Лекция 1: характеристики и параметри на антенните устройства



Дата19.01.2018
Размер137.48 Kb.
#48290
ТипЛекция



KONSTANTIN

PRESLAVSKY

UNIVERSITY

S H U M E N





ШУМЕНСКИ УНИВЕРСИТЕТ

ЕПИСКОП КОНСТАНТИН ПРЕСЛАВСКИ”























Ц. С. Карагьозов
С любезното съдействие на

проф. д.т.н. А. Д. Лазаров


РАДИОВЪЛНИ, АНТЕННО-ФИДЕРНА И МИКРОВЪЛНОВА ТЕХНИКА

ТЕМА 2: “АНТЕННА ТЕХНИКА”



ЛЕКЦИЯ 2.1: ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРИ НА АНТЕННИТЕ УСТРОЙСТВА








  • Обща характеристика и класификация на антените

  • Основни параметри и характеристики на антените

  • Излъчване на електромагнитните вълни (дипол на Херц, елементарен магнитен вибратор, елементарен процепен излъчвател елементарен излъчвател на Хюгенс)






  1. Обща характеристика и класификация на антените

Антените са устройства, които са предназначени за излъчване в свободното пространство и приемане от свободното пространство на енергията на електромагнитните вълни.

Първоизточниците на електромагнитното излъчване (електромагнитните вълни) са движещите се заряди (променливите токове на проводимост), което означава, че електромагнитна енергия в свободното пространство може да излъчва при определени условия всеки проводник. Системата, състояща се от предавателна антена, свободно пространство и приемна антена, е взаимна система, като основните характеристики в режим на предаване и приемане са едни и същи. В СВЧ техника за предаване и приемане често се използват еднакви антени. В приемно-предавателното устройство на радиотехническите системи не рядко се използва една и съща антена. Следва да се подчертае, че антената не само изпълнява функциите на излъчване и предаване на електромагнитна енергия, но и осигурява необходимото разпределение на плътността на електромагнитното излъчване в пространството, т.е. насоченост на електромагнитната енергия, като решава по този начин редица важни технически задачи, свързани с увеличаване на радиуса на действие, осигуряване на електромагнитната съвместимост, нарастване на информационната способност подобряване на други съществени характеристики на радиотехническата система.

Антените се класифицират по следните признаци: диапазон на дължините на радиовълните; предназначение; по отделните общи характеристики, като лента на пропускане, диаграма на насоченост и др., и принципа на действие. Най-съществен признак за класифициране на антените е по принципа на действие, който в много отношения определя формата, основните характеристики и използването на антените. В съответствие с този принцип антените могат да се разделят на три групи, както следва.


  1. Линейна антена – излъчваща система, напречните размери на която са значително по-малки от дължината на вълната, с променливи токове, протичащи по оста на системата. Към линейните антени в диапазона на СВЧ се отнасят вибраторите.

2. Антенна решетка – система от еднотипни излъчватели, разположени по определен начин възбуждани от един или няколко кохерентни генератори. Типични антенни решетки са: директорната антена, процепната антена, повърхностните антени от полувълнови симетрични вибратори и др.

3. Апертурна антена – устройство отличаващо се с това, че неговия изход се представя като повърхност, през която преминава целия поток на излъчваната (приеманата) електромагнитна енергия. Тази повърхност се нарича апертура или отвор. Размерите на апертурата са по-големи от дължината на вълната. Към апертурните антени се отнасят системи от акустически тип – рупори, антени от оптическия диапазон – огледала, лещи, а също и антени за повърхностни вълни.


2. Основни параметри и характеристики на антените

1. Диаграма на насоченост. Диаграмата на насоченост е зависимостта на амплитудата на напрегнатостта на електрическото поле Е, създавано от антената в точката на наблюдение, от направлението към тази точка, дефинирано с ъглови координати θ и φ, при постоянно разстояние от точката на наблюдение до антената (r = const). Диаграмата на насоченост се изобразява в полярна координатна система в две взаимно-перпендикулярни плоскости. Диаграмата на насоченост в хоризонталната плоскост е разпределението на напрегнатостта на електрическото поле на излъчване върху описана в хоризонталната плоскост около антената окръжност и е функция от ъгъла (азимута), дефиниран в хоризонтална равнина Еφ. Диаграмата на насоченост във вертикална плоскост е разпределението на напрегнатостта на електрическото поле на излъчване върху описана във вертикалната плоскост около антената окръжност и е функция от ъгъла (ъгъл на място), дефиниран във вертикална равнина Еθ. На фиг. 1 са представени най-разпространени форми на диаграмите на насоченост: “остро-насочена - игловидна”, която се използва в радиорелейните линии, радиолокацията, радио-управлението и листо-образна (веер), която се отличава с висока насоченост в хоризонтална плоскост и е ненасочена във вертикална плоскост, което осигурява откриване на радиолокационните цели и точно определяне на техните ъглови координати.





