Шостак А.С. Антенны и устройства СВЧ. Часть 2. Антенны (2012) (1095849), страница 17

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

Текст из файла (страница 17)

Амплитуда тока в зеркальном источнике (антенне) при полном отражении равна амплитуде тока в реальной антенне.Что касается направления (т.е. фазы) тока в зеркальном изображении антенны, то оно может быть указано только с учетом граничных условий на поверхности экрана.Рисунок 5.2 – Зеркальное изображение симметричного вибратора:а) – общий вид;б) – определение тока в зеркальном изображении вибратораЗеркальные изображения симметричного вибратора при различных егоориентациях относительно экрана, а также направления силовых линий поляE антенны и ее зеркального изображения показаны на рис.

5.2,а), б).91Как видим, на поверхности экрана тангенциальная составляющая Еτ результирующего поля обращается в нуль, если в горизонтальном вибраторе иего изображении токи текут в противоположных направлениях (т.е. противофазны), а в вертикальном вибраторе и его изображении - в одном направлении(токи синфазны).Направление тока в изображении произвольно ориентированного вибратора определяется как для суммарного тока I2, состоящего из горизонтальнойи вертикальной составляющих.Более сложные антенны при построении их зеркальных изображениймогут быть разложены на более простые элементы, для которых правила зеркального изображения известны.В отличие от идеального отражающего экрана земная поверхность не дает полного отражения; часть энергии падающей волны проникает в толщуЗемли и там затухает, превращаясь в тепло. Поэтому строгий учет влияния реальных параметров почвы на излучение антенн оказывается более сложным.Однако его результаты показывают, что и в этом случае принцип зеркальногоизображения также может быть использован для расчета поля, но только вдальней зоне (диаграмма направленности).

При этом зеркальное изображениеизлучателя, как и для металлического экрана, располагается под плоской земной поверхностью, а ток I2 в нем принимают равным току реальной антенны I1,умноженному на коэффициент отражения R от полупроводящей земной поверхности (коэффициент Френеля):I 2  RI1,jФгде R  R  e (R - модуль коэффициента отражения, Ф - его фаза).В зависимости от ориентации вектора E у отражающей поверхностиразличают коэффициенты Френеля для горизонтально и вертикально поляризованных полей. Причем эти коэффициенты зависят от угла падения волны,электрических параметров почвы (проводимости σ, диэлектрической проницаемости ε) и длины волны λ.

Соответствующие расчетные формулы приводятсяв курсе теории электромагнитного поля.Таким образом, применение метода зеркального изображения позволяетсвести задачу об антенне над экраном (или землей) к задаче о двух связанныхантеннах с известным соотношением токов:I 2 I1    e j1  R  R  e jФ .Диаграммы направленности антенны с учетом влияния земли.Несимметричный вибратор5.2Примем вначале для простоты рассмотрения землю идеально проводящей и плоской.Антенну и ее зеркальное изображение заменим точечными излучателями, расположенными в их фазовых (геометрических) центрах (рис. 5.3).

Тогда92получим систему из двух вибраторов, разнесенных на расстояние 2h и имеющих равные амплитуды токов.Суммарное поле такой системы в плоскости расположения вибраторовможет быть найдено с использованием множителя решетки:E  Af1   f N    E1 f N   ,где E1  Af1   - напряженность поля симметричного вибратора без учетавлияния земли; А и f1    соответственно напряженностьполя вибратора в направлениимаксимального излучения и егодиаграмманаправленности;f N    sin  N 2 sin  2 множитель системы, учитывающий в данном случае влияниеземли;   k 2h sin   Ф - сдвигпо фазе между полями антенныи ее зеркального изображения вточке наблюдения;  - уголмежду направлением в точкунаблюдения и горизонтальнойплоскостью; N - число излучателей (в рассматриваемом случаеN = 2).Рисунок 5.3 – К расчету ДН вибратораПри горизонтальной поляс учетом влияния Землиризации поля излучения токи вреальном вибраторе и его зеркальном изображении противофазны (ФГ = π) иhEГ  2 Af1     sin  2  sin   .( 5.1) В случае вертикальной поляризации, когда ФВ = 0, суммарное полеhEB  2 Af1     cos  2  sin   .( 5.2) Из выражений (5.1) и (5.2) следует, что основным параметром, определяющим направленные свойства антенны в вертикальной плоскости, являетсяотносительная высота подвеса h/λ .

В горизонтальной плоскости ДН остаетсябез изменения, так как множитель системы f N   не зависит от азимутального угла  .Если горизонтальный вибратор в свободном пространстве создает ненаправленное излучение в вертикальной плоскости (экваториальная плоскостьвибратора), то в присутствии земли ДН, как это следует из (5.1), приобретаетлепестковый характер (рис. 5.4). С увеличением высоты подвеса над землей93число лепестков увеличивается, нижние лепестки приближаются к земле, ДНстановится уже. При этом число боковых лепестков при углах  в пределах0 – 90о равно числу полуволн, укладывающихся на высоте подвеса антенны h.Кроме того, излучениевдоль земной поверхности(  = 0) отсутствует, анапряженность поля внаправлении максимального излучения удваивается по сравнению со случаем вибратора, находящегося в свободном пространстве.Если вибраторная антеннарасположена вертикальнонад земной поверхностью,то она также меняет своинаправленныесвойства,приобретая многолепестковыйхарактер(рис.14.5,а).

