Шостак А.С. Антенны и устройства СВЧ. Часть 2. Антенны (2012) (1095849), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Величинаактивной составляющей входного сопротивления ( R ) при этом такая же, как ив случае расчета по методу вектора Пойнтинга.Реактивная составляющая заметно зависит от размеров поперечного сечения вибратора и его точной длины. Ниже приведены значения входного сопротивления цилиндрического полуволнового вибратора при различных значениях его радиуса.Так, при бесконечно тонких проводниках вибратора ka 0 входное сопротивление вибратора длиной 2l = λ/2 оказывается комплексным и равным ZBX =(73,1 + j42,5) Ом;5) резонансная длина вибратора меньше длины точно кратной λ/2 и темменьше, чем толще вибратор.Укорочение l , необходимое для настройки в резонанс широко используемого на практике полуволнового вибратора, может быть определено поформулеl 0,225( 2.23).lln l a47В случае тонких вибраторов укорочение составляет примерно 3...5% отдлины 2l = λ/2; для толстых вибраторов 15...20%.Таким образом, из рассмотренной теории можно сделать вывод о целесообразности использования резонансного вибратора длиной 2l 2 (или2l ), у которого входное сопротивление чисто активное и ДН однолепестковая.483 АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ3.1Антенные решетки и классификацияНаправленность действия простейшей антенны - симметричного вибратора - невысокая.
Для увеличения направленности действия уже на первыхэтапах развития антенной техники стали применять систему вибраторов - антенные решетки (АР). В настоящее время антенные решетки - наиболее распространенный класс антенн, элементами которых могут быть как слабонаправленные излучатели (металлические и щелевые вибраторы, волноводы, диэлектрические стержни, спирали и т.д.), так и остронаправленные антенны(зеркальные, рупорные и др.).Применение антенных решеток обусловлено следующими причинами.Решетка из N элементов позволяет увеличить приблизительно в N.
раз коэффициент направленного действия (КНД) (и соответственно усиление) антенныпо сравнению с одиночным излучателем, а также сузить луч для повышенияточности определения угловых координат источника излучения в навигации,радиолокации и других радиосистемах. С помощью АР удается поднять электрическую прочность антенны и увеличить уровень излучаемой (принимаемой) мощности путем размещения в каналах решетки независимых усилителейвысокочастотной энергии. Одним из важных преимуществ решеток являетсявозможность быстрого (безынерционного) обзора пространства за счет качания луча антенны электрическими методами (электрического сканирования).Помехозащищенность радиосистемы зависит от уровня боковых лепестков(УБЛ) антенны и возможности подстройки (адаптации) его по помеховой обстановке. Антенная решетка является необходимым звеном для создания такого динамического пространственно-временного фильтра или просто дляуменьшения УБЛ.
Одной из важнейших задач современной бортовой радиоэлектроники является создание комплексированной системы, совмещающей несколько функций, например радионавигации, РЛС, связи ит.д. Возникает необходимость создания антенной решетки с электрическимсканированием с несколькими лучами (многолучевой, моноимпульсной и т.д.),работающей на различных частотах (совмещенной) и имеющей различные характеристики.Имеется ряд конструктивно-технологических преимуществ антенныхрешеток для бортовых и наземных устройств по сравнению с другими классами антенн. Так, улучшение массогабаритных характеристик бортовой аппаратуры происходит за счет использования печатных антенных решеток.
Снижение стоимости больших радиоастрономических телескопов достигается благодаря применению зеркальных антенных решеток.49Антенные решетки могут быть классифицированы по следующим основным признакам: геометрии расположения излучателей в пространстве, способу их возбуждения, закономерности размещения излучающих элементов всамой решетке, способу обработки сигнала в решетке, амплитудно-фазовомураспределению токов (поля) по решетке и типу излучателей. В зависимости отгеометрии расположения излучателей АР подразделяются на линейные, дуговые, кольцевые, плоские, выпуклые (цилиндрические, конические, сферические и др.) и пространственные (трехмерные) (рис. 3.1).
Пространственная решетка в простейшем случае представляет собой систему из двухплоских решеток, параллельно расположенных в пространстве.Размещениеизлучателей в самой решетке может быть эквидистантное, у которого шаг (расстояние между излучателями) - величинапостоянная(см.рис. 3,1,а-д), и неэквидистантное, укоторого шаг меняется по определенномузаконуили случайным образом (рис.
3.1,з).В плоской АР излучателимогутбыть расположеныв узлах прямоугольной(рис.3.2,а) или косоугольной координатной системы.Если косоугольная сетка состоит из равносторонних треугольников, то такаяструктура образуетРисунок 3.1 – Антенные решетки:правильныешеa) – линейная; б) – дуговая; в) – кольцевая; г) –стиугольникии плоская; д) – цилиндрическая; е) – коническая; ж) –называется гексасферическая; з) - неэквидистантнаягональной50(рис. 3.2,б).По способу возбуждения (питания) излучателей различают рещетки споследовательным и параллельным питанием.
Возможен также пространственный способ возбуждения,который называют иногдаоптическим или «эфирным» (рис. 3.3,г).В больших антенныхрешетках применяют комбинации последовательнопараллельного питания излучателей, особенно в слу- Рисунок 3.2 – Плоская прямоугольная (а)чае разделения всей антени гексагональная (б) решеткиной решетки на подрешетки(модули) меньших размеров.
