Комягин Р.В., Хандамиров В.Л. Исследование антенны с электрическим сканированием лучом (2015) (1095429), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Излучатели этого типа используют самостоятельно и какоблучатели линзовых и зеркальных антенн и элементы ФАР.Рассмотрим излучатель в видеоткрытого конца прямоугольного волновода (рис. 1.6).Распространяющаяся в волноводеосновная волна Н10,Рис. 1.6. Открытый конец прямодойдя до его открытого конца,угольного волновода, работающечастично излучается и частичного на волне типа H10отражается обратно к генератору. В месте перехода от волновода к открытому пространству, т.

е. в раскрыве, возникают волнывысших типов, а также появляются поверхностные токи на наружных поверхностях стенок волновода. Для полубесконечного круг20лого волновода существует точное решение электродинамическойзадачи об излучении в свободное пространство. Для поля излучения прямоугольного волновода строгого решения не существует.В инженерных расчетах предполагают, что касательные составляющие поля в раскрыве волновода (а следовательно, и эквивалентные электрические и магнитные токи) представляют собойсумму падающей и отраженной волн основного типа колебаний: x Ey   J xм  (1  )sin   , a2(1.10)  x H x   J yэ  1    (1  )sin   , 2a  aгде ρ — коэффициент отражения от открытого конца волновода,0т.е. от среды с волновым сопротивлением Z c .

По данным0экспериментальных исследований, в прямоугольном волноводе сbотношением сторон  0, 45 коэффициент отражения составляетa0,3 — 0,2 и имеет фазу π/3 — π/2, причем первые цифры относятсяк нижней рабочей частоте волновода, вторые — к верхней.ДН открытого конца волновода в передней полусфере в плоскости YOZ (плоскость Е) и XOZ (плоскость Н) с достаточно высокой степенью точности определяются формуламиcos Вsin(0,5kb sin ),0,5kb sin 1В1FE () (1.11)2cos(0,5ka sin ).FH ()    cos 222    0,5ka sin  221Здесь а и b — внутренние размеры2Рис. 1.7. Диаграмма направленности открытого конца прямоугольного волновода, возбуждаемого на волне типа H10 1   — отволновода; 2a Вношение длины волны в свободном пространстве к длине волны впрямоугольном волноводе; угол θотсчитывается от оси z.

Вид измеренных ДН для излучателя в видеоткрытого конца прямоугольноговолновода с размерами сторон23 × 10 мм на длине волны 3,2 смпоказан на рис. 1.7.Для расчета ДН открытого концакруглого волновода в E- и Hплоскостях при возбуждении наволне типа H11 можно воспользоваться следующими соотношениями:FE ()  1 (kR sin ),FH () 0,58 J1 (kR sin )1  (3, 41R sin  /  )cos ,2(1.12)где J1(x) — функция Бесселя первого порядка; J1 ( x) — производная функции Бесселя первого порядка; Λ1(x) — лямбда-функцияпервого порядка; R — радиус волновода.Диэлектрическая стержневая антеннаДиэлектрические стержневые антенны применяются на частотах 2ГГц и выше. Они представляют собой диэлектрическиестержни (иногда трубки) круглого или прямоугольного поперечного сечения длиной в несколько длин волн, возбуждаемые отрезком круглого или прямоугольного металлического волновода(рис. 1.8).22Рис.

1.8. Диэлектрические стержневые антенны:а — цилиндрическая; б — коническая; L — длина стержня (антенны); D — диаметрцилиндрического стержня; D1, D2 — диаметры конического стержня; 1 — диэлектрический стержень; 2 — волновод; 3 — устройство возбуждения волноводаЗависимость коэффициента замедления фазовой скорости p волны типа HE11 вдоль диэлектрического стержня круглого сечения отдиаметра стержня, отнесенного к длине волны, определяется графиками, приведенными на рис.