а) б)

Фиг. 1. Диаграми на насоченост: а – игловидна в хоризонтална и вертикална равнина; б - листообразна (веер) във вертикална равнина.
2. Ширина на главния максимум. Диаграмата на насоченост се характеризира с няколко направления на максимално излъчване (листове). Листът, притежаващ най-голяма стойност на излъчване, се нарича главен. Ширината на главния лист, който е работен, дефинира ширината на диаграмата на насоченост на антената. Ширината на главния лист се определя като ъглова величина по точките на половин спад на мощността (по ниво на напрегнатостта ) относително максималната стойност на листа - (по ниво на напрегнатостта Еmax) (фиг. 1, б). При антените с тясна диаграма на насоченост ширината на главния лист е от няколко десетки градуса до единици минути (при радио-астрономичните антени).
3. Ефективна площ на антената (Sg) – число, число, характеризиращо стойността на площта, през която приемната антена съсредоточава енергията: , където е коефициент на използване на повърхността на апертурата; S – повърхността на апертурата на антената.
4. Коефициент на насочено действие (КНД) – определя се от отношението на мощностите на излъчване на насочена и ненасочена антени, създаващи в даденото направление на едно и също разстояние еднаква напрегнатост на полето. По такъв начин КНД показва каква енергетическа ефективност осигурява използването на насочена антена в сравнение с ненасочената антена. Като правило КНД се определя в направление на максимума на диаграмата на насоченост на антената. Коефициентът на насочено действие се изчислява по формулата:
(1) .
Оценка на стойността на КНД може да се извърши с помощта на формулата
КНД=41253/φ0θ0,
където φ0 и θ0 определят ширината на главния лист по точките на нулевата мощност.

Понякога вместо КНД по удачно е да се използва коефициент на усилване на антената (Ку ), който се дефинира като произведение от КНД и коефициента на полезно действие (η) на антената, т.е. Ку= КНД η. Тъй като КПД на антената е близък до единица, то без особена грешка може да се приеме, че Ку и КНД са равни по между си.

5. Поляризационна характеристика – това е зависимостта на амплитудата на сигнала в приемна антена с линейна поляризация, приемаща електромагнитни вълни от определена предавателна антена, от ъгъла на завъртане на тази антена в плоскостта, перпендикулярна на излъчването. Поляризационната характеристика се определя от вида на поляризация на вълната, която бива линейна, кръгова и елиптична.

6. Входното съпротивление на антената е еквивалентна величина, която определя съгласуването на антената със СВЧ тракт. В общия случай входното съпротивление е комплексна величина , където е активната компонента; - съпротивлението на загубите, характеризиращо топлинните загуби; - съпротивлението на излъчване, характеризиращо ефекта на излъчване; - реактивната компонента, характеризираща отражението от антената. Коефициентът на стояща вълна не превишава . При тези условия << и входното съпротивление на антената примерно е равно на вълновото съпротивление на захранващия тракт, т.е .

7. Коефициентът на полезно действие (КПД) се определя от отношението на излъчената мощност към пълната мощност, подвеждана към антената , т.е.

,

където е мощността на топлинните загуби.

8. Работен честотен диапазон на антената – характеризира се с интервала от честоти fmax до fmin, в който стойността на всички параметри на антената не надвишават пределите на зададените стойности. Като правило критерий за определяне на честотния работен диапазон е входното съпротивление.

9. Характеристики при управлението на лъча на антената – произтичат от изискванията към характеристиките на сканиране (сектор на обзора, скорост на обзора, непрекъснат или дискретен обзор) и се характеризират с допустимото изменение на КНД при различни режими на работа (откриване или съпровождане), времето за превключване от един лъч към друг, времето за превключване от режим на предаване в режим на приемане.

10. Енергетическите характеристики включват максимално допустимата, без пробив или прегряване на антената, мощност на излъчване, мощност за управление положението на лъча (при механично сканиране тази мощност се определя от конструкцията на антената и нейния електрически привод, а при електрическо сканиране – загубите на мощност при управление на дефазаторите във веригите на отделните излъчватели на антената)

11. Климатичните и механичните характеристики се определят от условията на използване на антената в зависимост от мястото на нейното установяване – космически апарати, ракети, самолети, вертолети, морски и речни плавателни съдове, автомобили, надземни РЛС и станции на радиолинии, преносни РЛС, мобилни радиокомуникационни устройства и т.н.

