Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ (1988) (1095425), страница 77
Текст из файла (страница 77)
При любой фиксированной длине антенны можно указать такое число элементов Л', при котором В,„превысит любое наперед заданное значение. Этот же факт можно понимать н как следствие приведенного в $13.2 утверждения о том, что в линейной антенне любой конечной длины можно реализовать множитель направленности в виде произвольной функции. Возможность неограниченного увеличения КНД антенны конечной длины называется сверхнаправленностью. Это явленяе есть следствие некорректносги задачи синтеза антенны по заданной ДН. Переход к сверхнаправленности в линейной антенне сопровождается следующими особенностями: 1) амплитудно-фаэовое распределение возбуждения становится сильно «изрезаннымэ, а фаза возбуждения резко меняется по длине антенны (гораздо быстрее, чем в волне, движущейся со скоростью света); 2) амплитуды возбуждения при фиксированной мощности излучения существенно (яа много порядков) превышают амплитуды возбуждения в синфазиой антенне той же длины и с той же мощностью излучения; 3) в ближнем поле сверхнаправленной излучающей системы создается огромный запас электромагнитной энергии, и такая антенна оказывается эквивалентной очень совершенному накопителю энергии с ничтожными потерями на излучение.
Согласование входа сверхнаправленной антенны с линией передачи весьма проблематично, так как прн идеальном реактивном согласующем устройстве антенна оказывается эквивалентной резонансному контуру с колоссальной добротностью (более 1О') и ничтожной полосой пропускания. Прн реальном согласующем устройстве потери в нем настолько превышают потери на излучение, что КПД сверхнаправленной антенны стремится к нулю. Последствия аналогичны и при попытке синтезировать произвольную ДН со слишком высокой точностью, и поэтому к сверхнаправленным могут быть отнесены также н все другие некорректные решения задачи синтеза антенны. Где же проходит граница между обычными и сверхнаправленными антеннами? Условно к несверхнаправленным можно отнести все решения задачи синтеза, получаемые методом интеграла Фурье по формулам (13.7) — (13.10).
В применении к антенным решеткам метод интеграла Фурье означает, что следует просто пренебречь взаимодействием излучателей, положив Й= Е, где Š— единичная матрица. Тогда нз основания (13.26) амплитуды возбуждения элементов решетки оказываются выборками из обратного преобразования Фурье: з Л„=~ й(х)Р„(х)бх= ~ д(х)е г"'лбх, 1) =и). (1328) — г Для решений (13.7) — (13.10) н (13.28) легко могут быть найдены коэффициенты реактивности, которые, как правило, оказываются близкими единице. Это означает, что для таких несверхнаправленных антенн распределение возбуждеяия должно быть достаточно гладким, амплитуды возбуждения при фиксированной мощности излучения близки минимально возможным н в ближнем поле не образуется значительных запасов электромагнитной энергии. Несверхнаправленные антенны являются самыми устойчивыми к малым ошибкам в распределении возбуждения, что является очень важным обстоятельством с практической точки зрения.
Если КНД илн точность воспроизведения заданной ДН, даваемые несверхнапранленными антеннами, недостаточны н нельзя увеличить габариты антенны, то можно попытаться реализовать в какой-то мере явление сверхнаправленностн, допуская умеренное увеличение коэффициента реактивности. Для антенных решеток весь класс решений задачи синтеза в среднеквадратнческом приближении с ограниченным коэффициентом реактивности дается соотношением 1?=(К+аЕ) — Ъ), где 0(а(се — так называемый параметр регулярнзации решения. При а в ее получается решение задачи синтеза при минимально возможном коэффициенте реактивности.
При а=б имеет место другой крайний случай — решение без ограничений на коэффи,'циент реактивности. Однако многочисленные исследования и рас.:-четы показывают, что переход к режиму сверхнаправленности ма:;лоперспектнвен с практической точки зрения, поскольку выигрыш :в КНД или точности воспроизведения ДН чрезвычайно мал. Глава 14 АПЕРТУРНЬ$Е АНТЕННИ $ Г4Л. ОБЩИЕ СВОЙСТВА АПЕРТУРНЫХ АНТЕНН К апертурным относят антенны, у которых в соответствии с принципом эквивалентности может быть выделена плоская поверхность раскрыва 5, формирующая остронаправленное излучение. Наиболее распространены зеркальные (в частности, параболические), а также рупорные и линзовые апертурные антенны. КНД апертурных антенн связан с плошадью раскрыва Я и длиной волны Х общей формулой В=(4яЯУЛ ) К„„„ (14.1) где К „=1 — обший (результирующий) коэффициент использования поверхности, зависящий от вида амплитудно-фазового распределения возбуждения и других факторов.
