Шостак А.С. Антенны и устройства СВЧ. Часть 2. Антенны (2012) (1095849), страница 4

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

Текст из файла (страница 4)

Мнимый показатель степениФ  ,  третьего сомножителя в выражении (1.16) - фазовая характеристика направленности антенны по главной поляризации излучения. Она характеризует изменение фазового сдвига компонента главной поляризации приперемещении точки наблюдения по поверхности большой сферы радиуса r с21центром в начале выбранной системы координат и, следовательно, зависит отэтого выбора.Помимо фазовой характеристики Ф  ,  вводятся эквифазные поверхности в дальней зоне, т.е. поверхности, на которых фаза компонентаглавной поляризации сохраняет одинаковое значение для всех угловнаблюдения. Уравнение такой поверхности может быть представлено в виде[2]r  ,   r0 Ф  , 2( 1.32)Если эквифазная поверхность представляет собой сферу (без учета возможных скачков на λ/2 при переходе через нуль амплитудной ДН), то центртакой сферы называют фазовым центром антенны.

Для удаленногонаблюдателя фазовый центр является той точкой антенны, откуда исходятсферические волны поля излучения. Простейшей фазовой характеристикой антенны является постоянная функцияФ  ,   Ф0   ,где Ф0 -константа.В этом случае, как следует из (1.32), эквифазные поверхности имеют видсфер (r = const) и фазовый центр совпадает с началом координат. Если жефункция Ф  ,  непостоянна, то возможны следующие случаи:- антенна имеет фазовый центр, не совпадающий с началом координат;- антенна не имеет фазового центра.В каждом из этихслучаев возможноупрощениевида фазовой характеристики засчетсоответствующего переноса начала системы координат.На рис.

1.5 с исходной системойкоординат r , ,центром в точкеО показано положение началановой системы точка О' с координатамиx0 , y0 , z0 в старойсистеме. В новой Рисунок 1.5 – Определение фазовой характеристики антенны22системе координат r , , исходная фазовая характеристика видоизменяетсяиз-за наличия разности хода лучей r0 cos a:Ф  ,   Ф  ,   kr0 cos ( 1.33) Ф  ,   k  x0 sin  cos  y0 sin  sin   z0 cos  Если антенна имеет фазовый центр (первый случай), то координаты х0,у0, z0 могут быть подобраны так, что Ф  ,   const . Это возможно лишь приусловии приведения исходной фазовой характеристики к виду( 1.34)Ф0  k  x0 sin  cos  y0 sin sin   z0 cos   v где v - некоторая константа.Отсюда можно утверждать, что антенна имеет фазовый центр только втом случае, если ее фазовая характеристика может быть представлена в форме(1.34).

Многие реальные антенны такие, как рупорные, спиральные, турникетные и другие имеют фазовые характеристики, в той или иной степени отличные от (1.34) и, таким образом, не имеют фазового центра в строгом понимании (второй случай). Однако и для таких антенн можно указать точку x0, y0, z0(так называемый центр излучения), относительно которой поверхность равныхфаз наименее уклоняется от сферической, а фазовая характеристика наиболееблизка к постоянной функции.Рассмотренные понятия фазового центра антенны и центра излученияотносятся к компоненту на главной поляризации излучения. Для поля паразитной поляризации фазовая характеристика направленности может бытьнайдена с помощью соотношенияФПЗ  ,   Ф  ,    ,  ,где Ф  ,  - фазовая характеристика на главной поляризации;   ,  - фазовый сдвиг компонента вектора паразитной поляризации по отношению ккомпоненту главной поляризации.

Здесь также могут быть введены понятияфазового центра и центра излучения.1.3Коэффициенты направленного действия и усиления антенныКоэффициент направленного действия (КНД) является мерой концентрации излучения в пространстве, которое осуществляется антенной. При этомследует подчеркнуть, что направленные свойства антенны (ее направленностьдействия) непосредственно связаны с характером ДН и зависят от геометрии,размеров и типа антенны, а также от ее расположения относительно проводящих экранов (например, борт летательного аппарата) или земной поверхности.Коэффициент направленного действия (D) есть отношение значения вектораПойнтинга П, создаваемого антенной в данном направлении, к значению вектора Пойнтинга эталонной антенны ПЭТ в этом же направлении при одинако-23вых расстояниях (r) до рассматриваемой точки и равных излучаемых мощностях  P  P ЭТ  :П  , ,( 1.35)ПЭТили КНД - это число, показывающее во сколько раз необходимо увеличитьмощность излучения P при переходе от данной антенны к эталонной, чтобысохранить неизменной напряженность поля в точке приема.В качестве эталонной антенны используют: воображаемый абсолютноненаправленный (изотропный) излучатель, диполь Герца, полуволновой вибратор, рупор и т.д.Если за эталонную антенну принять изотропный излучатель, то в формуле (1.35) плотность потока мощности такого излучателяP ЭТ4 r 2 П  , ( 1.36)ПЭТ и D  ,  4 r 2P ЭТD  ,  Значение вектора Пойнтинга П   Е Н  в дальней зоне антенны может бытьзаписано в видеAf 2  , Em2( 1.37)П  ,  ,240240где А - коэффициент, не зависящий от углов  и  ; f  ,  - диаграмманаправленности антенны (ненормированная);  - угол, откладываемый отнормали к оси антенны.Так как по условию P  P ЭТ , мощность излучения антенны можно выразить через значение вектора Пойнтинга известным соотношениемP   ПdS ,( 1.38)Sгде dS  r cos  d  d - элемент поверхности сферы.Учитывая выражения (1.37) и (1.38), для КНД антенны получаем4 f 2  , D  ,   2.( 1.39) 22 d  f  ,  cos d 20 2Если необходимо вычислить КНД в направлении максимума излучения,то в числитель последнего выражения необходимо подставить координатыэтого направления   0 ,   0 .

