Назначение и антенн и их общая характеристика
Скачать 0.81 Mb.
|
Для расчета сопротивления излучения используют два метода: 1) метод интегрирования вектора Пойтинга 2) метод наводимых ЭДС. В обоих случаях сопротивление излучения определяется по формуле µ § µ § где µ §- действующее значение тока, к которому относится сопротивление µ §. Однако способ определения мощности излучения антенны несколько отличается в каждом из упомянутых методов. Рассмотрим сущность метода интегрирования вектора Пойтинга и его применение для расчета симметричного вибратора. Идея метода заключается в следующем. Предполагается, что рассматриваемая антенна расположена в свободном неограниченном пространстве. Антенна мысленно окружается замкнутой поверхностью µ § (обычно сферой большого радиуса), и определяется поток мощности электромагнитных волн, проходящих через указанную сферу во внешнее пространство. Так как предполагается, что потери в пространстве, окружающем антенну, отсутствуют, поток мощности является мощностью излучения антенны: µ § µ § Здесь µ §- численное значение вектора Пойтинга, определяющее собой мощность, проходящую через единичную площадку, касательную к поверхности сферы; для свободного пространства µ § µ § где µ §- действующее значение напряженности электрического поля на площадке. Таким образом, произведение µ § определяет поток мощности через элементарную площадку µ §, а интеграл в формуле µ § определяет всю мощность излучения антенны. Подставляя µ § в µ §, получаем µ § µ § Рассчитаем рассмотренным методом сопротивление излучения тонкого симметричного вибратора с синусоидальным распределением тока. Действующее значение напряженности поля, создаваемого таким вибратором, можно определить с помощью выражения µ § µ § µ § Учитывая, что в сферических координатах µ §, получаем µ § µ § Для симметричного вибратора µ § не зависит от µ §. Поэтому сопротивление излучения, отнесенное к току в пучности, µ § µ § Интеграл в правой части равенства не выражается через элементарные функции. Произведя интегрирование, можно для µ § получить следующее выражение: µ § µ § где µ §- интегральный синус от аргумента µ §; µ §- интегральный косинус от аргумента µ §; µ §- постоянная Эйлера. Рис. 35. Сопротивление излучения тонкого симметричного вибратора, отнесенное к току в пучности, в зависимости от µ §. Как видно из рисунка, при увеличении отношения µ § в начале сопротивление излучения вибратора возрастает. Это объясняется тем, что пока µ § приблизительно меньше µ §, ток по всей длине вибратора остается синфазным (т.е. имеет одно направление вдоль провода) и с увеличением длины провода так же, как и в случае элементарного электрического диполя, мощность излучения и соответственно сопротивление излучения увеличивается. Когда длина вибратора µ § становится больше, чем µ §, на вибраторе появляются участки с током противоположной фазы, что при том же токе в пучности приводит к уменьшению мощности и сопротивлению излучения. Так можно объяснить ход кривой µ § в пределах µ §. При дальнейшем увеличении отношения µ § кривая µ § имеет колебательный характер с максимальными значениями при четном числе и минимальными при нечетном числе полуволн, укладывающихся по длине вибратора. Необходимо особо отметить два значения сопротивления излучения: µ § Ом для тонкого полуволнового вибратора µ § и µ § Ом для волнового µ §. Помимо сопротивления излучения у симметричного вибратора различают еще входное сопротивление µ § µ § Активная составляющая входного сопротивления может быть определена µ § µ § Значение реактивной составляющей входного сопротивления симметричного вибратора может быть определено µ § µ § Рис. 36. Кривые активной и реактивной составляющих входного сопротивления тонких вибраторов в зависимости от µ §. Как показывает строгая теория и опыт, у тонкого вибратора, общая длина которого точно равняется половине длины волны, µ § Ом т.е. входное сопротивление , кроме активной, имеет еще индуктивную составляющую. По мере увеличения толщины вибратора длиной µ § эта реактивная составляющая уменьшается по величине, в то время как активная составляющая изменяется незначительно. Анализ этих графиков показывает что: 1) При изменение µ § в пределах µ § входное сопротивление µ § имеет два резонансных участка. При µ §- последовательный резонанс При µ § - параллельный резонанс При µ § - µ § имеет отрицательный характер. При утолщении проводника (возрастает µ §) резонансное значение µ § уменьшается, особенно для параллельного резонанса. 