УчПос 1_Дианов ДБ
.pdf621390
Д44
УДК621,396.677.681.833.8
Учебноепособиепокурсу"Системынаправленногоизлу ченияиприемазвука”предназначенодлястудентов, обучающих сяпоспециальности0610 - "Электроакустикаиультразвуко ваятехника". Пособиепосвященоопределениюосновныххарак теристикнаправленныхсвойствакустическихустройствитео риинаправленностилинейных (дискретныхинепрерывных) акус тическихантенн.
Рецензенты: кафедраморскихинформационно-измерительных системЛенинградскогоорденаЛенинакораб лестроительногоинститута; канд.техн.наук В.Г.Прохоров. -
Учебноепособиеутвервденокизданиюредакционно-лз- дательскимсоветомЛЭТИ4 ноября1980 г. .
@ ИЮ ЛЭТИ, 1981 г.
ВВЕДЕНИЕ
. Современнаяакустика, атакжеобластинаукиитехники, применяющиеееметодыясредства, немыслимыбезиспользова нияяряемно-излучающихустройств. Акустическиеприемно-излу- чающиеустройстваэтоустройства, преобразующиеакустичес куюэнергиювдругойвидэнергииинаоборот. Этимдругимви домэнергии, какправило, являетсяэлектрическаяэнергия,
Основнымзвеномэтихустройствявляетсяакустическая антенна, представляющаясобойсовокупностьпреобразователей, снабженныхврядеслучаевдополнительнымипассивнымиэлемен тами(рефлекторы, рупоры, экраныидр.). Характернойособен ностьюантеннявляетсяихпространственнаяизбирательность илинаправленность. Большоеразнообразиетребовапйкна правленнымсвойствамантеннобусловилопоявлениеважного разделатеорииантеннтеорииихнаправленногодействия.
Важнейшейхарактеристикойантенны, определяющейеена правленныесвойства, являетсяхарактеристиканаправленности. Характеристиканаправленностиестьнекотораяфункция, опи сывающаяугловоераспределениезвуковогополянадальних расстоянияхотантенны(излучающаяантенна). Врежимеприе махарактеристиканаправленностиописываетзависимостьвели чинысигналанавыходеантеннывфункцииуглападениянанее плоскойзвуковойволны.
Втеориинаправленностиантеннсуцеетвуетдвепостанов кизадачи. Перваяизних, болеепростаякболееиспользуемая внастоящеевремя-это задачаанализа. Оназаключаетсяв определениихарактеристикинаправленностипризаданнойкон фигурацииантенны, т.е. призаданномпространственномраз мещенииэлементов(преобразователей) антенныипризаданном характереихколебаний. Втораяпостановказадачиотносится кпроблемесинтезаиявляетсяобратно’; поотношениюкзада чеанализа. Позаданнойхарактеристикенаправленностиздесь требуетсяопределитьпространственнуюконфигурациюантенны, амплитудуифазыкохебанийееэлементов.
Внастоящемучебномпособиизадачисинтезанерассмат риваются.
- 3 -
Акустическиеантеннымогутклассифицироватьсяпораз личномпризнакам:
-поспособуформированияхарактеристикинаправленности (линейные, поверхностные, объемные);
-порежимуработы(излучающие, приемные);
-потипуиспользуемыхпреобразователей. Внастоящемучебномпособии, помимоопределенияоснов
ныхпонятий, необходимыхдляописаниянаправленныхсвойств акустическихантенн, излагаетсятеорияиметодырасчетали нейных(дискретныхинепрерывных) антенн.
I.ХАРАКТЕРИСТИКАНАПРАВЛЕННОСТИИКОЭФФИЦИЕНТ
-КОНЦЕНТРАЦИИАКУСТИЧЕСКИХАНТЕНН
1.1. Характеристиканаправленностиизлучающейантенны
Основнымпонятиемтеориинаправленногоизлученияипри емаявляетсяхарактеристиканаправленности. Дадимееопреде лениедлярежимаизлучениязвуковыхволн.
Пустьвсреде(жвдкойилигазообразной) имеетсясово купностьколеблющихсятелили,покрайнеймере, одно,тело. Эти теласоздаютзвуковоеполе.Вблизиколеблющихсятелзвуковое полеимеет, какправило, оченьсложнуюструктуру, струдом поддающуюсярасчету. Однаконабольшихрасстоянияхполе приобретаетболееравномерныйхарактер. Поместимначалосфе рическойсистемыкоординат( , 1Г•^ ) где-товблизисис темыколеблющихсятелибудеминтересоватьсязвуковымполем насферическойповерхности 1 = С0и$1 . Помереувеличения радиусаполебудетослабевать, азаконубыванияамплитуды будетвсеболееприближатьсякзаконуамплитудывсферичес койволне.
