ПРИМЕНЕНИЕ ПРИНЦИПА СУПЕРПОЗИЦИИ К РАСЧЕТУ ПОЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ АНТЕНН

Лекция 2

2.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫАНТЕНН. Основные электрические параметры передающих антенн.

2.2. РАСЧЕТ ПОЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ АНТЕНН. Применение принципа суперпозиции к расчету поля излучения антенн. Особенности расчета поля в дальней зоне антенны.

Классификация антенн

1. Антенна бегущей волны
2. Волновой канал
3. Диэлектрическая антенна
4. Зеркальные антенны

4.1. Зеркальная апланатическая антенна

4.2. Параболическая антенна

4.3. Антенна Коссегрен

4.4. Рупорная антенна

4.5. Перескопическая антенна

1. Линзовая антенна
2. Магнитная антенна

6.1. Ферритовая антенна

1. Мачта-антенна
2. Антенна поверхностной волны
3. Рамочная антенна
4. Ромбическая антенна
5. Синфазная антенна
6. Спиральная антенна 14
7. Телевизионная антенн 14
8. Телескопическая антенна
9. Турникетная антенн 15
10. Штыревая антенна 15
11. ФАР

Основные характеристики и параметры антенн. У большинства передающих антенн интенсивность излучения зависит от направления или, как говорят, А. обладает направленностью излучения. Это свойство антенны графически изображается диаграммой направленности, показывающей зависимость от направления напряжённости электрического поля излученной волны (измеренной на большом и одинаковом расстоянии от А.). Направленность излучения А. приводит к повышению напряжённости поля волны в направлении максимального излучения и таким образом создаёт эффект, эквивалентный эффекту, вызываемому увеличением излучаемой мощности. Для количественной оценки эквивалентного выигрыша в излучаемой мощности введено понятие коэффициента направленного действия (КНД), показывающего, во сколько раз нужно увеличить мощность излучения при замене данной реальной А. гипотетической ненаправленной А.(изотропным излучателем), чтобы напряжённость электромагнитного поля осталась неизменной. Не вся подводимая к А. мощность излучается. Часть мощности теряется в проводах и изоляторах А., а также в окружающей А. среде (земле, поддерживающих А. конструкциях и др.). Отношение излучаемой мощности ко всей подводимой называется к.п.д. А. Произведение КНД на к.п.д. называется коэффициентом усилени я (КУ) А.

Приёмная А. также характеризуется формой диаграммы направленности, КНД, к.п.д. и КУ. Её диаграмма направленности изображает зависимость э. д. с., создаваемой А. на входе приёмника, от направления прихода волны. При этом предполагается, что напряжённость поля в точке приёма не зависит от направления прихода волны. КНД показывает, во сколько раз вводимая А. во входную цепь приёмника мощность при приходе волны с направления максимального приёма больше среднего (по всем направлениям) значения мощности, при условии, что напряжённость поля не зависит от направления прихода волны. КНД приёмной А. характеризует её пространственную избирательность, определяющую возможность выделения принимаемого сигнала на фоне помех, создаваемых радиосигналами, идущими с разных направлений и порождаемых различными источниками. Под к.п.д приёмной А. подразумевают к.п.д. этой же А. при использовании её для передачи. КУ приёмной А. определяется как произведение КНД на кпд. Форма диаграмм направленности, КНД и КУ любой А. одинаковы в режиме передачи и в режиме приёма. Это свойство взаимности процессов передачи и приёма позволяет ограничиться описанием характеристик А. только в режиме передачи.

Теория и методы построения А. базируются на теории излучения элементарного электрического вибратора, опубликованной Г. Герцем в 1889. Под элементарным электрическим вибратором подразумевают проводник, длиной во много раз меньшей длины излучаемой волны λ, обтекаемый током высокой частоты с одинаковой амплитудой и фазой на всей его длине. Его диаграмма направленности в плоскости, проходящей через ось, имеет вид восьмёрки. В плоскости, перпендикулярной оси, направленность излучения отсутствует, и диаграмма имеет форму круга. КНД элементарного вибратора равен 1,5. Примером практического выполнения элементарного вибратора является вибратор Герца. Любая А. может рассматриваться как совокупность большого числа элементарных вибраторов.

