Шостак А.С. Антенны и устройства СВЧ. Часть 2. Антенны (2012) (1095849), страница 18

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

Текст из файла (страница 18)

Требуемаядиаграмма направленности в этих случаях должна быть возможно ближе ккруговой (при ненаправленном излучении) или однолепестковой с шириной вдесятки и более градусов (при излучении в заданный сектор пространства).Возникающая в диаграмме направленности изрезанность (осцилляции), которая обычно присуща таким антеннам, является нежелательной, и максимальнодопустимая величина провала в ДН определяется требуемыми характеристиками радиосистемы.

Примерная форма ДН антенны радиомаяка ЛА [1] приведена на рис. 5.7.97Для выяснения особенностей расчета бортовых слабонаправленных антенн кратко остановимся на физике происходящих процессов. Как известно,полуволновый вибратор (металлический или щелевой) или турникет из двухРисунок 5.7 – Двухвибраторная противофазная антенна ЛА:а) – продольное расположение симметричных вибраторов (1) на стабилизаторе ЛА (2); б) – ДН антенны в плоскости вибраторов (А) и в продольной плоскости (В), перпендикулярной плоскости вибраторовтаких вибраторов, помещенный в свободное пространство, представляет собойслабонаправленную или ненаправленную антенну.

Однако тот же излучатель,Рисунок 7.8 – Несимметричный вибратор вблизи проводящей поверхности сферичной формы (а) и примерный вид ДН (б) такой антенны с учетом влияния проводящей поверхности сферыустановленный на проводящем корпусе носителя, имеет существенно отлич-98ную диаграмму направленности. Этот излучатель создает токи на проводящейповерхности тела, которые совместно со сторонним источником (излучателем)определяют поле излучения. В результате интерференции полей от стороннегоисточника и наведенных поверхностных токов в части пространства результирующее поле будет резко ослаблено.

Для такой области пространства можноговорить об экранирующем действии проводящей поверхности ЛА; в понятиигеометрической оптики это область тени (рис. 7.8,а). Для другой части пространства интерференция может привести к значительной изрезанности ДН.Таким образом, поверхность ЛА принимает непосредственное участие в формировании ДН слабонаправленной антенны. Однако действие проводящей поверхности ЛА при построении остронаправленных антенн может существенноизменяться. В ряде случаев влияние этой поверхности может не сказыватьсяна ДН. Действительно, размеры антенны с карандашной формой ДН составляют десятки и более длин волн λ, и размещение ее таково, что основная частьизлучаемой электромагнитной энергии минует отражающие поверхности ЛА.Такие антенны могут устанавливаться в специальном отсеке, например в носовой части, и укрываться радиопрозрачным обтекателем.

В тех случаях, когдабортовая остронаправленная антенна представляет собой решетку щелевых(слабонаправленных) излучателей, действие проводящей поверхности ЛА будет менее существенно, чем влияние амплитудно-фазового распределения излучающих токов в решетке.Отметим, что построение бортовых слабонаправленных антенн с заданнымихарактеристиками направленности - довольно распространенная задача, и еерешение в ряде случаев не менее сложно, чем построение современных остронаправленных антенн. Трудности решения задачи об излучении бортовой слабонаправленной антенны заключаются в нахождении решения неоднородныхволновых уравнений, удовлетворяющих сложным граничным условиям: поверхность ЛА имеет сложную геометрию (за редким исключением) с различными отверстиями (люки), стыковочными пазами, а также защитным теплоизоляционным покрытием или окружающей ионизированной средой и т.д.Еще более сложной задачей является задача синтеза слабонаправленных бортовых антенн, так как здесь подлежит определению также минимально необходимое число слабонаправленных излучателей, их размещение и возбуждение для формирования заданной ДН.Щелевой вибратор.

Применение принципа двойственности дляопределения основных характеристик5.4Щелевой вибратор (щелевая антенна) представляет собой излучатель ввиде отверстия, прорезанного в металлическом экране, наружной поверхностилинии передачи (волноводной, полосковой, коаксиальной) или стенке объемного резонатора.99Если в неограниченной плоской проводящей плоскости прорезать узкуюпрямоугольную щель, например, длиной 2l = λ/2, шириной d0 (d0 << λ) и возбудить ее в центре от генератора высокой частоты, то в щели возникнут стоячие волны как результат отражений от граней bс и de (рис. 5.9,а). Характерно,что в рассматриваемом случае:- магнитное поле металлического вибратора (рис.

5.9,б) подобно электрическому полю щелевой антенны (рис. 5.9,а);- магнитное поле вибратора расположено в плоскости, перпендикуляр-Рисунок 5.9 – Конфигурация электрического и магнитного полей:a) – в плоскости щели; б) – вблизи поверхности цилиндрического вибратора; в) – симметричный вибратор в виде металлической пластиныной его продольной оси и не имеет продольной составляющей; электрическоеполе щелевой антенны располагается в плоскости, перпендикулярной широкойстороне щели, не имея на ней продольной составляющей;- магнитное поле полуволнового вибратора максимально по величине всередине вибратора и равно нулю на его концах; электрическое поле щелевойантенны также максимально по величине в середине щели и уменьшается донуля на ее краях.Отсюда можно заключить, что щелевая антенна, как и вибраторная, способна излучать электромагнитные волны; плоскости расположения электрического и магнитного полей различны. В то время как вертикальный вибраторсоздает вертикально-поляризованные волны, вертикальная щель излучает волны с горизонтальной поляризацией.Исходя из приведенной аналогии, вибраторные антенны называют электрическими, а щелевые - магнитными (магнитный вибратор) с распределениеммагнитного тока (т.е.

