Назначение и антенн и их общая характеристика
Скачать 0.81 Mb.
|
Рис. 49. Цилиндрическая система координат для анализа секториальных рупоров. Решая систему уравнений Максвелла и используя асимптотические выражения функций Ганкеля для больших значений аргумента µ §, получаем следующие значения для составляющих поля µ § µ § (1) µ § µ §. Здесь µ §напряженность электрического поля в точке рупора с координатами µ §µ § причем µ §. Формулы (1) показывают, что при больших µ § составляющая µ § и поле в рупоре представляет собой поперечную электромагнитную цилиндрическую волну. Вследствие того, что у большинства применяемых рупоров раскрыв плоский, а волна в рупоре цилиндрическая, поле в раскрыве не будет синфазным. Для определения фазовых искажений в раскрыве рассмотрим продольное сечение рупора. Дуга окружности с центром в вершине рупора µ § проходит по фронту волны и, следовательно, является линией равных фаз. В произвольной точке µ §, имеющей координату µ §, фаза поля отстает от фазы в середине раскрыва (в точке µ §) на угол µ § Рис. 50. К определению фазовых искажений в раскрыве рупора. Так как обычно в рупорах µ §, то можно ограничиться первым членом разложения µ § (2) µ § µ § Формула (2) и µ § является приближенными. Ими можно пользоваться, когда µ § или µ §. В применяемых рупорах эти условия обычно выполняются. Иногда удобно максимальные фазовые ошибки в раскрыве рупора определять через его длину и половину угла раскрыва µ §. µ § Формула верна при любых µ § и µ §. Из формулы µ § видно, что при заданной µ § поле в раскрыве будет тем меньше отличаться от синфазного, чем больше длина рупора µ §. Габаритные ограничения требуют нахождения компромиссного решения, т.е. определения такой длины рупора, при которой максимальный фазовый сдвиг в его раскрыве не будет превышать некоторой допустимой величины. Эта величина обычно определяется наибольшим значением коэффициента направленного действия, которое можно получить от рупора заданной длины. Для µ §секториального рупора максимально допустимый фазовый сдвиг составляет µ §, что соответствует следующему соотношению между оптимальной длиной рупора, размером раскрыва µ § и длиной волны µ §: µ § Для определения распределения амплитуд поля в раскрыве рупора примем µ § Таким образом, поле в раскрыве µ §секториального рупора окончательно представим выражениями µ § Диаграмма направленности в плоскости µ § µ § Характерные зависимости коэффициента направленного действия от относительного раскрыва рупора µ § для различных длин рупора приведены ниже. Рис. 51. Зависимость КНД Н ЁC секториального рупора от относительной ширины раскрыва при различной длине рупора. Для того чтобы исключить зависимость коэффициента направленного действия от µ § оси ординат отложено произведение µ §. Из графиков видно, что для каждой длины рупора существует определенный раскрыв рупора µ §, при котором коэффициент направленного действия максимален. Уменьшение его при дальнейшим увеличение µ § объясняется резким возрастанием фазовых ошибок в раскрыве. Рупор, который при заданной длине имеет максимальный коэффициент направленного действия, называется оптимальным. Из кривых, изображенных на рис.3 видно, что при точки максимума кривых µ § соответствует равенству µ § откуда µ § тогда µ § Если длину рупора взять больше µ §, то при той же площади раскрыва коэффициента направленного действия возрастает, но не очень сильно. Точкам максимума коэффициента направленного действия соответствует коэффициент использования площади раскрыва µ §. Если длину рупора непрерывно увеличивать, то в пределе при µ § мы получим синфазное поле в раскрыве рупора. Коэффициент использования синфазной площадки с косинусоидальным распределением амплитуды поля равен µ §. Таким образом увеличение длины рупора по сравнению с его оптимальной длиной не может повысить коэффициент направленного действия более чем на µ § Коэффициент полезного действия рупорных антенн вследствие малых потерь практически может быть принят за единицу. E-плоскостной секториальный рупор. Поле в раскрыве µ §плоскостного секториального рупора µ § (1) Здесь µ §; µ §расстояние от горловины рупора. Из формулы (1) видно, что основным отличием поля в µ §плоскостном рупоре от поля в волноводе является цилиндрическая форма волны. Вследствие этого в раскрыве рупора будут фазовые искажения, аналогичные искажениям в µ §плоскостном рупоре. Если угол раскрыва рупора µ § невелик, то можно положить µ §. В этом случае напряженность электрического поля в раскрыве может быть представлена: µ § Поле излучения µ §секториального рупора в плоскости µ § µ § (2) Из этой формулы следует, что диаграмма направленности в µ §плоскости µ §плоскостного рупора такая же, как у открытого конца волновода. Поле в плоскости µ §: µ § µ § µ §µ § (3) Здесь так же, как и в случае µ §плоскостного рупора, для нахождения амплитуды поля необходимо вычислить модуль комплексных величин, определяемых выражениями (2) и (3). Диаграмма направленности µ §плоскостного рупора в плоскости вектора µ § определится модулем выражения, стоящего в квадратных скобках формулы (3), умноженным на µ §. Коэффициент усиления µ §плоскостного рупора определяется выражением µ § Рис. 52. Зависимость КНД Е ЁC секториального рупора от относительной ширины раскрыва при различной длине рупора. Кривые зависимости коэффициента направленного действия от размеров рупора представлены на рис.52. Здесь, как и в случае µ §плоскостного рупора, кривые имеют экстремум. Точки экстремума приблизительно определяются равенством µ §, откуда µ § При таких соотношениях размеров рупора максимальные фазовые искажения на краях раскрыва достигают значений µ §. Коэффициент использования площади раскрыва µ § оптимального µ §плоскостного секториального рупора такой же, как оптимального µ §плоскостного рупора, т.