1.9. Пользуясь этими графиками, можно выбрать такой диаметр стержня, которому соответствуетεrεrεrРис. 1.9. Коэффициент замедления волны НЕ11 в диэлектрическом стержне(εr — относительная диэлектрическая проницаемость материала стержня)23оптимальный коэффициент замедления. При диэлектрическойпроницаемости стержня  r = 2 — 5 его диаметр обычно составляет (0,3 — 0,5)λ (здесь большее значение диаметра соответствуетменьшей относительной диэлектрической проницаемости).Расчет диаграммы направленности диэлектрической стержневой антенны основан на следующих предположениях, типичныхдля расчета антенн бегущей волны:● распределение поля в цилиндрическом стержне совпадает сраспределением поля в неограниченном диэлектрическом волноводе того же диаметра;● волна, распространяющаяся вдоль цилиндрического стержня,является волной с замедленной фазовой скоростью, не изменяющейся по длине стержня L;● фазовая скорость распространения волны вдоль коническогостержня остается постоянной и совпадает с фазовой скоростью волныв эквивалентном цилиндрическом стержне среднего диаметра Dср:1Dср  ( D1  D2 ),2(1.13)где D1 — максимальный диаметр стержня; D2 — минимальныйдиаметр стержня (рис.

1.8, б);● волной, отраженной от конца стержня, пренебрегают.Перечисленные упрощения делают расчет приближенным. Полученное на основе этих допущений выражение дает удовлетворительные результаты для длин стержней, не превышающих (4 … 6)λ: Lsin  k ( p  cos ) 2,FE ()  cos()  L k 2 ( p  cos )  Lsin k ( p  cos )  2,FH ()  Lk 2 ( p  cos ) (1.14)где k — волновое число; p — коэффициент замедления; L — длинастержня.24Диаграмма направленности антенны определяется выборомразмеров стержня и материала стержня. От размера поперечногосечения стержня зависит величина замедления волны. При тонкомстержне коэффициент замедления p близок к единице и почти всяэнергия поверхностной волны переносится вне стержня.

Поэтомуосновная часть мощности возбудителя излучается непосредственно, минуя диэлектрический стержень. Результирующее поле излучения оказывается слабонаправленным и приближается к полюизлучения раскрыва круглого волновода, работающего на волнетипа H11. С увеличением диаметра стержня увеличиваются замедление и эффективность возбуждения поверхностной волны. Однако в массивном стержне вследствие значительного замедленияскорости распространения волны растет коэффициент отраженияот конца стержня, что искажает структуру поля в нем, изменяядиаграмму направленности. Диаметр стержня, кроме того, ограничен размерами круглого волновода, в котором с учетом диэлектрического заполнения возбуждается волна типа Н11, а волны высшихтипов должны находиться в закритическом режиме.

Поэтому приопределении диаметра стержня следует выбирать компромиссноерешение.При выборе длины стержня учитываются следующие соображения. Из теории антенн бегущей волны известно, что максимальный коэффициент направленного действия антенны достигаетсяпри оптимальной длине стержня, равнойLопт .2( p  1)(1.15)Такую антенну называют оптимальной. При заданном коэффициенте замедления p, который зависит от выбора диаметра и материала диэлектрического стержня (см. рис. 1.9), можно определитьоптимальную длину антенны.При уменьшении длины стержня по сравнению с оптимальнойпроисходит увеличение ширины основного лепестка ДН и уменьшение уровня боковых лепестков. Если же длина стержня незначительно превышает оптимальную, то основной лепесток ДНсужается, но быстро растет УБЛ. Дальнейшее увеличение длины25стержня может привести к раздвоению основного лепестка.