Описываяполепотенциаломскорости Ч1 , мыможемна писать:
|
|
}кг |
|
|
»(г,1,Ю|.. |
|
ил) |
|
к— ®» |
' |
|
где |
- некотораякомплекснаяфункция, |
характеризую |
щаяугловоераспределениеамплитудыифазыколебаний.
Уточнимтеперь, гдеследуетрасполагатьначалосфери ческойсистемыкоординат. Врядеслучаевможнонайтитакую точкувучасткепространства, занимаемомизлучающимителами, чтофункция| оказываетсявещественной, носпособной изменятьсвойзнакнапротивоположныйприпереходеотодного участкасферическойповерхностикдругой. Такаяточканазы ваетсяфазовымцентромантенны(совокупностиизлучающих тел). Вэтомслучаеначалокоординатжелательнопомещатьв этойточке. Еслифазовыйцентруантенныотсутствует, товы борместоположенияначалакоординатопределяетсяконкретны миусловиямизадачи.
Функция являетсяхарактеристикойнаправлен ностиизлучающейантенны. Онаявляется, какотмеченовше, вобщемслучае, комплекснойфункцией, т.е.
|
|
Н ^ И « 4 )1еПКМ0. |
( 1 . 2) |
|
|
|
|
где |
|
амплитуднаяхарактеристикана |
|
правленности; |
Ш1| ()Г,1|0 - (газоваяхарактеристиканаправ |
||
ленности. |
|
|
|
' |
Наибольшийинтересдляпрактикипредставляетамплитуд |
наяхарактеристиканаправленности. Еечащезаписываютвви денормированнойхарактеристики
|
|
|
кмо |
(1.3) |
|
|
КОЧО- |
|
|
|
|
а д |
|
|
|
|
|
|
|
где |
^ |
- углы, характеризующиенекотороенаправле |
||
ние. |
Еслиантеннаимеетнаправлениепреимущественногоиз |
лучения, тообычно нормировкуосуществляютвэтомнаправ лении. Характеристиканаправленности(1.3) представляетсо бойнекоторуюсложнуюповерхность. Дляграфическогопредс тавленияхарактеристикинаправленностиееобычнорассматри ваетврядесечений. Внекоторыхслучаяххарактеристикана правленностиявляетсяфункциейодногоизуглов. В этихслу чаяхееграфическоепредставлениезначительноупрощается.
Построеннаявполярныхилидекартовыхкоординатах, харак-
_ 4 -
теристлканаправленностиноситназваниедиаграммынаправлен ности. Остановимсянаследующемвопросе: начинаяскакого расстоянияЪ , можносчитатьсоотношение (1.1) выполняю щимсясдостаточнойдляпрактикиточностью?
Дляэтогообратимсяккакой-либопростоймоделиизлу чающейантенны. Вкачестветакойвыберемкруглуюпоршневую диаграммурадиусаЦ, . Изтеорииизвестно, чтополепорш невойдиаграммы, простирающеесядорасстоянияЧ*/А носит оченьсложныйхарактер. Далее, при х ^/А амплитудапо лямонотонноубываетсувеличениемрасстояния, причемзакон убыванияамплитудыасимптотическистремитсякзакону . Примерносрасстояния 0- /А начинаетформироватьсяхарак теристиканаправленности. Результатамирядаисследований доказано, чтовбольшинствепрактическиважныхслучаевдос таточнымрасстояниемдляопределенияхарактеристикинаправ
ленностиявляетсярасстояние X— г~ |
, где ]) - наибольший |
||
|
тт |
|
|
размерантенны. Длярассмотренногопримераэторасстояние |
|||
выражаетсяе виде X |
2* ^а/А * Областьполя, удовлетворяющая |
||
условию X .> |
называетсяобластьюдальнегопо |
||
ля, областьполя, длякоторой 1 < |
^/^,- областьюближнего |
||
поля. |
Вближнемполеиногдавыделяютещезонунеоднородных |
||
волн, |
примыкающуюкповерхностиантенныиимеющуюпростран |
ственнуюпротяженностьпорядкадлиныволны. Вэтойзонесу- . щественнуючастьполясоставляютнеоднородныеволны, рас пространяющиесявдольизлучающейповерхностиибыстроосла бевающиеприудаленииотнее.
Рассмотримпримервычисленияхарактеристикинаправлен ности. Пустьимеетсясистемаиздвухточечных(малыхдо_____
сравнениюсдлинойволны) одинаковыхизлучателей1, г,располо женныхвнеорганическойсреденарасстоянии 4 другот друга (рис.1.1). Амплитудыобъемныхскоростей А будем
считатьодинаковыми, Фазыколебанийтакжеодинаковыми.