2) Чем толще вибратор, тем слабее выражена частотная зависимость входного сопротивления вибратора, т.е. полоса частот расширяется, добротность уменьшается. Коэффициент направленного действия вибратора. При известной величине мощности излучения легко может быть определен коэффициент направленного действия симметричного вибратора, т.е. отношение величины вектора Пойтинга в данном направлении к средней величине вектора Пойтинга на поверхности полной сферы, охватывающий вибратор (при одинаковых расстояниях в обоих случаях). Понятие коэффициента направленного действия диполя ввел советский ученый А.А. Пистолькорс в 1929 г. Коэффициент направленного действия в максимальном направлении поля излучения µ § µ § µ § µ § µ § µ § µ § µ § µ § в направлении µ § Подставив в выражение для µ § формулу µ § и µ §, получим расчетную формулу µ § µ § Обратим внимание на три характеристичные цифры µ § µ § µ § µ § µ § µ § По известным значениям коэффициента направленного действия и сопротивлению излучения можно найти действующую длину вибратора, приведенную к входному току µ § µ § Действующая длина вибратора определяется равновеликой площадью входного тока. µ § µ § µ § µ § µ § Действительно, интегрируя функцию µ § по всей длине вибратора и отнеся этот интеграл к µ §, получим µ § Следовательно, под µ § можно понимать длину гипотетического вибратора с равномерным распределением тока, который в направлении максимального излучения создает ту же напряженность поля, что и реальная антенна. Например, для полуволнового вибратора µ § его полной длины µ §, а для очень короткого вибратора µ § - половину его полной длины µ §. Конструкции вибраторных антенн. а) Простейшей и наиболее распространенной антенной является полуволновой вибратор. При подключении двух проводной линии к полуволновому вибратору КСВ ко входу равна µ §. Поэтому требуется настройка линии на бегущую волну. б) вибратор с шунтовым питанием настройка достигается путем подбора размеров µ § и µ § µ §. В точке µ § узел напряжения и это дает возможность крепить вибратор к опоре без изолятора. в) петлеобразный вибратор (Пистолькорса) µ § µ § µ § µ § µ § Петлеобразный вибратор может быть снабжен дополнительными перемычками. Подбирая µ § и µ § можно провести согласование в довольно широкой полосе частот. Другой разновидностью вибратора с шунтом может быть следующий шлейф. При правильном подборе размеров и угла µ § можно согласовать в четырёхкратном диапазоне длин волн µ § при КСВ не более µ §. Симметрирование полуволнового вибратора при запитке его коаксиалом. 1) µ § Сопротивление нагружающие отрезки кабелей равны µ § Если кабель имеет волновое сопротивление µ §, а длина отрезка µ §, то сопротивление нарушающее кабель в точке µ § µ §. КСВ близок к единице. 2) µ §. µ §. Если µ § стремится к 0, то сопротивление нагружающее кабель питание в точке µ § в два раза меньше, т.е. около µ §. 3) Широкополосное мостиковое симметрирующее устройство. 4) В диапазоне СМ длин волн используются жесткие коаксиальные волноводы. 5) Возбуждение при помощи двух профильных щелей, прорезанных во внешнем проводнике коаксиала. Использование полуволнового вибратора в сложных антенных системах. Полуволновой вибратор находит широкое применение как самостоятельная антенна, как элемент многовибраторных систем, а также как облучатель зеркальных антенн. а) Многовибраторные настроенные синфазные антенны. Многовибраторные настроенные синфазные антенны впервые появились в µ § годах и использовались для цепей дальней связи на КВ. Затем они стали использоваться и на метровых волнах в радиолокационной аппаратуре. Такая антенна состоит из большого числа вибраторов, горизонтальных или вертикальных, возбуждаемых синфазно и подвешенных высоко на мачтах в вертикальной плоскости. Рис. 37. Схема многовибраторной синфазной антенны. Восемь полуволновых вибраторов в каждом этаже четыре этажа. Для обеспечения синфазности вибраторов провода фидера перекрещиваются через каждую половину длины волны как показано на рисунке 38. Рис. 38. Схема синфазного питания вертикальной секции антенны. Многовибраторная синфазнафая антенна концентрирует излучение в направлении, перпендикулярная плоскости расположения вибраторов. Для того