А.С. Белокопытов, К.С. Ржевкин, А.А. Белов, А.С. Логгинов, Ю.И. Кузнецов, И.В. Иванов - Основы радиофизики (1119801), страница 61
Текст из файла (страница 61)
В этом случае полная энергия, излучаемая антенной за единицу времени, может быть связана с амплитудой тока Х бегущей волны очевидным соотношением: Р~ = —,Ве1' . Коэффициент пропорцио- 1 нальности имеет размерность сопротивления и назйвается сопротивлением излучения антенны. Для идеального вибратора длины 1 Ве = — я — Ям где А — длина волны излучения„а Я, = 377 Ом — так называемое характеристическое или волновое сопротивление свободного пространства; Я0 —— Н,/Я,, где Н0 и Ьо— амплитуды магнитного и электрического полей в распространяющейся плоской волне.
Омические потери в элементах антенны, а также энергия, локализованная в ее ближней зоне, делают сопротивление излучения комплексным: Яе = Аа + В + уХ„, где два последних члена отражают названные выше факторы. Магнитным аналогом электрического диполя является рамка с током (магнитный диполь). На основе этих элементов синтезируют антенны различного назначения и разных частотных диапазонов.
Рамочные антенны, содержащие один или несколько витков, используются, главным образом, в пеленгаторных системах. В радиовещательной аппаратуре широко применяются ферритовые антенны, представляющие собой ферритовые стержни, несущие на себе обмотки. Количество витков этих обмоток зависит от диапазона антенны, магнитной проницаемости и площади сечения ферритового стержня. Особый класс рассматриваемых систем составляют зеркальные антенны СВЧ диапазона, обычно представляющие собой части поверхности параболоида вращения. Линейные размеры этих антенн (диаметр чаши антенны — ее раскрыв 17) существенно превышают длину волны.
Возбуждаются параболические зеркальные антенны излучателями малых размеров, помешаемыми в фокусе параболоида. Важной характеристикой передающей антенны является ее направленность. Распределение потока излучения в волновой зоне описывает диаграмма направленности — трехмерная фигура, задаваемая в сферической системе координат. Диаграмма направленности линейного вибратора представляет собой тороид, ось которого совпадает с осью вибратора. Диаграммы на- Рис. 9.17. Диаграмма направленности сложных антенн формируются как результат ин- правлеииости зеркальной терференции излучения, порождаемого множественными эле- антенны ментами антенны. Обычно диаграмма имеет вид главного лепестка и нескольких побочных, непременно присутствующих во всякой дифракционной и интерференционной картине (рис.
9.17). При прочих равных условиях отношение излучения в направлении главного максимума диаграммы направленности к потоку в направлении побочных лепестков растет с увеличением числа излучающих элементов антенны и с увеличением раскрыва Э параболического зеркала.
Направленностью антенны называют угловой размер главного лепестка, взятый на уровне половинной излучаемой мощности. Для зеркальной антенны направленность определяется отношением длины волны излучения к диаметру зеркала д = Л/Ю— классическим соотношением волновой оптики.
Направленность гигантских параболоидальных зеркальных антенн составляет доли градуса. Концентрацию излучения передающей антенны в преимущественном направлении главного лепестка диаграммы направленности отражает численный параметр — коэф- 224 Глава 9. Раси деленные системы фициент усиления. По определению, коэффициент усиления есть отношение потока энергии в направлении главного максимума к потоку от изотропного излучателя прн равной общей мощности излучения. Коэффициент усиления больших остронаправленных антенн достигает 10' и более.
Работа антенны на передачу и на прием вполне обратима. Универсальна и диаграмма направленности. Угловая разрешающая способность приемной антенны равна ее направленности д прн работе в режиме передачи. Из пространственного сектора„ ограниченного углом д, приемная антенна получит сигнал. Если на антенну падает однородный поток б (как это бывает в большинстве случаев), то к согласованному с антенной приемнику приходит сигнал, мощность которого равна Р, = -АЯ. 1 4 Коэффициент пропорциональности А имеет размерность плошади и называется эффективной поверхностью приемной антенны. В зависимости от ориентации антенны относительно направления на источник излучения эффективная площадь изменяется в соответствии с диаграммой направленности.