' ОкружимисточникисферойрадиусомX сцентромвна чалекоординатиопределимпотенциалскорости, создаваемый этимиизлучателямивточке А, .
Потенциалы, создаваемыеисточниками, можнозаписатьв
_ б-
виде:
]кг |
(}> |
|
|
* . - Ё |
(1.4) |
||
|
|||
|
|
||
45а * ; |
|
|
|
Изрис.1.1 легконайти |
|
|
|
|
|
(1.5) |
Дляопределенияхарактеристикинаправленностинеобхо
димоупроститьвыражение (1.5). Во-первых, допустим, что X » (I . т.е. расстояниедоточки А^ значительнобольше размеровантенны. Этодопущениевсегдапринимаетсяприрас четехарактеристикнаправленности. Тогдаформулу(1.5) мож нопредставитьввиде:
V г |
< |
Ас-.вг_ |
.1+{ ( г / ~ 4 т!Г"т(г) 4(г ) |
||
г |
- |
( 1 . 6 ) |
|
4 |
|
Найдемусловие, |
когдаможнопренебречьвторымичетвертым |
членамив(1.6). Потребуем, чтобыфазовыйнабег, обуслов
ленныйвторымичетвертымчленами, |
былбызначительно |
||
меньше51 |
. Имеем кх -|г(&1г)Ь (1- ад1V) « ^ , откуда |
||
получаем X |
» |
Посколькуправаячастьнера |
|
венствадостигаетмаксимумапри V |
= 0, искомымусловием |
||
будет1 >;> |
|
, т.е. точка А| |
должнабытьрасположена |
вдальнемполе. |
Тогд: разложение (1.6) принимаетвид: |
||
|
|
х - ( Ь т Х |
(1.7) |
|
|
- 7 - |
|
Посколькумыдопустилиусловие X » |
(1 , торазличиемв |
||
амплитудахпотенциалов, создаваемыхкавдымизисточниковв |
|
||
точкеприема, можнопренебречьив(1.4) |
считатьУ\ — 4% |
• |
|
Тогда, используя(1.4) и(1.7), можнонаписатьвыражение |
|
||
дляпотенциала, |
создаваемогоисточникамивдальнемполе: |
|
|
ад - ЧД1)* »,(*) - ■ & |
у•,~<А> Vл ’ |
у |
|
|
|
||
которое, послепреобразованийможетбытьзаписановвиде: |
|
||
|
ед-в* |
н-8> |
|
где в - г Ае3 |
■ |
|
|
Отмстим, чтодопущения, сделанныепривыводеформулы (1.7), привеликтому, чтопри суммированиипотенциалов и 1?г вдальнемполелучи, исходящиеазисточников, вынуж денысчитатьсяпараллельными. Действительно, различиевфа захколебаний, приходящихвточкуА, отпервогоивторого источников, составляет ксЬиг& . Каклегковидетьиз рис.1.1, величина с1ыа1Г естьгеометрическаяразностьхода междулучом, исходящимизпервогоисточника, ипараллельным емулучом(штриховаялиния), исходящимизвторогоисточника. В действительностилучипересекаютсявточкеприема. Такой результатмыполучилииз-запренебреженияквадратичными членамив(1.6). Учеткзадратичныхчленовв(1.6) сильно затрудняетрешениезадачпоопределениюхарактеристикнап равленностиидляобластидальнегополядастнебольшуюпо
правку.
Формула(1.9) включаетвсебякакамплитудную, таки фазовуюхарактеристикинаправленности. Фазоваяхарактерис
тикаопределяетсямножителем& 1 /А |
, атакже |
|
5Ц^П |
, посколькумножительскосинусомизменя |
етзнаквзависимостиотГ . Тотфакт, чтоиз-запервого множителяфазоваяхарактеристиканаправленностиизменяется взависимостиотугла Г плавно, можетговоритьотом, что этаантеннанеимеетфазовогоцентра, либовыбранныйее центрнесовпадаетсфазовым. Вданномслучаесправедливо последнее. Фазовыйцентррассматриваемойантеннынаходится
посерединерасстояниямеждуисточниками. Еслиначалокоорди натпоместитьпосерединерасстояниямевдуисточниками, то расчет, аналогичныйпроделанному, приведеттакжекформуле (1.9) стемлишьотличием, чтобудетотсутствоватьмножи тель И Т 5* * .
