sazonov_d_m__antenny_i_ustroistva_svch_1 988 (561328), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В подавляющем большинстве случаев как антенны, так н обслуживающие их тракты относятся к классу линейных и пассивных радиотехнических устройств и в конструктивном отношении представляют собой сочетание деталей и элементов, выполненных из проводников, диэлектриков и магннтодиэлектриков. В последние годы в антенных системах и трактах СВЧ важную роль стали играть устройства управления их работой (рис. ВЛ), особенно в' антеннах с быстрым перемещением луча в пространстве. Такие антенны, называемые фазированными антенными решетками (ФАР), обычно строятся и виде системы большого числа отдельных излучателей, фазы высокочастотного возбуждения которых регулируются независимо с помощью быстродействующих полупроводниковых или ферритовых управляющих устройств по командам ЭВМ. Вопросы создания управляющих систем для антенн и трактов относятся к курсам «Радиотехнические системы» н «Радноавтоматика» и поэтому здесь не рассматриваются.
Однако при изложении теории антенн будут специально обсуждены возможности и способы управления положением луча антенны в пространстве, а при рассмотрении элементов трактов СВЧ вЂ” технические средства для регулирования амплитуд и фаз возбуждения излучателей антенных решеток. Процессы излучения и приема радиоволн антеннами, а также процессы передачи электромагнитных волн в трактах СВЧ и образующих их элементах относятся к весьма сложным волновым процессам. Адекватное математическое описание этих процессов дает общая теория электромагнитного поля (электродинамика), основанная на решении системы дифференциальных уравнений Максвелла, дополненной материальными уравнениями для сред и граничными условиями.
Несмотря на внешнюю относительную простоту и физическую четкость уравнений Максвелла, их прямое использование при проектировании конкретных антенн и трактов чаще всего не приводит к желаемым результатам из-за серьезных математических трудностей. Оказывается, что строгие и полные решения электродннамических задач даже для простейших антенн (например, уединенных вибраторов нлн щелевых излучателей) н типовых элементов трактов (например, скачков размеров линий передачи, диафрагм в волноводах, разветвлений) приводят к слишком сложным векторным функциям напряженностей электрического и магнитного полей от трех пространственных координат. Однако в большинстве случаев при разработке антенн или трактов не обязательно воссоздавать полную картину электромагнитного поля в любой точке пространства.
Важно уметь определять и обеспечивать в разрешенных допусках требуемые характеристики антенны (диаграммы направленности, входные сопротивления и т. д.) и ответные реакции тракта на заданные воздействия. Прн расчете электрических характеристик антенн илн трактов наряду со строгим решением граничных задач с успехом используются и более простые инженерные. подходы. Здесь в первую очередь следует отметить общую теорию цепей СВЧ, базирующуюся на матричном аппарате линейной алгебры, теории функции комплексного переменного и некоторых других разделах математики. Одной нз центральных идей общей теории цепей СВЧ является возможность замены любых линий передачи электромагнитных волн эквивалентными длинными линиями с распределенными параметрами.
Другим элементам тракта или элементам антенн (стыкам волноводов, нагрузкам, диафрагмам, излучающим щелям, наборам вибраторов и т. д.) ставятся в соответствие эквивалентные многополюсники. Эти многополюсники описываются либо матрицами параметров (матрицы рассеяния, сопротивления или передачи), либо схемами замещения той или иной степени сложности. Параметры эквивалентных многополюсников или их схем замещения устанавливаются из условий соответствия найденных по схеме замещения электрических характеристик конкретного элемента в нужной полосе частот точным результатам, полученным путем строгого решения соответствуюгцей граничной задачи электродинамики либо из прецизионных измерений.
Когда в распоряжении разработчика антенн и трактов оказывается достаточно широкий набор схем замещения стандартных узлов, именуемых базовыми элементами, дальнейшая работа по анализу и синтезу сложных антенн и трактов может производиться с помощью алгоритмов объединения базовых элементов в общую схему. Подробности поведения электромагнитных полей в отдельных устройствах оказываются при этом уже ненужными, а сам алгоритм объединения реализуется с помощью ЭВМ по заранее составленным и отлаженным программам вычислений.