Остронаправленные антенны нашли широкое применение в системах радиолокации, дальней космической связи, радиоастрономии и др. Экстремально высокой направленностью и соответственно высокой разрешающей способностью отличаются антенны, применяемые в радиоастрономических системах. Антенны ряда уникальных радиотелескопов — это гигантские зеркала с громадным отношением раскрыва к длине волны. В качестве примера можно привести два современных радиотелескопа — комплекс Аресибо в Пуэрто-Рико и радиотелескоп (РАТАН-600) Российской Академии наук в станице Зеленчукской на Северном Кавказе. Диаметр сферической чаши зеркала радиотелескопа Аресибо составляет 300 м.
Рефлектор состоит из 40000 плоских перфорированных алюминиевых панелей, точность индивидуальной ориентации каждой из которых составляет 3,5 мм. Панели ( 1 х 2 м') выстилают поверхность поддерживающей стальной сетки. Приемная аппаратура вместе с обслуживающими системами (крногенная гелневая установка н пр.) находится на 600-тонной платформе, подвешенной в области фокуса рефлектора на стальных канатах. Точная установка приемных элементов в фокусе зеркала осуществляется с помощью подвижных деталей платформы, осуществляющих также смену приемных элементов для разных частотных диапазонов.
Диаграмма направленности радиотелескопа имеет "игольчатый" характер. Сканирование в относительно небольших пределах относительно направления в зенит осуществляется при перемещении приемных элементов системы относительно главного фокуса рефлектора. Рабочий диапазон приемников телескопа простирается от б м до б см (50+ 5000 МГц).
Радиотелескоп РАТАН-600 имеет рефлектор„относящийся к так называемым зеркалам переменного профиля. Рефлектор имеет два основных зеркала — круговое и плоское. Зеркала состоят нз плоских панелей индивидуальной ориентации. Круговой рефлектор состоит из 895 панелей, каждая из которых имеет три степени свободы. По программе главной управляющей ЭВМ панели могут устанавливаться таким образом, что рефлектор образует кольцевой сегмент сферы или параболоида с игольчатой диаграммой направленности, ось которой смотрит в зенит. Рефлектор может также принять сложную форму, так что оказывается способным принимать сигналы практически из любой части небесной полусферы. В этом случае в работу включается н составной плоский отражатель.
Он состоит из 124 панелей с индивидуальной юстировкой геодезическими методами. Составной характер зеркал позволяет добиться при индивидуальной юстировке панелей такой малой погрешности формы отражателей, которая принципиально невозможна при формировании отражающей поверхности как единого целого. Вхбдные элементы приемников помещаются на подвижных платформах, кото- 225 9.7.
Гене аторы СВЧ диапазона рые могут перемешаться по радиально и циркулярно расположенным рельсовым путям. РАТАН-600 с его 567-метровым кольцевым рефлектором обладает в диапазоне до 8 мм абсолютным максимумом разрешавшей способности среди имеющихся ныне зеркальных антенн; 8 мм — высокочастотная граница рабочего диапазона РАТАН-600. Механическая перестройка не является единственным способом изменения направления излучения антенны.
Поскольку положение главного лепестка диаграммы направленности перпендикулярно плоскости равных фаз поля излучения в волновой зоне антенны, изменения направления излучения можно достичь изменением пространственного положения этой плоскости. Подобное изменение легко достигается, если излучение антенны синтезируется в результате сложения поля множества излучающих элементов, каждый из которых получает возбуждение с соответствующей фазой. Этот принцип положен в основу работы фазированных антенных решеток (ФАР).
К каждому элементарному излучателю системы ФАР ведет своя линия передачи с индивидуальным электрически или магнитно управляемым фазоврашателем. Управляя распределением фаз в решетке излучателей, можно реализовать такие скорости пространственного сканирования лучем, которые абсолютно недостижимы при механическом изменении ориентации антенны. 9.7. Генераторы СВЧ диапазона Для генерирования электрических колебаний СВЧ диапазона к настоящему времени создано множество приборов, работа которых основана на взаимодействии переменного электромагнитного поля с носителями заряда, получающими энергию от источника питания. Это взаимодействие происходит при движении носителей в вакууме, полупроводниках, ферромагнетиках и нелинейных диэлектриках.
Исторически автоколебательные системы СВЧ диапазона 1 развивались параллельно с освоением все более высоких частот. В области сотен мегагерц они в определенной мере повторяли структуру генераторов низкочастотных диапазонов. В этих генераторах находили применение специальные высокочастотные 2 вакуумные триоды и тетроды, а колебательные контуры приобретали все более распределенный характер. На рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
