Шостак А.С. Антенны и устройства СВЧ. Часть 2. Антенны (2012)

А.С. ШостакАНТЕННЫ И УСТРОЙСТВА СВЧЧасть 2. АнтенныУчебное пособие для студентов специальности 160905 –«Техническая эксплуатация транспортногорадиооборудования»ТОМСК 20101Министерство образования и науки Российской ФедерацииФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего профессионального образованияТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТСИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)А.С. ШостакАНТЕННЫ И УСТРОЙСТВА СВЧЧасть 2. АнтенныУчебное пособие для студентов специальности 160905 –«Техническая эксплуатация транспортногорадиооборудования»20122Рецензент: профессор кафедры КИПР ТУСУР, д.т.н.

Татаринов В.Н.Технический редактор: доцент кафедры КИПР ТУСУР, к.т.н. Озеркин Д.В.Шостак А.С.Антенны и устройства СВЧ. Часть 2. Антенны: Учебное пособие. - Томск:Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2012.-168с.Учебное пособие соответствует программе курса «Антенны и устройстваСВЧ» для студентов, обучающихся по специальности 160905 - «Техническаяэксплуатация транспортного радиооборудования».Рассмотрены основные разделы теории и техники антенн – фидерныхустройств, изложены основы теории линий передач и представлены различныеустройства СВЧ с использованием матричного исчисления их внешних характеристик. Рассмотрены вопросы построения и расчета различных типов антенни антенных решеток, особое внимание уделено антеннам СВЧ Шостак А.С., 2012 Кафедра КИПР Томскогогосударственного университета системуправления и радиоэлектроники, 20123СОДЕРЖАНИЕСОДЕРЖАНИЕ ................................................................................

3ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................... 61 ПОЛЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И НАПРАВЛЕННОСТЬ ДЕЙСТВИЯАНТЕНН .................................................................................................... 81.1Электродинамические основы теории антенн ............................. 81.2Векторная комплексная диаграмма направленности антенны . 131.3Коэффициенты направленного действия и усиления антенны 221.4Сопротивление излучения, коэффициент полезного действия ивходной импеданс антенны .......................................................... 261.5Рабочая полоса частот и предельная мощность антенны ......... 282 СИММЕТРИЧНЫЙ ВИБРАТОР ..............................................

292.1Постановка и строгое решение задачи о распределении тока навибраторе........................................................................................ 292.2Приближенная теория вибратора ................................................ 322.3Поле излучения симметричного вибратора и его диаграмманаправленности.............................................................................. 362.4Сопротивление излучения, действующая высота и входноесопротивление вибратора .............................................................

412.5Сравнительный анализ строгой и приближенной теорийвибратора ........................................................................................ 463 АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ ........................................................... 483.1Антенные решетки и классификация .......................................... 483.2Методы расчета характеристик антенных решеток .................. 523.3Излучение линейной синфазной антенны .................................. 533.4Излучение плоской и пространственной синфазных решеток . 593.5Решетка с линейным набегом фазы.

Антенны с электрическимсканированием ............................................................................... 613.6Расчет антенных решеток радиосистем ...................................... 643.7Взаимодействие излучателей в решетке и диаграмманаправленности излучателя. Метод наведенных ЭДС .............. 6643.8Расчет входных сопротивлений излучателей с учетомвзаимодействия .............................................................................. 693.9Расчет характеристик антенн с директором и рефлектором.Антенна типа «волновой канал» ..................................................

723.10 Антенны бегущей волны и ДН линейной антенны ................... 764 АНТЕННЫ В РЕЖИМЕ ПРИЕМА ............................................ 784.1Параметры и характеристики приемных антенн ....................... 784.2Применение принципа взаимности к изучению свойствприемных антенн ........................................................................... 804.3Антенна как пассивный рассеиватель ......................................... 854.4Параметры электромагнитной совместимости антенн .............

865 СЛАБОНАПРАВЛЕННЫЕ АНТЕННЫ.................................... 895.1Характеристики антенн с учетом влияния проводящей земнойповерхности или летательного аппарата. Метод зеркальныхизображений................................................................................... 895.2Диаграммы направленности антенны с учетом влияния земли.Несимметричный вибратор .......................................................... 915.3Особенности расчета бортовых слабонаправленных антенн ... 965.4Щелевой вибратор.

Применение принципа двойственности дляопределения основных характеристик ........................................ 985.5Полосковые и микрополосковые (печатные) антенны ............ 1025.6Активные слабонаправленные антенны ................................... 1065.7Сверхширокополосные антенны ............................................... 1106 ОСНОВЫ ТЕОРИИ АНТЕНН СВЧ ........................................

1146.1Классификация антенн СВЧ....................................................... 1146.2Строгая и приближенная теории антенн СВЧ. Внутренняя ивнешняя задачи теории антенн СВЧ ......................................... 1156.3Поле излучения и диаграмма направленности плоскогосинфазного раскрыва .................................................................. 1196.4Коэффициент направленного действия синфазного плоскогораскрыва ....................................................................................... 1266.5Влияние фазовых ошибок на диаграмму направленности и КНДплоского раскрыва....................................................................... 1287 АПЕРТУРНЫЕ АНТЕННЫ ....................................................

13257.1Излучатели в виде открытого конца волновода....................... 1327.2Рупорные антенны....................................................................... 1357.3Зеркальные антенны.................................................................... 1427.4Характеристики направленности зеркальных антенн ............. 1487.5Точность изготовления зеркальных антенн. Предельныйкоэффициент усиления зеркальных антенн.............................. 1538 СВЧ – АНТЕННЫ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ ................................. 1588.1Диэлектрические стержневые антенны ....................................

