Лекция 4: антени с въртяща се поляризация. Широкодиапазонни антени



Дата19.01.2018
Размер234.29 Kb.
#48292
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 2.4: АНТЕНИ С ВЪРТЯЩА СЕ ПОЛЯРИЗАЦИЯ. ШИРОКОДИАПАЗОННИ АНТЕНИ





  • Поляризационна елипса на антените

  • Елементи на антени с въртяща се поляризация на полето

  • Широкодиапазонни антени (логопериодични антени, цилиндрични спирални антени, плоски спирални антени, антени с повърхностни вълни)






  1. Поляризационна елипса на антените

Векторите Е и Н на електромагнитното поле, създадени от антената, заемат определено пространствено положение. Направлението на тези вектори се определя с плоскостта на поляризация на електромагнитното поле, която се дефинира с направлението на разпространение на вълната (вектора на Пойнтинг) и вектора на напрегнатостта на електрическото поле Е. За един период на високочестотното трептение плоскостта на поляризация прави пълен оборот около направлението на разпространение. Векторът Е описва затворена крива (в общия случай - елипса), която лежи в плоскост, перпендикулярна на направлението на разпространение. Тази поляризация на електромагнитното поле се нарича елиптична, а елипсата, която описва краят на вектора Е - поляризационна елипса. Частни случаи на елиптичната поляризация са линейната (плоска) поляризация (краят на вектора Е лежи на права линия) и кръговата поляризация (на вектора Е описва окръжност).


а) б) в)



г) д)
Фиг. 1. Поляризационни характеристики: а – пространствена ориентация; б, в – поляризация в собствена координатна система; г – дясна поляризация; д – лява поляризация.
Елиптичната поляризация може да се разглежда като резултат от сумиране на две линейно-поляризирани взаимно перпендикулярни полето, изместени по фаза. Резултантният вектор, лежащ в плоскостта, перпендикулярна на направлението на разпространение в сферична координатна система, може да се запише във вида

(1) ,

където и са единични вектори (орти) на сферичната координатна система; - азимуталната компонента (амплитудата) на вектора на напрегнатостта на електрическото поле; - меридианната компонента (амплитудата) на вектора на напрегнатостта на електрическото поле; - фазовото изместване между компонентите на и . Компонентите и са осите на поляризационната елипса, които в най-общия случай не са колиниарни с ортите на сферичната координатна система.

Оттук линейна поляризация се получава при отсъствие на фазов ъгъл () и дефазиране между азимуталната и меридианната компоненти на вектора на напрегнатостта на резултантното поле. Линейна поляризация се получава и в случай, че полето на антената има само една компонента или . Кръгова поляризация, т.е. поляризационната елипса се преобразува в окръжност, при = и .

Поляризационната елипса се характеризира с коефициент на равномерност, ъгъл на поляризация и направление на въртене на вектора Е (направление на въртене на плоскостта на поляризация). Коефициентът на равномерност се дефинира с отношението . Ъгълът на поляризация или ъгълът на ориентация  е ъгълът между голямата ос на поляризационната елипса и направлението на единичния вектор (орта) или на сферичната координатна система (фиг. 1, а). Направлението на въртене на вектора на резултантното поле в точката на наблюдение се определя от знака на ъгъла на фазовото изместване между компонентите и . Това направление е дясно, ако наблюдателят, гледайки срещу вълната да наблюдава вектора Е да се върти срещу часовата стрелка (фиг. 1, в). Противоположното направление на завъртане на плоскостта на поляризацията е ляво (фиг. 1, г).


  1. Елементи на антени с въртяща се поляризация на полето

Поляризацията може да е случаен процес или целенасочена технология. При приемане на сигнали от обекти, положението на които в пространството се изменя и може да бъде произволно (самолети, извършващи сложни маневри, ракети, сателити).Тъй като плоскостта на поляризация на антените, установени на такива обекти, се изменя, то надземните приемни антени трябва да бъдат с въртяща се поляризация на полето, което позволява да се приема всяка компонента или на постъпващото поле. Радиолокационите антени с въртяща се поляризация на полето (на сантиметрови вълни) осигуряват минимални загуби, създавани от хидрометеори (сняг, дъжд, мъгла и т.н.) и от повърхността на земята, в резултат на това, че направлението на въртене на вектора Е при отражение става противоположно. Поле с въртяща се поляризация може да се използва при работа на една и съща антена на предаване и приемане (при това излъченото и приеманото поле трябва да имат противоположни направления на въртене.

