Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: Археология Биология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Техника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ? Влияние общества на человека Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления

Главная Избранные Случайная статья Познавательные Новые добавления Обратная связь FAQ Антенны в виде открытого конца волновода Стр 1 из 9Следующая ⇒ АПЕРТУРНЫЕ АНТЕННЫ Рупорные антенны Антенны в виде открытого конца волновода В качестве слабонаправленных антенн УКВ широко используются антенны в виде открытого конца волноводов прямоугольного или круглого сечений. Электромагнитная волна, распространяющаяся по волноводу, дойдя до его открытого конца, частично излучается и частично отражается. Физическими источниками излучения являются электрические токи, возбуждаемые главным образом, на внутренних стенках волновода. В инженерном решении приближенно полагают, что структура электромагнитного поля в плоскости открытого конца волновода такая же, как в поперечном сечении бесконечно длинного волновода, т. е. пренебрегают волнами высших типов, излучением токов, затекающих на наружные поверхности стенок волноводов, и не учитывают волны, отраженные от открытого конца волновода. В случае волновода прямоугольного сечения (рис.1), возбуждаемого основной волной Н10 (в соответствии с общепринятой классификацией типов колебаний волной типа H называется поперечно-электрическая волна, т.е. для таких колебаний продольная составляющая напряженности электрического поля Ez = 0. Цифра 1 в записи H10 означает, что все составляющие электромагнитного поля имеют одну вариацию поля вдоль оси 0х. Цифра 0 означает, что все компоненты поля имеют постоянное распределение вдоль оси 0y (0 вариаций). Волна Н10 называется основным типом колебаний для прямоугольного волновода. Это означает, что с помощью этого типа колебаний передаются сигналы с наибольшей длиной волны для фиксированных размеров поперечного сечения волновода а и b) , на его открытом конце существуют взаимно перпендикулярные тангенциальные составляющие поля Е y и Hх, зависимость которых от координат известна. Рис. 1. Открытый конец прямоугольного волновода

Таким образом, характеристику направленности открытого конца волновода прямоугольного сечения в плоскости Е, параллельной размеру b поперечного сечения, можно представить в виде произведения множителя системы плоского раскрыва на характеристику направленности элемента Гюйгенса в этой плоскости.

В плоскости Н характеристика направленности открытого конца волновода прямоугольного сечения представляет собой произведение множителя системы синфазного раскрыва с косинусоидальным распределением амплитуды возбуждающего поля на характеристику направленности элемента Гюйгенса в плоскости Н.

Поскольку поперечные размеры прямоугольного волновода а и b невелики и соизмеримы с длиной волны λ (обычно для стандартных волноводов а = 0,7λ, b = 0,35λ) и поверхностные токи затекают на внешние стенки волновода, то ДН антенны в виде открытого конца волновода имеет один широкий лепесток, т.е. антенна является слабонаправленной.

Следует отметить, что точность расчетов по апертурным формулам является удовлетворительной только в переднем полупространстве.

Характеристики направленности открытого конца волновода круглого сечения радиусом а в плоскостях Е и Н можно рассчитать по приближенным формулам, полученным при тех же допущениях, что и для прямоугольного волновода. При этом множитель системы выражается цилиндрическими функциями.

Антенны в виде открытого конца волновода применяются в сантиметровом диапазоне волн в тех случаях, когда требуется широкая ДН. Их часто используют в качестве облучателей зеркальных антенн.

Антенна в виде открытого конца волновода оказывается плохо согласованной со свободным пространством из-за резкого изменения условий распространения при переходе от волновода к свободному пространству. Коэффициент отражения от открытого конца прямоугольного волновода достигает значения 0,25...0,3, коэффициент отражения от открытого конца круглого волновода несколько меньше и составляет 0,1...0,25.

Применяя подстроечные элементы, можно значительно снизить коэффициент отражения от открытого конца волновода.

