Положим, что в центре сферы произвольного радиуса r находится элементарный вибратор, совпадающий с осью Оz (рис. 2).

Плоскость проходящая через центр сферы перпендикулярно к оси Оz, называется экваториальной плоскостью, а плоскости, проходящие через ось Оz, называются меридиональными плоскостями.

Электрическое поле элементарного вибратора в зоне, непосредственно прилегающей к вибратору, имеет преимущественно электростатический характер. В [1] показано, что напряжённость электростатического поля одиночного заряда обратно пропорциональна квадрату расстояния. Если же электростатическое поле создаётся диполем, т.е. двумя численно равными и противоположными по знаку зарядами, то напряжённость поля обратно пропорциональна кубу расстояния. Магнитное поле в ближней зоне имеет преимущественно характер поля индукции, а поэтому его напряжённость обратно пропорциональна квадрату расстояния.

Рис. 2. Поле элементарного вибратора

В зоне, удаленной от вибратора на расстояние, значительно большее длины волны, имеется только поле излучения. В этой зоне, представляющей наибольший практический интерес, соблюдается обратная пропорциональность в первой степени между напряжённостью электрического и магнитного полей и расстоянием. Докажем это положение.

При исследовании электромагнитного поля вибратора предполагается, что распространение энергии происходит без потерь в свободном воздушном пространстве. Поэтому общий поток электромагнитной энергии сохраняется постоянным при любом радиусе сферы, но так как её поверхность А=4пr², то плотность потока мощности, учитываемая вектором Умова - Пойтинга S, обратно пропорциональна квадрату расстояния S=1/ r^2.

С другой стороны

Ш Линейные решётки излучателей с частотным сканированием.

Частотное управление лучом антенны является одним из способов электрического управления и основано на изменении электрического расстояния между излучателями, возбуждаемыми бегущей волной, при изменении частоты генератора. При этом способе управления лучом для осуществления обзора пространства в достаточно большом секторе требуется генератор с электрической перестройкой частоты в широком диапазоне.

В антеннах СВЧ с частотным управлением лучом излучатели, как правило, расположены непосредственно на возбуждающей системе. На рис. 1.3 показаны линейные решётки излучателей, прорезанные на одной из стенок прямоугольного волновода. Для получения управляемой карандашной диаграммы направленности необходима двумерная решётка излучателей. Подобную решётку можно создать из линейных решёток, расположенных определённым образом на заданной поверхности.

Волноводно-щелевые линейные решётки излучателей а-с продольными щелями на широкой стенке; б-с наклонными щелями в узкой стенке; в-согласующая нагрузка:

а) б) в)

Рис. 3

Ш Коммутационный способ сканирования

Управление положением луча остронаправленной антенной решетки осуществляется изменением фазовых соотношений между токами в излучающих элементах. Для этой цели может быть использована система фазовращателей, включенных в фидерную систему, возбуждающую излучатели.

Основными недостатками электрически управляемых антенн с фазовращателями, обеспечивающими непрерывное изменение фазы электромагнитных колебаний (ферритовыми, полупроводниковыми, сегнетоэлектрическими и т.д.), являются нестабильность (особенно температурная) и неидентичность отражений от фазовращателей, сложность управляющих схем и высокие требования к стабильности источников питания фазовращателей. Эти недостатки имеются и в системах дискретного управления, когда на характеристике фазовращателей с непрерывным изменением фазы используется ряд отдельных рабочих точек.

Указанные недостатки в значительной мере устраняются при коммутационном методе управления диаграммой направленности, предложенном проф. Л.Н. Дерюгиным в 1960 г. Сущность коммутационного метода состоит в отказе от проходных фазовращателей с непрерывным изменением фазы и использовании коммутаторов и коммутационных фазовращателей, на выходе которых фаза электромагнитных колебаний принимает определенные фиксированные значения. Управление лучом антенны сводится в этом случае к простейшим операциям включения и выключения излучателей или ветвей фидерной системы.

Стабильность коммутационных антенн определяется тем, что управляющие фазой элементы (полупроводники, ферриты, сегнетоэлектрики) работают в режиме, при котором используются только две крайние области их характеристик.

Кроме того, коммутационные антенны могут иметь более простое управляющее устройство, чем обычная антенна с параллельной схемой включения непрерывных фазовращателей. Последнее связано с тем, что положение луча в пространстве определяется не величиной управляющего напряжения, разной для различных фазовращателей антенны, а лишь наличием его на тех или иных коммутаторах.

Однако коммутационные антенны имеют и ряд недостатков, важнейшим из которых является наличие фазовых ошибок, определяемых тем, что фазы возбуждения излучателей меняются скачком и могут принимать только определенные значения. Это влечет за собой снижение к.н.д. антенны, увеличение уровня бокового излучения и скачкообразное перемещение луча.

Среди различных способов построения коммутационных антенн можно выделить два наиболее характерных.