Антените, създаващи поле с въртяща се поляризация са два вида:

1. Антени от вибраторен тип, състоящи се от вибратори, възбуждани и ориентирани така, че в резултат на интерференцията на излъчваните от тях полета се създава поле с въртяща се поляризация. При това вибраторите формират също и диаграмата на насоченост на антената.

2. Антени, в които въртяща се поляризация се създава с вълноводни фазиращи секции.

Първият тип антени се използват в метров и дециметров диапазон на вълните и по-рядко в късовълновия и сантиметровия диапазон на вълните. Вторият принцип за създаване на поляризирано въртящо се поле се използва в сантиметровия диапазон.

Елементарна антена с въртяща се поляризация на полето се изгражда от два взаимно-перпендикулярни елементарни вибратори, възбуждани от токове с равни амплитуди но дефазирани на 900. В плоскостта на разположение на вибраторите резултантното поле е линейно поляризирано. В направление по нормалата към плоскостта на вибраторите полето има кръгова поляризация. Във всички останали направления системата от два взаимно-ортогонални вибратори излъчва поле е елиптична поляризация. При това с приближаване на точката на наблюдение към нормалата коефициентът на равномерност нараства и елиптичната поляризация се приближава към кръговата. С приближаване на точката на наблюдение към плоскостта на вибраторите коефициентът на равномерност пада и поляризацията се приближава към линейна.



Фиг. 2. Вибраторна антена с въртяща се поляризация – основни геометрически съотношения
Тъй като характеристиките на насоченост на полувълновия вибратор малко се различават от характеристиките на насочения елементарен вибратор, получените изводи могат де се отнесат и към система, състояща се от два ортогонални полувълнови вибратори. На дециметрови и сантиметрови вълни такива системи се използват като облъчватели на параболични огледала за получаване на въртящо се поле с кръгова поляризация в направление на оста на огледалото а също за възбуждане във вълноводите на въртящо се поле. В метровия диапазон на вълните системата с кръстосани вибратори се използва като основен елемент на предавателна телевизионна антена за получаване на ненасочено излъчване в хоризонтална равнина.

Рамка с дължина l = , обтичана с ток, изменящ се по закона на бягащата вълна, изкуствено може да се представи във вид на два съвместени пръстена, токовете в които са изместени по фаза на 900 и се изменят по закона на стоящата вълна. Двата пръстена могат да се заменят с два взаимно-перпендикулярни полувълнови линейни вибратори, възбуждани от токове с еднакви амплитуди, но различаващи се по фаза на

900.. Следователно, разглежданата рамка има свойствата на системата от два взаимно-ортогонални вибратора. В частност, по направление към нормалата към плоскостта на рамката полето има кръгова поляризация.

Антената във вид на пръстен, токът в който се изменя по закона на бягащата вълна може да се използва като самостоятелна рамкова антена. Освен това такъв пръстен може да се разглежда като елемент от спирални антена, имаща широко практическо приложение.

Два тесни взаимно-перпендикулярни процепа, прорязани в широката стена на вълновода, в който се разпространява основен тип вълна , като единият се възбужда от надлъжната компонента на магнитното поле , а другият от напречната магнитна компонента (А и В са константни величини), могат да се разглеждат като два взаимно-перпендикулярни магнитни вибратора, възбуждани от магнитни токове с равни амплитуди, но изместени по фаза на 900. На основание на принципа на двойственост полето, излъчено от такава система, е аналогично на полето на идентична система от електрически вибратори. Полето в направление, перпендикулярно на равнината на вибраторите има кръгова поляризация, която се запазва в широк честотен диапазон.

Особен практически интерес представлява създаването на въртящо се поле с фазираща секция, чиято роля е разложението на вектора на линейно-поляризираното електромагнитно поле на две взаимно перпендикулярни компоненти, лежащи в плоскост, перпендикулярна на направлението на разпространение на вълната и дефазирани на 900.