 

Рис. 3. Фронт волны в Н- плоскостном рупоре

Путем аналогичных рассуждений получаем максимальный сдвиг фаз на краях Е-плоскостного рупора ψ_mах = πb²_р /(4λL_E), где L_E - длина E-плоскостного рупора.

Максимальный сдвиг фаз на краю раскрыва конического рупора (радиус раскрыва а_р, длина рупора L) ψ_mах =π /(λL).

Поскольку в рупорной антенне практически невозможно добиться полной синфазности излучающей поверхности, то обычно, задаваясь некоторым допустимым сдвигом фаз, выбирают размеры раскрыва рупора и его длину. Этот сдвиг должен быть таким, чтобы ДН рупорной антенны мало отличалась от ДН синфазной излучающей поверхности, размеры которой равны размерам раскрыва рупора.

Допустимый максимальный сдвиг фаз определяется условием получения максимального КНД при заданной относительной длине L/λ рупора. С увеличением относительных размеров раскрыва рупора (а_р/λ или b_р /λ) при неизменной длине его ДН сначала становится уже и КНД растет, так как увеличиваются размеры излучающей поверхности, которая практически остается синфазной (сдвиг фаз ψ_тах мал). При дальнейшем увеличении размеров заметно растут фазовые искажения, вследствие чего ДН начинает расширяться и КНД уменьшается. На рис. 4 по оси ординат отложено произведение КНД Е-плоскостного рупора на отношение λ_b/а_р. Аналогичные кривые существуют и для H-плоскостных рупоров. При заданном отношении L/λ имеется определенное оптимальное значение а_р/λ или b_р/λ, при котором КНД антенны - максимально возможный. Оптимальному значению а_р/λ или b_р/λ соответствует допустимый сдвиг фаз. Рупор, размеры которого подобраны так, чтобы при заданной длине L/λ получить максимальный КНД, называется оптимальным.

Рис. 4. Зависимость КНД от длины и величины раскрыва рупора

Из формул для ψ_max видно, что для того, чтобы при увеличении размеров раскрыва рупора максимальный сдвиг фаз не изменялся, оставаясь равным допустимому, т. е. КНД возрастал, относительная длина рупора L/λ должна увеличиваться пропорциональ­но квадрату относительных размеров раскрыва рупора. Анализ кривых, приведенных на рис.9.3, показывает, что в случае Е -плоскостного рупора максимальный КНД получается при выполнении равенства , тогда допустимый максимальный сдвиг фаз для Е - плоскостного рупора .

Рассмотрев аналогичные кривые D_Hλ /b = f(L_H /λ, , можно найти допустимый сдвиг фаз  и оптимальную длину Н -плоскостного рупора .

Увеличение допустимого сдвига фаз в случае Н - плоскостного рупора по сравнению с E-плоскостным объясняется с паданием амплитуды возбуждающего поля к краям раскрыва этого рупора в плоскости Н.

Коэффициент направленного действия оптимального Е- или Н-плоскостного рупора может быть рассчитан по формуле D=v_a4πS/λ², причем КИП рупора с учетом несинфазности и неравномерности возбуждения составляет 0,64 (у пирамидального рупора v_a = 0,52).

Е - плоскостной рупор сужает ДН в плоскости Е, а Н - плоскостной рупор - в плоскости Н.

В настоящее время находят применение рупоры, у которых сдвиги фаз поля в раскрыве значительно превосходят максимально допустимые. При больших по сравнению с λ раскрывах а_р и b_р и больших углах растворов рупора γ_o ДН становится по форме близкой к столообразной. Такие расфазированные рупоры обладают более широким рабочим диапазоном, чем синфазные ру­поры. Их ДН при ψ_max > 1,5π сравнительно мало зависят от частоты.