Нормированнаяамплитуднаяхарактеристикарассмотренной
моделиантеннывыражаетсяформулой: |
|
||
то |
С05 |
(хьтГ)! |
( 1 . 10) |
|
|
|
1.2. Коэффициентконцентрации
Коэффициентконцентрацииявляетсяважнейшейхарактерис тикой, отображающейнаправленныесвойстваантенны.
Коэффициентомконцентрацииназываетсяотношениеполной мощности, отдаваемойвсредуненаправленнойантенной, к полноймощности, отдаваемойвсредунаправленнойантенной, приусловии, чтовточкахдальнегополя, находящихсянаоди наковыхрасстоянияхотихцентров, обеантеннысоздаютоди наковыеинтенсивностизвука,т.е.
и |
_ |
| |
|
^ |
“ р |
• |
(1.11) |
П-Зо Эквивалентнымприведенномуопределениюкоэффициентаконцент рацииявляетсяследующее.
Коэффициентомконцентрацииантенныназываетсяотношение интенсивностизвука, создаваемойнаправленнойантенной, к интенсивностизвука, создаваемойненаправленнойантенной, вточкахдальнегополя, находящихсянаодинаковомрасстоя нииотихцентров, приусловии, чтообеантенныизлучают всредуодинаковыеполныемощности, т.е.
3
. (1.12)
Р=Р„ Заметим, чтовэтихопределенияхнеуказываетсянаправ
лениенаточкуприемадлянадавленнойантенны. Этонаправ лениеможетбытьлюбым, вчастности инаправлениемпреиму щественногоизлучения. Поэтому, вычисляякоэффициенткон-
- 8 -
цвнтреции, следуетуказыватьнаправление, длякоторогоон
определяется. |
: , |
|
|
|
|
Получимрасчетнуюформулудлякоэффициентаконцентра |
|||
ции. |
; |
: ■. |
' ’ |
' |
|
Пустьинтенсивностьизлучениянаправленнойантенны, |
в |
направлении, характеризуемомугламисферическойсистемыко ординат Г и 1|/
где |
Я(^,1})) - нормированнаявнаправлении ^ |
, !}/( харак |
|||||
теристиканаправленности; 3 (Т, |
- |
интенсивностьизлу |
|||||
ченияантеннывнаправлении^ , |
1|/, |
. |
’ ’ . |
||||
|
Активнаямощность, |
излучениянаправленнойантенныпри |
|||||
этом |
. |
- |
гжж |
|
|
. |
, . |
' |
|
|
|
|
|
|
■.«•и) |
м
где 1/ - расстояниеотцентраантенныдоточкиприема. ■Дляненаправленнойантенныактивнаямощностьизлучения
Ро |
цд4) |
Наоснованииопределения(1.П) имеем: 4>.
|
оо |
|
Поформуле(1.15) можетбытьвычисленкоэффициентконцентра |
||
циивнаправлении ^Г4 |
» 1^, длялюбойантенны. |
|
Еслихарактеристиканаправленностиобладаетосьюсим |
||
метрии, совпадающейснаправлением 1Г= О, тоиз(1.15) |
||
следуетформула: |
.. |
|
к а д -т г --1 — |
■ |
|
|
и га )т ш |
(1Л6) |
: |
0 |
. |
Коэффициентконцентрацияявляетсяэнергетическойхарактерис-
' -Ю - '
тикойантенныихарактеризуетстепеньконцентрацийэнергии взаданномнаправлении. Теоретическивозможныезначения коэффициентаконцентрациилежатвинтервале (О, 00 ).
• Заметим, чтовтеориирадиоантеннонноситназвание коэффициентанаправленногодействия.
.1.3. |
Характеристиканаправленностиантенны, |
|
. |
работающейв’реяимеприема |
’. . " |
Характеристикойнаправленностиантенныврежимеприема . называетсяотношение электрическогонапряжениянавыходе антенныприпадениинанееплоскойзвуковойволныподуг лами Г , кэлектрическомунапряжениюнавыходе антен ныприпадениинанее плоскойзвуковойволныподуглами ^ ,
Ут.е.
= |
1КМ0 |
(1.17) |
|
д а д
где 1^ , 1|(, - углы, определяющиенаправление, покоторому нормированахарактеристиканаправленности.
Докажем, чтохарактеристиканаправленностиантенныв режимеприемасовпадаетсхарактеристикойнаправленности этойжеантенныврежимеизлучения. Доказательствоосновы ваетсянатеоремевзаимности.