Фазиращите секции могат да се установят или във вълноводите, подвеждащи електромагнитното поле към антената (от параболичен тип) или на излъчващите повърхности (на повърхността на параболичното огледало, на излъчващата повърхност на лещовидна антена и т.н.)


Фиг. 3. Вълноводно-процепна поляризираща секция.
Като фазираща секция може да се използва отрязък от правоъгълен вълновод, в който се възбуждат вълни от типа и , имащи взаимно-перпендикулярни поляризации (фиг. 3). Тези вълни се възбуждат или с две взаимно перпендикулярни стебла, или с едно наклонено стебло. Двете вълни се възбуждат на една и съща честота. За да съществуват двата типа вълни, размерите на напречното сечение на секцията да бъдат по-големи от критичните стойности, т.е. (/2) < а < ; (/2) < b < . Ако размерите а и b не са равни, то фазовите скорости на двете вълни са различни, т.е.
(2) ; ,

където е фазовата скорост на вълната от типа ; - фазовата скорост на вълната от типа ; с - скоростта на светлината; - дължината на вълната в свободното пространство, запълнено с тази среда както вълновода.

Чрез подбиране по определен начин дължината на фазиращата секция, може на нейния изход да се получат полетата, векторите Е на които са еднакви по амплитуда и изместени по фаза на 900, т.е. да се осигури кръгова поляризация на полето в направление оста z.

Фазираща секция с квадратно напречно сечение може да се възбуди с правоъгълен вълновод, в който се разпространява вълна . Възбуждащият вълновод се съединява с фазиращата секция с плавен пирамидален преход, тъй като размерите на напречното сечение на секцията са по-големи от размерите на напречното сечение на вълновода. Плоскостите на напречните сечения на вълновода и фазиращата секция са завъртени един спрямо друг на 450 (фиг. 4). При това векторът Е на полето, възбуждащо секцията, сключва ъгъл 450 с нейните стени. Този вектор се разлага на две компоненти Ех и Еу, паралелни на взаимно перпендикулярни стени. По такъв начин полето в секцията може да се разглежда като суперпозиция на вълните и .


Фиг. 4. Фазираща вълновидна секция с квадратно напречно сечение.
За създаване на необходимото дефазиране между компонентите Ех и Еу във фазиращата секция се въвежда тънка диелектрична пластина така, че големият размер на нейното напречно сечение да бъде паралелна или на компонентата Ех или на компонентата Еу. Такава пластинка влияе основно на фазовата скорост само на тази вълна, линиите на вектора Е на която са паралелни на повърхността на пластината.

Първата фазираща секция се отличава с недобри диапазонни свойства. Даже при неголямо изменение на дължината на вълната фазовото изместване между компонентите Ех и Еу се променя и кръговата поляризация преминава в елептична. Фазиращата секция с надлъжна диелектрична пластина притежава по добри диапазонни свойства.




  1. Широкодиапазонни антени


а. Обща характеристика

Изграждането на честотно-независими широкодиапазонни антени се обуславя от необходимостта да се осигури радио-комуникация радиолокация и на радионавигация в неограничен честотен диапазон на електромагнитните вълни. В основата на построяването на широкодиапазонните антени лежи принципът на електродинамичното подобие, в съответствие с който при едновременно изменение на дължината на вълната и всички геометрически размери на антената в еднакво отношение (величината на това отношение се нарича мащабен множител) характеристиките на антените (диаграмата на насоченост, входното съпротивление и др.) остават неизменни. Характерна особеност на широкодиапазонните антени е, че на дадена дължина на вълната в излъчване (приемане) участва само част от антената, наричана активна област. При изменение на дължината на вълната тази област без изменение на своите относителни размери (изразени чрез части на дължината на вълната) се премества по дължината на антената.


б. Логопериодични антени

Логопериодична антена, изградена от две еднакви, рамена изрязани от метален лист и захранвани в средата е представена на фиг. 5. Плътните сектори с ъглов размер  изпълняват функцията на захранваща линия, а зъбците – ролята на вибратори.

