Антенны_конспект

∫ E x ( x , y )dS

2

∫ E x ( x , y ) dS

2

=

×

2 w

4 π R

2

S

=

4 π

Д МАКС

S

0

ср

× S

S

2 w 0 λ

2

R

2

2

2

2

∫

E х ( x , y )

dS

λ

S ∫

E X ( x , y )

dS

S

S

		Д =		4π		S × КИП			, где S – площадь раскрыва.
				2
				λ
EX (x, y) = const – равноамплитудное возбуждение.
КИП	= 1 ,	Д = 4π2				S	-	КНД идеальной антенны.
			λ
EX (x, y) ≠ const, 0 < КИП < 1								S · КИП – эквивалентная поверхность.

61

7. 3. Плоская двумерная антенная решётка.

Антенные решётки различаются формой раскрыва (прямоугольные, круглые, другие), порядком размещения элементов в системе, периодом решётки, фазировкой элементов.

Чаще всего элементы располагают в узлах прямоугольной или треугольной (гексагональной) структуре сеток.

Важнейшим требованием является отсутствие дифракционных максимумов в области видимых углов. Чаще всего требование удовлетворяется выбором шага.

						dx < λ / 1+sinθX MAX	,	θX MAX	–
						максимальный угол отклонения луча в
						плоскости XOZ.
						dy < λ / 1+sinθy MAX	,	θy MAX	-
						максимальный угол отклонения луча в
						плоскости YOZ.
a <	2			×	λ	, на 13% больше, чем в прямоугольной структуре.
					1+ sin θ MAX
	3

Это для АР из ненаправленных (с широкими диаграммами направленности) элементов. Для направленных элементов шаг решётки можно сделать больше, а дифракционные max «устранять» нулями ДН элементов. При сканировании, однако, это уменьшает угол сканирования (ДН не должна меняться в секторе углов сканирования). В сканирующих АР обычно используют слабонаправленные элементы.

N		N
F∑(θ,ϕ) = ∑In ×e jkRn sinθ	,	F∑(θ,ϕ) = ∑In ×e
n=1		n=1

В случае синфазной решётки формула упрощается:

jk( xn×cosϕn×sinθ +xn×sinϕn×sinθ )

F∑

=

sinψ

x

×

sinψ y

ψ

ψ

M sin

x

N sin

y

M

N

ψ X

= kdx2 M cosϕ sinθ

ψY

=

kdy

M sinϕ sinθ

2

a = dxM ,

b = dyN

, M - число элементов по X

N – число элементов по Y.

θ

) =

sin( kdx2 M sinθ )

Dθ

= 51 O ×

λ

M sin( kdx sinθ )

F∑(

xoz

a

62

В плоскости xoz :

		F∑	(θ ) =	sin(	kdy		N sinθ )
	В плоскости yoz :			2					Dθ yoz = 51 O ×	λ
				N sin(		kdy		sinθ )
										b
						2

КНД рассчитывается по тем же формулам, что и для антенн с непрерывным распределением токов.

Д =

4π

ab × КИП

,

Д

0

=

4π

ab = π

2 a

×

2b

= π × Д

× Д

Y .

2

2

Х

λ

λ

λ λ

ДХ , ДY – КНД линейных АР.

π – КНД элемента раскрыва.

8. ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ АПЕРТУРНЫХ АНТЕНН.

8. 1. Рупорные антенны.

Используются в ДМ, СМ и ММ диапазонах в качестве антенн средней направленности, облучателей сплошных антенн, элементов решёток. Рупор получается путём плавного перехода от открытого конца волновода за счёт увеличения поперечного сечения. Тем самым улучшаются направленные свойства и согласование волновода со свободным пространством.

Круглый волновод =>	конический рупор.
Он характеризуется углом 2φ	и D – диаметром
апертуры.

Прямоугольный волновод, расширенный в плоскости Е, => Е секторальный рупор.

Прямоугольный волновод, расширенный в плоскости Н, => Н секторальный рупор.

Прямоугольный волновод, расширенный в плоскости Е и Н, => пирамидальный рупор.

В секторальных рупорах фронт волны цилиндрический. В пирамидальном и коническом – сферический. Край в рупоре - всегда плоскость, есть квадратичные фазовые искажения. Чем больше 2φ, тем искажения больше.

63

Амплитудные искажения.

В плоскости Е искажений нет – равноамплитудное распределение поля.

В плоскости Н –

распределение, спадающее к краям.

Е&

~ cos

x

A

wф

kB

1 +

× cosθ E sin(

sinθ E )

F (θ E ) = F1 (θ E ) × F∑(θ E ) =

w0

×

2

2

kB

sinθ E

2

1+

wф

×cosθH

cos(

kA

sin θ

)

F (θ H ) =

w0

×

2

H

Первый

множитель

обычно

2

1- (

kA

sin θ H )2

модифицируют:

wф

π

1 +

× cosθ E

w0

F1

(θ E ) =

w0

wф =

® w0

λ

2

1 - (

)2

wФ

–

характеризует

2 A

сопротивление фронта волны в апертуре. w0

–

характеризует сопротивление свободного пространства.

Т. к. А >> λ, wф

≈ w0. F1 (θ E ) =

1 + cosθ E

2

Часть энергии отражается от раскрыва, что учитывается через коэффициент отражения (ещё один сомножитель).

