Назначение антенн и их общая характеристика.

Назначение антенн и их общая характеристика.

Блок схема прохождения радиосигнала от передатчика до приемника.

Рис. 1. Структурная схема прохождения радиосигнала

от передатчика до приемника.

 

Требования, предъявляемые к антеннам, различны в зависимости от назначения радиотехнического средства.

а) Телецентр, здесь свои требования

Рис. 2. Диаграмма направленности телецентра

б) Радиолокационная станция, здесь своя ДН. КНД большой, КУ большой.

Рис. 3. Диаграмма направленности РЛС

 

Классификация антенн.

I. Условное деление:

а) передающие

б) приемные

II. По диапазону волн:

а) антенны метровых волн

б) антенны более длинных волн

в) СВЧ-антенны

Такая классификация имеет недостаток: одна и та же антенна может использоваться в различных частотных диапазонах.

Рис. 4. Симметричный вибратор (диполь)

Симметричный вибратор может использоваться, как в метровом диапазоне, так и в ДМ, и в СМ диапазоне.

Наиболее целесообразно делить антенны по типу излучающих элементов антенны. Выделяют три группы:

1. антенны с линейными токами – линейные антенны.

d << l

d << l

2. апертурные антенны

3. антенны поверхностных волн

Линейные антенны делятся на:

1) открытые

а) симметричные вибраторы (одинаковые потенциалы, но разные по знаку относительно земли)

б) нулевой потенциал земля (противовес)

2) замкнутые – рамочные (используются в радио навигации (ДВ, СВ, КВ)).

Апертурные антенны – это такие антенны, излучение у которых происходит через раскрыв – апертуру. Используются, как правило, в СВЧ-диапазоне. Существенно отличаются от линейных антенн, как по принципу действия, так и по анализу и по конструкции.

К ним относятся:

– рупорные

– линзовые

– зеркальные

Размеры апертуры >>l – ДН остронаправленная, то есть узкая.

Как правило, в раскрыве амплитудное распределение – синфазное. Поле в раскрыве характеризуется двумя параметрами: амплитудным распределением и фазовым распределением.

Рис. 5. Рупорная антенна

Апертура поля в ней , где – функция распределения амплитуду в раскрыве, – функция распределения фазы в раскрыве

Эти антенны применяются в самых различных радиотехнических устройствах: РЛС, РР линии, телевидение, системы наведения и слежения за ЛА и т.д.

Антенны поверхностных волн – возбуждаются бегущими электромагнитными волнами, распространяющимися вдоль антенн, и излучающими преимущественно вдоль распространения.

 

Рис. 6. Поперечное сечение стержневой диэлектрической антенны

Рис.7. Плоскостная прямоугольная антенна с

системой прямоугольных канавок

Основные параметры антенн.

Существует две группы:

1-ая группа связана с наличием энергии токов СВЧ

2-ая группа связана с излучением электромагнитных волн

1-ая группа – , КСВ. Резонансные частоты

2-ая группа – ДН, КУ, КНД. Поляризационные характеристики (свойства).

Начнем рассмотрение со второй группы, параметры делятся на:

– первичные

– вторичные

Первичные параметры определяются путем непосредственных измерений: комплексная векторная ДН и КУ.

Вторичные параметры определяются графическим или расчетным путем по измеренным первичным. К вторичным относятся: ширина ДН, УБЛ, КНД коэффициент эллиптичности.

Диаграмма направленности.

Напряженность поля, излучаемого антенной, зависит от положения точки наблюдения.

Функциональное описание этой зависимости производят в сферической системе координат. (R,Q,j)

В дальней зоне напряженность электромагнитного поля

,

где – волновое число, – множитель, пропорциональный или амплитуде тока (проволочные) или напряженности поля в раскрыве (апертурные) и являющиеся функцией размеров антенн.

Функция – называется векторная комплексная диаграмма направленности (ДН) по полю, представляет собой зависимость амплитуды, фазы и поляризации поля от угловых координат на сфере дискритизированного радиуса R.

Она представляется в виде

,

где – положительная функция, называемая нормированной амплитудной ДН,

– векторная функция, модуль которой равен 1, называемая поляризационной ДН,

– функция, называемая фазовой ДН.

 

Амплитудная ДН

Амплитудная ДН по полю – зависимость амплитуды поля от угловых координат и определяется выражением:

Нормировка

максимум

ДН по мощности

Амплитудная ДН – представляет собой пространственную трехмерную поверхность.

