L6_065-085 (Линии передачи СВЧ-диапазона, В.М. Максимов), страница 2

При сферической форме волновой поверхности ее центр называется фазовым центром антенной системы. Однако некоторые антенны особенно на СВЧ не имеют фазового центра. Для таких антенн поверхности равных фаз отличаются от сферических поверхностей. На рис. 1П.2 показаны линии постоянной фазы дпя рупорной антенны, отличающиеся от дуг окружности (с цент- 69 Последнее выражение является очень важным в теории антенн, и — ! Остановимся на нем подробнее.

Множитель г, — — й соз 0 = г, 2 в показателе есть расстояние от середины антенной системы до точки и†! наблюдения, а 5(! = (!/5 определяет фазовый угол тона, соответствующего той жс средней точке антенны. При указанных обозначениях выражение (П1.15) можно переписать так: ром Р), которые для сравнения изображены пунктиром. Амплитуда поля системы излучателей отличается от амплитуды поля одиночного излучателя множителем: Г (0)=з(п1 — "(кс(соз0 — Ф)1/э(п! — ' (кг(соз0 — ~р)~.

(Ш !8) (2 Я [2 Это выражение определяет собой диаграмму направленности линейной системы из и ненаправленных излучателей и является так называемым множителем решетки. Из (П1.16) следует, что общее выражение для диаграммы направленности линейной системы из и на«Уеаненын сферический правленных излучателей определяется грааоеаый грйаннг произведением ! ( р, О) = Р, ( р, О) Г„(0). (Ш . 10) Выражение (П1.18) определяет ненормированную диаграмму направленности системы из и ненаправленных излучателей, так как его максимальное значение отличается от единицы и равно и при кг( соз 0 — тр = О, (П1.20) Рнс. ! П.2.

Г(оверхностн постони. ных фаз злектромагннтноя волвы г югтенны, не нмеюшей Фазового Действительно, при этом выражение центра. (1П.18) превращается в неопределенность вида О/О. Учитывая, что в квадратных скобках выражения (1П.18) стоят аргументы, стремящиеся к нулю, синусы можно заменить аргументами и тогда в пределе з!и» вЂ”, (хг( соз 0 — тР)1 !(гп ! (О)= 1пп ! .=. и. (111.21) «и со О «и созе -«Ез(н (хг(сов 0 «р)1 2 Нетрудно убедиться, что и определяет максимально возможное значение выражения (П1.18). Поэтому нормированное значение этого выражения будет Г н Мн ~ (ап~ы 0 — «Р)~ Р„(0)= ' н Г! з ~ ) (кг(воз 0 — «р)1 ~ 2 (111.22) Р «р, О) = Р,(гр, О) Р„(0). (П!.23) тв В том случае, когда направление максимума диаграммы одиночного излучателя совпадает с направлением, для которого получается максимум множителя системы, можно написать выражение для нормированной диаграммы направленности системы направленных излучателей в виде Определим далее выражение для диаграммы направленности непрерывной линейной системы, составленной как бы из бесконечно близко расположенных ненаправленных излучателей.

Для этого можно воспользоваться выражением (1П.22), полагая, что и -~ оо; с(-» 0; п1( = й 1см. (П1.21) — (11!.23)1, где Š— длина системы: Мп~ (со50 — !( $!п~ (со$0 )~ !!ш 7'„(О) — „',„—, . (П1.24) к мп ~ — (сок Π— — )~ — (сок 0 — — ) В последнем выражении отношение ф/с( представляет собой сдвиг фаз на единицу длины системы, и его можно трактовать как волновое число к' = 2 я)Л' некоторой электромагнитной волны, распространяющейся вдоль линейной системы со скоростью о = Х'!'; !' — частота колебаний; Х' — длина волны в рассматриваемой системе. Учитывая это, можно произвести следующие преобразования: $ к' 2я Л Л (Ш.25) кл к Л' 2я Л' где Х вЂ” длина волны в свободном пространстве; $ — так называемый коэффициент укорочения волны. Подставляя (П1.25) в (П1.24) и меняя местами соз 0 и $ как в числителе, так и в знаменателе, получаем Р„(0) = з!и ~ — ($ — соз О)у — ($ — соз О). (П1.26) !кд 1 l кд У 2 уо(Ф) =-з!п ( —, з!пФу — з1пФ.

'кЕ . 1 IкЕ 'Л2 7/ 2 (П! .28) Полученные выше выражения (!!1,18), (П!.!9), (П1.22), (П1.23), (!! 1.20) — (П1.28) позволяют рассмотреть вопрос о направленном действии многих типов антенн, применяемых на практике. Используем их для исследования некоторых типов антенных систем. 7! Это выражение при $ ) 1 имеет максимальное значение, меньшее чем единица.

С)но определяет собой ненормированную диаграмму направленности непрерывной линейной системы равноамплитудных ненаправленных источников, вдоль которой фаза меняется по такому же закону, как и в бегущей волне. В случае непрерывной линейной синфазной системы, для которой $ = О, из (П1.24) получаем Р„(О) =з1п ~ е созО 1/ке соз О. (1П.27) Если отсчет углов вести не относительно линии расположения излучателей, а относительно направления максимума излучения, которое перпендикулярно этой линии, то угол 0 надо заменить на угол Ф, связанный с О равенством 0 = 90" — Ф. После такой замены выражение (111.27) принимает вид 1'„(О) = ' =. 2 соз ((кй соз Π— ф)/23. (П1.29) мп((хв ° е — ф)121 ' Это выражение определяет диаграмму направленности двух ненаправленных излучателей, разнесенных на расстояние й, стоками, сдвинутыми по фазе на угол тр.