1588.2Спиральные антенны .................................................................. 162СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ........................... 1686ВВЕДЕНИЕОдной из наиболее быстро развивающихся областей радиоэлектроникиявляется техника антенн и устройств СВЧ. Уровень ее развития во многомопределяет состояние телекоммуникационных систем, радиолокации, навигации, связи, радиоуправления, телеметрии радиоастрономии. Современные достижения в технике антенн и СВЧ -устройств базируется на современных разработках электроники, полупроводниковой техники, технической кибернетики, когерентной радиооптики и т.д.

Новые характеристики радиоэлектронныхсистем во многих случаях достигаются благодаря органическому слиянию антенн с передающими, приемными устройствами и системы пространственно –временной обработки сигналов. Увеличение числа одновременно работающихрадиосистем приводит насыщенности окружающего пространства радиосигналами, это вызывает необходимость электромагнитной совместимости (ЭМС)этих систем.

Для решения этого вопроса создаются антенные системы, способные адаптироваться в окружающей обстановке. Различные объекты,например летательные аппараты, имеют десятки антенн различных диапазонови назначений, и обеспечение их ЭМС во многом зависит от характеристик антенн и устройств СВЧ.Настоящий курс лекций является предназначен для студентов, обучающихся по специальности 160905 «Техническая эксплуатация транспортногорадиооборудования» при изучении курса “Антенн и устройства СВЧ”. Курслекций может быть использован также студентами, обучающимися по специальности 210201 - “Проектирование и технология радиоэлектронных средств”при изучении курса “Техническая электродинамика”.Изложение материала ведется в предположении, что студенты знакомыобщими разделами высшей математики, теории радиотехнических цепей исигналов, электродинамики и распространения радиоволн.781 ПОЛЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И НАПРАВЛЕННОСТЬ ДЕЙСТВИЯ АНТЕНН1.1Электродинамические основы теории антеннСовременная теория антенн базируется на основных уравнениях электродинамики - уравнениях Максвелла.В дальнейшем изложении будем иметь в виду электромагнитные процессы, гармонические во времени, т.е.

изменяющиеся по закону sinωt, или вкомплексной форме по закону exp(jωt). Среда предполагается однородной иизотропной, в некоторых областях которой полагается заданным распределение возбуждающих (сторонних) электрических и магнитных токов.Для простоты записи комплексные амплитуды полей будем писать без точкинад буквой.При указанных выше условиях уравнения Максвелла, включающиеплотность стороннего тока, в дифференциальной форме имеют видrotH  j E  J Э ,( 1.1)MrotE  j H  J ,где E - вектор комплексной амплитуды напряженности электрического поля,В/м; H - вектор комплексной амплитуды напряженности магнитного поля,Э M А/м;    1  j ,   1  j - комплексные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды;    0 r - диэлектрическая проницаемость среды, Ф/м (для вакуума  0  109 / 36 Ф/м);    0  r - магнитная проницаемостьсреды, Гн/м (для вакуума 0  4 107 Гн/м);  Э М - удельные объемные проводимости среды, См/м, Ом/м; J Э - вектор комплексной амплитуды объемнойплотности стороннего электрического тока, А/м2; J M - вектор комплекснойамплитуды объемной плотности стороннего магнитного тока, В/м.Сторонний магнитный ток является фиктивной величиной, поскольку магнитных зарядов в природе не существует.

Однако введениеэтого понятия позволяет сравнительно легко изучить излучение щелей впроводящих экранах.Решение уравнений (1.1) при тех или иных конкретных условиях означает нахождение электромагнитного поля в виде функций пространственных координат E  r, ,  и H  r, ,  по заданной функции координат J Э , J M .Для решения уравнений Максвелла (1.1) обычно вводят два вспомогательных вектора: векторный потенциал электрических токов AЭ и векторныйпотенциал магнитных токов A M .

При этом векторы электромагнитного поля9E и H определяются через эти вспомогательные векторы с помощью уравнений [2]Э1ЭЭM E   j A  j grad divA  rotA ,( 1.2)1MMЭ H   j A grad divA  rotA .jПри подстановке (1.2) в (1.1) получаются следующие векторные волновые неоднородные уравнения для вспомогательных потенциалов:AЭ  k 2 AЭ   J Э ,( 1.3) M2 MMA  k A   J ,где A  grad divA  rot rotA; k    .Таким образом, при определении излучения антенных устройств интегрирование уравнений Максвелла может быть сведено к интегрированию векторных волновых неоднородных уравнений (10.3).Если источники электромагнитного поля распределены непрерывно внекоторой области V, ограниченной поверхностью S, а среда, окружающая область V, представляет собой однородный изотропный диэлектрик, то для гармонического во времени поля решение уравнений (1.3) имеет вид jkrS11 e  jkrS ЭЭЭ eA JdV dp .( 1.4)4 VrS4 V rSЗдесь dpЭ  J ЭdV - элементарный электрический момент; jkrS11 e  jkrS MMM eA JdV dp ,4 VrS4 V rSгдеdp M  J M dV-элементарныймагнитный( 1.5)момент; x  x   y  y   z  z - расстояние от элемента тока в некоторой точS  x, y, z до точки наблюдения М (х, у, z).rS кеПодстановка выражений (1.4) и (1.5) в уравнения (1.2) позволяет определить напряженности электрического E и магнитного H полей в любой точкепространства.