Как правило, ДН рассматривают представленной в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Рис. 8. Вид диаграммы направленности

Для антенн линейной поляризации вертикальная плоскость – плоскость вектора и горизонтальная плоскость – вектор (Е -плоскость и Н -плоскость). Строить как в полярной системе координат, так и в декартовой системе координат.

Способы изображения ДН двумерных антенн.

Рис. 9. Полярная ДН по полю

 

Рис. 10. Декартовая ДН по полю и по мощности.

Узкие ДН удобно представлять в декартовой системе координат.

Если необходимо отразить большой динамический диапазон по амплитуде, то используют логарифмический масштаб.

Рис. 11. Декартовая ДН в логарифмическом масштабе

Важными характеристиками ДН с выраженной областью преимущественных излучений являются: направление главного максимума – , , УБЛ, КНД.

а) – направление главного максимума

б) – определяется по уровню

или и –3дБ в логарифмическом масштабе

в) УБЛ= . Для нормированной ДН УБЛ=

г) коэффициент направленного действия (КНД) – он показывает во сколько раз должна быть увеличена излучаемая мощность при замене направленной антенны на ненаправленную, чтобы напряженность поля создаваемые ими в точке наблюдения, были одинаковыми.

Обычно КНД определяют в направлении максимума излучения и обозначают через . КНД в произвольном направлении связан с отношением:

– функция описывающая пространственную ДН.

Для узких ДН

Поляризационная ДН представляет собой единичный вектор поляризации, совпадающий по направлению с вектором электрического поля антенны и описывающий зависимость его ориентации от угловых координат времени.

Вид поляризации поля, излучаемого антенной, определяют по форме кривой, которую описывает конец вектора за период ВЧ колебаний в плоскости перпендикулярной к направлению на точку наблюдения:

1) линейная

2) вращающаяся

а) круговая

б) эллиптическая:

по часовой стрелке – правая

против часовой стрелки – левая.

– в виде двух взаимно ортогональных составляющих

О – основная поляризация

П – паразитная поляризация (кроссполяризация)

причем

Уровень кроссполяризационной составляющей можно определить из разложения поляризационной ДН по базисным ортам, записанного вида:

,

где и – взаимно ортогональные орты, соответственно основной и паразитной составляющих поляризации

– вещественная функция, характеризующая уровень поля основной поляризации для различных направлений

– характеризует плотность потока мощности основной поляризации, называют поляризационной эффективностью антенны в данном направлении.

Рис.12. Поляризационный элипс

При a=0 и a=1 эллипс вырождается в отрезок прямой.

Фазовая ДН.

Фазовая ДН – представляет собой зависимость фазы поля основной поляризации от угловых координат в дальней зоне при постоянстве расстояния от точки наблюдения до начала выбранной системы координат. Форма ФДН существенно зависит от положения начала отсчета координат.

Антенна имеет фазовый центр, если существует точка, относительно которой ФДН является постоянной функцией (за вычетом возможных скачков фазы на ±180⁰ при переходе через нуль амплитудной ДН). Эта точка и есть фазовый центр.

Физический фазовый центр – точка, из которой исходят сферические волны. В большинстве случаев антенны не имеют фазового центра.

Рассмотрим остронаправленные антенны. Как правило, важна форма фазовой ДН в пределах главного лепестка. Поэтому вводят понятие частичного фазового центра, который определяют, как центр кривизны поверхности равных фаз в направлении главного лепестка.

Для этого лепестка определяют фазовый центр

Коэффициент усиления.

Коэффициент усиления (КУ) показывает во сколько раз должна быть увеличена мощность, подведенная к направленной антенне, при замене ее ненаправленной, не имеющей силовых потерь и идеально согласованной антенной, чтобы напряженности поля, создаваемые ими в точке приема были одинаковы.

 

– излученная мощность

В направленной антенне существуют потери:

а) на отражение

б) тепловые (омические)

а) + б) = характеризуют КПД = h

– модуль коэффициента отражения

 

Как правило, КУ – измеряется.

Таким образом КНД характеризуется излучаемой мощностью, а КУ характеризуется подводимой мощностью.

 

Параметры антенн можно найти непосредственно из уравнений Максвелла, связывающих в дифференциальной форме значения электромагнитного поля с плотностью тока и заряда в рассматриваемой точки пространства. Найти точные решения весьма затруднительно, поэтому пользуются приближенными методами решения.

Существует множество методов. Мы будем рассматривать различные методы для линейных и апертурных антенн.

