Антенны_конспект

ξ =

θmax

π

1)

0 - синфазная антенна

2 режим нормального излучения.

0 < x < 1

0 < qmax <

p

2)

2 - режим сканирования.

3)

ξ

1 - режим излучения по оси антенны.

4)

1 <

x - режим замедленной волны.

x =

qmax

0

Dq (0.707)

Dy

Dy

0.886×

l

d

kL

p

L

dq

y

qm

× sin

1)

2

2

Δψ (0.707 ) 2.78

2)

0 < x < 1

3)

x 1 y

θ 0

θ π

Dq (0.707)

Dy

Dy

0.886

×

l

d

y qm

kL

× sin (qm)

L × sin (qm)

dq

2

kL

×

(

cos

(

q

)

-

)

2

1

ψmax 0

ψmin −kL

kL

Dq

pL

Dq

2

-1.39

2

×

cos

2

-

1

-1.39

l

×

1 -

8

-

1

(8

× 1.39 × l)

l

Dq 2

355 ×

Dq (0.707 )

115 ×

0.886 ×

l

p × L

L

L

4) 1 < x

Граница еще более смещается в лево ширина ДИ уменьшается, но УБЛ поднимается.

Существует оптимальная ширина при которой

D=Dmax

Dq (0.707)(уменьшается), что приводит к увеличению D. УБЛ увеличивается, что приводит к уменьшению D. Оптим. при

41

y-p

2

p

(

опт )

1

L

L

опт

-

kL

×

1

- x

-

-

× x

2

2

l

l

xопт

1 +

l

2 × L

Ширина ДИ(0,707) надо брать не от 1, от нового значения.

Dq (0.707 )		115 × 0.28 ×			l		УБЛ		-9.5 deg
					L

	L			10 × l
	ξ			Δθ (0.7	УБЛ
0				5.1	-13.2
1				34	-13.2
	ξопт
1.05				19	-9.5

5.3Амплидудные и фазовые искажения в линейных антеннах.

В качестве идеальной будем считать синфазную линейную антенну с равномерным распределением тока.

				Φ (z)		const
I(z)			I0

Отклонение от равно амплитудного и синфазного распределения тока

называется искажением.
По виду искажения различаются:
а) спадающие к краям	б) возрастающие к краям

L

⌠

× egФ(z) × egkz × cos(q)

F(q)

2

I(z)

dz

⌡- L

2

Если искажения только амплитудные то,

Φ (z)

const

ξ

0

Для некоторых случаев F(Q) можно получить в виде формулы. Например:

I(z) (1 - D) + D × cos × p z

L

- косинус на пьедестале.

42

L

⌠

2

× egkz × cos × (q)

F(q) ×

(1 - D) + D × cos ×

p

z

dz

- L

L

⌡

2

2

sin × (y)

D × cos ×

y

p

kL

(1

- D) ×

+

y

× cos × (q

y

2

2

2

1 -

× y

p

1- чистый косинус

kL

× cos(q)

F(q)

2

cos

l

×

p

(2 × L)

2

1 -

× cos(q)

l

В общем случае амплитудные искажения типа а (спадающих к краям) приводят:

1)Главный лепесток - расширяется.

2)Уровень боковых лепестков – понижается.

3)КНД – падает незначительно.

Такие распределения используются на примере косинуса на пьедестале.

											КРЛ			Dq				УБЛ	КИП=
																l
											51 ×
																L		(ДБ)	Д/Д0
0											1							-13.2	1
0.3											1.12							-20.5	0.932
3
1											1.35							--	0.81
																		23.5
КРЛ –		коэффициент расширения луча.
КИП –		коэффициент использования поверхности равен отношению КНД

идеальной к КНД антенны с искажением.

Искажения типа б ( возрастающие к краям ) приводит: Главный лепесток незначительно изменяется.

К сильному и быстрому росту боковых лепестков. КНД сильно падает.

43

Такие искажения на практике не используются.

Фазовые искажения.

I(z) I(z) ×eg ×Ф(z)

Ф(z)-обычно раскладываются в степенной ряд.

F(z) F0 + F1×z + F2×z2 + F3×z3.......

Ф0-влияние не оказывает.

а) линейные фазовые искажения.