Переходя при этом к записи ДН антенны внормированном виде, для КНД в направлении, максимума излучения можнозаписать24D0  24 2 df 0,( 1.40)F  ,  cos  d 22f  , .f   0 ,0 В случае ДН антенны, обладающей осевой симметрией (напряженностьполя не зависит от азимутального угла  , формула (1.40) принимает вид2D0   2.( 1.41)2 F  ,  cos  d где F  ,   2Расчет КНД для многих существующих антенн по формулам (1.40) и(1.41) довольно сложен и решение в аналитическом виде может быть полученотолько для простых выражений ДН антенны. Поэтому КНД по указаннымформулам обычно рассчитывают методом графического интегрирования илина ЭВМ.

В простейшем случае диполя Герца, нормированная ДН которогоимеет вид F 2     cos2  , вычисление по формуле (1.41) показывает, что КНДтакого излучателя D0  1,5 .Коэффициент направленного действия антенны лежит в пределах отединиц (слабонаправленные антенны) до нескольких десятков и даже сотентысяч в случае антенн с высокой направленностью. При этом КНД тем больше, чем уже главный лепесток ДН и меньше уровень бокового излучения.Установим связь между КНД, излучаемой мощностью и напряженностью поля, которая в ряде практических случаев может оказаться полезной.В случае изотропного излучателя плотность потока мощности (среднее значение) ПЭТ  P  4 r 2  .Если антенна обладает направленными свойствами и излучает ту жемощность, то ПЭТ  D0 P  4 r 2 .

Однако П  Em2 (240 ) , откуда амплитуданапряженности поля (В/м) в точке наблюдения1Em 60 P D0 .rТаким образом, замена ненаправленной антенны направленной позволяет в D0 раз увеличить напряженность поля в точке приема при той же излучаемой мощности.Коэффициент усиления антенны (КУ) определяется аналогично КНД,только сравнение ведется не по мощности излучения, а по мощностям, подводимым к антеннам. Коэффициент усиления (G) антенны показывает во сколькораз необходимо увеличить подводимую мощность при переходе от направленной к ненаправленной антенне, чтобы получить то же значение напряженностиполя в точке приема. При этом предполагается, что коэффициент полезного25действия (КПД) ненаправленной антенны равен единице.

Из определения следует, чтоG  ,   D  ,  ,где   R  R  RП  - КПД антенны; R и RП - сопротивления излучения (см.п. 1.4) и потерь соответственно.Обычно интересуются максимальными значениями КНД и КУ - G0  D0 .Коэффициент усиления простейших типов антенн таких, как симметричный вибратор, практически совпадает с КНД, так как их КПД   1. Дляряда антенн, особенно с управляемым в пространстве положением ДН,  0,3  0,5 и даже ниже. Поэтому их КНД и КУ значительно отличаются другот друга.Измеряются КНД и КУ антенны как в абсолютных единицах, так и логарифмических (дБ): DдБ  10lg D0 ; GдБ  10lg G0 .Уровень боковых лепестков и коэффициент обратного излученияантенны.

Уровень боковых лепестков оказывает существенное влияние на основные параметры радиотехнических систем (например РЛС): помехозащищенность, вероятность ложного обнаружения, скрытность работы, ЭМС.Величину бокового излучения антенны оценивают с помощью различных параметров, одним из которых является относительный уровень боковых лепестков Б Л  EБ ЛEГ Л Em БЛ Em max .maxmaxТаким образом,  БЛ представляет собой отношение напряженности поля антенны в направлении максимума бокового лепестка к напряженности поля внаправлении главного максимума ДН.

Характеристики

Список файлов книги