Изтеориимеханическихчетырехполюсниковизвестнасле дующаятеоремавзаимности:
|
|
1^-0 |
|
|
|
( 1. 18) |
|
|
|
Ц=0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
^ |
- скоростьисилана входе четырехполюсника, |
||||
^ 1 |
* ^ 4 |
”аналогичныевеличинынаеговыходе. |
|
|||
|
Теорема(1.18) имеетсвоеобобщениенаслучайакустичес |
|||||
когополя, |
гдевходомивыходомявляютсяколеблющиесятела: |
|||||
|
|
|
V,-!)АНЧА |
а |
(15, |
(1.В) |
|
|
р* |
|
|
||
|
|
1^=0 |
|
|
|
|
II
где |
5, , 5^ - поверхностител; р |
, |
р - звуковыедавле |
ния. |
|
' |
г |
Допустим, чтоиндекс1 относитсякизлучающейантенне, индекс2 - кприемнойантенне. Выберемвкачестве приемной антеннымалую(по сравнениисдлинойволны) пульсирующую сФеР,УрадиусомИ/ . Расположимэтусферувдальнемполеиз лучающейантеннывкакой-нибудьточкенасферическойповерх
ностирадиусомЪ |
(рис.1.2). |
’ |
|
|
\ |
Рис.1.2
Применимсоотношение (1.19) кпоставленнойзадаче. Вы числимвначалеправуючастьтеоремывзаимности. Призатор- ' моженнойсференаееповерхностибудетсоздаватьсязвуковое давление * Приперемещенииприемника2 вдольсферическойповерхностиможемопределитьхарактеристи кунаправленностиизлучающейантенны1. Вычислениеинтегра лавправойчасти(1.19) даетследующийрезультат:
|
1ь |
4кагрДиО| |
. |
в |
М |
1 к-о |
|
Рассмотримтеперьлевуючастьсоотношениявзаимности. |
Колебательнаяскоростьнаповерхностиизлучающейантен ны’являетсявобщемслучаекомплекснойфункциейкоорди нат^ , Г| наееповерхности, т.е. ^ • Звуковое давление Р(|^-=р . возникающеенаповерхностиантенныI, когдаоназаторможенаиработаеткакприемная , асфера2 представляетсобойизлучатель, являетсяфункциейуглов К , У , определяющихположениеизлучателя2 насферерадиусом X , атакжекоординатнаповерхности 5^ , т.е.р<(^ДД|0| . Заметим, чтопоскольку, сфера2 расположенавдальнейзоне 'V®
антенныI, топрилюбыхуглах 1Г |
, |
11/ наантеннуI будет |
- |
12 |
-I |
падатьплоская волна. Учитываявсевышесказанное,соотноше ние(1.19) можнозаписатьввиде:
( 1 . 20)
1'г=0
5, Ни,«о
Праваячастьэтогоравенства, какотмечено, представляет собойненормированнуюхарактеристикунаправленностивре жимеизлучения. Ваяснимсмысллевойчасти(1.20). Рассмот римвначалеслучай, когда • т.е. всеточки поверхности ^ колеблютсясиншазноасодинаковымиампли тудами. Тогда(1.20) дает
|
в] М м - М у,) | : |
IV,=0 |
> |
||
|
V |
|
IV.=0 |
4=0 |
|
|
|
Ц© |
— " |
|
|
где В ■ |
'• |
|
”сРе«нееДарение на |
||
поверхности |
, возникающееподдействиемплоскойволны, |
||||
подающейнанееподуглами ^ |
, т|/ . Учитывая, чтоэлектри |
||||
ческоенапряжение I] |
, возникающеенавыходеприемногопре |
||||
образователя, пропорциональносреднемудавлению, т.е. |
|||||
1 1 = ^ |
, |
получаем |
|
|
|
|
|
|
|
|
( 1 . 21) |
Леваячестьравенства(1.215 представляетсобойненормиро ваннуюхарактеристикунаправленностиврежимеприема. Таким образом, характеристикинаправленностизрежимахизлучения
иприемасовпадают.