Провода антенны мысленно разбиваются на элементарные участки. Каждый участок рассматривается как элементарный электрический диполь. Поле антенны определяется как сумма полей, создаваемых отдельными элементами с учетом их поляризации, амплитуд и фаз. Суммирование полей сводится к интегрированию по источникам.

Рис. 14. Принцип определения поля проволочной антенны

Возьмем интеграл

Или

(6)

– первый множитель не зависит от направления

– АДН

– ФДН

Из выражения (6) видно, что симметричный вибратор обладает направленными свойствами только в меридиональной плоскости (плоскость электрического вектора)

Напряженность электрического поля симметричного вибратора в его экваториальной плоскости (плоскость магнитного вектора )

не зависит от угла , то есть представляет собой окружность.

Как видно из формулы (6) направленные свойства симметричного вибратора при синусоидальном распространении тока определяются только отношением . В случае когда (полуволновой вибратор) выражение (6) примет вид

Анализ выражения (6) показывает, что:

а) излучение вдоль вибратора при любом отношении – отсутствует

б) если , то излучения, в направлении перпендикулярном оси поля, всех элементарных вибраторов максимальны и синфазны, а значит, в этих направлениях они складываются. Поле в данном направлении ( и ) максимально.

Таким образом

для симметричного вибратора, как правило , тогда

Рассмотрим полуволновой вибратор ().

Расчет ведут следующим образом. В вибраторе существуют потери, пусть , тогда , но этого не может быть, так как в точке питания он конечен, значит и – конечно.

Закон синуса тока – справедлив для линии без потерь, а у нас существуют потери, значит закон не синусоидальный, а такой, какой бывает в линиях с потерями. Он соответствует закону гиперболического синуса:

где , – коэффициент затухания и – коэффициент фазы.

Поэтому при расчете «коротких» вибраторов ( и ), то есть у которых узел тока находится от точек питания вибратора не ближе , исходят из синусоидального распределения тока.

При расчете «длинных» вибраторов () следует исходить из распределения тока по закону .

Найдем формулу для расчета активной составляющей

через ток в пучности

через ток в точках запитки

Используя , получим

Значение для данной длины находят из таблиц или графиков

для

При расчете пользуются формулой входного сопротивления разомкнутой на конце двухпроводной линии без потерь, заменяя в ней волновое сопротивление линии волновым сопротивлением антенны (симметричного вибратора)

Таким образом

(7)

точность формулы (7) повышается с уменьшением толщины вибратора (уменьшается радиус провода).

Зависимость входного сопротивления симметричного вибратора от величины отношения и от показаны на рисунках ниже.

Рис. 22. Кривые активной и реактивной составляющих входного сопротивления тонких вибраторов в зависимости от

Питание вибраторных антенн.

Для питания антенн в диапазоне ультракоротких волн открытые линии из-за антенного эффекта обычно не используются, а большей частью для этой цели применяется экранированный, в частности коак­сиальный фидер.

 

 

 

Рис. 31. Непосредственное подсоединение

коаксиального фидера к симметричному

вибратору.

 

Непосредственное присоединение коаксиального несимметричного фидера к симметричной антенне нарушает симметрию токов в ней и приводит к появлению тока на наружной поверхности экрана фидера. При непосредственном соединении, как показано на рис. 31, выходное напряжение фидера возникает не только меж­ду входными зажимами симметричного вибратора, но и между одним из зажимов вибратора (правым на рисунке) и оболочкой фидера. Напряже­ние между зажимами вибратора вызывает в нем симметричные токи, замыкающиеся с одной половины на другую, как показано сплош­ными линиями на рисунке. Напряжение между правой половиной вибратора и экраном кабеля вызывает дополнительный ток, замыкаю­щийся с этой половины вибратора на оболочку фидера, как показано пунктирными линиями. Появление тока снаружи экрана приводит к излучению фидера. Кроме того, нарушается симметрия токов в по­ловинах вибратора. Все это заметно искажает диаграмму направлен­ности антенны, что считается недопустимым.

Поэтому для соединения коаксиального фидера с симметричной антенной применяются специальные переходные устройства, назы­ваемые также симметрирующими устройствами. Основная задача, которую они выполняют, заключается в обеспечении электрической симметрии каждой половины антенны относительно оболочки фидера.

 

Рис. 32. Симметрирующее

устройство типа «U -колено»

 

На практике применяется довольно большое количество подобных переходных устройств. Наиболее распространенные из них рассмат­риваются ниже.