 

Двухзеркальные антенны

 

Рассмотренные зеркальные параболические антенны по сравнению с другими типами антенн обладают хорошими электрическими характеристиками, технологичны в изготовлении и имеют сравнительно простую конструкцию. Наряду с этими достоинствами они обладают недостатками, которые в ряде случаев не позволяют удовлетворять комплексу требований, предъявляемых к современным антеннам. Такими недостатками являются: большая длина фидерного тракта от антенны до приемопередающей аппаратуры и его размещение в поле излучения антенны; сложность обеспечения амплитудного распределения поля в раскрыве, близкого к равномерному, с сохранением высокого значения результирующего КИП (v_peз); неприемлемые в ряде случаев продольные габаритные размеры антенны и др. Поэтому наряду с однозеркальными схемами антенн были разработаны, так называемые, двухзеркальные антенны, в которых перечисленные недостатки проявляются в меньшей степени либо полностью устраняются.

Среди многообразия типов двухзеркальных антенн есть две классические: это двухзеркальные антенны Кассегрена (рис. 14.а) и Грегори (рис. 14.б).

В этих антеннах используются две отражающие поверхности: основная -большое (обычно параболическое) зеркало и вспомогательная - малое зеркало, выполненное либо в виде части гиперболоида вращения (рис. 14.а), либо в виде части эллипсоида вращения (рис. 14.б).

Пусть облучатель с фазовым центром, находящимся в точке F₂, излучает в направлении малого зеркала сферическую волну. В каждой точке поверхности зеркала соблюдается правило: угол отражения равен углу падения. При этом вследствие геометрических свойств гиперболы (или эллипса) отражаемая малым зеркалом волна, снова оказываясь сферической, как бы исходит из одной точки - фокуса гиперболы (или эллипса) F₁, совмещенного с фокусом, большого зеркала - параболы. Эта волна трансформируется большим зеркалом в плоскую. Второй фокус малого зеркала F₂ совмещается с фазовым центром облучателя (обычно рупора).

Геометрия двухзеркальной антенны определяется следующими параметрами (рис. 15): R₀ и R_м - соответственно радиусы раскрывов большого и малого зеркал, обычно R_м=(0,1...0,2)R₀; 2γ₀ - угол раскрыва большого параболоида; 2α₀ - угол облучения источником (облучателем) краев малого зеркала; f₀ - фокусное расстояние большого зеркала; f_м - фокусное расстояние малого зеркала; 2с - расстояние между фокусами малого зеркала; е - эксцентриситет малого зеркала. Из перечисленных параметров неза­висимыми являются четыре параметра, остальные могут быть определены через них. Обычно в качестве независимых переменных берутся R₀, R_м, γ₀, α₀.

В антенне Кассегрена угол γ₀ может быть больше 90^o. В антенне Грегори угол γ₀ может быть взят лишь меньше 90° (если γ₀>90°, то отраженные от одной половины малого зеркала лучи на пути к большому встретят вторую половину малого зеркала, т. е. будут им затенены). Поэтому антенны Грегори могут быть только длиннофокусными.

Для расчета ДН двухзеркальной антенны необходимо знать амплитудное распределение в раскрыве большого зеркала, которое можно найти методом геометрической оптики. Для этого следует заменить двухзеркальную систему эквивалентным параболоидом и найти амплитудное распределение в его раскрыве.

Такой прием позволяет при расчете амплитудного распределения исключить из рассмотрения вспомогательное зеркало. Поверхность эквивалентного параболоида представляет собой геометрическое место точек пересечения лучей, создаваемых облучателем, находящимся в фокусе малого зеркала F₂, с лучами, отраженными от основного зеркала (см. рис. 15).

Двухзеркальная антенна по своим электрическим свойствам эквивалентна однозеркальной антенне с параболическим зеркалом с фокусным расстоянием f_э рассчитываемым по формулам, полученным методом геометрической оптики: f_э = (е +1)f₀/(е -1) (вспомогательное зеркало - гиперболоид); f_э =(е + 1)f₀/(1-е) (вспомогательное зеркало - эллипсоид); е - эксцентриситет малого зеркала.

