Антенны_конспект

Антенны

I. Общие замечания. Элементарные излучатели. 1.1. Структурная схема и классификация антенн.

Антенна- (от лат.- мачта, рей) пассивное устройство, предназначенное для излучения или приема радиоволн и состоящее из проводников и магнитодиэлектриков. Общая схема антенны приведена на рис.1.

Вход- сечение линии передачи с заданным типом колебания. Для расчета фидерного тракта он должен иметь точные геометрические и электродинамические характеристики. Антенна может иметь и несколько входов.

Согласующее устройство предназначено для уменьшения отражений от антенны (обеспечения режима бегущей волны) и увеличения КПД тракта. Распределитель, в свою очередь, обеспечивает необходимую структуру токов в излучающей системе для получения заданной характеристики излучения. Для некоторых типов антенн их разделить невозможно.

Излучающая система- часть антенны, где протекают токи, возбуждающие электромагнитное поле в пространстве. При расчетах это могут быть проводники с реальными токами или области с электромагнитными полями, которым ставятся в соответствие эквивалентные электрические или магнитные токи.

Обычно расчет характеристик антенны выполняется в два этапа. Вначале решается внутренняя задача- нахождение структуры излучающих токов по полю на входе и характеристикам согласующего устройства и распределителя. После чего, внешняя задача- определение поля во внешнем пространстве по заданным токам.

Общая классификация антенн строится на соотношении между их размерами и длиной волны с учетом способа излучения или приема радиоволн и области использования:

а) Малоразмерные антенны L ≤ λ

Низкочастотные антенны, облучатели сложных антенн, элементарные излучатели в антенных решетках (вибраторные, щелевые, рамочные, сверхширокополосные).

б) Антенные решетки L ≈ λ÷1000· λ

1

Независимая регулировка фаз и амплитуд отдельных излучателей или их групп позволяющая управлять характеристикой направленности. Бывают: линейные, кольцевые, плоские, конформные и др.

в) Апертурные антенны L ≈ λ÷1000· λ

Излучает некая поверхность-апертура, на которой, решая внутреннюю задачу, может быть найдено распределение эквивалентных электрических или магнитных токов. Они, обычно, определяются оптическими методами, поэтому такие антенны часто называют оптическими. К ним относятся: зеркальные, линзовые, рупорные, ГЗА.

г) Антенны бегущей волны L ≈ λ÷1000· λ

Излучение определяется волной, протекающей по излучающей структуре. Обычно, излучают вдоль структуры или под углом. Бывают: спиральными, диэлектрическими, импедансными, “ вытекающих волн”, а в диапазоне ВЧ: бегущей волны, ромбическими.

1.2. Элементарные излучатели

Методы расчета характеристик антенн достаточно сложны, так как:

а) Конфигурация антенн может быть самой различной. Токи протекают по проводникам не совпадающими с осями или координатными поверхностями систем координат, в которых рассчитывается поле излучения (некоординатным). Данное обстоятельство затрудняет использование аналитических методов расчетов и приводит к необходимости численного анализа характеристик, который менее нагляден и труднее применим при проектировании;

б) Необходимо удовлетворять граничным условиям на всех поверхностях, которые не всегда представляют собой идеальные проводники или диэлектрики и обычно имеют сложную форму;

в) Поля зависят не только от расстояния между точкой наблюдения и сторонними источниками, но и от параметров окружающей среды.

Для упрощения задач используют:

а) Предполагают, что антенна расположена в неограниченном линейном и изотропном пространстве без потерь;

б) Используют понятие апертуры. При этом, поля на какой-либо поверхности (обычно наиболее простой формы) по теореме эквивалентности заменяют на

эквивалентные электрические I Э = [n , H ] или магнитные I М = [Е, n ] токи. Поле в апертуре определяют, в свою очередь, или упрощенными методами или путем непосредственных измерений.

в) Используя линейность уравнений Максвелла, поле находят в виде суммы (суперпозиции) с учетом фаз полей от отдельных частей токов на проводниках или апертуры.

г) Задачу разбивают на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя задача - нахождение токов на проводниках или в апертуре. Внешняя - нахождение полей по токам, обычно, в дальней зоне.

д) Применяют понятие элементарного источника. Поверхность антенны или апертура разбивается на участки, токи на которых постоянны - элементарные

2

источники. Поля для них рассчитываются аналитически, а поле антенны находят как суперпозицию полей отдельных элементарных источников с учетом амплитуд и фаз.

(А) Элементарный электрический излучатель (диполь Герца) ЭЭП ЭЭП - физический эквивалент, диполь Герца, отрезок провода с емкостными шарами.