напряженности электрического поля) по его плечам дляслучая d0 -> 0 по законуI xM  x   I ПM sin k  l  x  ,100где I ПМ - магнитный ток в пучности распределения.Сформулированная аналогия между электрическим и магнитным вибраторами вытекает из общей взаимосвязи подобных излучателей. Эти связи выражаются принципом двойственности, базирующимся на симметрии уравнений Максвелла (1.1) относительно электрических и магнитных параметров (сточностьюдознака).Согласноэтомупринципу,заменыЭMI  I ; E  H ; W  1/ W дают возможность, исходя из выражения(2.11) для поля электрического вибратора в дальней зоне, сразу получитьдальнее электромагнитное поле симметричного магнитного вибратора (щелевого излучателя):j I ПM  cos  kl sin    cos kl  e jkr0( 5.5)H , E   H W .2 W cos r 0Из (5.5) видно, что ДН у щелевой антенны в бесконечном экране (рис.5.10,а) такая же, как у соответствующего металлического вибратора (рис.5.10,б, сплошные линии), и в случае длины 2l = λ/2 описывается уравнениемcos  sin  2.F  ,  cos Рисунок 5ю10 – К определению поля излучения щелевой антенны:а) – ориентация векторов поля излучения щели; б) – ДН антенны вовзаимноперпендикулярных плоскостяхВ ортогональной плоскости zOy излучение ненаправленное (рис.

5.10 ,в).Определим активную и реактивную составляющие входной проводимости щелевой антенны, пользуясь принципом двойственности.Напряженность электрического поля щели в пучности (рис. 5.9,а)Em  U m d 0 ,101где Um - напряжение в пучности распределения поля по щели; d0 - ширина щели.Эквивалентный электрический вибратор представляет собой тонкую металлическую ленту шириной d0 (рис. 5.9,в). Ближайшие к ленте магнитные силовые линии имеют длину  dl  2d 0 .

Следовательно, согласно закону полногоlтока, напряженность магнитного поля Нт в пучности тока IП = Iт эквивалентного вибратораH m  I m  2d0  ,аEm Hm  Um d0   2d0 I m   2Um I m  W ,где W = 120π - волновое сопротивление свободного пространства.Таким образом, зависимость между напряжением в щели и током эквивалентного вибратора, взятыми в соответствующих сечениях,I m  U m  60 .Последнее соотношение позволяет перейти от мощности, излучаемойэквивалентным ленточным вибратором P B  I m2 R 2 к мощности, излучаемойщелью:22 U m  R U mG ЩP Щ  ,( 5.6)2 60  2где R - сопротивление излучения вибратора; G Щ - активная проводимостьщели. Согласно (5.6)G Щ  R  60  .2Тот же множитель 1  60  устанавливает связь между реактивной составляющей входной проводимости щели jВЩ и реактивной составляющейвходного сопротивления электрического вибратора jX .

Поэтому полная входная проводимость щели1YR  j  B  ctgkl   G Щ  jBЩ .2   60 2 lЗдесь k = 2π/λ - волновое число; l - половина длины щели;  B  120  ln  1  dволновое сопротивление ленточного металлического вибратора,Для настройки в резонанс щелевой излучатель необходимо укоротить. Вслучае полуволновой щели укорочение может быть определено по формуле(1.23) при подстановке в нее вместо радиуса вибратора а значения d0/4 , где d0- ширина щели.КНД двустороннего щелевого излучателя (рис.

5.10,а) совпадает с КНДленточного металлического вибратора в свободном пространстве.При прорезании щели в стенках волновода или объемного резонатораизлучение происходит над ограниченной металлической поверхностью и только в одну сторону от нее. Первое обстоятельство вызывает изменение формы102ДН согласно пунктирным линиям на рис. 5.10, а второе - двукратное уменьшение излучаемой мощности и соответственно активной проводимости щели.Так, в случае резонансной полуволновой двусторонней щели, когда излучениечерез щель происходит в обе стороны от экрана, ее входная проводимость2G ЩД  73  60   0,00205 1 ОМ или R ЩД  500 ОМ.Соответственно для односторонней щелиG ЩO  0,001025 1 ОМ или R ЩO  1000 ОМ.Коэффициент направленного действия узкой односторонней полуволновой щели в бесконечном плоском экране в два раза выше КНД двусторонней иравен 3,28.Диапазонность (полоса частот) щелевого излучателя зависит от его ширины и возрастает с увеличением последней.5.5Полосковые и микрополосковые (печатные) антенныУспехи в микроминиатюризации радиоэлектронной аппаратуры СВЧпривели к появлениюполосковых и микрополосковых(печатных) антенн, изготавливаемых по технологииинтегральныхсхем.

Характеристики

Список файлов книги