Радиус раскрыва эквивалентного параболоида равен радиусу раскрыва большого зеркала двухзеркальной антенны R₀.  Величины f₀  и f_э связаны соотношением:

 

 

Амплитудные распределения в раскрывах эквивалентного параболоида и основного зеркала одинаковы и рассчитываются также, как в случае однозеркальной антенны. Для получения близкого к равномерному амплитудному распределению (максимального КИП) ДН облучателя должна быть похожа на идеализированную диаграмму, изображенную на рис. 11 (кривая 2).

Фокусное расстояние эквивалентного параболоида больше фокусного расстояния основного зеркала. Следовательно, при данном облучателе амплитудное распределение в раскрыве двухзеркальной антенны получается более равномерным, чем у однозеркальной антенны с таким же отношением R₀/f_0.

Двухзеркалъная антенна обладает рядом преимуществ по сравнению с однозеркальной. Вспомогательное зеркало облегчает подбор наиболее благоприятного амплитудного распределения в раскрыве параболоида (подробный анализ показывает, что трансформация амплитуд поля источника происходит только на малом зеркале; большое зеркало лишь выравнивает фазовое распределение) и тем самым обеспечивает сравнительно высокий результирующий КИП зеркала. Так как в двухзеркальной антенне облучатель можно расположить близко к основному зеркалу, то упрощается подводка питания к облучателю, укорачивается длина линии питания и облегчается крепление этой линии и облучателя. Укорочение линии питания ведет к уменьшению потерь в ней и снижению шумовой температуры тракта питания, что важно при использовании антенн в спутниковой и космической радиосвязи.

Применяя в двухзеркальной системе поверхности, несколько отличные от правильных параболоидов, эллипсоидов и гиперболоидов (квазипараболические или оптимизированные антенны), можно добиться более равномерного амплитудного распределения поля в раскрыве основного зеркала при меньшем переливании энергии через его края, чем это имеет место в обычной двухзеркальной антенне. Более равномерное амплитудное распределение в раскрыве большого зеркала при большом коэффициенте перехвата (v₁) обеспечивается малым зеркалом благодаря модификации формы его поверхности. При этом модифицированная форма поверхности большого зеркала восстанавливает синфазность возбуждения его раскрыва.

Оптимизация двухзеркальной антенны состоит в подборе профилей зеркал в соответствии с заданной формой ДН облучателя. Основными требованиями, предъявляемыми к форме ДН облучателя оптимизируемой антенны, являются ее осевая симметрия и минимальная утечка энергии вне сектора облучения малого зеркала (крутые скаты ДН).

Антенны Кассегрена маркируются АДГ (антенна двухзеркальная с малым гиперболическим зеркалом), а антенны Грегори - АДЭ (антенна двухзеркальная с малым эллиптическим зеркалом). Цифра, следующая за АДГ или АДЭ, обозначает диаметр зеркала в метрах.

 

Уголковая антенна

 

Уголковая антенна (рис. 23) состоит из зеркала (рефлектора 1), образованного двумя плоскими металлическими пластинами, и вибратора (2) или системы коллинеарных вибраторов, расположенных в плоскости биссектрисы угла зеркала γ. Поле, излученное антенной, является суммой поля, излучаемого непосредственно вибратором (облучателем), и поля, создаваемого вторичными токами, текущими по поверхности зеркала. Подбором угла γ и расстояния d от оси облучателя до вершины зеркала максимальное излучение получается в направлении биссектрисы γ. Угол γ обычно берется равным 180⁰ /n, где п - целое число (1, 2, 3,...).

Рис.9.23. уголковая антенна (1-уголковое зеркало; 2-облучатель).

 

 

Установлено, что отношение d/λ, следует выбирать в пределах: 0,25...0,75 при γ=90°; 0,35...0,8 при γ = 60°; 0,5...1,1 при γ = 45°. Длину зеркала L следует выбирать: L  при γ = 90°;  при γ = 60° и L>2λ при γ = 45°. По высоте (Н) зеркало должно выступать за пределы вибраторов на (0,1...0,2)λ.