Набор таких программ вместе с банком характеристик базовых элементов составляет ядро системы автоматизированного проектирования антенных устройств и трактов определенного класса. Наряду с обшей теорией цепей СВЧ при проектировании современных антенн и трактов широко применяются и другие приближенные теории, среди которых следует отметить геометрическую оптику, физическую оптику, скалярную теорию дифракции, геометрическую теорию дифракции.
Исторический обзор. Истоки современной теории и техники антенн и трактов СВЧ восходят к Х!Х в. Возникновение первых серьезных научных представлений об электромагнитном поле принято связывать с известными экспериментами М. Фарадея (1791 — 1867). Строгую математическую основу электромагнетизма заложил в 1864 г. Д. К. Максвелл (1831 †18) в виде системы универсальных уравнений. Вслед за этим наиболее значительные теоретические и экспериментальные исследования структуры полей элементарного диполя и других простейших излучателей электромагнитных волн были выполнены Г. Герцем (1857 — 1894), не усмотревшим, однако, практического значения в наблюдаемых им явлениях.
И только в 1895 г. нашим великим соотечественником А. С. Поповым (1859 — 1906) были созданы первые технически оформленные антенны: излучающая (в виде квадратных металлических листов, закрепленных на концах герцевского вибратора) и приемная (в виде вертикального проводника и системы заземления). Теоретическая трактовка вибраторной антенны как совокупности диполей принадлежит немецкому ученому М. Абрагаму, сформулировавшему в 1900 г. понятие о сопротивлении излучения антенны.
В конце Х!Х в. Дж. Дж. Томсоном (1893) и Рэлеем (1897) были также высказаны соображения о теоретических перспективах передачи электромагнитных волн по металлическим трубам, однако практическая реализация этих идей задержалась почти на 35 лет. Подлинное становление антенной техники н техники устройств СВЧ произошло в 40 — 50-е годы нашего столетия. Условно можно выделить следующие основные периоды развития антенн н высокочастотных трактов. 1. Период проволочных антенн длинноволнового н средневолнового диапазонов (1900 — 1925).
Размеры антенн были малы по сравнению с применявшимися рабочими длинами волн, и основная трудность состояла в обеспечении приемлемого КПД излучения. В наиболее совершенных антеннах того времени использовались мачты высотой до 150 м и разветвленные системы заземления. Очень плодотворной оказалась идея Александерсена о построении вертикальной антенны с несколькими синфазно настроенными снижениями и развитой горизонтальной частью. В 19!7 — 1918 гг. М. В.
Шулейкнным был разработан и опубликован метод расчета емкости и индуктивности сложных длинноволновых радиосетей. 2. Период коротковолновых антенн (1920 — 1935). С освоением диапазона коротких волн размеры антенн стали не только соизмеримыми, но и могли существенно превышать рабочую длину волны.
Поэтому появились возможности реализовать направленное действие антенн. С(геди многих достижений антенной техники этого периода следует отметить появление многовибраторных синфазных антенн (прообраз современных антенных решеток), созданных под руководством М.
А. Бонч-Бруевича и В. В. Татаринова (радиолиния Москва — Ташкент, 1926 г.). 3. Начало освоения УКВ связано у нас с работами Б. А. Введенского и А. И. Данилевского и относится к 1921 г. Однако периодом становления антенн УКВ и трактов их питания следует считать десятилетие с 1930 по 1940 гг, В этот период появились эффективные источники непрерывных колебаний дециметрового и сантиметрового диапазонов длин волн, что дало мощный импульс практической реализации волноводов и стимулировало поиски технических решений различных элементов волноводного тракта.
Развитие техники телевидения и УКВ-вещания привело к необходимости построения широкополосных антенн. Зародилась техника рупорных антенн и антенн квазноптического типа — зеркальных и линзовых. 4. Революционизирующее влияние на антенную технику и технику устройств СВЧ периода 1940 — 1960 гг. оказало стремительное внедрение радиолокационных систем сантиметрового и дециметрового диапазонов. Именно в это время были заложены теоретические основы инженерных расчетов наиболее распространенных остронаправленных антенн: зеркальных, рупорных, линзовых. Особо следует отметить широкое внедрение разнообразных щелевых антенн (резонаторных и и виде решеток на прямоугольных волноводах) и появление сверхширокополосных излучателей (логопериодические и логоспиральные антенны).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