Рис 2. Поведение множителя направленности при линейных фазовых искажения в равноамплитудной антенне.

	δ				Φ1
	Δθ (0.707)
					158
( для не очень больших значении. )
Ф1 – max значения искажений					в градусах при /I/=const.
Если /I(z)/ имеет к краям амплитудные искажения.

	d				F1
						.
	Dq (0.707)
					158×КРЛ

Линейные искажения используют для сканирования. б) квадратичные фазовые искажения.

Рис 3. искажения множителя направленности линейной антенны при квадратичных фазовых ошибках.

44

Эти искажения четные они не приводят к смещению ДН, а приводят к расширению ДИ, росту УБЛ.

При больших Ф2 главный лепесток “ расщепляется”.

Такие искажения типичны, если облучатель параллелен в фокус зеркала или линзы. Поэтому они называются искажениями дефокусировки.

в) кубичные фазовые искажения.

а) б) Рис 4. а) Снижение КИП линейной равноамплитудной антенны при

квадратичных и кубичных фазовых ошибках. б) Искажения множителя направленности линейной антенны при кубичных фазовых ошибках.

δ				Φ3
Δθ (0 , 707)
			266

Смещение меньше в 1.7 раза чем при линейных.

ДИ становится ассиметричной резко нарастает боковой лепесток со стороны в которую смещается max ДИ. Они называются кома.

5.4 Диаграмма направленности линейной антенной решётки. d= const - решётка эквидистантная

Zn= (n-1)d

In I0×e- g ×(n-1) ×DФ×

: где ∆Ф – сдвиг фазы между соседними элементами.

fS(q)

N

In × egkZn × cos(q)

N

I0 × eg × kd × (n-1) × cos(q) -(n-1) × DФ

∑

∑

n = 1

n = 1

I0 ×

N

egkd × (n-1) × (cos(q)-x )

x

DФ

∑

kd

n = 1

1 ξ

0

( Ф

0)

45

-синфазная линейная решётка.

2 0 < ξ < 1

-решётка возбуждается быстрой волной.

3 x 1 V C ×

4 1 < x V < C ×

-решётка возбуждается медленной волной. Конечный ряд типа геометрической прогрессии:

N

(n−1)

(1 - gN)

A × ∑

g

A ×

(1 - g)

n = 1

fS × (q)

I0 ×

(

1

- g

N ×

)

gkd × cos × (q)-x ×

(1 - g)

g ×

e

gkdN ×

cos × (q)-x ×

fS × (q)

I0 ×

1 - e

gkd × cos × (q)-x ×

1 - e

kd

sin

cos

(

)

kdN ×

g ×

2

× ( × N-1) × cos × (q)-x

×

×

q

- x ×

2

I0 × e

×

sin × cos × (q) - x

×

kd

2

Набег фазы от края до середины решётки

Ф

kd

(

)

(

(

)

)

2

×

N - 1

×

cos

q

- x

Ф1 Ф - kd × (N - 1) × (cos(q) x) 0

2

-если отчёт фазы взять от центра решётки.

			sin			kdN				×(cos(q) - x)
fS(q)		I0 ×					2
			sin				kd	×(cos(q) - x)
							2

Линейная решётка излучает сферическую волну с центром в середине решётки.

			N × sin			kdN				× (cos(q) - x)
fS(q)
		I0 ×					2
			N × sin				kd	× (cos(q) - x)
							2

y kdN × (cos(q) - x)

2

sin(y)

	y
N × sin
	N

ДИ линейной эквидестантной решётки с линейным распределением фазы.

46

I(0)N-можно пренебречь т.к. они от θ не зависит.

Nd=L – длина решётки.

N→∞ d→0

, т.к. Nd=L const

f∑(θ) →sin(ψ)/ ψ

1

sin(y)

1 при

y

0

N × sin

y

N

2

y

pm

m

1 , 2......

Т

y

-pm

m

1 , 2......

fS(q)

1

Т

y

N × pm

y

-N × pm

Рис 5. К анализу множителя направленности решетки.

Дифракционный максимум антенной решётки 0 и объясняется тем, что под некоторым углом разность фаз соседних элементов =2π и получается синфазное сложение полей. Появление дифракционных максимумов резко снижает КНД, привод к неоднозначной цепи.

										kdN			(	)
q			0	ymax.				.		2			×	1 - x
q			p	ymin			-			kdN			× (1 - x)
										2

Чтобы не было дифракционных лепестков

ymax < (N - 1) × p

-(N - 1) × p < ymin .

