Излучение возбужденных поверхностей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Излучение возбуждённых поверхностей

Содержание

1. Апертурная антенна

1.1 Рупорные антенны

1.2 Линзовая антенны

1.3 Зеркальные параболические антенны

1. Апертурная антенна

Апертурная антенна - антенна, излучающая с раскрыва. Примерами таких антенн являются рупорные, зеркальные, линзовые и другие типы антенн.

Их конструкции и принцип действия аналогичны соответствующим акустическим и оптическим системам. Применяют апертурные антенны от волн короче 1 м вплоть до субмиллиметровых волн. Столь малые длины волн позволяют сконструировать антенны, размеры которых много больше длины волны, и создать остронаправленные антенны сравнительно небольших размеров.

1.1 Рупорные антенны

Рупорные антенны - один из основных видов антенн сантиметрового диапазона волн. Простота конструкции, удобство выполнения расчетов при хорошем совпадении теории и эксперимента, отсутствие потерь в тракте питания - вот те преимущества, которые позволяют использовать данный тип антенн для различных практических целей и применять их в качестве эталонных для проведения различных измерений. Единственным недостатком рупорной антенны является ее большая длина. Уменьшить длину рупора можно за счет помещения в ее раскрыв (апертуру) диэлектрической линзы, выравнивающей распределение фазы. Равномерность фазы может быть осуществлено как при использовании однородного диэлектрика за счет изменения его толщины, так и за счет использования неоднородных сред.

Рупорная антенна представляет собой участок волновода переменного (расширяющегося) сечения с открытым излучающим концом. Как правило, рупорную антенну возбуждают волноводом, присоединенным к узкому концу рупора. По форме рупора различают E-секториальные, H-секториальные, пирамидальные и конические рупорные антенны.

Рупорные антенны очень широкополосны и весьма хорошо согласуются с питающей линией -- фактически, полоса антенны определяется свойствами возбуждающего волновода. Для этих антенн характерен малый уровень задних лепестков диаграммы направленности (до -40 dB) из-за того, что мало затекание ВЧ-токов на теневую сторону рупора. Рупорные антенны с небольшим усилением просты конструктивно, но достижение большого (>25 dB) усиления требуют применения выравнивающих фазу волны устройств (линз или зеркал) в раскрыве рупора. Без подобных устройств антенну приходится делать непрактично длинной.

Применение:

Рупорные антенны применяют как самостоятельно, так и в качестве облучателей зеркальных и других антенн. Рупорную антенну, конструктивно совмещенную с параболическим отражателем, часто называют рупорно-параболической антенной. Рупорные антенны с небольшим усилением из-за удачного набора свойств и хорошей повторяемости часто используются в качестве измерительных.

Рис. 1 Пирамидальная рупорная антенна

Усиление рупорной антенны определяется площадью её раскрыва и может быть рассчитано по формуле:

,

где -- площадь раскрыва рупора, -- КИП (коэффициент использования поверхности рупора), равный 0.6 для случая, когда разность хода центрального и перифирийного лучей менее, но близка к р / 2, и 0.8 при применении выравнивающих фазу волны устройств.

Ширина главного лепестка ДНА по нулевому излучению в плоскости H:

Ширина главного лепестка ДНА по нулевому излучению в плоскости E:

Так как При равенстве L_E и L_H ДНА в плоскости Н получается в 1.5 раза шире, часто, для получения одинаковой ширины лепестка в обоих плоскостях, выбирают

Для удержания фазовых искажений в раскрыве рупора в допустимых пределах (не более ) необходимо, чтобы выполнялось условие (для пирамидального рупора):

,

где и -- высоты граней пирамиды, образующей рупор.

Элементарным излучателем в них является, как уже отмечалось, элемент Гюйгенса. На рис.1 показана зеркальная антенна с раскрывом S и элементарный излучатель dS. Форму элементарного излучателя можно задать либо в прямоугольных координатах X,Y, либо в полярных в зависимости от формы раскрыва. От этого будет зависеть сложность математических преобразований при определении параметров антенны.

1.2 Линзовая антенны

Линзовая антенна это антенна, диаграмма направленности которой формируется за счёт разности фазовых скоростей. Фазовая скорость, скорость перемещения фазы гармонической волны. Фазовая скорость с выражается через частоту f и длину. Понятие Фазовая скорость можно применять, если гармоническая волна распространяется без изменения формы. Это условие всегда выполняется в линейных средах распространения электромагнитной волны в воздухе и в материале линзы. Линзовая антенна (рис.2) применяется в радиолокационных и измерительных устройствах, работающих в диапазоне сантиметровых волн. Линзовая антенна состоит из собственно линзы и облучателя. Форма линзы зависит от коэффициента преломления n (отношения фазовых скоростей распространения радиоволн в вакууме и линзе). При n > 1 линзовая антенна (как и линза в оптике) называется замедляющей, а при n < 1 -- ускоряющей (последняя не имеет аналогов в оптике). В качестве облучателя линзовой антенны обычно используется рупорная антенна, создающая сферический фронт волны, или антенные решётки, создающие цилиндрический фронт волны.