12. Експлоатационните характеристики включват масата, габаритите, удобство и простота на обслужването, периодичността на регламентните работи на антената. Изискванията към тях зависят от предназначението на СВЧ устройствата и тяхното приложение.
3. Излъчване на електромагнитните вълни

Всяка излъчваща антена може да се разглежда като съвкупност от множество елементарни излъчватели. Това дава възможност да се приложи принципът на суперпозицията и да се определи полето на елементарните излъчватели. Полетата на самите елементарни излъчватели се намират по зададено разпределение на тока чрез решение на уравненията на Максуел. Като правило се допуска, че величината на тока не се изменя по дължината на елементарния вибратор. Към елементарните излъчватели се отнасят: елементарния електрически вибратор (диполът на Херц), елементарната електрическа рамка (магнитният дипол), елементарния процеп и излъчвателят на Хюгенс.



Елементарният електрически вибратор (диполът на Херц), показан на фиг. 2а, е тънък проводник със сфери на своите краища. Сферите създават капацитета, който позволява да се получи постоянна амплитуда на тока по проводника.


а) б) в)

Фиг. 2. Полето на дипола на Херц: а – разпределение на компонентите на векторите на електрическото и магнитното поле в близката зона; б – електрическото поле в далечната зона; в - магнитното поле в далечната зона
Решението на уравненията на Максуел за компонентите на електрическото поле на дипола на Херц има вида
(2) ,

(3) ,

(4) ,

където I е амплитудата на възбуждащия ток на вибратора; l – дължината на вибратора; - вълновото число (коефициент на разпространение на плоска вълна); r – разстоянието от излъчвателя до точката на наблюдение.

От изразите (2)-(4) следва, че векторът на напрегнатостта на електрическото поле на дипола на Херц има две компоненти Er и , които лежат в плоскостта, преминаваща през неговата ос. Векторът на напрегнатостта на магнитното поле има една компонента Нφ, която лежи в плоскостта, перпендикулярна на неговата ос. Характеристиките на антената се определят, като правило, за далечната зона, на която съответства отдалеченост . При тези условия в уравнения (2)-(4) може да се пренебрегнат изразите и , при което се получава

(5)

(6) .

По такъв начин във всяка точка от пространството векторът на електрическото поле на вибратора на Херц има една компонента , лежаща в меридианната плоскост, (плоскостта, преминаваща през оста на вибратора); във всяка точка от пространството векторът на магнитното поле има също една компонента , лежаща в азимуталната плоскост (плоскостта, перпендикулярна на оста на вибратора). Поради независимост на компонентите на полето от ъгъла φ структурата на полето остава еднаква във всяка плоскост, преминаваща през оста на вибратора. Структурата на полето в далечната зона (фиг.2, б) съответства на структурата на полето на сферична вълна, където повърхността на еднакви фази образуват концентрически сфери с център в началото на координатната система (в средата на вибратора); и са взаимно перпендикулярни; отношението / е равно на характеристичното съпротивление на вълната в свободното пространство .

От (5) следва, че приведената диаграма на насоченост на вибратора на Херц в меридианната плоскост

(7)

представлява две взаимно-допиращи се окръжности, центровете ма които лежат на права, перпендикулярна на оста на вибратора и преминава през неговата среда (фиг.3,а). В азимутална плоскост величината на напрегнатостта на електрическото поле не зависи от ъгъла φ, следователно, , като диаграмата на насоченост представлява окръжност с център, разположен в средата на вибратора (фиг. 3, б).


а) б) в)

Фиг. 3. Диаграма на насоченост на дипола на Херц: а - в плоскостта на вибратора; б - в плоскостта, перпендикулярна на вибратора; в – пространствена геометрия на диаграмата на насоченост.
Пространствената геометрия на диаграмата на насоченост на елементарния електрически вибратор е показана на фиг. 3, в.

Средната за период плътност на потока на енергията се дефинира с израза


,

където знакът (*) означава комплексно спрегната величина.

От това уравнение следва, че излъчването на електромагнитната енергия е максимално в направления, перпендикулярни на оста на вибратора и не зависи от ъгъла φ. По направление на своята ос θ=0 и θ=π, вибраторът не излъчва. Мощността, излъчвана от елементарния електрически вибратор, се определя от израза

.

След извършване на действията и приемайки , се получава

(8) .

Мощността на излъчване, изразена чрез съпротивлението на излъчване има вида . Сравнявайки този израз с предходния може да се определи съпротивлението на излъчване

(9) .

Елементарният магнитен вибратор се моделира физически чрез стебло със сфери на краищата, изработено от феромагнитен материал, например ферит, чиято магнитната проницаемост е много по-голяма от тази на обкръжаващата среда (фиг. 4,а). Като възбуждащо устройство може да се използва навивка, обтичана от тока на проводимост. Постоянната стойност на магнитната индукция В по дължината на стеблото се осигурява със сферите в неговите краища.