Краищата на зъбците е ограничен с ъгъл . Означава се с Rn и rn съответно външния и вътрешен радиус на n – тия зъб. Основна характеристика на логопериодичната антена е отношението Rn+1/ Rn = , определящо разстоянията между съседните вибратори и отношението rn /Rn = , определящо тяхната широчина. Следователно, размерите на вибраторите и тяхното отдалечение от точките на захранване образуват геометрична прогресия със знаменател .




а) б) в)

Фиг. 5. Логопериодически антени.
Допуска се, че антената е безкрайно дълга и се възбужда на честота f1, притежавайки при това определени електрически параметри. Следователно, такива параметри антената ще притежава и на честота f2 =  f1, т.е. на честота  пъти по-голяма (по-малка), в сравнение с f1. Вземайки логаритъм от двете страни на израза за честотата f2, се получава . Следователно, параметрите на безкрайна логопериодична антена за периодична функция на логаритъма от честотата.

Ако параметрите , , , , се изберат така, че в границите на един период, равен на , параметрите на антената се изменят слабо, то те няма да се изменят съществено в произволен честотен диапазон.

Реалната антена има крайни размери. Необходимо е да се отчете, че вибраторът (зъбецът) с дължина l << /4 слабо се възбужда. Най-силно се възбужда резонансният вибратор l  /4 и съседните вибратори. Те образуват активна област, излъчваща основната част от мощността, ето защо към по-дългите вибратори достига само малка част от мощността (принципът на отсечка на тока).

При изменение на дължината на вълната , активната област се премества, при това , а , следователно коефициентът на препокриване на диапазона е равен на , като може да достигне стойност 10 - 20. Антените са свръхшироколентови по коефициент на насочено действие и по съгласуване със захранващата линия.

Съществуват разнообрази конструктивни варианти на логопероидични антени. Например зъбците могат да се изправят или антената може да се изработи от проводник, извит по контура на плътната антена, както е показано на фиг. 5, б (тук  = 0). Ако ъгълът между рамената  < 1800 максимумът на диаграмата на насоченост е ориентиран по бисектрисата на ъгъла . Ако  = 1800, двата максимума на диаграмата на насоченост са перпендикулярни на плоскостта на антената.

Използват се антени с излъчватели във вид на тънки праволинейни вибратора. При  = 0 такава антена става плоска (5, в) и е подобна на директорната антена, но всички вибратори са активни и кръстообразно се захранват от фидера. Анализът показва, че разпределението на фазите на токовете по вибраторите на активната област е такова, каквото е при директорната антена.

Диаграмата на насоченост на антената зависи от величините , , ,  и . Типични диаграми на насоченост са приведени на фиг. 6. Тъй като в активната област попадат само няколко вибратора (3...5), диаграмата на насоченост се получава широка. Диаграмата на насоченост може да се стесни чрез използване на решетка от няколко логопериодични антени.

а) б)

Фиг. 6. Диаграма на насоченост на вибраторна логопериодична антена: а –в плоскостта, съдържащи вибратори, б - в плоскостта, перпендикулярна на плоскостта на вибраторите;  = 0.888;  = 350.
Логоперидичните антени намират приложение в късовълновия диапазон за радиокомуникация, в УКВ като облъчватели на огледални антени.
в. Цилиндрични спирални антени

Устройството на цилиндричната спирална антена е показано на фиг. 7, а. Тя се състои от жична спирала 1 с един свободен край, а другият край е съединен с вътрешния проводник на коаксиален фидер 2, външната метална обвивка на който е съединен с диск (екран) 3. Екранът служи да отслаби задното излъчване на токовете на повърхността на фидера. Принципът на действие на спиралната антена може да се поясни, като се отчете, че по възбудената спирала се разпространяват поредица от вълни, относителната амплитуда и фазовите скорости на които зависят от ъгъла на елевация на спиралата  и величината ка, където а е радиусът на навивката. Тези вълни се означават с Тn, където n е броят на вълните на тока, нанасящи се на една навивка. Вълната Т0 има фазова скорост, близка до скоростта на светлината, съществува при малки дължини на навивката и изчезва при условие ка > (ка)min, където (ка)min = cos / (1 – sin ). Разпределението на тока по навивката на спиралата, както и диаграмата на насоченост са същите както на електрическата рамка. Следователно, антената по своята ос не излъчва. По вида на диаграмата на насоченост (фиг. 7, б) този режим на работа се нарича режим на странично излъчване. При ка  (ка)min в определен интервал от честоти съществува вълна Т1, фазовата скорост на която нараства с увеличаването на ка (фиг. 8). В съответствие с измерванията може приблизително да се приема, че по основната част от спиралата се разпространява бягаща вълна с фазова скорост vф < с. Само в началото и края на спиралата съществуват затихващи вълни от висок ред.





