Лекция 2: вибраторни антени обща характеристика на вибраторните антени
Изтегляне 159.79 Kb.
|
- Навигация на страницата:
- ШУМЕНСКИ УНИВЕРСИТЕТ
- ЛЕКЦИЯ 2.2: ВИБРАТОРНИ АНТЕНИ Обща характеристика на вибраторните антени
- ВИБРАТОРНИ АНТЕНИ 1. Обща характеристика на вибраторните антени
- Фиг. 1. Конструкции на вибратори: а – несиметричен електрически; б - симетричен електрически; в - несиметричен магнитен; г - симетричен магнитен.
- Фиг. 2. Зависимост на диаграмата на насоченост на електрическия вибратор от неговата дължина.
- 2. Антени, съставени от два вибратора
- Фиг. 4. Диаграма на насоченост на система от два полувълнови вибратора: а – ψ=0 0 ; б - ψ=90 0 ; в - ψ=180 0 .
- Фиг. 5. Сумиране на полетата на активния и пасивния вибратор: а – пасивен рефлектор; б – пасивен директор
- Фиг. 6. Формиране на диаграмата на насоченост на линейна решетка.
- Фиг. 7. Множител на линейна синфазна решетка ψ=0.
- Фиг. 8. Множител на линейна решетка с изместване по фаза на захранващите токове ψ kd .
- Фиг.10. Повърхностна антенна решетка.
- Фиг.11. Антенна решетка с честотно сканиране
- Фиг. 12. Антенна решетка с фазово сканиране: а – последователно сканиране; б – паралелно сканиране; в - смесено сканиране.
- Фиг. 13. Едно-насочена антенна решетка: а – конструкция; б – диаграма на насоченост.
- Фиг. 14. Директорна антена: а - конструкция; б – диаграма на насоченост.
- 5. Вълноводно-процепни антени
- Фиг. 15. Вълноводно-процепни антени: а , б – резонансни; в , г , д , е
ВИБРАТОРНИ АНТЕНИ 1. Обща характеристика на вибраторните антени Вибраторните антени са основен тип антенни, излъчващи и приемащи електромагнитна енергия. В СВЧ диапазон те се използват като възбудители на антенните устройства или като елемент на сложни антенни устройства с дискретни излъчватели от типа на антенните решетки. Вибраторите като самостоятелни антени широко се използват в дълговълновия, средновълновия и късовълновия и ултракъсовълновия радиодиапазони. Класически конструкции на вибраторите антени са електрическите (фиг. 1, а, б) и магнитните (фиг. 1, в, г) четвърт-вълнови и полувълнови вибратори, чиито свойства и параметри напълно се описват с теорията на елементарните вибратори. Четвърт-вълновите и полувълновите електрически вибратори могат да се разглеждат като отворена предавателна линия със свойствените за нея разпределение на токовете и напреженията. Четвърт-вълновите и полувълновите магнитни вибратори могат да се разглеждат като накъсо затворена предавателна линия със свойствените за нея разпределение на токовете и напреженията.
Полето на излъчване на вибратора с дължина (18)  ,
където (19) 
е амплитудата на полето в направление на максималното излъчване  ;  - фазовият множител;
(20) - диаграма на насоченост в меридианна плоскост. В азимутална плоскост разглежданите вибратори не притежават насочени свойства, т.е. а) при т.е. късият вибратори имат такава насоченост, еднаква с тази на вибратора на Херц; б) при увеличаване на дължината на антената Напрегнатостта на електрическото поле, създавано от полувъловия вибратор, съгласно (18) и (20) се определя от израза (21) От (21) следва, че диаграмата на насоченост на симетричния полувълнов вибратор се дефинира с израза (22) Електрическият симетричен полувълнов вибратор се характеризира със следните параметри: КНД=1.64; 2. Антени, съставени от два вибратора Особен интерес представлява диаграмата на насоченост на два еднакви и еднакво ориентирани в пространството полувълнови вибратори, разположени паралелно на оста  
а) б) Фиг. 3. Сумиране на полетата на два вибратора: а – в плоскостта Е; б в плоскостта Н. Допуска се, че  е напрегнатостта на полето в точката на наблюдение М, създавано от първия вибратор. В далечната зона при достатъчно малко разстояние d между вибраторите влиянието на разликата  на амплитудата на полето може да се пренебрегне. Тогава напрегнатостта на полето, създавано в точката на наблюдение М от втория вибратор може да се дефинира с израза
(23)  ,
където  е пространственото изместване на фазите на полетата, произтичащо от разликата в разстоянията;  - отношението на амплитудите на токовете във вибраторите;  - времево фазово изместване между токовете във вибраторите.