чтобы излучения происходило в одну сторону от указанной плоскости устанавливаются рефлектор, обычно пассивный. Настройка рефлектора осуществляется короткозамыкателями. Токи в вибраторах рефлектора должны опережать токи в антеннах на µ §. Диаграмму направленности можно получить очень узкой, чем больше вибраторов, тем уже диаграмма направленности. б) Директорные антенны (антенны типа “Волновой канал”). По сравнению с многовибраторными синфазными антеннами директорная антенна имеет более простое устройство. Такая антенная представляет собой ряд параллельных вибраторов длиной около полуволны каждый, расположенных на общей рее на расстояниях около четверти длины волны друг от друга. Один из вибраторов питаетсмя от генератора и называется активным. Остальные вибраторы возбуждаются электромагнитным полем питаемого вибратора и называются пассивными. При правильной настройке антенны максимум излучения ее получается вдоль оси расположения вибраторов. Рис. 39. Трехэлементная система из вибраторов с пассивным рефлектором и директором. Ток рефлектора опережает ток в активном вибраторе. Ток в директоре отстает от тока в активном вибраторе. Рис. 40. Диаграмма направленности системы в плоскости вибраторов (ЁC ЁC ЁC ЁC) и в плоскости, перпендикулярной осям вибраторов (ЁCЁCЁCЁCЁC). Настройка вибраторов в резонанс должна производится путем подбора длин вибраторов. Рефлектор как правило несколько больше активного вибратора и имеет индуктивный характер, а директор несколько меньше активного вибратора и имеет емкости характер. Для получения максимума излучения вдоль антенны необходимо подбирать расстояние между вибраторами. Необходимо для правильной настройки изменение длины µ § зависит от толщины вибраторов. Чем толще вибраторы, тем больше надо изменять длину вибратора для достижения нужной настройки. Как правило в практике используется более пяти вибраторов. Рис. 41. Директорная антенна. Рис. 42. Экспериментальная диаграмма направленности антенны из питаемого вибратора, рефлектора и шести директоров: в плоскости, перпендикулярной осям вибраторов (ЁCЁCЁCЁCЁC); в плоскости вибраторов (ЁC ЁC ЁC ЁC ). С увеличением количества директоров µ § уменьшается, но не прямо пропорционально длине. Рис. 43. Ширина главного лепестка диаграммы направленности директорной антенны в зависимости от ее относительной длины. Рис.44. Кривая коэффициента направленного действия директорной антенны в зависимости от ее относительной длины. С увеличением µ § ширина уменьшается все меньше и меньше, т.е. бесконечно увеличивать количество директоров становится не целесообразно. Волноводные излучатели и рупорные антенны. Излучение происходит из открытого конца волновода. Для канализации электромагнитной энергии используется волноводы прямоугольного или круглого типа. Однако волноводы могут быть использованы не только для канализации электромагнитной энергии, но и для ее излучения. Открытый конец волновода можно рассматривать как простейшую антенну СВЧ. Открытый конец волновода представляет собой площадку с электромагнитным полем.1 Особенности электромагнитного поля в открытом конце волновода. Волна не является поперечной типа ТЕМ. (имеет более сложную структуру). Кроме падающей волны присутствует отраженная. Наряду с основным типом волны на конце волновода присутствуют высшие типы волн. Кроме того поле присутствует не только в раскрыве волновода, но и на внешней поверхности вследствие затекания на эту поверхность токов с конца волновода. µ § µ § µ § µ § µ § Учет этих факторов очень усложняет задачу определения поля излучения из открытого конца волновода, и ее строгое математическое решение встречает большие трудности. По этой причине обычно применяют приближенные методы решения. Для этого решения задачу разбивают на две задачи: внутреннюю и внешнюю. Внутренней задачей является нахождения поля в раскрыве волновода. Внешней задачей является нахождение поля излучения по известному полю в раскрыве. Рассмотрим прямоугольный волновод. Основной тип волны µ §. Рис. 45. Прямоугольный волновод (а) и структура поля в нем при волне типа µ §: в плоскости xOy (б); в плоскости xOz (в); в плоскости yOz (г). µ §; µ §; µ §. µ § - напряженность падающего электромагнитного поля в середине раскрыва волновода. µ §- длина волны в волноводе . µ § - длина волны в свободном пространстве. µ §- комплексный коэффициент