а) «U -колено». Схема симметрирующего устройства типа «U -ко­лено» показана на рис. 32. Центральный провод коаксиального фидера присоединяется к зажиму А левой половины вибратора. От этой точки напряжение к зажиму Б правой половины вибратора по­дается через участок кабеля длиной , где — длина волны в кабе­ле. Фаза напряжения на участке длиной изменяет свой знак на обратный. Поэтому к зажимам вибратора подводится требуемое про­тивофазное напряжение. Оболочки всех отрезков кабелей соединены между собой и заземлены. При указанной схеме питания обе половины вибратора совершенно симметричны относительно оболочки кабеля.

U -колено является трансформатором сопротивления по той при­чине, что входное сопротивление нагрузки общего фидера (Ф) между точками A3 в четыре раза меньше, чем входное сопротивление вибра­тора на зажимах АБ.

Схема U -колено может быть использована также для перехода с коаксиального кабеля на симметричный двухпроводный фидер, открытый или экранированный.

 

 

Рис. 33. Симметрирующее устройство

типа «четвертьволновый стакан»

 

К недостаткам рассмотренного переходного устройства относит­ся то, что оно может применяться только при работе на одной волне или, точнее, в узкой полосе частот, так как геометрические размеры устройства связаны определенным образом с длиной волны.

б) «Четвертьволновый стакан». Переходное устройство типа «чет­вертьволновый стакан» показано на рис. 33. Металлический цилиндр («стакан») длиной в четверть волны охватывает с небольшим зазором внешнюю оболочку кабеля и припаян с нижней стороны к этой оболочке. Верхняя часть цилиндра не соединена с оболочкой и может быть закрыта диэлектрической шайбой. Внутренняя поверхность ука­занного цилиндра и наружная поверхность кабеля образуют четвертьволновую линию, короткозамкнутую на конце, входное сопротивление которой (на зажимах 2-3) при достаточно большом волновом сопро­тивлении этой линии будет очень велико.

Таким образом, зажим 1 антенны изолирован от наружной оболоч­ки кабеля непосредственно, а зажим 2 изолирован от оболочки (от точки 3) большим входным сопротивлением отрезка четвертьволновой линии. Следовательно, обе половины вибратора оказываются пример­но в одинаковых условиях относительно оболочки кабеля и симметрия вибратора не нарушается.

Сопротивление нагрузки для фидера (в точках 1-2) при точной настройке стакана остается примерно равным входному сопротивле­нию самой симметричной антенны.

Рассмотренное переходное устройство так же, как и «U -колено», является весьма узкополосным.

 

 

 

Рис. 34. Симметрирующая щель

 

г) Симметрирующая щель. На рис. 34 показано переходное устройство в виде отрезка коаксиального фидера с двумя продольны­ми щелями. Длина каждой щели равна четверти длины волны (). Одна половина симметричного вибратора (левая на рисунке) присоеди­няется непосредственно к наружной оболочке кабеля; другая поло­вина (правая) присоединяется одновременно к центральной жиле и к оболочке кабеля. При таком соединении каждая половина вибратора оказывается совершенно симметричной относительно оболочки кабеля вследствие чего не нарушается симметрия токов в половинах вибра­тора. А вследствие того, что длина расщепленного участка оболочки составляет четверть волны, входные зажимы симметричного вибратора изолированы от сплошной оболочки фидера.

В рассмотренном переходном устройстве симметричное возбужде­ние сохраняется не только на резонансной волне но и при изменении длины волны. В последнем случае, однако, ухудшается согласование между коаксиальным фидером и вибратором. Тем не менее указанное переходное устройство является более ши­рокополосным, чем «U -колено» или «четвертьволновый стакан».

При запитке его коаксиалом.

1)

Сопротивление нагружающие отрезки кабелей равны

Если кабель имеет волновое сопротивление , а длина отрезка , то сопротивление нарушающее кабель в точке . КСВ близок к единице.

2)

. . Если стремится к 0, то сопротивление нагружающее кабель питание в точке в два раза меньше, т.е. около .

3) Широкополосное мостиковое симметрирующее устройство.

 

4) В диапазоне СМ длин волн используются жесткие коаксиальные волноводы.

 

5) Возбуждение при помощи двух профильных щелей, прорезанных во внешнем проводнике коаксиала.

 

 

Пирамидальный рупор.

Приближенно можно считать, что фронт волны в пирамидальном рупоре имеет сферический характер. Фазовые искажения в раскрыве рупора определяются выражением

где длина рупора в плоскости длина рупора в плоскости

Для остроконечного рупора , для клиновидного рупора .