Сумарното поле на вибраторите се определя от следния израз (24)  .
Като се отчете изразът (21) за амплитудата на напрегнатостта на сумарното поле може да се запише уравнението (25) От израза (25) следва, че приведената диаграма на насоченост на два полувълнови вибратори в меридианната плоскост (26) т.е. (27) В израза (26) първият множител представлява диаграмата на насоченост на симетричния полувълнов вибратор (22). Вторият множител се нарича множител на системата и се дефинира с уравнението (28)  .
Множителят на система от два вибратора зависи от разстоянието между вибраторите d, отношението на амплитудите на токовете във вибраторите Изразът (27) е математически израз на теоремата на умножението на диаграмите на насоченост, която се дефинира по следния начин: Диаграмата на насоченост на идентични и еднакви излъчватели е произведение на диаграмата на насоченост на единичния излъчвател от системата на множителя на системата, представляващ диаграма на насоченост на такава система, но съставена от ненасочени (изотропни) излъчватели, т.е. такива излъчватели, които се характеризират с еднаква интензивност на полето на излъчване във всички посоки. На фиг. 4 е приведена диаграмата на насоченост в плоскостта Н на система от два полувълнови вибратора, намиращи се на разстояние 
а) б) в) Фиг. 4. Диаграма на насоченост на система от два полувълнови вибратора: а – ψ=00; б - ψ=900; в - ψ=1800. В зависимост от фазовата разлика между токовете, захранващи двата паралелни вибратора, излъчването може да се усилва или отслабва в направление един към друг. Това позволява да се осигури тяхното еднонасочено действие, като напрегнатостта на полето се усилва в направление на вибратора с изоставаща фаза на възбуждащия ток. Вибраторът, който усилва излъчването в направление на другия вибратор, се нарича рефлектор. Вибраторът, който отслабва излъчването в направление към другия вибратор и усилва излъчването в противоположно направление, се нарича директор. Осигуряването на определени фазови измествания между токовете, захранващи вибратора води до усложняване на конструкцията на антената. Като правило вибраторите, които изпълняват функцията на рефлектори или директори не съдържат захранващи източници, т.е. те са пасивни вибратори. В конструкциите с пасивни вибратори не се отдава да се получи равенство на амплитудите на токовете и осигурят пълна едно-насоченост. За да се осигури работа на пасивния вибратор като рефлектор, е необходимо в него да се възбуди ток Ip, изпреварващ по фаза, равна на 900, тока Iа в активния вибратор. В този случай електромагнитните вълни, излъчвани от вибраторите, се сумират в направление на активния вибратор и се изваждат в направление на пасивния вибратор. Изпреварващо изместване по фаза в пасивния вибратор може да се получи чрез избор на неговата дължина да бъде по-голяма от 
Фиг. 5. Сумиране на полетата на активния и пасивния вибратор: а – пасивен рефлектор; б – пасивен директор Началният вектор на тока в активния вибратор е Iа. Непосредствено до активния вибратор напрегнатостта на магнитното поле на излъчване към рефлектора На съвпада по фаза с тока Iа . При достигането до рефлектора полето Н′а изостава по фаза от тока в активния вибратор на 900, т.е. за времето на разпространение на вълната от активния вибратор към рефлектора. Полето Н′а индуктира в рефлектора ЕДС на взаимно индукцията Ер, която изостава от създаващото поле също на 900. Под действие на тази ЕДС в рефлектора протича ток Iр. Тъй като рефлектора е по-дълъг от  , то неговото съпротивление има индуктивен характер, ето защо токът в рефлектора изостава от индуктираната ЕДС на 900 и се намира във фаза с На. За да стане пасивният вибратор директор, е необходимо да се възбуди в него ток, изместен по фаза с изоставане на 900 относно тока в активния вибратор. На фиг. 5, б е показана векторната диаграма, от която следва, че необходимото изместване по фаза на тока в директора може да се получи чрез неговото скъсяване в сравнение с (капацитивно съпротивление).