Ширина луча по уровню — 3 дЕ апертурной антенны в какой- либо плоскости, перпендикулярной поверхности раскрыва, обратно пропорциональна линейному размеру раскрыва Е в этой плоскости: ач=(5ГЛ1(.) Кг,м (14.2) где Кр„- 1 — коэффициент расширения луча, зависящий от формы раскрыва и вида амплитудно-фазового распределения возбуждения. Конструкции распределителей апертурных антенн обычно строят таким образом, что мощность возбуждения к каждому элементу раскрыва в приближении геометрической оптики доставляется независимыми лучами, проходящими одинаковую электрическую длину от общего входа антенны. Поэтому в соответствии с принципом построения распределителя апертурные антенны могут быть условно отнесены к антеннам с параллельной схемой питания элементов излучающей системы (в отличие от антенн бегущей волны, характеризуемых последовательной схемой питания).
Положительной особенностью параллельной схемы возбуждения является сохранение синфазности элементов раскрыва и вида амплитудного распределения независимо от длины волны, Поэтому многие конструкции апертурных антенн, в частности зеркальных, являются частотно-независимыми и допускают одновременную работу антенны в диапазонах от метровых до миллиметровых волн. Разумеется, при этом сохраняется зависимость КНД и ширины луча от длины волны согласно формулам (14.1) и (14.2). Из этих формул также следует, что КНД апертурных антенн может неограниченно возрастать, а ширина луча стремится к нулю при увеличении отношения 5/Аь.
Однако в реальных конструкциях апертурных антенн максимально достижимый КНД оказывается ограниченным из-за влияния сл чайных погрешностей при выпол- ненни антенны. Достигнутый уровень технологии производства позволяет создавать апертурные антенны с КНД 10' и более, Апертурные антенны первенс зуют по направленности среди других типов антенных устройств. й !4.2. РУПОРИЬ$Е АИТКИИИ На дециметровых и более коротких волнах широкое применение находят рупорные антенны и, в частности, антенны в виде открытого конца прямоугольного илн круглого волновода, Излучатели этого типа используются самостоятельно, а также как облучатели линзовых и зеркальных антенн.
Рассмотрим вначале излучатель в ниде открытого конца прямоугольного волновода (рнс. 14.1). Распространяющаяся в Р1ййчр волноводе основная волна Ннь дойдя до его Х 1 открытого конца, частично излучается н ! частично отражается обратно к генератору. з В месте перехода от волновода к открыто- .]йл ~ му прострапству, т. е. в раскрыве, возни- » 1 кают волны высшим типов, а также появля- гщ ~ у ются поверхностные токи на наружных поверхностях стенок волновода, Для полубесконечного круглого волновода сушествует точное решение электродинамической задачи об излучении в свободное пространство, полученное чл.-кор. АН СССР Л. А. Вайн- ' (и, штейном.
Для полн излучения прямоугольного волновода строгого решения не найдено. В инженерных расчетах предполагают, Рис. 14д. Валноволнмя что касательные составляющие поля в рас- азлучат»ль крыве волиовода (а следовательно, и эквивалентные электрические и магнитные токи) представляют сумму падающей и отраженной волн основного типа колебаний: Ез — — l"„=(1+р) з1п (их~и), ]] — х»2 з у» .» У в где р — коэффициент отражения от открытого конца волновода. ~»=)' рз]]»з. По данным экспериментальных исследований, в прямоугольном волноводе с отношением сторон Ь!а=0,45 коэффициент отражения составляет 0,3 — 0,2 н имеет фазу и/3 — ]т/2, причем первые цифры относятся к нижней рабочей частоте волновода, ,вторые — к верхней. ДН открытого конца волновода в передней полусфере в плоско'стях уОх (плоскость Е) и хОх (плоскость Н) с хорошей степенью точности определяется формулами 1 + (Л!Л„) сов В а(ц (0,5ДЬ а(ц В) 1 + Л1Х 0,5)Ь мн В ~ и тв 5 сов(0,5ра Мп В) (14А) 1 2 / (п(2)в — (0,55а в1н В)в Здесь а и Ь вЂ” внутренние размеры волновода: Л/Л.=У1 — 1Л1(2а)1вотношение длины волны в свободном пространстве к длине волны Н~о в прямоугольном волноводе"„угол 8 отсчитывается от оси а; р=2п/Л.
Бид измеренных ДН для излучателя в виде открытого кон- Рнс. 14.3. Н-секторнальны» рупор н структура поля в нем Рнс. !4.2. )ЛН открытого конца волновола ца прямоугольного волновода с размерами сторон 23)(10 мм на длине волны 3,2 см показан на рис. 14.2. Антенны в виде открытого конца волновода обладают слабой направленностью, и их коэффициент усиления находится обычно в пределах 6 — 7 дБ. Такие антенны чаще всего используют в качестве элементов фазированных антенных решеток, в облучателях простейших параболических антенн, а также в качестве слабона.
правленных антенн летательных аппаратов. Для увеличения направленности и уменьшения отражения от открытого конца волиовода применяют рупорные излучатели. На рис. 14.3 показан Н-секториальиый рупор, расширяющийся в плоскости вектора Н. В рупоре возникает волна, подобная волне Ньа в прямоугольном волноводе. Однако секгорнальный рупор отличается от волновода тем, что в нем фронт волны образует цилиндрическую поверхность, фазовая скорость является переменной величиной, зависящей от отношения а/Л, поле на большом расстоянии от горловины рупора принимает .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