отражения. Поле в дальней зоне: µ § µ § µ §- волновое сопротивление фронта волны на открытом конце волновода. µ § µ §- волновое сопротивление среды равно µ §. µ § С учетом найденных отношений поля в главных плоскостях µ § µ §µ §- площадь раскрыва волновода. Диаграмма направленности открытого конца прямоугольного волновода. Рис. 46. Диаграмма направленности излучения из открытого конца прямоугольного волновода при µ § Как видно из рисунков ширина диаграммы направленности большая. Для получения более острой диаграммы направленности сечение волновода можно плавно увеличивать, превращая волновод в рупор. В этом случае структура поля в волноводе в основном сохраняется. Плавное увеличение сечения волновода улучшает согласования его со свободным пространством. Рис. 47.Основные типы электромагнитных рупоров. Наибольшее распространение получили секториальные и пирамидальный рупора. Рассмотрим продольное сечение прямоугольного рупора плоскостью E или H. Рис. 48. Продольное сечение прямоугольного рупора. µ § - раскрыва рупора µ § - ширина раскрыва рупора. µ §- длина рупора. µ § - вершина рупора. Исследование рупора как правило ведется приближенными методами из-за математических сложностей. Первоначально определяется поле в раскрыве. При решении этой задачи рупор предполагается бесконечно длинным, а его стенки идеально ЁC проводящими. После решения внутренней задачи обычным методом решается внешняя задача, т.е. находится поле излучения. H ЁC плоскостной секториальный рупор. Для нахождения структуры поля в рупоре используем цилиндрическую систему координат µ §. Волна µ § будет иметь компоненты µ §. |
Похожие:
 | Курсовой проект по курсу : Устройства свч и Антенны Зеркальные антенны являются наиболее распространённым типом антенн в космической связи и радиоастрономии, и именно с помощью зеркальных... | | Характеристика учителей по категориям Общая характеристика Муниципального общеобразовательного учреждения Мостовинской средней общеобразовательной школы |
| Экзаменационные билеты на классную квалификацию «спасатель» Билет... Билет №1 Вопрос 1: Боевая одежда пожарного. Назначение, устройство, характеристика | | 2. Характеристика профессиональной деятельности выпускника ооп бакалавриата 7 Общая характеристика вузовской основной образовательной программы высшего профессионального образования (бакалавриат) 5 |
| Урок 7 класс Тема: Подтип Черепные. Общая характеристика. Надкласс... Задачи: раскрыть особенности строения представителей подтипа Черепные, или Позвоночные; особенности строения представителей надкласса... | | Основная образовательная программа 4 Нормативные документы для разработки... Общая характеристика основной образовательной программы высшего профессионального образования 5 |
| Экзаменационные вопросы по дендрологии фитоценоз, его характерные... Общая характеристика семейства Маслинные. Морфо-экологическая характеристика и хозяйственное значение важнейших родов и видов | | Советы выпускникам Билет №1 Вопрос 1: Боевая одежда пожарного. Назначение, устройство, характеристика |
| Факультет Менеджмента Билет №1 Вопрос 1: Боевая одежда пожарного. Назначение, устройство, характеристика |  | Пояснительная записка Билет №1 Вопрос 1: Боевая одежда пожарного. Назначение, устройство, характеристика |
| Разработка урока биологии в 6 классе по теме «Общая характеристика водорослей» Разработка урока биологии в 6 классе по теме «Общая характеристика водорослей». Учебник «Биология», авт. Пономарева И. Н | | Название примерной учебной программы Билет №1 Вопрос 1: Боевая одежда пожарного. Назначение, устройство, характеристика |
| Обзо р состояния экономики и основных направлений внешнеэкономической деятельности финляндии Общая информация о Финляндии (политическое устройство, общая характеристика экономики) | | Краткая характеристика и содержание курса «английский в фокусе» 5-9... Программа предназначена для 5-9 классов общеобразовательных учреждений и составлена в соответствии с требованиями федерального компонента... |
| Темы по физиологии на 4 семестр 8 Общая характеристика системы пищеварения; сравнительная характеристика полостного и пристеночного пищеварения; пищеварение в различных... | | Материалы для подготовки к сдаче гиа и других экзаменов по информатике Билет №1 Вопрос 1: Боевая одежда пожарного. Назначение, устройство, характеристика |