Фиг. 7. Цилиндрична спирална антена (а,д), режими на нейната работа ( б, в,г).


Фиг. 8. Характер на зависимостта на vф/с от величината ка за цилиндрична спирала.

Фиг. 9. Излъчване на навивка от спирала, обтичана с вълна Т1.
Разглежда се една навивка от спиралата, която се приема за плоска. Дължината на навивката се приема равна на дължината на вълната по проводника сп. На фиг. 9, в е показано разпределението на тока по навивката (в разгънат вид) в зададен момент от време t1 и в момент от време t2 = t1 + Т/4, където Т е периодът на трептенията. В двата случая навивката приблизително може да се замени с два огънати вибратори, формиращи поле, векторът Е на който при t = t1 е вертикален (фиг. 9, а), а при t = t2 е хоризонтален (фиг. 9, б). Следователно, за един период векторът Е се завърта на 3600, т.е. в режим на вълна Т1 навивката в направление, перпендикулярна на нейната плоскост, излъчва поле с въртяща се поляризация. Навивката може да се приеме за пръстеновидна антена.

Размерите на спиралата се избират така, че полетата на всички навивки се сумират в осево направление. По вида на диаграмата на насоченост (фиг. 7, в) този режим се нарича режим на осево излъчване. Увеличаването на параметъра ка създава условие за съществуването на вълна от втори ред Т2, което обуславя установяването на конически режим на излъчването (фиг. 7, г), който се използва рядко.

Насочените свойства на спиралната антена с осево излъчване могат да се определят, като се приеме всяка нейна навивка за елемент на праволинейна антенна решетка. Тогава съгласно теоремата за умножение

(3) ; .

Множителите и дефинират диаграмите на насоченост на една навивка за компонентите и , съответно и имат вида

(4) ; .

Множителят на системата се определя от израза

(5) ,

където , L е дължината на навивката; d - стъпката на спиралата (d=Lsin).

За да се отчете фактът, че навивката не е плоска, е необходимо да се извърши следният анализ. Ако полето на излъчване на елемента dl1 е в направление на оста z и изостава от полето на елемента dl2 на , поляризацията остава кръгова (фиг. 7, д). С отчитане на разликата на фазите на токовете и електрическата разлика в хода на полетата условието за кръгова поляризация има вида, откъдето . Може да се приеме, че , т.е. условието за кръгова поляризация е . Тъй като с намаляване на  (с нарастването на ка) величината 1/ нараства (фиг. 8), то това условие се изпълнява в широк честотен диапазон.

Обикновено се използват антени с ъгъл . Коефициентът на препокриване на диапазона е близък до 1.7. Широчината на диаграмата на насоченост (в градуси) може приблизително да се определи по формулата
(6) .

Обикновено броят на навивките не превишава 7...8. Минимално достижимата широчина на диаграмата на насоченост на антената е 30...400. За стесняване на диаграмата на насоченост се прилага решетка от спирални антени.



Активното входно съпротивление на антената с осево излъчване има стойност 60...90  и малко нараства с увеличаването на ка , но в резултат на режима на бягаща вълна слабо зависи от броя на навивките. Поляризацията на полето на спиралната антена е близка до кръговата при  =00 (фиг. 7, д) и при нарастване на  плавно преминава в линейна (при  = 900).

Особен интерес представлява коническата спирална антена, която се отличава с това, че радиусът на навивките се намалява към края на антената, в резултат на което условието се изпълнява в широк честотен диапазон за активната област, която се премества към края на антената с намаляването на дължината на вълната . Спиралните антени се използват в УКВ диапазона. Понякога те служат като облъчватели на огледалните антени.