3. Антенни решетки Антени, които са изградени от голям брой вибратори, носят названието антенни решетки. Вибраторите в антенната решетка се разполагат по определен начин относно един към друг и се захранват по определен алгоритъм от общ източник или кохерентни източници на сигнали. Като вибратори могат да се използват вълноводни процепи, рупори, диелектрически антени, спирални и други типове антени. В зависимост от разположението на вибраторите се различават линейни, (едномерни) и повърхностни (двумерни) решетки. Полето, което се създава от решетката, е суперпозиция от електромагнитните вълни, възбуждани от отделните излъчватели. Линейните решетки представляват поредица от полувълнови вибратори, разположени по права линия на еднакво разстояние един от друг (фиг. 6). Допуска се, че амплитудите на токовете във вибраторите са еднакви и фазовото изместване на токовете в съседните вибратори е еднакво и равно на ψ. Напрегнатостта на полето в произволна точка М на такава решетка се дефинира с уравнението (29)  ,
където  е диаграмата на насоченост на един излъчвател в плоскостта Е, дефинирана като функция от ъгъла θ или в плоскостта Н – като функция от ъгъла φ;  е разстоянието от средния излъчвател до точката на наблюдение;  - фазата на тока (полето в средния излъчвател).
Фиг. 6. Формиране на диаграмата на насоченост на линейна решетка. Фазата на полето не зависи от ъгловите координати. Това означава, че линейната решетка излъчва сферична вълна с фазов център, разположен в геометрическия център. Диаграмата на насоченост на антената при тези условия се определя с уравнението (30)  .
Множителят на системата на линейната решетка има вида (31)  .
На основание (31) може да се направи изводът, че линейната решетка от n вибратора трябва да притежава по-висока насоченост, в сравнение с един вибратор. При голям брой вибратори с изменение на ъгъла  множителят на системата се изменя значително по-бързо, отколкото множителят  , тъй като  е значително по-голямо от  . Множителят на системата при изменение на ъгъла от 00 до 3600 може многократно да се обръща в нула, за което говори много листовият характер на диаграмата на насоченост. Формата и направлението на диаграмата на насоченост може да се управлява чрез изменение на фазата на захранващите токове. На базата на (31) може да се докаже, че при синфазна решетка (ψ = 0) пространствената диаграма на множителя на системата има вида, показан на фиг. 7.
Фиг. 7. Множител на линейна синфазна решетка ψ=0. При възникване на фазово изместване между токовете във вибраторите (ψ = ψ1) пространствената диаграма приема формата рупор, показана на фиг. 8. Ъгълът на отвора на рупора  се намалява с увеличаването на фазовия ъгъл ψ. Дебелината на стената на рупора се намалява с увеличаването на дължината на антената. При ψ=kd диаграмата на множителя на системата приема игловидна форма, показана на фиг. 9.
Фиг. 8. Множител на линейна решетка с изместване по фаза на захранващите токове ψ < kd. 
Фиг. 9. Множител на линейна решетка с изместване по фаза на захранващите токове ψ=kd. Повърхностната антенна решетка има свойството да формира игловидна диаграма на насоченост. Еквидистантна правоъгълна антенна решетка, състояща се от m редици, паралелни на оста y и n стълба, паралелни на оста x, е показана на фиг. 10. 
