Шостак А.С. Антенны и устройства СВЧ. Часть 2. Антенны (2012) (1095849), страница 21

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

Текст из файла (страница 21)

5.19).Работа такой антенны похожа на работу антенны типа «волновой канал»,хотя все вибраторы здесь активные. Пусть резонансный вибратор находитсягде-то посредине антенны, тогда более короткие вибраторы будут вести себякак директоры, а более длинные - как рефлекторы.Рисунок 5.19 – Логопериодическая вибраторная антеннаЛогопериодические антенны могут иметь десятикратное перекрытие почастоте. Существует много различных модификаций этих антенн. В диапазонеСВЧ их применяют как широкополосные облучатели зеркальных и линзовыхантенн, на декаметровых волнах - как самостоятельные антенны магистральных линий связи.1146 ОСНОВЫ ТЕОРИИ АНТЕНН СВЧ6.1Классификация антенн СВЧВ соответствии с принятой классификацией антеннами сверхвысоких частот (СВЧ) называют антенны, работающие в диапазоне дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн (300 МГц-300 ГГц).По принципу действия и схемно-конструктивному исполнению антенныСВЧ подразделяются на следующие основные типы: излучатели в видеоткрытых концов волноводов и рупорные антенны, зеркальные антенны,линзовые антенны, щелевые антенны, диэлектрические стержневые иантенны поверхностных волн, антенны вытекающей волны, спиральныеантенны, а также антенные решетки, в которых излучателями могутбыть любые из выше перечисленных типов антенн.Все многообразие типов антенн СВЧ в соответствии с методами ихрасчета удобно разделить на апертурные антенны, антенны бегущей волны и фазированные антенные решетки (ФАР).К апертурным относятантенны, у которых можновыделить плоский излучающий раскрыв, называемыйапертурой.Типичнымипредставителями апертурных антенн являются волноводные и рупорные излучатели, зеркальные и линзовые антенны.

На рис. 6.1схематическипоказаныпримеры апертурных антенн (пунктиром выделенаизлучающая апертура Sа).К антеннам бегущейволны относят непрерывные структуры, у которыхизлучение электромагнитных волн происходит впроцессе распространения Рисунок 6.1 – Примеры апертурных антенн:а)– открытый конец волновода;вдоль них бегущей волныб) – рупорная антенна;электромагнитногополяв) – зеркальная антенна;или тока. К антеннам бегуг) – линзоваяантеннащей волны относятся диэлектрические стержневыеантенны,антенны поверхa)115ностных волн, цилиндрические и конические спиральные антенны, антеннывытекающей волны.

С некоторой оговоркой, к антенне бегущей волны можноотнести волноводно-щелевую антенну, когда основной лепесток диаграммынаправленности отклонен от нормали к антенне.Фазированные антенные решетки представляют собой систему отдельных излучателей, объединенных общей системой питания. В тракте питаниякаждого излучателя (или группы излучателей) расположен управляемый фазо-Рисунок 6.2 – Схема фазированной антенной решеткивращатель. Посредством фазовращателей может изменяться фазовое распределение тока в излучателях решетки и, таким образом, изменятся направлениеосновного лепестка диаграммы направленности при неподвижной решетке.

Вкачестве отдельных излучателей в ФАР наиболее часто используются щелевые, волноводные и рупорные излучатели, а также излучатели в виде диэлектрических и спиральных антенн. Простейшая схема ФАР показана на рис. 6.2.Перейдем к изучению теории апертурных антенн СВЧ.6.2 Строгая и приближенная теории антенн СВЧ. Внутренняя ивнешняя задачи теории антенн СВЧВ гл. 1 (п. 1.1) приведены уравнения Максвелла, которые устанавливаютсвязь между первичными источниками (зарядами и токами) и электрическимии магнитными полями, излучаемыми этими источниками.

Там же приведенырешения уравнений Максвелла для однородной и изотропной среды. Уравнения Максвелла формально можно использовать и для расчета поля излученияпроизвольной антенны. Однако при этом возникают трудно преодолимые математические сложности, связанные с отысканием решений уравнений Максвелла, удовлетворяющих граничным условиям на поверхности антенны слож-116ной формы. Поэтому при изучении антенн СВЧ задача по определению поляизлучения этих антенн, как правило, разбивается на две части: внутреннюю и внешнюю.При решении внутренней задачи находят касательные составляющиеэлектрического ES и магнитного H S , полей на некоторой замкнутой поверхности S, охватывающей антенну (рис. 15.3).При решении внешней задачи по найденному полю ES , H S на поверхности S находят электрическое E и магнитное H поля излучения антенны.При таком подходе решение внутренней задачи существенно зависит оттипа антенны и будет рассмотрено далее при изучении конкретных типовапертурных антенн СВЧ.

Решение внешней задачи не зависит от конкретноговида антенны и приводится ниже.Итак,рассмотримнекоторую замкнутую поверхность S,навнешнейчасти которойв каждой точке Р заданыкомплексныеамплитуды касательных соРисунок 6.3 – К определению поля излученияставляющихантенн СВЧэлектрического и магнитного полей ES  P  , H S  P  (рис, 6.3). Предполагается, что самиполя изменяются во времени по гармоническому закону с частотой  .