2 ×

L 2

поле имеет 2 составляющие:

В дальней зоне R>>

λ

Eθ=j

I эW

L

θ

e − jKR В

W=120π

sin

2

λ

R

м

K=2π/λ

I э

L

e − jKR

E

θ

А

Hφ= j

sin θ

=

R

2

λ

W

м

3

1.ЭЭИ излучает в дальней зоне бегущую волну, удаляющуюся по R со скоростью света. ПR - вектор Пойнтинга.

2.Е - в меридиональной плоскости, Н в азимутальной.

Е Н , Е = W , поляризация - линейная.

Н

3. Поверхность равных фаз - сфера с центром в середине диполя т.к. еjKR jKR не зависит от θ и φ.

4. Поля Е и Н зависят от θ как sin θ.

Диаграмма направленности - зависимость поля от углов наблюдения F(θ,φ)=F(θ)=sinθ

5. Мощность излучается диполем – определяется интегрированием вектора Пойнтинга в дальней зоне на поверхности сферы

R

2

2 π

π

&

1

R

R

1

E θ

&

&

P Σ

=

∫ [E , H

]dS

=

∫

∫

R 2

sin

θ d θ d ϕ =

2

2

W

0

0

1

I

э

2

W

2

2 π π

R

2

L

∫ ∫

e − jKR

e jKR

sin

3 θ d θ d ϕ

=

2

2 λ

W

R

2

0

0

2 π

I э

2

д

2

π

3

θ d θ =

π

4

I э

2

L

2

;

W

∫ sin

W

π

4

λ

3

4

0

λ

(I э L )2 120 π 2

I э L π

2

1

2

PΣ =

=

=

э

R Σ .

40

I

3λ 2

λ

2

RΣ − сопротивление излучения – некоторое сопротивление на котором

выделяется излученная диполем мощность.

R Σ

=

π L

2

2

80

λ

= 20 (K L ) .

(Б) Элементарный магнитный излучатель – ЭМИ

4

L <<λ

Задача решается аналогично, но решение можно получить на основании принципа двойственности.

Е м↔ -Н э

I м↔I э

м

Еэ

м

э

Н

↔

I

[B]; I

[A]

W 2

м

I м

L

e jKR

B

Еϕ

= −

j

sin θ

λ

R

2

м

м

=

I м

L

1

sin θ

e − jKR

A

H θ

j

2

R

λ

W

м

Магнитный вибратор характеризуется проводимостью излучения

P	= 1			I M	G		G	=		R Σ
Σ					2	Σ	Σ
	2								W 2

Физические эквиваленты:

1. Рамка с электрическим током.

Поле в дальней зоне такое же, как и у ЭМИ.

I	М	× l = jI	Э	WKS	K =	2R
						λ

S<<λ2 (форма рамки не имеет роли).

5

2. Щель в экране

ЩЕЛИ	=	4RΣ
GΣ
		W	2
ЩЕЛИ	=	2RΣ
GΣ
		W	2

-для двухсторонней щели

-для экранированной (односторонней) щели

Отличие в том, что поле Е имеет в верхнем и нижнем полупространстве противоположное направление, т.к. полупространства независимы- это несущественно.

RΣ- сопротивление излучения аналогичного по размерам ЭЭН. (В) Элементарный участок фронта волны (Элемент Гюйгенса)

Излучающий элемент фронта - комбинация полей ЕR и НR на площадке элементарных размеров S<<λ2.

Y Э

= [n , H ]= [a Ζ , − a X H

X ] = a У (− H X )

R

R

R

R

R

R

R

=

R

= − H X dx

I Э

Y Э

dx

R

R

]= [E У a

У

, a

Ζ

] = a

X E

У

Y М

= [E , n

R

R

R

R

=

R

= E У dy

I М

Y М

dy

6

dx<<λ dy<<λ dS=dx·dy

Излучение площадки эквивалентно излучению двух взаимно- перпендикулярных электрического и магнитного вибраторов. Плоскость УOZ

R =

E

EθЭ =

Eθ = EθЭ + Eθм

I Э

L

e− jkR

H X

dxdy

e

− jkR

j

sinθ ×W

= - j

cosθ ×W

, (cosθ - т.к. угол

λ

2

λ

R

2

R

денормированный)

E M

= - j

I M

L e− jkR

= - j

E

y

dydx e− jkR

θ

2

λ

R

2

λ R

dxdy

e

− jkR

H X

dxdy e

− jkR

W

Eθ

= - j

× E y

1 +

W cosθ = - j

E y

1

+

cosθ

R

EY

2λ

R

Wср

2λ

EY

, в свободном пространстве Wср=W

H X

= Wср

Eθ

= j

E y dS e− jkR 1 + cosθ E

, F (θ ) - кардиоида

λ

R

2

Плоскость XOZ

Fθ = 1 + cosθ H2

Элемент Гюйгенса – однонаправленный излучатель.