Расчетантенны начинается с выбора материала стержня. Обычно напрактике выбирают материалы с  r = 2,50 … 2,56 (полиэтилен, полистирол, фторопласт).Диаметр цилиндрического стержня выбирается из соотношенияD   r  1.(1.16)Значение коэффициента замедления обычно составляет 1,1 — 1,4.Для конических стержней (см. рис. 1.8, б) наибольший диаметрD1 рассчитывается по той же формуле (1.16), наименьший же диаметр D2 определяется по формуле:D2 .2,5(  r  1)(1.17)При расчетах для конического стержня в выражениях для ДНследует D заменить на Dср.Коэффициент направленного действия диэлектрическойстержневой антенны оптимальной длины Lопт определяется какLD   7 ...

8  опт .Вибраторные излучателиВибраторные излучатели широко используются как элементыФАР в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонахволн. Широкое применение вибраторных ФАР обусловлено рядомих преимуществ: относительно малой массой, устойчивостью катмосферным воздействиям, возможностями быстрого свертывания-развертывания в мобильных радиотехнических системах, получения произвольной поляризации, управления поляризационнойхарактеристикой излученного поля, управления ДН отдельных излучателей благодаря включению управляемых нагрузок.

Вибраторные излучатели как элементы ФАР при соответствующем выборе конструкции обеспечивают работу в широкой полосе частот26или многочастотный режим в совмещенных вибраторных ФАР.Последние способны вести электрическое сканирование лучом всекторе углов до ±45 … 50° от направления нормали.Вибраторные излучатели применяются также в качестве облучателей зеркальных антенн и как самостоятельные слабонаправленные антенны. Наиболее широко используемый тип симметричных вибраторных излучателей — это тонкий цилиндрический вибратор диаметром 2a   , где λ — длина волны.

Для защиты отметеовоздействий узел возбуждения такого вибратора может закрываться герметизирующим кожухом. Тонкий вибратор имеет2fнебольшую рабочую полосу частот ( 4 ... 6 % ) и обладаетfсравнительно малой электрической прочностью (в сантиметровомдиапазоне допустимая мощность не превышает 10 кВт). Широкополосные вибраторы обычно обладают более высокой электрической прочностью.

Для согласования таких излучателей с питаю2 fщим трактом в полосе частот ( 10 % ) применяются плавныеf(например, экспоненциальные) переходы. В качестве излучателейФАР с ограниченным сектором сканирования используются антенны типа «волновой канал».Вибраторные излучатели очень удобны в миниатюрных антеннах вследствие размещения в одной апертуре нескольких решеток,рассчитанных на работу в разных частотных диапазонах. Обычнорешетки вибраторных излучателей делают в т.

н. печатном исполнении. Такие антенные системы технологичны, компактны, обладают конструктивной жесткостью и перспективны для ФАР на подвижных объектах.Вибраторные ФАР чаще строятся по параллельной схеме питания. В качестве питающих трактов используются коаксиальные (вметровом и дециметровом диапазонах) или полосковые (в дециметровом и сантиметровом диапазонах) линии. Для симметрирования исогласования работы вибраторных излучателей ФАР с питающимилиниями применяются симметрирующие и согласующие устройства. Наиболее часто используемыми типами симметрирующихустройств являются четвертьволновая щель (при жестком конструктивном исполнении возбуждающего коаксиального тракта) иU-колено (при гибких коаксиальных и полосковых линиях).

Реже27для возбуждения вибраторов ФАР используется волноводная линияс последовательной схемой питания. Применяются также вибраторные ФАР с оптическим питанием: отражательные, состоящие изоблучателя и приемопередающих вибраторных элементов, нагруженных отражательными фазовращателями, и проходные. Однаковибраторные ФАР с оптической схемой питания имеют ряд недостатков, связанных с ограниченностью реализуемых законов амплитудного распределения по излучателям и большими потерями.Наиболее распространенным является полуволновой вибраторс длиной плеча 0,25λ, нормированная ДН которого имеет видcos  cos 2F () .sin (1.18)Для получения излучения с круговой поляризацией используются турникетные или взаимно ортогональные вибраторные излучатели с квадратурным питанием.1.6.2.

Характеристики

Список файлов книги