Полеизлучения в произвольной точке М на больших расстояниях от антенны (вдальней зоне антенны) вычисляется по заданному полю на поверхности S:j0jk  n0 ES  r0  e  jkrP dS ,E M  r0   n0 H S  r0  e  jkrP dS 4 r S4 r S ( 6.1)j 0jk  n0 ES  r0 e  jkrP dS   n0 H S  r0  e  jkrP dS ,H M   4 r S4 r S где  0 ,  0 - абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости окружающего антенну пространства; k  2  - волновое число свободного пространства; λ- длина волны в свободном пространстве; n0 - вектор единичнойвнутренней нормали к поверхности S (вектор n0 можно считать также внешним, но только по отношению к области пространства, где расположена точкаМ); r0 - единичный вектор, направленный от точки интегрирования Р в точку117наблюдения М, rP - расстояние между точками Р и М, r - расстояние от точкиМ до некоторой точки О, лежащей внутри или на поверхности объема, ограниченного поверхностью S, и выбранной за начало координат (квадратные скобки в (6.1) обозначают операцию векторного умножения).В теории антенн известен принцип (теорема) эквивалентности, в соответствии с которым заданные на произвольной геометрической поверхности Sкасательные составляющие полей ES , H S можно заменить эквивалентнымиэлектрическими jSЭ и магнитными jSM поверхностными токами.

Эквивалентные токи определяются через заданные поля:( 6.2)jSЭ   n0 H S  , jSM  n0 ES  .Подставляя соотношения (6.2) в выражения (6.1), установим связь поляизлучения с эквивалентными токами:j0jk jkrPЕ jЭМ r0  e  jkrP dS ,E M   rjredS0  Э 0 4 r S4 r S( 6.3)j 0 jk jkrP jkrPМE jЭ r0  e dS .H M   r0  jЭ r0  e dS 4 r S  4 r S Поверхность S в общем случае может cовпадать с частью поверхностиS антенны (рис.

6.3). Если антенна выполнена из хорошего проводника (как,например, рупорная или зеркальная), то на S  касательная составляющая электрического поля ES (a следовательно, и магнитный ток jЭМ ) равны нулю. Приэтом эквивалентный электрический ток переходит в реально существующийна S  электрический ток. Поэтому для такого случая интегрирование в выражениях (6.1), (6.3) проводится уже не по замкнутой поверхности, а потой части поверхности, на которой эквивалентный и реальный токи (иликасательные составляющие полей ) отличны от нуля.

Более того, обычноповерхность S стараются выбрать таким образом, чтобы на значительной еечасти S  можно было пренебречь эквивалентными или реальными токами, а наоставшейся части S" = S — S' интегрирование выполнялось в замкнутом виде сцелью максимального упрощения вычислений в соотношениях (6.1), (6.3).Для апертурных антенн в качестве S" обычно выбирают плоский излучающий раскрыв антенны Sa, полагая, что на остальной части поверхности Sэквивалентные и реальные токи равны нулю.

При этом интегрирование в соотношениях (6.1), (6.3) производится по плоской поверхности Sa. Введем прямоугольную систему координат Oxyz, в плоскости Оху которой расположен раскрыв антенны Sa, а ось Oz направлена в сторону внешней нормали к Sa (рис.6.4). Предположим, что вектор электрического поля ES . на Sa параллелен осиОу, а вектор магнитного поля H S - оси Ох:( 6.4)ES  Ey y0 , H S  H x x0 ,где y0 , x0 - единичные орты прямоугольной системы координат; Еу, Нх - комплексные амплитуды полей.118Рисунок 6.4 – Расположение плоского раскрыва Saотносительно системы координатСвяжем с прямоугольной системой координат Oxyz сферическую систему координат r , ,  , причем начала обеих систем координат совпадают, угол отсчитывается от оси Oz, угол  - от оси Ох (рис.

6.4). Подставляя значения(6.4) в (6.1) и последовательно выполняя операции векторного умножения (врассматриваемом случае n0  z0 , rP  r   r0 0  ), получаем [1]jk e  jkrE  r , ,  4 r WW   jk  r0  Esin1coscoscos0  edS ,0 yWWSSSa W0  jk  r0  W0 Ecoscossin1cosdS ,0  e0 yWWSSSa( 6.5)где 0 , 0 - единичные орты сферической системы координат;  - радиусвектор точки интегрирования Р, r0 - единичный вектор , направленный из точки О в точку М,  r0 ,   -скалярное произведение векторов r0 и  ; WS - локальjk e  jkrH  r , ,   4 W0 rноe волновоe сопротивлениe на поверхности S из условия n0 ES   WS H S (длярассматриваемого случая WS   Ey H x ; W0  0 k .Как следует из (6.5), в дальней зоне электрическое E и магнитное H поля излучения антенны связаны между собой через характеристическое сопротивление свободного пространства W:r0 E   WH( 6.6)При дальнейшем анализе можно ограничиться исследованием лишьэлектрического поля излучения антенны.119Поле излучения и диаграмма направленности плоскогосинфазного раскрыва6.3Поле излучения плоского раскрыва в соответствии с формулой (6.5)можно представить в видеje jkr jkr r ( 6.7)E  r , ,  FdS  ,  E y    e  0 dS ,2 r Saгде W1W  ( 6.8)FdS  ,   sin  1  0 cos   0  cos  cos   0 0 2WWSS - векторная комплексная диаграмма направленности элементарно малогоучастка поверхности раскрыва dS.Остановимся на физической трактовке соотношения (6.7).

Характеристики

Список файлов книги