е. µ §. При выборе размеров µ §плоскостного рупора можно руководствоваться такими же соображениями, которые были изложены выше применительно к µ §плоскостному рупору. Пирамидальный рупор. Приближенно можно считать, что фронт волны в пирамидальном рупоре имеет сферический характер. Фазовые искажения в раскрыве рупора определяются выражением µ § где µ § длина рупора в плоскости µ § µ § длина рупора в плоскости µ § Для остроконечного рупора µ §, для клиновидного рупора µ §. Структура поля в плоскостях µ § и µ § подобна структуре поля в этих же плоскостях в µ § и µ §плоскостных секториальных рупорах соответственно. Вследствие этого диаграмма направленности пирамидального рупора определяется теми же выражениями, что и для µ § и µ § рупора в соответствующих плоскостях. Коэффициент направленного действия пирамидального рупора: µ § Используя эту формулу можно рассчитать коэффициент направленного действия пирамидального рупора с помощью графиков для µ § и µ § рупоров. В этом случае формулу удобно представить в виде: µ § величины, стоящие в круглых скобках, непосредственно отложены по осям ординат на указанных графиках. Расчет рупорных антенн. Основной задачей расчета рупорных антенн является определение главных размеров рупора µ § Исходными данными обычно являются µ § и µ § в плоскостях µ § и µ §- µ §, µ §. Порядок расчета следующий: По заданной µ § определяют размеры раскрыва рупора µ § и µ §. Если µ § заданы в градусах, то а) для µ §рупора µ § б) для µ §рупора µ § в) для пирамидального рупора µ § Определив размеры находим оптимальные размеры рупора µ § и µ §. Для пирамидальных рупоров эти размеры могут быть различными и несовместимыми. В этом случае берется наибольшее значение с тем, чтобы фазовые искажения в раскрыве не превысили допустимых. Способы уменьшения длины рупора. Существенным недостатком рупорных антенн является сравнительно большая длина рупоров. Длина рупора пропорциональна квадрату одного из размеров раскрыва. Это накладывает некоторые ограничения на использования рупоров в качестве остронаправленных антенн. Существует два пути решения задачи уменьшения длины рупора. Первый заключается в применение многорупорной антенны. Идея метода состоит в том, что требующийся большой размер раскрыва однорупорной антенны разбивают на µ §число рупоров, образующих многорупорную антенну. Тогда длина µ § каждого рупора может быть уменьшена в µ § раз по сравнению с длиной µ § однорупорной антенны. Рис. 53. Схема многорупорной антенны. Недостатком многорупорной антенны является трудность обеспечения точной синфазности возбуждения всех рупоров и усложнения конструкции. Другой путь уменьшения длины рупорной антенны состоит в применении специальных устройств, корректирующих фазовые искажения в раскрыве рупора. Существует много методов коррекции. Рис. 54. Один из методов выравнивания фаз поля в раскрыве рупора. Одни из них основаны на том, что искусственно выравниваются длина пути, проходимого электромагнитной волной от вершины рупора до всех точек раскрыва. В других используется различные типы линз, помещаемых в раскрыве и выравнивающих фазовый фронт волны. На рис.54 показан один из методов выравнивания длины пути. Секториальный рупор изогнут таким образом, что длина пути луча 1, идущего по средней линии рупора от его вершины до раскрыва, равна длине пути любого другого луча, идущего от вершины рупора к любой точке раскрыва. Кривая µ §, по которой растянуты стенки согнутого рупора, должна иметь форму параболы, для того, чтобы поле в раскрыве было синфазным, должно выполняться равенство µ § откуда µ § - уравнение параболы. На рис.55 показана рупорная антенна с помещенной в ее раскрыве линзой. Рис. 55. Рупорная антенна с линзой, помещенной в ее раскрыве: а ЁC ускоряющая линза, б ЁC замедляющая линза Применение рупорных антенн. В качестве самостоятельных антенн рупорные антенны используются в тех случаях, когда не требуется очень узкая диаграмма направленности и когда антенная должна быть достаточно диапазонной (широкополосной). Рупорные антенны могут работать в широком диапазоне частот. Рис. 56. Изменение КНД пирамидальных и конических рупоров с частотой. При помощи рупора можно перекрыть приблизительно двойной диапазон волн. Собственно говоря, диапазонность рупорной антенны ограничивается не рупором, а питающим его волноводом. Большая