При первом способе каждый излучатель имеет определенный набор фаз, из которого производится выбор нужной фазы путем переключения коммутационного фазовращателя.

При втором способе на каждом участке антенны длиной в /2 размещается несколько излучателей, питаемых с различными фазами, и осуществляется их выборочное включение. Далее будут изложены некоторые аспекты расчета коммутационных антенн первого типа, поскольку реализация антенн с коммутируемыми излучателями встречает серьезные трудности, связанные с необходимостью размещения на малом участке антенны большого числа излучающих элементов и созданием значительного замедления фазовой скорости электромагнитных волн в фидере, возбуждающем излучатели.

Одним из простейших типов коммутационных решёток является решётка, составленная из отражательных фазовращателей и облучаемая первичным облучателем.

Коммутационная отражательная решётка: 1-рупорный облучатель; 2-отражательная решётка.

На рис. 5 показана коммутационная решётка квазиоптического типа с проходными фазовращателями на волноводных мостах. Облучателем решётки в данном случае является секториальный рупор.

Рис. 4

Коммутационная решётка с фазовращателеми на волноводных мостах и распределителем в виде свёрнутого рупора:

1-отражательные фазовращатели; 2-волноводные мосты; 3-свёрнутый рупор.

Рис. 5

Ш Рупорные антенны

Волноводно-рупорные антенны являются простейшими антеннами сантиметрового диапазона волн.

Они могут формировать диаграммы направленности шириной от 100 - 140⁰ (при раскрыве специальной формы) до 10 - 20⁰ в пирамидальных рупорах. Возможность дальнейшего сужения диаграммы рупоров ограничивается необходимостью резкого увеличения его длины.

Волноводно-рупорные антенны являются широкополосными устройствами и обеспечивают примерно полуторное перекрытие по диапазону. Возможность изменения рабочей частоты в ещё больших пределах ограничивается возбуждением и распространением высших типов волн в питающих волноводах. Коэффициент полезного действия рупора высокий (около 100%). Рупорные антенны просты в изготовлении. Сравнительно небольшое усложнение (включение в волноводный тракт фазирующей секции) обеспечивает создание поля с круговой поляризацией.

Недостатками рупорных антенн являются:

1. громоздкость конструкции, ограничивающая возможность получения узких диаграмм направленности;

2. трудности в регулировании амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве, которые ограничивают возможность снижения уровня боковых лепестков и создания диаграмм направленности специальной формы.

Рупорные излучатели могут применяться как самостоятельные антенны или, так же как и открытые концы волноводов, в качестве элементов более сложных антенных устройств. Как самостоятельные антенны рупоры используются в радиорелейных линиях, в станциях метеослужбы, весьма широко в радиоизмерительной аппаратуре, а так же в некоторых станциях специального назначения. Широко используется небольшие рупоры и открытые концы волноводов в качестве облучателей параболических зеркал и линз. Облучатели в виде линейки рупоров или открытых концов волноводов могут быть использованы для формирования диаграмм направленности специальной формы, управляемых диаграмм или, например, при использовании одного и того же параболоида для создания карандашной и косекансной диаграммы направленности. Четырёх рупорный или восьмирупорный излучатель может применяться при моноимпульсном способе пеленгации. С этой же целью могут быть использованы секториальные рупоры с высшими типами волн (Н₁₀, Н₂₀, Н₃₀). Для формирования узких диаграмм направленности могут быть использованы двумерные решётки, составленные из открытых концов волноводов или небольших рупоров. Возможно построение плоских или выпуклых фазированных решёток.

Ш Диэлектрические стержневые антенны.

Диэлектрические стержневые антенны относятся к антеннам бегущей волны с замедленной фазовой скоростью. Они применяются на границе сантиметрового и дециметрового диапазонов волн в полосе частот от 2 до 10 Ггц.

На рис. 6 приведена наиболее типичная схема диэлектрической стержневой антенны. Она представляет собой диэлектрический стержень1, возбуждаемый круглым волноводом 2 с возбудителем 3 и питающим фидером 4. В зависимости от требований, предъявляемых к антенне, поперечное сечение стержня, возбудитель и его питание могут изменяться. Наиболее часто используются цилиндрические и конические стержни.

Диэлектрическая стержневые антенна: 1-диэлектрический стержень; 2-возбуждающее устройство; 3-возбудитель; 4-питающий фидер.

Рис. 6

Ш Спиральные антенны.

Спиральные антенны относятся к классу антенн бегущей волны. Они представляют собой металлическую спираль, питаемую коаксиальной линией. Существуют цилиндрические, конические и плоские спиральные антенны.

Примеры практического использования спиральных антенн приведены на фото. На первой фотографии показана часть советской космической станции «Венера» с установленной на ней логарифмической двухзаходной спиральной антенной, намотанной из плоской металлической ленты на диэлектрическом каркасе. На второй фотографии показана антенна наземной станции космической связи, представляющая собой решётку из четырёх цилиндрических спиральных антенн.

Размещено на Allbest.ru