-(N - 1) × p < y < (N - 1) × p

47

Способы устранения дифракционных лепестков: Выбор шага решётки

d		(N - 1)					1
	£				×
l			N				1 +	x

(x		0). -синфазная	решётка	d

При сканировании

	d			(N - 1)			1
		£				×
	l			N			1 + cos(q0)

При осевом излучении

θ0		0	ξ		1	d <	λ
						2

Выбор ДИ элемента решётки

£ l

Рис 6. Подавление побочных главных максимумов решетки при использовании направленных элнмннтов.

F(q) f1(q) ×fS(q)

ДИ элемента выбирается такой, чтобы её нули попали в максимумы дифракционных лепестков.

Использование неэквидестантных решёток.

Если d-переменная то синфазного сложения в направлении дифракционного max не произойдет.

КНД - значительно меньше, чем в эквидестантных. Параметры ДИ решётки:

При n>>1

48

fS(y)			sin(y)				sin(y)
				y			y
			N × sin
				N

в окрестностях главного лепестка т.е. можно использовать те же формулы, что и для непрерывных.

d1		-13.2deg	Dq			(51 × l)
						N ×d × sin(q0)

6.Практические типы линейных антенн.

6.1. Диэлектрические стержневые антенны.

Как и остальные рассматриваемые в этой главе антенны с непрерывным распределением тока, они относятся к антеннам бегущей волны (режим осевого излучения, возбуждение с одного конца, размеры в поперечном сечении малы). Используются с частотой f>2ГГц (ДМ и СМ волны) как самостоятельные антенны, облучатели, элементы решётки. Направленность слабая и средния.

Представляют собой сплошной цилиндр или стержень или трубку из диэлектрика с малыми потерями.

Питается волноводами прямоугольным с H10 или круглым с H11 волной. Возбуждается LE11.

C > Vф >	C				ξ			C		> 1
		ε						Vф

А) Б)

Рис 7. А) Диэлектрические стержневые антенны: а) цилиндрическая; б) коническая.

Б) Коэффициент замедления волны HE11.

Для определения ξ используют графики, рассчитанные строго для волны HE11. При d↑ поле концентрируется в стержне и замедление увеличивается.

Обычно используют ε2≈2/5, d/λ≈0,25/0,5 (т.е. стержень ещё не очень толстый, но уже замедляет.

Каждый элемент можно считать диполем Герца.

49

F(q) F1(q) × fS (q)

F1(q)

fS (q)

x > 1

cos(q)
sin			KL			× cos(q - x)
			2
	KL			× cos(q - x)
	2

(основной режим осевое излучение).

Формула не учитывает:

Излучение открытого конца волновода искажает ДИ и увеличивает боковые. Отражение от конца стержня и возбуждение обратной волны, которая формирует

задний лепесток.

Затекание токов на часть волновода, излучение, которых создает большие боковые лепестки и увеличивает задний.

С 1)-вым фактором борется увеличением d, что излучает возбуждение LE11 и уменьшает излучение открытого конца.

Однако при этом ξ слишком велико и Lопт слишком мало.

Lопт						l
			l			× (x - 1)
			L

Что не позволяет получить узкую ДИ.

Для этого используют конические ( пирамидальные ) стержни.

С2)-рым бороться не следует, т.к. ξ мало больше 1 и отражение от конца <10%

С3)-им бороться использованием дисков и сплошных экранов. Возбуждающий стержень волновода обязательно не в диэлектрике, иначе

возбуждаются высшие типы колебании.

Для лучшего согласования часто делают.

Расчет ДИ как для антенны с осевым излучением.

ξопт

1 +

λ

λ

Lопт

2(ξ − 1)

2L

При этом

D

7.2 ×

L

¸

4 ×

L

Dq(0.707)

(61 ¸ 107) ×

l

l

l

L

(первое для более длинных антенн.) 6.2. Спиральные антенны.

Используются с частотой 300МГц и выше как антенны с круговой поляризацией (самостоятельные, облучатели, элементы решётки).

50