В частности, это может быль диаграмма направленности двух вертикальных вибраторов в горизонтальной плоскости. Рассмотрим несколько частных случаев. Пусть г( = Х/2, ф = О, тогда ~„(О) = 2 соз ~ —" соз О ) . (Ш.ЗО) Это выражение обращается в нуль при О = 0 и 180' и имеет максимум при О = 90'. Результирующая диаграмма направленности изображена на рис. П1.3, а; знаки «+» означают, что токи вибраторов совпадают по фазе, Такая антенная система, называемая синфазно11 (ф = О), характеризуется пгем, что максимумы излучения получаются в направлении, перпендикулярном линии расположения излучателей.

В этом гх Ег и в Е 1ВВ ~вг 2 ув' Рис. 111.3. Горизонтальнан диаграмма направленности двух синфазных верти- Х кальных вибраторов, расположенных на расстокнин о = -(а): векторные диаграм- 2 мы слаженна полей 1б). направлении длина пути от каждого излучателя до точки наблюдения будет одинаковой. Поэтому векторы напряженностей полей, создаваемых каждым из вибраторов, будут в фазе, так как поля в указанном направлении будут запаздывать на одно и то же время относительно токов в вибраторах. Минимумы излучения (нули) получаются вдоль линии расположения излучателей.

Это объясняется тем, что волны, излучаемые двумя синфазными источниками, в этом направлении проходят пути, отличающиеся между собой на половину длины волны. 7« а) Два излучателя при разных фазовых соотношениях и расстояниях между ними. При и = 2 выражение (1П.!8) принимает вид В результате волны, попадающие из источников в точку наблюдения, оказываются в противоположных фазах. Соответствующие векторные диаграммы сложения полей показаны на рис. 1П.З, б.

Пусть й = Л12, ф =- и, тогда 1„(О) = 2 соз ~ — 1Л вЂ” — соз Π— и )~ = 2 з(п~ — сг)з О) . (111.31) Г1 /2п Л 11 . 'и г Ц 1ЭО увв' Рис. 111.4. Горизонтальная диаграмма направленности двух вертикальных вибраторов с токами в противоположных фазах. Рис. 111.5. Горизонтальная диаграмма направленности вертикальной антенны с рефлектором. Рассмотренная антенная система, называемая иногда перемениофазной (ф = !80'), характеризуется тем, что максимумы излучения получаются вдоль линии расположения излучателей, а минимум«я (нули) — в направлении, перпендикулярном этой линии. Такая форма диаграммы направленности обусловлена интерференцией полей двух источников, подобной рассмотренной выше для синфазных излучателей.

Пусть г( = Х/4, ф = и!2, тогда /„(О) =.2 сов ~ — ( — — созΠ— 1~ =: 2 сов!1 — (1 — сов О)1. (П1.32) Г1 Г2п Л 12 (, Л 4 Это выражение обращается в нуль при О = 180' и имеет максимум при О = 0'. Общая диаграмма направленности изображена на рис. 111.5. Как видно из рисунка, диаграмма напоминает собой кардиоиду. Такая диаграмма является характерной для так называемой антенны с рефлектором" (зеркалом). Волны, излучаемые антенной, как бы отражаются от рефлектора, расположенного позади антенны на расстоянии в четверть длины в(злны. Для того чтобы получилась указанная на рисунке кардиоиднегя диаграмма, амплитуды токов ео Слово рефлектор происходит от английского глагола гейес! — отражать.

73 Это выражение обращается в нуль при О = ~ 90' и имеет максимум при О = 0 и 180'. Соответствующая диаграмма направленности изо- бражена на рис. П1.4, знаки «+» и « — » означают, что токи вибрато- ров находятся в противофазе. антенны и рефлектора должны быть одинаково!ми, а ток в рефлекторе должен опережать по фазе ток в антенне на 90 '. Подобную же диаграмму направленности будет иметь антенна с так называемым директором*>. Цирекпюр представляет собой вибратор, расположенный впереди антенны на расстоянии в чегпверть длины волны; проходящий по нему ток должен иметь такую же амплитуду, как и ток в ангпенне, и отставать от него по фазе на 90'.

При этом условии излучение будет получаться максимальным в сторону директора и минимальным в обратном направлении (рис. П1,5). Необходимый сдвиг фаз между токами в вибраторах получается с помощью соответствующей схемы питания рли настройки. Рефлек- рис, П! б Диаграмма направленности двух ненаправленных близко рисполо. женных нзлучвтелей: и прв сиифазных токах; б — нрн токак в противофвзо. тор, питаемый от генератора при помощи фидера, называется активным. Рефлектор может быть также пассивным, когда ои ие питается от фидера, а возбуждается полем питаемой антенны.

В этом случае подбор фазы тока в рефлекторедостигается соответствующей настройкой Директоры, как правило, выполняются пассивными, В заключение рассмотрим случай двух близко расположенных, ненаправленных вибраторов (когда й (( )к). Пусть тр = О. Тогда из (1П.29) имеем !п(9) =-2 соя = 2 соя ( — соя О) ж 2, (111 88) так как (пйй) соя 9 независимо от 9 — величина малая. Соответствующая ненаправленная диаграмма в полярных координатах изображена на рис. П1.6,а.

Пусть тр = 180', Тогда из (Ш.29) получаем ! (8) = 2 соя ~ — (кй соя Π— и) ~ = ! и 2 / ! =2я!п ~ — кйсояО) он кйсояО, (!1!.94) а~ Слово директор происходит от английского глагола спгес! — нвпривлять. 74 тзк как при малых аргументах синус можно заменить самим аргу- ментом. Множитель кй на форму диаграммы направленности не влияет, она определяется лишь множителем соз О (рис. П!.