~ Рассмотримтеперьдругойслучай. Пустьповерхность 5, реализуетсяввидедискретнойсовокупностиЛ. малых(по срав нениюсдлинойволны) участковповерхностиплощадьюл 5 , ме ханическинесвязанныхмегвдусобой. Такойслучайреализуется вантенныхрешетках, построенныхизмеханическинесвязанных
между собойпреобразователей. Функция У>(^Р)1гг-о/Ц(%-о3 вы~ ражении(1.20), представляющаясобойфункциюамплитудно-фа
зовогораспределения, теперьбудет выражена функцией
- 13 -
дискретной. Обозначимее |
, где А^ - |
лебательнойскорости I- гоэлементаплощадью дБ , нор |
|
мированнаяквеличине ^ | и=0; ^ |
- фаза 1-го элемента. |
Необходимоераспределениеамплитудифазколебанийэлемен товре:аеткипрактическиобеспечиваетсязасчетвведенияв каналпитаниякаждогопреобразователяусилителяссоответст
вующимкоэффициентомусиленияилиниизадержки. |
Оормула |
|||
(1.20) теперьзапишется следующимобразом: |
|
|||
^ |
X |
А-У^р-ДцЛ |
= Р;Д1|Д |
-(1.22) |
|
И |
1%о |
|ц-_-0 |
Выясним, чтособойпредставляетсумма, стоящаявлевойчас тиравенства (1.22), врежимеприема. Допустим, чтовканал кавдогопреобразователявведеныустройства, обеспечивающие определенноеамплитудно-фазовоераспределение электрических напряжений, причемтакоеже, какиврежимеизлучения, т.е. амплитудноераспределение ифазовое , после чего сигналывсехканаловскладываются. Тогда, учитывая, что электрическоенапряжениенавыходепреобразователяпропор
циональнодавлениювпадающейнанеговолне, |
получим: |
’ |
||||
1-1 |
IV,=0 |
1=1 |
*1Г,-0 |
|
|
В.-0 |
Подставляяэтотрезультатв(1.22), |
имеем |
|
|
|
||
|
Д5 |
- Р |
^ |
' |
(1.23) |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
||
|
|
1и,=о |
' 1 |
|
|
|
т.е. характеристикинаправленностиврежимеприемаиизлу чениясовпадаютиприналичииамплитудно-фазовогораспреде ления, еслионоодинаковоедляобоихрежимов.
Такимобразом, направленныесвойстваантенныврежимах излученияиприемасовпадают. Внормированномвидехарак теристикинаправленности равныдругдругу. Этотваж ныйрезультатпозволяетнерешатьдвезадачи(дляизлучения иприема) поопределениюхарактеристикнаправленности, а
ограничитьсярешениемоднойизних. Обычно решаютнаибо леепростуюзадачу— обизлучении. Поэтомувдальнейшем прирасчетехарактеристикнаправленностибудемрассматривать
.излучающуюантенну. Остановимсятеперьнавопросеозначении коэффициентаконцентрациидляантенны, работающейврежиме приема. Коэффициентконцентрацияявляетсяважнойхарактерис тикойидляприемнойантенны. Снимсвязанаеепомехоустой чивость. Дадимопределениепоследней.
Помехоустойчивостьантенны
|
„ |
_ ^ |
(1.24) |
|
|
а. |
~ р |
|
|
|
|
41 |
|
|
естьотношениемощностисигналакмощностипомехнавыходе |
|
|||
антенны. Помехоустойчивостьзависитнетолькоотпараметров |
|
|||
самойантенны, |
ноивомногомопределяетсясвойствамипоме |
|
||
хиисигнала. |
|
|
|
|
Рассмотримпомехоустойчивостьприемнойантеннывполе |
|
|||
изотропнойнекоррелированнойшумовойпомехидальнегополя, |
|
|||
помехиравномернопоступающейнаантеннусс\ всехнаправле |
|
|||
нийотисточников, расположенныхнасферебольшогорадиуса. |
|
|||
Пустьвместерасположенияяпиемнойантенныинтенсивность |
|
|||
помехи Зп * Из-занаправленныхсвойствантенныинтенсив |
|
|||
ностьвоспринимаемойеюпомехибудетиной. Окружимантенну |
|
|||
сферойбольшим радиусоиЛ , |
центркоторойсовпадаетс |
, |
||
центромантенныивыделимнаееповерхностиэлементарную |
|
|||
площадь X1ЗД1К(1V (Ц/ |
. Доляинтенсивностипомехи, возни |
|
||
кающейвместерасположенияантенны, котораяобусловлена |
|
|||
потокомэнергии, проходящимчерезвыделеннуюплощадку, сос |
|
|||
тавляет |
х^1аГс1Гс1^ |
млГ(1!Гс11{1 |
|
Интенсивностьпомехи, обусловленнаяэтимпотоком,
. Этаинтенсивностьсоздаетнавыходеан тенныэлектрическоенапряжение, квадраткоторого
где |
- некотораяпостоянная; |
- характеристика |
- 14 - |
- 15 - |
|
направленностиприемнойантенны, которуюбудемсчитатьнор мированнойвнаправленииглавногомаксимума.