Рис. 2 Линзовая антенна

Замедляющие линзовые антенны изготавливаются из высококачественных однородных диэлектрических материалов с малыми потерями (полистирол, фторопласт и др.) или из т. н. искусственных диэлектриков.

Последние представляют собой систему металлических частиц различной формы, расположенных в воздухе или в однородном диэлектрике с относительной диэлектрической проницаемостью, близкой к единице. Коэффициент преломления таких искусственных диэлектриков может изменяться в широких пределах при весьма малых потерях. Ускоряющие линзовые антенны выполняются из металлических пластин определённой формы и не имеют аналогов в оптике. Их принцип действия объясняется зависимостью фазовой скорости электромагнитной волны, распространяющейся между параллельными металлическими пластинами, от расстояния между ними, если вектор её электрического поля параллелен пластинам. В этом случае фазовая скорость больше скорости света и коэффициент преломления меньше единицы. Для уменьшения массы и объёма Линзовой антенны применяется зонирование её поверхностей, позволяющее также значительно уменьшить толщину Линзовой антенны. Форма и высота профилей отдельных участков (зон) линзы выбираются так, чтобы электромагнитные волны, преломленные соседними зонами линзы, выходили из неё со сдвигом фаз 360 °; в этом случае поле в раскрыве Линзовой антенны остаётся синфазным.

В апланатических Линзовых антеннах и Люнеберга линзе возможно управление диаграммой направленности (сканирование) без существенного искажения формы диаграммы направленности.

1.3 Зеркальные антенны

Осесимметричные параболические зеркальные антенны часто возбуждаются полуволновым вибратором с рефлектором или пирамидальным рупором, фазовые центры которых должны находиться в фокусе параболоида (рис. 3).

Рис. 3 Зеркальная апертурная антенна

Если облучатель создает сферическую волну, то за счет свойств параболоида сферическая волна преобразуется на выходе апертуры в плоскую. Относительно широкая ДН облучателя - в узкую ДН зеркальной антенны. Уравнение профиля осесимметричного параболического зеркала в декартовой системе координат определяется формулой:

,

где R - расстояние из фокуса до произвольной точки на поверхности зеркала, Ш - угол между осью зеркала и направлением из фокуса в произвольную точку на поверхности зеркала, - фокусное расстояние (расстояние от вершины зеркала до фокуса).

Апертурная антенна представляет собой некоторую излучающую поверхность (раскрыв или апертуру - рис. 5.4). Примеры таких антенн: зеркальные, линзовые, волноводные, рупорные антенны. Пусть, например, раскрыв имеет круглую форму и расположен в системе координат X,Y,Z - рис.5.4. На раскрыве каким-то образом, например с помощью рупора, (показан пунктиром) создано , где - амплитуда поля, - начальная фаза. Элементарным излучателем такой антенны является бесконечно малый элемент поверхности . Так как <<, поле в пределах элемента можно считать неизменным по амплитуде и фазе. Такой элементарный излучатель называется элементом Гюйгенса.

Пусть элемент создает в пространстве поле . Тогда полное поле всего раскрыва будет равно сумме поле всех элементарных излучателей:

(1)

Таким образом, для того чтобы определить поле антенны с помощью принципа суперпозиции (воспользоваться формулой 1), необходимо определить поле элементарных излучателей , а затем, зная распределение поля или тока в элементах антенны, определить полное поле путем интегрирования по длине или по излучаемой поверхности антенны.

Рис. 4 Система координат круглой апертурной антенны

Амплитудное распределение возбуждения (АР) - это распределение амплитуд токов, напряжений или полей, возбуждаемых отдельные элементарные излучатели, и обозначается символом А(Q). Под Q понимаются координаты точки на антенне, определяющие положение произвольного элементарного излучателя. Координаты излучателя могут быть заданы в полярной, сферической или прямоугольной системах координат. Для ранее рассмотренных примеров применения принципа суперпозиции амплитудное распределение определяется выражениями:

- проволочная антенна - (рис. 4)

(2)

где и распределение амплитуд тока по длине проводника и максимальное значение амплитуды.

- щелевая антенна (рис. 5.5)

(3)

где , - распределение амплитуд напряжения между кромками щели по длине щели и максимальное значение амплитуды.

Рис. 5 Проволочная антенна

Рис. 6 Щелевая антенна

- Апертурная антенна (рис. 6)

(4)

где , - распределение амплитуд напряженности электрического поля по апертуре и максимальное значение амплитуды.

Фазовое распределение возбуждения (ФР) - это зависимость начальной фазы тока, напряжения или поля, возбуждающего элементарный излучатель антенны от координат элемента . Обычно фаза в некотором элементе отсчитывается от фазы элемента, принятого за начальный. Начальным может быть элемент, расположенный на входе антенны, или в ее центре, или на краю в зависимости от типа антенны. От выбора положения начального элемента зависит сложность аналитического решения задачи по определению поля в дальней зоне, но не зависят характеристики и параметры антенны.

Литература

антенна рупорный линзовый вибратор

1. http://www.pois.ru/ant.htm (дата обращения 26.02.2010).

2. Ерохин Г.А., Чернышев О.В., Козырев Н.Д., Кочержевский В.Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. М. Радио и связь. 1996. 486 с.

Размещено на Allbest.ru