диапазонность рупорных антенн и простота конструкции является существенными достоинствами этого типа антенн СВЧ, благодаря которым они находят широкое применение в технике антенных измерений и измерений характеристик электромагнитного поля. Рупорные антенны широко применяются в качестве облучателей боле сложных антенных устройств. Например, для облучателей зеркальных и линзовых антенн. Линзовые антенны. Назначение и принцип действия линзовых антенн. Линзовой антенной называют совокупность электромагнитной линзы и облучателя. Линза представляет собой радиопрозрачное тело с определенной формой поверхности, имеющее коэффициент преломления, отличной от нуля. Линза предназначена для трансформации соответствующим образом фронта волны, создаваемого облучателем. Принципиально линзовые антенны можно использовать для формирования различных диаграмм направленности . Однако на практике линзовые антенны подобно оптическим линзам применяются, главным образом, для превращения расходящегося пучка лучей в параллельный, т.е. для превращения криволинейной (сферической или цилиндрической) волновой поверхности в плоскую. Рис. 57. Линзовые антенны: а ЁC ускоряющая волноводная линза; б ЁC замедляющая диэлектрическая линза; в ЁC иллюстрация принципа действия линз Всякая линзовая антенная состоит из двух основных частей: облучателя и собственно линзы. Облучателем может быть любой однонаправленный излучатель. Важно, чтобы возможно большая часть энергии излучения попадала на линзу, а не рассеивалась в других направлениях и чтобы у поверхности линзы, обращенной к облучателю, фронт волны был близок к сферическому или цилиндрическому. Выполнение последнего условия позволит рассматривать облучатель либо как точечный, либо как линейный источник электромагнитных волн. В качестве облучателя могут быть использованы небольшой рупор, открытый конец волновода, вибратор с пассивным рефлектором. Облучатель обычно располагают так, чтобы его фазовый центр совпадал с фокусом сферической линзы или с фокальной осью цилиндрической линзы. Поверхность линзы обращенной к облучателю, называется освещенной стороной. Противоположная (“теневая”) сторона линзы образует ее раскрыв. Прямая µ §, проходящая через фокус и центр раскрыва, называется осью линзы. Точка µ § пересечения оси линзы с освещенной стороной называется вершиной линзы. Линия µ § пересечения освещенной стороны линзы продольной осевой плоскостью называется профилем линзы. Профиль может быть вогнутым и выпуклым. Раскрыв линзы, как правило, делается плоским. Форма раскрыва может быть круглой или прямоугольной. Принцип действия линзы основан на том, что линза представляет собой среду, в которой фазовая скорость распространения электромагнитных волн либо больше скорости света µ §, либо меньше ееµ §. В соответствии с эти линзы разделяются на ускоряющие µ § и замедляющие µ §. В ускоряющих линзах выравнивание фазового фронта происходит за счет того, что участки волновой поверхности часть своего пути проходят в линзе с повышенной фазовой скоростью. Эти участки пути различны для разных лучей. Чем сильнее луч отклонен от оси линзы, тем больший участок он проходит с повышенной фазовой скоростью внутри линзы. Таким образом, профиль ускоряющей линзы должен быть вогнутым. В замедляющих линзах, наоборот, выравнивание фазового фронта происходит не за счет убыстрения движения периферийных участков волновой поверхности, а за счет замедления движения середины этой поверхности. Следовательно, профиль замедляющей линзы должен быть выпуклым. Принцип действия линзы можно рассматривать не только с точки зрения движения фазового фронта, но также с точки зрения преломления лучей. Поперечные размеры раскрыва линз обычно много больше длины рабочей волны. Вследствие этого к линзе могут быть применены законы геометрической оптики. Учитывая, что отношение скорости света µ § к фазовой скорости µ § есть коэффициент преломления среды µ § линзу можно рассматривать как радиопрозрачное тело с коэффициентом преломления µ §. У замедляющей линзы µ §, ускоряющая линза имеет µ §. На границе раздела воздух-поверхность линзы лучи будут преломляться. Угол преломления µ § согласно законам геометрической оптики будет связан с углом падения µ § известны равенством. µ § Профиль линзы должен быть выбран таким, чтобы все преломленные лучи были параллельными. Это равносильно условию чтобы оптическая длина пути всех лучей до раскрыва была одинаковой. Рис. 58. Преобразование расходящегося пучка лучей в параллельный в результате преломления их линзой. Рассмотрение принципа действия линзы как с одной точки зрения так и с другой приемлемо и приводит к одним и тем же результатам. Уравнение профилей линзы. Введем прямоугольную систему координат xOy с центром в вершине линзы. Условием синфазности поля в раскрыве линз является равенство длины оптического пути для всех лучей, выходящих из фокуса линзы и идущих до ее раскрыва. Ускоряющая линза. Рис. 59. Ускоряющая линза. µ § ЁC фокусное расстояние, µ § ЁC показатель преломления. |
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 |