РАСЧЕТ ПОЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ АНТЕНН

ПРИМЕНЕНИЕ ПРИНЦИПА СУПЕРПОЗИЦИИ К РАСЧЕТУ ПОЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ АНТЕНН

Свойства антенн при­нято изучать главным образом в передающем режиме, поскольку характеристики антенн в приемном режиме наиболее просто мо­гут быть определены через характеристики тех же устройств в передающем режиме с помощью принципа взаимности.

Изучение свойств передающих антенн начнем с определения электромагнитного поля, созданного произвольной антенной, на­ходящейся в свободном пространстве, при условии, что для этой антенны решена так называемая внутренняя задача. Для металлических антенн, это означает, что распределение электрических токов – источников электромагнитного поля – известно во всех точках антенны.

Наиболее просто и наглядно поле таких антенн рассчитывается с использованием принци­па суперпозиции. Ввиду линейности уравнений Максвелла проволочную антенну длиной можно разбить на элементарные участки , каждый из которых при малой толщине провода можно рас­сматривать как элементарный электрический вибратор (ЭЭВ), и далее найти результирующее поле путем суммирования всех эле­ментарных полей с учетом их поляризации, амплитуд и фаз.

В локальной сферической системе координат r', q', j', связанной с элементом и декартовой системой x', у', z', ось z' которой совпа­дает с осью элементарного вибратора (рис. 1.1), комплексная амплитуда напряженности электрического поля имеет вид , (1.1) где – линейная координата, отсчитываемая вдоль провода и характеризующая положение рассматриваемого элемента; – комплексная амплитуда тока в выделенном элементе; – длина ЭЭВ; ; l – длина волны в свободном пространстве; – характеристическое сопротивление среды; – орт сферической системы координат.

Рис 1.1 – К расчету поля антенны

В (1.1) и далее индекс т в обо­значении комплексной амплитуды опущен. Выражение (1.1) спра­ведливо в дальней зоне выделенного элемента, т. е. при условии r' » l (реально, достаточно условия r' > 1,5 l, при этом погрешность по амплитуде не превосходит 1%). Напряженность магнитного поля в дальней зоне ЭЭВ связана с (1.1) выражением

(1.2)

где – орт сферической системы координат. Результирующее поле определяется путем геометрического суммирования (интег­рирования) полей всех элементарных участков:

, . (1.3)

Принцип суперпозиции используется при расчете поля излуче­ния и магнитных токов, каждый из элементарных участков кото­рых можно рассматривать как излучение элементарных магнит­ных вибраторов (ЭМВ). Хотя магнитные токи в природе не су­ществуют, их формальное ведение оказывается чрезвычайно по­лезным при анализе, например, антенн, выполненных в виде длин­ной узкой щели в металлическом экране.

В ряде случаев, когда распределение тока по антенне либо не­известно, либо слишком сложно, однако из каких-либо априорных соображений известно распределение поля вблизи антенны (например, для апертурных антенн, в частнос­ти для антенн параболического типа), найти излучаемое антенной поле можно с помощью принципа эквивалентности. Согласно этому принципу излучение реальных электрических токов заменя­ется излучением эквивалентных поверхностных электрических и магнитных токов, распределенных в точках воображаемой произвольной поверхности S, окружающей антенну. Плотность этих токов

, , (1.5)

где n ₀ – единичная нормаль к поверхности S, внешняя по отно­шению к области, занятой антенной; , – поле в точках на поверхности S.

Разобьем поверхность S на элементарные пло­щадки dS, тогда, рассматривая каждую площадку как совокупность двух элементарных излучателей – электрического и магнитного, можно найти полное поле во внешней области, суммируя поля, созданные отдельными элементами. Обычно учитывают токи толь­ко на части замкнутой поверхности S, где они наиболее сущест­венны, причем эту часть поверхности выбирают совпадающей с фронтом волны, излучаемой антенной. В данном случае каждую элементарную площадку можно рассматривать как элемент вол­нового фронта – элемент Гюйгенса, электрическое поле которого и локальной системе координат r', q', j', связанной с декартовой системой x', у', z', ось z' которой совпадает с внешней нормалью (см. рис. 1.2), при r' «l можно представить в виде

, (1.6)

Рис 1.2 – К расчету поля элемента Гюйгенса

, (1.7) . (1.8)