г. Плоски спирални антени

Плоско-спиралната антена има вид на спирална металическа лента. Могат да бъдат дефинирани архимедова (фиг. 10, а) и логаритмична или лого-спирална антени. Те биват едно-ходови, дву-ходови и много-ходови. Уравнението на архимедовата спирала е  = а  + b, където  е радиус-векторът;  - полярният ъгъл; а и b – константи. Лентата е ограничена с две такива криви, отличаващи се с константа b (фиг. 10, б). Уравнението на логаритмичната спирала е  = bеаφ, при това лентата е ограничена с две криви, едната от които 2 е завъртяна относителна другата на ъгъл δ така, че 2 = 1еаδ. При дву-осовите спирални антени вторият клон на антената е завъртян относително първия на 1800. Антената излъчва в двете страни. За получаване на моно-насочено излъчване спиралата се помества в отвора на резонатор.




а) б)

Фиг. 10. Плоски двуходови спирални антени: а – архимедова; б – логопериодична.

Фиг. 11. Принцип на действие на двуходова спирала.

Принципът на действие на двуходовата архимедова спирална антена може да се обясни по следния начин. Тази антена може да се разглежда като двупроводна линия с режим на бягаща вълна, при това токът в единия проводник изостава по фаза от тока в другия проводник, което е причина за излъчване на антената. За съседните елементи на двата проводника разликата в хода по спиралата от центъра е равна на Δ = πρ0, където ρ0 е средният радиус на навивката. Тъй като проводниците се захранват в центъра на антената в противофаза (фиг. 11), то разликата във фазите на токовете в съседните елементи е равна на ψ = к Δ + π = (2 π/) Δ + π. От условието за синфазност - ψ = 2 πm (m – е цяло число) се получава (2 π/) ρ0 = 2m – 1. При това проводниците образуват резонансни пръстени с бягаща вълна на тока, които интензивно излъчват. Излъчванията на вътрешните навивки в голяма степен взаимно се компенсират, а на външните навивки енергията не достига (отсечка на тока).

Практическа стойност има първият резонанс (m=1), тъй като той осигурява осево излъчване на полето с въртяща се поляризация. При изменение на  пропорционално се изменя радиусът на резонансния кръг, а електрическите параметри на антената не се изменят в широк честотен диапазон.

За поясняване на принципа на действие на логоспиралната антена се въвежда бездименсен радиус-вектор  = / = (b/а и се представя във вида , където 0=а-1ln(/b). От тези формули се вижда, че изменението на  е еквивалентно на изменението на 0, т.е. просто завъртане на цялата спирала на ъгъл 0 относително нейните оси. Характеристиката на антената при това не се изменя. Диаметърът на спиралата приблизително трябва да бъде равен на max, докато min се определя от размера на началната навивка. Тъй като max и min не са свързани помежду си, коефициентът на препокриване на диапазона може да се получи достатъчно голям (по-голям от 10...20).



(а) (б)

Фиг. 12. Диаграма на насоченост на спирална антена в меридианна (а) и азимутална (б) равнина.

Диаграмата на насоченост на антената се състои от широк лист с максимум, насочен по нормалата към плоскостта на спиралата (фиг. 12). Поляризацията се изменя от кръгова в осево направление до линейна в плоскостта на спиралата. Съгласуването на антената с фидера, както и формата на диаграмата на насоченост се запазват в широк честотен диапазон.


д. Антени с повърхностни вълни

Типове антени с повърхностни вълни са показани на фиг. 13. Конструкцията на антената с повърхностни вълни се състои от възбудител и насочващ елемент. Възбудителят подвежда енергията в насочващия елемент, по направлението на който се разпространява повърхностна (забавена вълна) вълна. Насочващият елемент изпълнява функцията на излъчвател на антената. За съгласуване на насочващия елемент с пространството неговата дебелина към края се намалява, в резултат на което фазовата скорост на повърхностната вълна се приближава до скоростта на светлината, а отразената вълна от края на насочващия елемент се отстранява. Това дава основание да се разглежда антената с повърхностни вълни като система с осево излъчване. От друга страна този тип антена може да се отнесе към апертурните антени, разглеждайки в качеството на апертура повърхността на насочващия елемент и прилагайки за изчислението на антените методите за изчисление на апертурните антени.