Уголковая антенна отличается конструктивной простотой. Крепление вибраторов можно осуществлять с помощью как диэлектрических, так и «металлических» изоляторов, что предпочтитель­нее. Такая антенна при ее приемлемых размерах позволяет получать ДН шириной примерно до 20° (по половинной мощности). По своим направленным свойствам антенна близка к пара­болическому цилиндру с такими же размерами.

АПЕРТУРНЫЕ АНТЕННЫ

Рупорные антенны

Антенны в виде открытого конца волновода

В качестве слабонаправленных антенн УКВ широко используются антенны в виде открытого конца волноводов прямоугольного или круглого сечений. Электромагнитная волна, распространяющаяся по волноводу, дойдя до его открытого конца, частично излучается и частично отражается. Физическими источниками излучения являются электрические токи, возбуждаемые главным образом, на внутренних стенках волновода.

В инженерном решении приближенно полагают, что структура электромагнитного поля в плоскости открытого конца волновода такая же, как в поперечном сечении бесконечно длинного волновода, т. е. пренебрегают волнами высших типов, излучением токов, затекающих на наружные поверхности стенок волноводов, и не учитывают волны, отраженные от открытого конца волновода. В случае волновода прямоугольного сечения (рис.1), возбуждаемого основной волной Н₁₀

(в соответствии с общепринятой классификацией типов колебаний волной типа H называется поперечно-электрическая волна, т.е. для таких колебаний продольная составляющая напряженности электрического поля Ez = 0. Цифра 1 в записи H10 означает, что все составляющие электромагнитного поля имеют одну вариацию поля вдоль оси 0х. Цифра 0 означает, что все компоненты поля имеют постоянное распределение вдоль оси 0y (0 вариаций). Волна Н10 называется основным типом колебаний для прямоугольного волновода. Это означает, что с помощью этого типа колебаний передаются сигналы с наибольшей длиной волны для фиксированных размеров поперечного сечения волновода а и b)

, на его открытом конце существуют взаимно перпендикулярные тангенциальные составляющие поля Е _y и H_х, зависимость которых от координат известна.

Рис. 1. Открытый конец прямоугольного волновода

Таким образом, характеристику направленности открытого конца волновода прямоугольного сечения в плоскости Е, параллельной размеру b поперечного сечения, можно представить в виде произведения множителя системы плоского раскрыва на характеристику направленности элемента Гюйгенса в этой плоскости.

В плоскости Н характеристика направленности открытого конца волновода прямоугольного сечения представляет собой произведение множителя системы синфазного раскрыва с косинусоидальным распределением амплитуды возбуждающего поля на характеристику направленности элемента Гюйгенса в плоскости Н.

Поскольку поперечные размеры прямоугольного волновода а и b невелики и соизмеримы с длиной волны λ (обычно для стандартных волноводов а = 0,7λ, b = 0,35λ) и поверхностные токи затекают на внешние стенки волновода, то ДН антенны в виде открытого конца волновода имеет один широкий лепесток, т.е. антенна является слабонаправленной.

Следует отметить, что точность расчетов по апертурным формулам является удовлетворительной только в переднем полупространстве.

Характеристики направленности открытого конца волновода круглого сечения радиусом а в плоскостях Е и Н можно рассчитать по приближенным формулам, полученным при тех же допущениях, что и для прямоугольного волновода. При этом множитель системы выражается цилиндрическими функциями.

Антенны в виде открытого конца волновода применяются в сантиметровом диапазоне волн в тех случаях, когда требуется широкая ДН. Их часто используют в качестве облучателей зеркальных антенн.

Антенна в виде открытого конца волновода оказывается плохо согласованной со свободным пространством из-за резкого изменения условий распространения при переходе от волновода к свободному пространству. Коэффициент отражения от открытого конца прямоугольного волновода достигает значения 0,25...0,3, коэффициент отражения от открытого конца круглого волновода несколько меньше и составляет 0,1...0,25.

Применяя подстроечные элементы, можно значительно снизить коэффициент отражения от открытого конца волновода.