7

(Г) Элементарный источник излучения поля круговой поляризации.

I 2	± j	π
		2
	= e
I1

Поляризация – ориентация вектора Е в пространстве в зависимости от времени.

E X 1 = E0 cosω × t - поле первого вибратора EY 2 = E0 sin ω × t - поле второго вибратора

E = E1 2 + E2 = E0 - амплитуда поля в любой момент времени постоянная

ϕ = arctg EY = ω ×t угол поворота определяется временем

E X

Элементарные излучатели находятся во временной и пространственной квадратурах.

1.3. Поле антенны в дальней, промежуточной и ближней областях.

M - точка наблюдения

Для нахождения поля в точке наблюдения	R	= 1	R	Э,М (x 'y 'z') e	− jkR
	AЭ,М		∫ Y		dV '
		4π			r

Q - точка источников Источник не точечный

V '

x’, y’, z’ - координаты точек источников

8

r = QM= R 2 + R'-2RR'cosα

α- угол между R’ и R

R’cos α – проекция вектора R’ на R является разностью хода лучей из начала координат и точки источника Q.

Взнаменателе r ≈ R – можно брать даже при не очень большом удалении.

Впоказателе степени r=R-R’cos α можно отбросить только если KR’cos α<<2π.

В этом случае e− jKR - выносится за знак интеграла (интегрируются только

R

источники). Поле имеет вид сферической волны, ПR направляем по R

R'max = Д , где Д – максимальный размер излучателя (антенны).

2

Максимальная фазовая ошибка

KД2

<< 2π

K =

2π

обычно берут

KД2

£ π

8R

λ

8R

8

(22,5º)

R ³

2 Д2

- граница дальней зоны (где поле уже сформировалось в

λ

сферическую волну, область ).

Д

Д

1

Д

3

ближняя зона

R £

+

-

4

2

λ

Поле имеет сложный характер для его нахождения нужно использовать

строгие методы.

1

2 Д2

Д

+

Д

Д

3

£ R £

- промежуточная зона, область Френеля.

λ

4

2

λ

Поле нельзя рассматривать сферическим. Наблюдается колебательная

зависимость от R. Однако его можно считать поперечным R ^ R

Е Н

Д=λ Rдальней ≥ 2λ

Д=10λ Rдальней ≥ 200λ Д=100λ Rдальней ≥ 20000λ

II.Параметры антенн.

2.1.Векторная комплексная диаграмма направленности (д.н.) антенны. Излучение антенны в дальней зоне характеризуется амплитудой, фазой и ориентацией векторов поля в пространстве (на примере ЭЭИ).

Векторная комплексная д.н. антенны – зависимость поля в дальней зоне от углов наблюдения (амплитуды, фазы и поляризации).

	R		R	jΦ(θ ,ϕ )
	&
		(θ,ϕ) = F(θ,ϕ)× p(θ,ϕ)× e
	F
		&	&
	F (θ ,ϕ ) - амплитудная д.н. (амплитудная характеристика), зависимость амплитуды
	&
	поля от углов наблюдения;
	R			зависимость ориентации векторов от углов
	p(θ ,ϕ ) - поляризационная д.н.,

&

наблюдения;

9

Φ(θ ,ϕ ) - фазовая д.н., зависимость фазы от углов наблюдения ( отличие фронта волны от сферического).

А) F (θ ,ϕ ) - характеризует распределение амплитуды поля. Она всегда

нормируется к максимуму F (θ ,ϕ )max=1.

F 2 (θ ,ϕ ) , в свою очередь, определяет распределение мощности.

F (θ ,ϕ ) в сферической системе координат представляет собой трехмерную

поверхность 0≤R≤1. Обычно её изображают в виде сечений в определенных плоскостях, так как трехмерное изображение, не смотря на наглядность, не позволяет точно определить параметры д.н.

В общем случае различают:

1)тороидальная д.н.;

2)игольчатая д.н.;

3)д.н. “ ножевого” типа;

4)д.н. специальной формы: косеконсная,

многолучевая, веерная, квадратурная и т.д.

Сечения д.н. можно изображать в различных системах координат, например в полярных или декартовых:

10