Фиг. 13. Типове антени с повърхностни вълни: 1 – възбудител; 2 – насочващ елемент; 3- подложка.
Насочващият елемент може да бъде диелектричен (фиг. 13, а, в, д) или металически с ребриста повърхност (фиг. 13, б, г). Използва се диелектрик с малки загуби (tg =103 .....10-4,  = 2.5….10). По форма насочващите елементи мога да бъдат плоско-линейни (фиг. 13, а, б), стебловидни (фиг. 13, в, г) и дискови (фиг. 13, д). При линейните и дискови антени насочващият елемент обикновено се разполага на метална подложка.

Плоска линейна антена с диелектричен насочващ елемент е показана на (фиг. 13, а). Ако векторът Е в апертурата на рупорния възбудител е паралелен на оста у, в съответствие с теорията на електромагнитното поле [] при дебелина на насочващия елемент по протежение на насочващия елемент ще се разпространява вълна Е0 (фиг. 14, а), не притежаваща критическа дължина на вълната. Амплитудата на полето експоненциално намалява по оста у (фиг. 14, б). Вълната Е0 е забавена електромагнитна вълна, характеризира се с компоненти Еу и Еz и фазова скорост vф по оста z, която се определя от уравнението
(7) .



а) (б)

Фиг. 14. Структурата на вълната Е0 (а); намаляваща компонента Еу по оста у (б).

Фиг. 15. Диаграма на насоченост на антената с повърхностна вълна в Е – плоскост.

При kh  0, . Ако kh нараства , то . По такъв начин се намира в границите . Като се пренебрегне излъчването от страничните стени и ръба на насочващия елемент, може да се приеме, че той има апертура с размери L и а (а е широката стена на възбуждащия рупор). По оста z фазата се изменя по закона на бягаща вълна, а амплитудата е неизменна (в случай, че загубите в диелектрика и подложката са малки). Диаграмата на насоченост в плоскостта yz (Е - плоскост) зависи само от надлъжния размер L и съгласно теоремата на умножение се определя по формулата

(8) .

Множителят на системата се изчислява по формула (5), а диаграмата на насоченост на единичния излъчвател съответства на диаграмата на насоченост на излъчвателя на Хюгенс, разположен в апертурата на антената. Може да се докаже, че диаграмата на насоченост на излъчвателя на Хюгенс се определя от израза

(9) .

Тъй като максимумите на функциите и се наблюдават при ъгли  = 900 и =00, главният лист на диаграмата на насоченост е отклонен от подложката на определен ъгъл, който е толкова по-малък, колкото са по-големи параметрите и . Типичната диаграма на насоченост е представена на фиг. 15. Оптималната дължина на антената се определя от израза

(10) .



Плоска линейна антена с ребрист насочващ елемент е показан на фиг. 13, б. Основната повърхностна вълна Е0 (фиг. 14, а) се поддържа от забавяща ребриста структура. Условието за съществуване на тази вълна има вида , където l е периодът на структурата. Вълната Е0 се разпространява по оста z перпендикулярно на ребрата с фазова скорост, приблизително определяща се от израза

(11) ,

където h и d са съответно дълбочината и ширината на канавките.

При увеличаване на дълбочината на канавките vф намалява и при h = /4 се получава vф = 0, което означава сриване на повърхностната вълна. Детайлният анализ показва, че отношението h /, при което произтича сриване на излъчването, зависи от гъстотата на структурата, т.е. от отношението h /l. Изчислителните зависимости на 1/, където е коефициент на забавяне, от отношението h / са приведени на фиг. 16. Прекъсването на кривите съответства на сриване на вълната Е0.





Фиг. 16. Зависимост на величината 1/ от параметрите на ребристата структура.



Фиг. 17. Зависимост на 1/ от отношението d/ и  за вълната НЕ11.

При известна стойност на коефициента на забавяне изчислението на диаграмата на насоченост на антената с ребриста структура е такова, както при антената с диелектричен насочващ елемент.