Интегрируяпоследнеевыражение, найдем
С - А г |
«•*>. |
||
где К - коэффициентконцентрации. |
|
||
Будемсчитать, |
чтосигналприходитнаантеннувнаправ |
||
ленииглавногомаксимума. |
Тогда |
|
|
|
|
|
(1.26) |
Используя (1.25) |
(1.2б) , получим |
|
|
-»= |
|
= 2*. к |
^ * 27) |
|
ц; |
зп |
|
Такимобразом, помехоустойчивостьантенныдляданноймодели поляпомехпропорциональнакоэффициентуконцентрации.
. 2. ДИСКРЕТНЫЕЛИНЕЙНЫЕАНТЕННЫ
2.1.Характеристиканаправленностидискретной
эквидистантнойлинейнойантенны
Подлинейнойантеннойбудемпониматьсовокупностьдиск ретныхилинепрерывныхисточников, расположенныхвдольне которойлинии. Эталиния, впростейшемслучае, можетбыть отрезкомпрямой. Вболеесложныхслучаях"онаможет" иметьвид окружности•, дугиокружностииликривойболееб ы с о к о г о поряд ка.
В настоящемучебномпособииограничимсярассмотрением наиболеепростогослучаялинейнойантенны, укоторойисточ никирасположенывдольотрезкапрямойлинии.
Остановимсянаосновныхвопросахтеориидискретныхэквидис тантныхантенн. Поддискретнойантеннойбудемпониматьан тенну, состоящуюизконечногочислаисточников(элементов), расположенныхнаконечномрасстояниидруготдруга. Этаис точники, являющиесяпреобразователями^будемсчитатьмалыми иненаправленными. Подсловоммалыйбудемпониматьтакие
- 16 -
размерыисточников, прикоторыхможнопренебречьдифракцией наних(модельтакназываемой"прозрачной" антенны). При теоретическомописаниитакихмоделейисточникибудемсчитать точечными, нообладающимиконечнымизначениямиобъемной скорости. Источникивантеннахмогутбытьрасположеныдруг относительнодругананеодинаковыхрасстояниях (неэквидис тантныеантенны). Врассматриваемомслучае, когдарасстояния, междусоседнимиисточникамивантеннеодинаковы, имеемэквидистантнутааптенну.
Перейдемквыводуосновнойформулыдлядискретнойэк видистантнойлинейнойантенныформулыдляхарактеристики направленности. Допустим, чтоимеется а эквидистантно расположенныхвдольоси 1 источников(рис.2.1).
Рис.2.Х
Расстояниемеждусоседнимиисточникамиобозначим (1. Комплексные амплитудыскоростиисточниковобозначим СЦ= =А'(С^и, где А), - действительнаяамплитудаисточникас номером I ; ^ - егофаза.
Потенциалскорости, создаваемыйв дальнемполе 1-м источником, внапоавления, определяемомуглом 1Г ,
П| кг :
«Л ,
где — 1 0- & = г„- А.(Н)ыДгеометрическаяразность ходадлялучей 10 и 1- . Суммируяпотенциалыотвсехис точников, получим
- 17 -
,р1к1° \с. -жА0.-1)5ц\1Г
В Д - ^ Х а / Ч 1 |
. |
49110 1*=» |
(2.2) |
Формула(2.2) даетненормированнуюхарактеристикунаправлен ностидляантенны, имеющейпроизвольноеамплитудно-фазовое распределение. Дляупрощенияформулы(2.2) необходимоза датьсяопределеннымизаконамиамплитудного А-ьифазового Х)- распределений. Ограничимсяздесьрассмотрениемнаиболеепрос тогослучая А1-А=соп5'1: . Законизмененияфазывдольан теннызададимвследующемвиде:
^-(ОТСИ), |
(2.3) |
где 1: - времязадержкиколебательногопроцессав |
1-'м |
элементепоотношениюк (I- 1)-му. Причем, какэтовидно
из(2.3), |
фазу |
задаемпропорциональнойчастоте. Теперь |
|||
из(2.2) |
следует: |
|
п, |
й,5и11Гч |
|
|
|
|
-г— ) |
|
|
|
|
ТО-ВХе |
, |
|
|
где в = 1злГ ' |
|
|
|
|
|
^ . ВремязадержкиТ |
можемвыбрать, |
вчастности, |
равным |
||
— |
, где |
К, - |
некотороезначениеугла У . |
. |
|
Тогдапоследнеесоотношениеможнозаписатьввиде: |
|||||
|
Ч ( 1 | ) - В 2 с ’ |
. |
( 2 . 4 ) |
||
|
|
|
1*4 |
|
|
Рядв(2.4) являетсягеометрическойпрогрессиейипослеего суммированияполучаем «Ап,(Й1Г,-$и1&)
‘е
В1к(ЦмлК0- ул
-С■'
откуда