Как следует из выражения (14.2), максимумизлученияприэтомнаправлен вдоль земнойповерхности.Формулы (5.1) и(5.2) можно использоватьпри инженерных расчетахДН антенн коротких волн.При учете конечнойпроводимости земли модуль коэффициента отражения от ее поверхностиR<1. Следовательно, амплитуда тока в зеркальномизображениивибратораРисунок 5.4 – ДН горизонтального вибратораменьше, чем в реальном, инад экраномпри расчете ДН системынельзя использовать множитель решетки fN (  ). В этом случае необходимо геометрически суммировать поля в дальней зоне от антенны и ее зеркального изображения.Введем обозначения: ЕА=Е1 и ЕЗИ=Е2 (рис. 5.3), тогда суммарное полеj k 2 h sin Ф ,( 5.3)E  E1  E2  E1  RE1  E1 1  R  e 94где R  R  e jФ  E2 E1 - коэффициент отражения от земной поверхности.Переходя к модулю выражения (5.3), получаемEm  Em 1 1  R 2  2 R cos  k 2h sin   Ф .( 5.4)Расчет ДН антенны по формуле (5.4) показывает, что влияние конечнойпроводимости земли сводится к незначительному расширению диаграммы и кзамене направлений нулевого излучения направлениями минимального излучения (рис.

5.4,б, пунктир; рис. 5.5,6).Более строгий учетпараметров земли показывает, что при горизонтальной поляризации появляется составляющая поляантенны вдоль земной поверхности; при вертикальной же поляризации максимум излучения приподнимается над землей.В случае антенн иных типов учет влияния земли наих направленные свойствапроизводится с помощью Рисунок 5.5 – ДН вертикального вибратораформул, аналогичных понад экраномлученным выше.Входное сопротивление и сопротивление излучения симметричного вибратора, расположенного вблизи земной поверхности или металлического экрана, рассчитывают с учетом взаимного влияния между вибратором и его зеркальным изображением. Расчет производится с помощью метода наведенныхЭДС [2] и сводится к отысканию вносимых сопротивлений в антенну со стороны зеркального источника.Вносимое сопротивление убывает с увеличением расстояния между антеннами, поэтому при достаточно высоко поднятых антеннах h   2...3  взаимное влияние можно не принимать во внимание.

Следует также подчеркнуть, что сопротивление вертикального вибратора в значительно меньшей степени зависит от своего зеркального изображения, чем сопротивление горизонтального вибратора.Несимметричным обычно называют такой вибратор, одно плечо которого по размерам или форме отличается от другого.На практике широкое распространение получили несимметричные вертикальные заземленные вибраторы, представляющие собой вертикальный по95отношению к земле или металлической поверхности провод, к нижнему концукоторого присоединена одна из клемм генератора (или приемника) (рис. 5.6,а).Вторая клемма генератора соединяется с землей или металлическим экраном.Таким образом, земля или металлическая поверхность играют роль второгоплеча вибратора.Рисунок 5.6 – Вертикальный заземленный вибратор:a) – упрощенная схема; б) – питание вибратора коаксиальной линией; в) – вибратор и его зеркальное изображение; г) – ДН в вертикальной плоскости при различной длинеВ случае бортовых антенн ЛА вертикальный вибратор может являтьсяпродолжением коаксиальной (рис.

5.6,б) или полосковой линии.На длинных и средних волнах (диапазоны НЧ и СЧ) земля по своимсвойствам является хорошим проводником и ее действие на ДН и входное сопротивление несимметричного вибратора можно учесть влиянием зеркальногоизображения с тем же направлением тока равной величины.Следовательно, замена земли зеркальным изображением вибратора сводится к переходу от несимметричного вертикального вибратора длинной l ксимметричному длиной 2l (рис. 5.6,в). Поэтому ДН такого вибратора в вертикальной плоскости выражается той же формулой, что и для симметричноговибратора:cos  kl sin    cos klF  при l  0,7 ,(1  cos kl )cos где угол 0 изменяется в пределах 0    180o .96Таким образом, ДН несимметричного вибратора в вертикальной плоскости зависит только от отношения l  (рис.

5.6,г), а в горизонтальной плоскости является ненаправленной. При этом максимум излучения направлен вдольземной поверхности. Если длина несимметричного вибратора превышает 0,7/λ,то интенсивность излучения вдоль земли падает, а боковые лепестки возрастают.В случае антенн коротких и метровых волн (диапазоны ВЧ и ОВЧ), когда землю нельзя считать идеально проводящей, ток в зеркальном изображении может быть определен с помощью коэффициентов отражения. РасчетыДН при учете конечной проводимости земли показывают, что максимум излучения направлен под некоторым углом 0 к горизонтальной плоскости и этотугол тем меньше, чем выше проводимость почвы и больше рабочая длина волны.Так как излучение несимметричного вибратора происходит только в одно (верхнее) полупространство (рис. 5.6,г), мощность излучения оказывается вдва раза меньшей, чем у соответствующего симметричного вибратора в свободном пространстве с тем же значением тока.Как известно, мощность излучения пропорциональна сопротивлению излучения, поэтому сопротивление излучения несимметричного вертикальноговибратора длинной l в два раза меньше, чем у симметричного длиной 2lВ случае четвертьволнового несимметричного вибратора ( l   4 )173,1R HB  R CB  36,6 Ом.22Действующая высота несимметричного вибратора hД НВ также в два разаменьшеhД CВhД НВ  0,5  hД CВ .5.3действующейвысотысимметричноговибратора:Особенности расчета бортовых слабонаправленных антеннСлабонаправленные или ненаправленные бортовые антенны, излучающие в широком секторе углов или во всё окружающее пространство, используются в радиосистемах связи с самолетами, с неориентированными в пространстве ЛА, в активной радиолокации, радионавигации и т.д.

Характеристики

Список файлов книги