Стебловидна диелектрична антена (фиг. 13, в) се състои от плътно диелектрическо стебло, възбуждано от отрязък от вълновод. При дължина на вълната  > 10 cm захранването на антената се осъществява с коаксиален фидер. Като първичен възбудител служи несиметричен вибратор, поместен в накъсо затворен от едната страна отрязък от вълновод. Дължината на вибратора и неговото разположение се избира в съответствие с условието за съгласуване с фидера. При  < 10 cm за захранване на антената се използва вълновод. При изчисление на параметрите на антената се допуска, че по дължината на стеблото се разпространяват такива вълни както и по направление на диелектричен вълновод с безкрайна дължина. При указания начин на възбуждане в диелектричното стебло може да съществува основна несиметрична вълна от типа НЕ11. Част от енергията на тази повърхностна вълна се пренася от стеблото, а друга част – от пространството, обкръжаващо стеблото. Фазовата скорост на вълната зависи от  и от отношението d/, където d е диаметърът на стеблото. От фиг. 17 се вижда, че с намаляване на d/ фазовата скорост се приближава до скоростта на светлината. За всяко значение на  съществува такава величина , при която тези скорости практически са равни. Диаметърът на стеблото на неговия край се избира равен на dmin, което осигурява в стеблото режим на бягаща вълна, а следователно, осево излъчване на антената.

За не изкривено формиране на диаграмата на насоченост е важно по стеблото да не се разпространяват висши типове вълни. За тази цел диаметърът на стеблото не трябва да бъде по-голямо от . Като правило диаметърът на стеблото при неговото начало се избира равно на .

При изчисление на полето на излъчване коническото стебло се заменя с цилиндрично с диаметър .Като излъчваща апертура на антената се приема повърхността на стеблото. Тъй като допирателните към нея компоненти на полето са известни от решението на уравненията на Максуел за безкрайно дълъг вълновод, то може да се определи полето на излъчване на стебло с крайна дължина. Приемайки, че антената е система с осево излъчване, диаграмата на насоченост може да се определи от израза . Множителят на системата се изчислява по формула (5), а диаграмите на единичните излъчватели, каквито представляват пръстеновидни участъци от повърхността на стеблото – по формулите

(12) ,

(13) ,

съответно за Е - и Н – плоскости. Ъгълът  се отчита от оста на стеблото. Обикновено L >> а, като формата на диаграмата на насоченост основно се определя от множителя на системата. Оптималната дължина на стеблото се определя по формулата , а коефициентът на насочено действие – по формулата КНД  7.2 L/. С едно-стебловидна антена може да се получи широчина на диаграмата на насоченост не по-тясна от 15-200. За получаване на по-тесни диаграми на насоченост се използват решетки от стебловидни излъчватели.



Ребристо-стебловидната антена е метална и се състои от дискове, закрепени на стебло (фиг. 13, г). Вълна от типа НЕ11 се възбужда от рупор или симетричен вибратор с дисков рефлектор. Изчисляването на диаграмата на насоченост се извършва така както за диелектрическата стебловидна антена. Ребристо-стебловидната антена може да се разглежда като дискретна антена с дискови вибратори. Тъй като дисковете са с крайни размери, то антената е диапазонна по насочващи свойства. Нейната диапазонност по съгласуване със захранващата линия зависи от типа на възбудителя.

Дисковата антена (фиг. 13, д) е ненасочена в плоскостта на диска и насочена в плоскостите, съдържащи оста на диска. Цилиндричната повърхностна вълна се разпространява от възбудителя към периферията на диска. Дебелината на диелектричния или ребристия насочващ елемент намалява към периферията на диска за съгласуване с пространството, при което отсъстват отражения от края на насочващия елемент. Антената интензивно излъчва в направление на движение на вълната, като диаграмата на насоченост има вид на тороид. За изчисление на диаграмата на насоченост предварително се определя коефициентът на забавяне на вълната, след което се изчислява полето на излъчване на кръглата апертура с бягаща вълна.

Антените с повърхностни вълни основно се използват на сантиметрови и отчасти на дециметрови вълни. Ребристо-стебловидните антени се използват и на метрови вълни. Особеност на антените с повърхностни вълни е малката дебелина на насочващия елемент, което позволява да се използват като скрити корпусни антени, например за летателни апарати. Стебловидните антени се използват също така като облъчватели на огледалните антени. Недостатък на антените с повърхностни вълни е високото ниво на страничните листа на диаграмата на насоченост и загубите в диелектричния насочващ елемент.








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