Фиг.10. Повърхностна антенна решетка. Допуска се, че всички излъчватели се възбуждат с токове с еднаква амплитуда I, а фазата на токовете се изменя по редиците и стълбовете по линеен закон; m и n са броят на излъчвателите в стълбовете и редовете; dx и dy – разстояния между съседните излъчватели по осите x и y; ъглите θx и θy се отчитат в плоскостите xOz и yOz , съответно. Заменя се всеки стълб или всеки ред с един еквивалентен излъчвател и се преминава от двумерна повърхностна решетка към еквидистантна линейна решетка, състояща се от идентични излъчватели, разположени по оста x или по оста y . Очевидно, че диаграмата на насоченост на всеки еквивалентен излъчвател се определя с уравнение (30), а множителят на линейната решетка, състояща се от еквивалентни вибратори се дефинира с уравнение (31). Следователно, диаграмата на насоченост на повърхностната решетка се определя от уравнението (32) 
На базата на уравнение (32) се установява следното: 1. Ширината на диаграмата на насоченост на нивото на нулевата мощност при фиксирано разстояние между излъчвателите се определя от броя на вибраторите в съответното сечение: (33) - в плоскостта xOz;
- в плоскостта yOz. 2. Коефициентът на насочено действие e пропорционален на броя на вибраторите. Като се използва изразът (1), може да се покаже, че (35)  .
3. Ъгълът на наклона на главния лист на диаграмата на насоченост  и  относно осите се определят от фазовите измествания на токовете ψx и ψy:
(36) - в плоскостта xOz;
- в плоскостта yOz. Повърхностната антенна решетка позволява да се управлява диаграмата на насоченост чрез изменение на фазовите измествания между токовете, захранващи вибраторите. Това се постига чрез както с изменение на работната честота, така и с електрически управляеми дефазатори. В съответствие с това съществуват два метода за електрическо сканиране: честотен метод (фиг. 11) и фазов метод (фиг. 12).
Директорната антена представлява антенна решетка от полувълнови вибратори. Нейната конструкция и диаграмата на насоченост са показани фиг. 14. Директорната антена се състои от един активен и няколко пасивни вибратори. Вибраторите се закрепят на метално стебло. Такава конструкция е реална, тъй като в мястото на закрепване се намира възел на електрическото поле, а самото закрепващо стебло е перпендикулярно на плоскостта на поляризацията на излъчвателите. Взаимното влияние на вибраторите намалява входното съпротивление на антената. Ето защо като активен вибратор се избира рамков вибратор, закрепващ се в центъра на рамката към стеблото. Съвместно с активния вибратор на разстояние Като се отчете, че рефлекторът усилва полето в направление на активния вибратор и понижава полето в обратно направление, използването на няколко рефлектора е нерационално. Всички рефлектори, които следват след първия, ще се възбуждат много слаб. Ефектът от концентрация на електромагнитната енергия в направлението на излъчване се увеличава с нарастването на броя на директорите. На практика се използват не повече от 5-7 директора. Това се обяснява със слабото нарастване на коефициента на насочено действие при по-нататъшно увеличаване на броя на вибраторите и нарастването на дължината на антената. Коефициентът на насочено действие на антената има не висока стойност и приблизително се определя с израза (38) където Директорните антени се използват в метровия и дециметровия диапазони на вълните, работната честотна лента 5-15%, диаграмата на насоченост има широчина 15-400 и зависи от броя на вибраторите и качеството на настройка.