Структура поля в плоскостях и подобна структуре поля в этих же плоскостях в и плоскостных секториальных рупорах соответственно. Вследствие этого диаграмма направленности пирамидального рупора определяется теми же выражениями, что и для и рупора в соответствующих плоскостях.

Коэффициент направленного действия пирамидального рупора:

Используя эту формулу можно рассчитать коэффициент направленного действия пирамидального рупора с помощью графиков для и рупоров.

В этом случае формулу удобно представить в виде:

величины, стоящие в круглых скобках, непосредственно отложены по осям ординат на указанных графиках.

 

Расчет рупорных антенн.

Основной задачей расчета рупорных антенн является определение главных размеров рупора Исходными данными обычно являются и в плоскостях и - , .

Порядок расчета следующий:

1) По заданной определяют размеры раскрыва рупора и .

Если заданы в градусах, то

а) для рупора

б) для рупора

в) для пирамидального рупора

Определив размеры находим оптимальные размеры рупора и .

Для пирамидальных рупоров эти размеры могут быть различными и несовместимыми. В этом случае берется наибольшее значение с тем, чтобы фазовые искажения в раскрыве не превысили допустимых.

 

Применение рупорных антенн.

В качестве самостоятельных антенн рупорные антенны используются в тех случаях, когда не требуется очень узкая диаграмма направленности и когда антенная должна быть достаточно диапазонной (широкополосной).

Рупорные антенны могут работать в широком диапазоне частот.

 

Рис. 56. Изменение КНД пирамидальных и конических рупоров с частотой.

При помощи рупора можно перекрыть приблизительно двойной диапазон волн. Собственно говоря, диапазонность рупорной антенны ограничивается не рупором, а питающим его волноводом.

Большая диапазонность рупорных антенн и простота конструкции является существенными достоинствами этого типа антенн СВЧ, благодаря которым они находят широкое применение в технике антенных измерений и измерений характеристик электромагнитного поля.

Рупорные антенны широко применяются в качестве облучателей боле сложных антенных устройств. Например, для облучателей зеркальных и линзовых антенн.

Линзовые антенны.

Уравнение профилей линзы.

Введем прямоугольную систему координат xOy с центром в вершине линзы. Условием синфазности поля в раскрыве линз является равенство длины оптического пути для всех лучей, выходящих из фокуса линзы и идущих до ее раскрыва.

Ускоряющая линза.

Рис. 59. Ускоряющая линза.

– фокусное расстояние, – показатель преломления.

Условие равенства 1-го и 2-го оптических лучей

– уравнение эллипса

записанное в прямоугольной системе координат.

В полярной системе координат. Это равенство по электрической длине (по равенству фаз)

– уравнение эллипса

в полярной системе координат.

 

Замедляющая линза.

Рис. 60. Замедляющая линза.

откуда

– это уравнение гиперболы,

оно определяет профиль замедляющей линзы.

Уравнение в полярной системе координат

, находим

 

.

Зонирование линз.

Зонирование приводит к появлению необлученных вблизи ступенек частей поверхности линзы.

Рис. 65. Вредные зоны в зонированной линзе

Они уменьшают коэффициент поверхностного раскрыва линзы, то есть уменьшают эффективную поверхность и вызывают увеличение УБЛ. Другими словами существует проблема и ее надо решить. Один из путей решения этой проблемы.

 

Рис. 66. Зонированная линза, не имеющая вредных зон

– пр-во металлопластиковой линзы

– воздух более плотная оптическая среда

Т.к. лучи падают нормально окружностям, преломление лучей в т. 1,2,3. Для того чтобы 1 и 2 были параллельными при данных и кривая теневой стороны линзы должна иметь профиль гиперболы. Таким образом, вредные зоны устраняются.

 

Цилиндрическая линза.

Сферическая и цилиндрическая линза Люнеберга.

1944г. Люнеберг предложил линзу, которая представляет собой сферу из радиопрозрачного материала с переменным коэффициентом преломления. Облучатель (обычно небольшой рупор) располагается на поверхности сферы. Коэффициент преломления такой линзы должен изменятся по закону

 

– радиус сферы

– расстояние от центра сферы до точки наблюдения в сфере

 

когда т.е. линза согласована с внешним пространством

В радиальном направлении коэффициент преломления изменяется, повышаясь до значения в центре сферы.

Рис. 71. Сферическая линза: а – линза, образованная из шаровых сегментов; б – траектория лучей в линзе.

Расчет поля излучения сферической линзы производится как для синфазной круглой площадки с . Распределение в таком эквивалентном отверстии амплитуд близко к равномерному.

Рассмотренная линза обладает сферической симметрией. Перемещая о