в двух плоскостях, а в

Вслучае осевого излучения система может обеспечить оптимальный режим

всмысле достижения максимального значения КНД, который равен

На рисунках 2.4 и 2.5 приведены ДН, рассчитанные для двух размеров ЛНС по формулам (2.3), (2.4) при ξ = 1 и ξ = ξопт. Пунктиром показаны ДН в случае, когда элемент системы имеет в плоскости, проходящей через ось системы, направленные свойства и его ДН может быть аппроксимирована функцией Fэл (θ ) = cosθ . Видно, что при больших размерах системы ДН в основном определяется ее множителем направленности, а направленные свойства элемента можно не учитывать, если максимум его ДН и максимум МН ЛНС совпадают.