Вълноводно-процепните антени се характеризират с излъчватели във вид на процепни вибратори, прорязани във вълновода (фиг. 15). Процепите както и вибраторите на антените имат резонансни свойства. Резонансната дължина на процепа е приблизително равна на Процепът може а се прореже в широката и тясната стени на вълновода. Надлъжният процеп в широката и тясната стени на вълновода е еквивалентна на паралелно включено в линията съпротивление, напречният процеп в широката стена е еквивалентен на последователно съпротивление. Съпротивлението на процепа зависи от мястото на разположение във вълновода. При съгласуване на антената с вълноводния тракт се извършва промяна на разположението на процепа или процепът се завърта. Например, надлъжният процеп в центъра на широката стена на вълновода почти не излъчва. Ако този процеп се завърти или се измести към страничните стени, то излъчването се увеличава. Напречният процеп в тясната стена на вълновода също почти не излъчва. В случай, че този процеп се завърти, то излъчването се увеличава. Широчината на процепа се определя от условието за електрическа якост. С увеличаване на широчината на процепа се увеличава неговата електрическа якост и се намалява неговата резонансна дължина, която става по-малка от В случай, че антената се състои от По-добри диапазонни свойства притежават нерезонансните антени (фиг. 15, в, г, д, е). При тях процепите са разположени на разстояния по-големи или по-малки от Каталог: tadmin -> upload -> storage storage -> Литература на факта. Аналитизъм. Интерпретативни стратегии. Въпроси и задачи storage -> Лекция №2 Същност на цифровите изображения Въпрос. Основни положения от теория на сигналите storage -> Лекция 5 система за вторична радиолокация storage -> Толерантност и етничност в медийния дискурс storage -> Ethnicity and tolerance in media discourse revisited Desislava St. Cheshmedzhieva-Stoycheva abstract storage -> Тест №1 Отбележете невярното твърдение за подчертаните думи storage -> Лекции по Въведение в статистиката storage -> Търсене на живот във вселената увод storage -> Еп. Константинови четения – 2010 г някои аспекти на концептуализация на богатството в руски и турски език Изтегляне 159.79 Kb. Сподели с приятели:
| ||||||||||||
.
в меридианната равнина може да се определи чрез сумиране на полетата на отделните елементарни участъка, представляващи елементарни вибратори, в резултат на което се получава
. Това обяснява отсъствие на зависимост на компонентите на електромагнитното поле в елементарния електрически вибратор от азимуталния ъгъл φ. От анализа на израза (20) могат да се направят следните изводи:
, 
;
; 
,
в диаграмата на насоченост се 
е по-голямо, толкова е по-голям броят на листата. Изменението на формата на диаграмата на насоченост с увеличаване на дължината на вибратора е показано на фиг. 2.
.
.
; 
. Магнитният симетричен полувълнов вибратор се характеризира със следните параметри: КНД=1.64; 
.
на разстояние d един от друг (фиг. 3).
.
(плоскост Е – фиг. 9, а) се определя от израза
,
и дефазирането между токовете 
(плоскост Н – фиг. 3, б) единичните вибратори не притежават насоченост, т.е. 
. Сумирането на полетата на двата вибратора в плоскостта 
, при условие ,че амплитудите на възбуждащите токове са равни (
). При едно-насочено излъчване, ψ=900, диаграмата на насоченост се определя от уравнението 
, което описва кардиоида. В този случай напрегнатостта на полето в направление ψ=900 се удвоява в сравнение с полето на единичния вибратор, а при ψ = 2700 е равна на нула. При ψ = - 900 напрегнатостта на полето се удвоява в направление ψ=2700 и е равна на нула при ψ=900.
от повърхността на решетката. Конструктивно екраните се изработват във вид на метални решетки с размери на клетките не повече от 
.
е необходимо да се постави изразът за система от два вибратора 
(26). Диаграмата на насоченост на еднонасочената решетка е показана на фиг. 13, б.
. За получаване на капацитивно съпротивление за директора, неговата дължина се скъсява до 
.
,
е 
, коефициент, зависещ от дължината на антената (намалява с увеличаване на дължината на антената).
. Процепът, прорязан във вълновода се характеризира с еднонасочено излъчване. 
надлъжни процепи, разположени на разстояние 
, за постигане на пълно съгласуване съпротивлението на всеки процеп трябва да бъде по-голямо от вълновото съпротивление на вълновода N пъти. Аналогично, съпротивлението на напречния процеп трябва да бъде по-малко от вълновото съпротивление на вълновода също N пъти. Ако процепите се възбуждат синфазно, максимумите на главния лист ще се ориентират перпендикулярно на плоскостта на разположение на процепите. При това в плоскостта, перпендикулярна на надлъжната ос на вълновода, диаграмата на насоченост е широка, а в плоскостта на оста на вълновода е 
(фиг. 15, а); чрез избор на разстоянието между съседните процепи, равно на 
mm и работещ на честота 36 GHz, има следните параметри: дължина -2.6 m, 432 наклонени процепи, ниво на страничните листа – 25 dB, КСВ=1.08, честотна лента 12%, ширина на главния лист 140.