а) б)

Фиг. 4. Елементарен магнитен вибратор: а –физически модел; б – елементарна рамка.
На базата на инвариантността на уравненията на Максуел може да се твърди, че елементарният магнитен вибратор се отличава по структура на полето от елементарния електрически вибратор само по геометричното положение на векторите Е и Н. Изразите за компонентите на полето на елементарния магнитен вибратор в далечната зона съвпадат с изразите (5) и (6) чрез замяна на Е с Н, Н с –Е, на I с Iм , на с , т.е.

(10) ;

(11) ,

където е амплитудата на магнитния ток, представляваща произведение на тангенциалната компонента на напрегнатостта на електрическото поле на повърхността на вибратора с неговия периметър на напречното сечение. Структурата на полето на елементарния магнитен вибратор съвпада със структурата на полето на вибратора на Херц с тази разлика, че линиите на вектора Е, образувайки концентрически окръжности относно оста на вибратора, лежат в азимуталната плоскост, а линиите на вектора Н лежат в меридианната плоскост. Формата на диаграмата на насоченост и характеристиките на насоченост на елементарния електрически и магнитен вибратори са еднакви. Мощността на излъчване се определя от израза

(12) .

Като се отчете, че магнитният ток има размерност на напрежение, мощността на излъчване се определя чрез проводимостта в съответствие с израза . Като се отчете (12) за проводимостта на излъчване може да се запише

(13) .

Свойствата на елементарния магнитен вибратор се реализира в елементарната електрическа рамка (навивка) и елементарния излъчващ процеп.



Елементарната електрическа рамка (фиг. 4, б) създава електрическо поле, линиите на магнитната компонента на което преминават перпендикулярно през плоскостта на навивката, а линиите на електрическото поле лежат в плоскостта на навивката или са паралелни на тази плоскост. Магнитният ток на рамката е равен на подвежданото към нея напрежение. Структурата на полето на рамката, с размери много по-малки от и нейните насочващи свойства са еднакви със структурата на полето и насочващите свойства на елементарния електрически и магнитен вибратори.. Излъчващата мощност и съпротивлението на излъчване на рамката се определят от уравненията (12) и (13) чрез замяна на l с действащата височина на рамката , където е площта на рамката.

Елементарният процепен вибратор (фиг.5, а) може да се представи като безкрайно тънка метална пластина с безкрайни размери, в която е изрязан процеп с дължина l и широчина Δ, където . Електромагнитното поле на елементарния процепен вибратор по своята структура съвпада с полето на елементарния магнитен вибратор с тази разлика, че линиите на електрическото поле Е в полупространство I са насочени срещу линиите на електрическото поле Е в полупространство II (фиг. 5, б). Това различие е несъществено, тъй като двете полупространства са независими. Магнитният ток в процепа е равен на удвоеното напрежение между краищата на процепа .



а) б)

Фиг.5. Елементарен процепен излъчвател: а – общ вид; б - структура на полето.
Мощността на излъчване на процепа се определя от уравнение (12). Ако тази мощност се изрази чрез проводимостта на излъчване, се получава . Като се сравни този израз с уравнение (12) се получава

(14) .

За свободното пространство, където , се получава

(15) .



Елементарният излъчвател на Хюгенс може да се представи като елемент от фронта на плоска вълна, магнитното поле на който може да се замени с еквивалентен електрически ток , а електрическото поле с еквивалентен магнитен ток . Приема се, че елементът от фронта на плоска вълна има правоъгълна форма с площ . Пространствената ориентация на елемента и векторите Е и Н относително координатните оси е представено на фиг. 6, а.



а) б)

Фиг. 6. Елементарен излъчвател на Хюгенс: а – разположение относително координатната система; б – диаграма на насоченост.
Полето, което се създава от този елемент, е равно на сумата от полетата, създавани от елементарен електрически вибратор с ток I и елементарен магнитен вибратор с ток . Комплексните амплитуди на полетата, създавани отделно от всеки от вибраторите може да се изчисли с помощта на изразите (5) и (10), съответно. Като се сумират тези полета може да се определи величината на вектора , т.е.
(16) .

От приведения израз следва, че елементът на Хюгенс, притежава насочващи свойства. Неговата диаграма на насоченост (фиг. 6, б) има максимум, ориентиран по оста z, перпендикулярно на сегмента . Изразът (16) показва, че диаграмата на насоченост на елементарния излъчвател на Хюгенс е кардиоида, която се дефинира със уравнението



(17) .

Елементарният вибратор на Хюгенс се използва при анализа на апертурните антени.
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


Сподели с приятели:




©obuch.info 2024
отнасят до администрацията

    Начална страница