ад=Ве |
' <2-5 ’ |
- 18 -
Изформул(2.4) и(2.5) видно, чтоприменениемвыбранного законаизмененияфазыколебанийотисточникакисточнику добиваемсясинфазногосложенияколебанийвсехисточников внаправлении . Такаяантеннаноситназваниекомпенси рованнойвнаправлении, определяемомуглом Г0 , поскольку естественнаяразностьфазвэтомнаправлениискомпенсирова насоответствующимфазовымраспределением. Главныймакси мумхарактеристикинаправленностиориентированвнаправле нии Г . Всвязисэтимбудемнормироватьхарактеристику направленностикзначению 1?(К"0) . Из(2.5) послераскры тиянеопределенностиполучаем
йтогданормированнаяхарактеристиканаправленности
1Р(1П у— Ч1’^ ]
а т ^М .-М )] 1" ' 6>
Экспоненциальныймножительв(2.6) можетбитьустранен, ес линачалокоординат( X * 0) выбратьпосерединеантенны, т.е. веефазовомцентре. БудемвдальнейнеминтересоватьсI амплитудномхарактерис тикойнаправленности
К(0- |
’ я<\ (пд) |
|
|
П, 51ПХ ’ |
(2.7) |
||
|
где г= ~*Цыа Фаговаяхарактеристиканаправленностипредставляет
собойступенчатуюзнакопеременную(Ьункцию, Диаграммынаправленности, построенныепоформуле
(2.7), длянекоторыхзначений П. приведенынарис.2.2. Изрис.2.2. видно, чтохарактеристиканаправленности
имеетглавныймаксимум, оськоторогосовпадаетсозиече- п тл 2 * 0 , побочныемаксимумы, меныше аовеличина, чем главный, номожетиметьидобавочныемаксимумы, равноеПО величинеглазному.
Рис.2.2
2.2. Исследованиехарактеристикинаправленности дискретнойлинейнойантенны
Исследуеманалитическихарактеристикунаправленности, определяемуюформулой(2.7). Определимпреждевсегочисло и' положениеее.нулей, расположенныхмеждуглавнымипервач
добавочныммаксимумами. |
Нулихарактеристикинаправленности |
||
имеютместопри Ъ = — |
, где |
т = ±I, ±2, ... |
|
~ ( М-1), - |
( а+ I), |
- (а +2),... Значения |
|
т, = - а , - |
2а , - За,... несоответствуютнулямха |
рактеристикинаправленности, аопределяютположениедоба вочныхмаксимумов, равных, какяглавный, единице. В этом нетрудноубедиться, раскрывполучающуюсяприэтомнеопреде ленностьв(2.7) . Такимобразом, междуглавныммаксимумом (пъ = 0) ипервымдобавочным ( пг= ±а ) имеется а - I
- 20 -
нулей. Углы |
, отвечающиенулевымзначениямхарактерис |
|
тикинаправленности, |
находятсяизусловия |
|
, |
9С(1 / • |
'г* Л— |
|
^ \&и1^т, 5и1"о) п ' |
.откудаследует
(2-8)
Числопобочныхмаксимумов, расположенныхмеждуглавными первымдобавочнымимаксимумами, наединицуменьше числану лейвэтоминтервале, т.е. равно 1г- 2.
Положениепобочныхмаксимумовможетбытьопределеноиз уравнения, получающегосяпутемприравниваниянулюпроизвод- 'ной от(2.7):
■Ц. (а2р) = тъ1^ хр. |
(2.9) |
Величинапобочныхмаксимумовзависитотчислаисточни ков а . Так, при а = 3, 4, 5,... величинанаибольшихпо бочныхмаксимумовсоставляет соответственна; 0,31; 0,28; 0,25. '
Длядостаточнобольшого числаисточниковможнополу читьприближенныеформулы, определяющиеположенияивеличи ныпобочныхмаксимумов. Изформулы(2.7) видно, чтопри большойвеличине а числительявляетсябыстро осциллирующей функцией, втовремякакзнаменательможносчитатьмедлен номеняющейсяфункцией. Поэтому(2.7) будутрасположены вблизимаксимумовфункции 5Ш,(п2) . Тогдаимеем
( 2 . 10)
где р = I, 2, 3, ... а- 2. Значение р= 0 несоответ ствуетнаправлениюпобочногомаксимума, аотвечаетнекото
ромунаправлениювнутриглавногомаксимума. |
В этомлегко |
||
убедиться сравнив(2.10) |
при |
р* 0 и(2.8) приПг= - I. |
|
Извыражения (2.10) |
следует: |
|
|
. |
V. |
Л |
(2Д1) |
у д .ор = мл Ь01 |
2лхГ К Г |
- 21 -