При последовательном питании элементы решетки возбуждаютсяпадающей волной последовательно друг задругом(рис.3.3,а), а при параллельномнезависимо (рис.3.3,б).Частнымслучаем параллельного питанияявляетсясхематипа«елочка»,образующаяся засчет каскадногоделения подводимой мощностина две части (рис.3.3,в). В случаеРисунок 3.3 – Возбуждение излучателей в решетке:пространственного возбуждения а) – последовательная схема; б) – параллельная схема; в) – схема питания типа “елочка”;элементы решетг) - пространственное возбуждениеки возбуждаютсяпадающей вол-51ной от первичного облучателя (рис. 3.3,г).В питающем антенную решетку тракте (фидере) возможна различнаяпространственно-временная обработка сигнала.
Изменение фазового распределения в решетке с помощью системы фазовращателей в питающем тракте(рис. 3.3,г) позволяет управлять максимумом диаграммы направленности. Такие решетки называются фазированными антенными решетками (ФАР).Если к каждому излучателю ФАР или к их группе подключается усилительмощности, генератор или преобразователь частоты, то такие решетки называются активными фазированными антенными решетками (АФАР) (рис,3.4,а,б).
Приемные АР с саморегулируемым амплитудно-фазовым распределением в зависимости от помеховой обстановки называются, адаптивными. Приемные АР с обработкой сигнала методами когерентной оптикиназываются радиооптическими. Приемные АР, в которых вся обработкаведется цифровыми процессами, называются цифровыми АР.Рисунок 3.4 – Активные фазированные решетки:а) – активный элемент в каждом излучателе; б) – активный элементна группу излучателей (модульная конструкция)Совмещенные антенные решетки имеют в своем излучающем раскрыведва (или более) типа излучателей, каждый из которых работает в своем рабочем диапазоне.Антенные решетки, формирующие с одного излучающего раскрыва несколько независимых (ортогональных) лучей и имеющие соответствующеечисло выходов, называются многолучевыми.В зависимости от соотношения амплитуд токов возбуждения различаютрешетки с равномерным, экспоненциальным и симметрично спадающим амплитудными распределениями относительно центра решетки.
Если фазы токов излучателей изменяются вдоль линии их размещения по линейномузакону, то такие решетки называют решетками с линейным фазовым распределением. Частным случаем таких решеток являются синфазные решетки,у которых фазы тока всех элементов одинаковы.523.2Методы расчета характеристик антенных решетокПри рассмотрении общих методов расчета характеристик АР удобнеевначале остановиться на расчете АР, образованных системой полуволновыхвибраторов. В строгой электродинамической постановке задача об излучениисистемы тонких полуволновых вибраторов аналогична ранее рассмотреннойзадаче об излучении одиночного вибратора.
Различие состоит в замене одноговибратора системой вибраторов, каждый из которых возбуждается своим сторонним источником. Поступая, как при строгом решении задачи излучениясимметричного вибратора, можно установить связи между сторонними источниками и параметрами АР. Токи в излучателях АР могут быть найдены изсовместного решения системы интегральных уравнений. Такое решение оказывается на порядок сложнее, чем для одиночного излучателя, и весьма затрудняет выявление основных закономерностей антенных решеток.
В теорииантенн используют приближенные методы, в которых общую задачу расчетаАР условно разделяют на две задачи: внешнюю и внутреннюю. Решениевнешней задачи состоит в нахождении характеристик направленности антенныпри известном амплитудно-фазовом распределении токов (полей) по элементам АР. Это распределение считается известным из решения внутренней задачи и достигается соответствующим подбором сторонних источников возбуждения. Решение внутренней задачи состоит в определении амплитуднофазового распределения в АР при заданных сторонних источниках, что необходимо для возбуждения (питания) АР. Решение внешней задачи можно провести в общем виде для различных АР и затем установить характеристикинаправленности. Поэтому ниже подробно остановимся на общем приближенном методе расчета внешней задачи.
Следует заметить, что методы решениявнутренней задачи оказываются различными для разных типов излучателейАР и будут рассмотрены далее. Поле излучения антенной решетки представляет собой результат интерференции полей отдельных излучателей. Поэтомунадо найти отдельно поле от каждого излучателя в данной точке пространства,а затем - сумму полей всех излучателей при учете амплитудных и фазовых соотношений, а также поляризации полей.Расчет диаграммы направленности таких антенн целесообразнопроводить в следующем порядке:1) определить амплитудную и фазовую диаграммы излучения отдельныхэлементов, составляющих антенную решетку;2)найти фазовый центр каждого излучателя и заменить излучатели воображаемыми точечными излучателями, расположив последние в фазовых центрах реальных излучателей.
Каждому точечному излучателю приписать равномерную фазовую диаграмму и амплитудную диаграмму реального излучателя, тогда точечный излучатель по внешнему действию будет полностью эквивалентен реальному излучателю;533)вычислить амплитуды и фазы полей, создаваемые эквивалентными излучателями в произвольной точке пространства (каждым в отдельности), приэтом рассматривать поле на большом (по сравнению с размерами антенны идлиной волны) расстоянии от точки наблюдения до всех излучателей (одинаковом и равном расстоянию до какого-либо излучателя).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