Зависимость ДН от размеров апертуры.

Оптимальный рупор – размеры апертуры уже больше, а фазовые искажения ещё не велики. Д = Д макс. возможный.

r = OB – OA= a/2 · ctgφ. Для Е секторального рупора Дмакс приΔr = λ/4,

DF £ π2 = k × Dr = 2/λ×π × a2/ ctgϕ .

DF £ 34π

Для	Н	секторального	рупора
искажения		допускаются большие, т. к.

амплитудные распределения		~ cos, и на краях поле
близко к нулю, т. е. края вносят меньший вклад в
фазовые искажения. Д =	4 π	× А × В × КИП КИП =
	λ

КИПампл· КИПфаз.

КИПампл – неравномерное распределение по амплитуде.

64

КИПфаз – квадратичные фазовые искажения.

Для пирамидального рупора с прямоугольным раскрывом (оптимального): КИП = 0,81 · 0,8 · 0,8 = 0,52 , где 0,81 – неравномерность в одной плоскости по амплитуде, 0,8 · 0,8 – фазовые искажения по обоим плоскостям. Это первое приближение, т. к. КИП должен ещё учитывать токи, вытекающие на внешнюю сторону, и дифракцию на рёбрах.

Т. е. КИП = КИПА · КИПФ · КИПток · КИПдифр . Наибольший вклад (наименьшие значения) имеют первые два.

Фазовый центр – из-за фазовых искажений волна на выходе из рупора – не сферическая. Антенна не имеет фазового центра. Имеются частичные фазовые центры, находящиеся между точками О и А.

Достоинства:

1.Высокий КПД – нет диэлектриков, форма проводников простая (линии токов короткие) η = 100%. Рупора часто используют в виде эталонов при измерении коэффициентов усиления G-методом замещения.

2.Хорошо согласовываются со свободным пространством, т. к. wф ≈ w.

3.Антенна имеет хорошие диапазонные возможности.

4.Антенна сравнительно лёгкая и механически прочная.

8. 2. Зеркальные и параболические антенны.

Широко распространены в диапазонах от метровых до миллиметровых волн как антенны высокой направленности. Это основной тип антенн в радиолокации, радиорелейной связи, спутниковой связи, радиоастрономии.

ДН формируется за счёт отражения поля первичных источников (облучателей) от металлических зеркал той или иной формы. В простейшем случае это плоскости (вибратор в углу из двух пластин), но наибольшую направленность имеют антенны с зеркалами в виде параболоида вращения.

Используется свойство параболической поверхности – длина лучей из фокуса до плоскости, перпендикулярной оси, является постоянной. FA + AB

=const, FA+AC = const.

ρ+ ρ cosψ = 2 f

ρ =		2 f
		1+ cos ψ		- уравнение параболы в сферической
системе координат.
x2 +	y2 =4·f·z –			уравнение параболы в декартовой

системе координат.

F – точка фокуса, О – вершина зеркала, f – фокусное расстояние, R – радиус зеркала, 2ψmax – угол раскрыва.

Сферическая волна облучателя преобразуется

65

в плоскую с помощью зеркала. Плоский фронт является нерасходящимся. В зависимости от 2ψmax различают:

1.Короткофокусные 2ψmax > π (R) f .

2.Длиннофокусные 2ψmax < π (R<f) зеркала.

По ряду причин, о которых будет сказано ниже, в основном применяются длиннофокусные зеркала.

В качестве основного геометрического параметра при расчётах и построении графиков обычно используют отношение f / D, где D – диаметр зеркала. Расчёт характеристик направленности производят токовым или апертурным методами:

Токовый метод: как более точный используется для расчёта уникальных антенн (радиотелескопов, космической связи и т. д.), с ДН специальной формы (имеющих специальные облучатели, например ГСА), короткофокусных зеркал (из-за сложного распределения токов).

Апертурный метод: обычный для инженерной практики. Расчёт производится в следующем порядке:

1. По заданной ДН облучателя Fобл(ψ) определяется величина эквивалентных токов

в	раскрыве:	I (ψ ) =	Fобл (ψ )	=	(1+cosψ ) Fобл (ψ )	,	после	этого	рассчитывается
			ρ		2 f

распределение токов в раскрыве от координаты r – расстояние от фокальной оси

до точки в апертуре.
2. К	полученному	распределению	токов	в	раскрыве			подбирается
аппроксимирующая функция, обычно:			I (r) = (1 −	) +	(1 − (	2r	) 2 )n . Подбирая n и ,
						D
можно достаточно точно подобрать распределение.

3.По известным формулам рассчитывается ДН, УБЛ, Δθ0,7.

Д= 4λπ2 S × КИП

4.Определяется КНД

S – площадь раскрыва.

КИП = КИПампл· КИПобл· КИП′ Д = const f – var

66

КИПамп – определяется амплитудными искажениями (спаданием поля к краям). КИПамп = 1 – равноамплитудное возбуждение.

КИПобл – определяет долю мощности облучателя, перехваченную зеркалом.

КИП – максимальный, когда f/Д – оптимальное. Это соотношение зависит от типа облучателя, параметров зеркала и т. д. В общем случае КИП – максимальный, если края облучаются 0,33 (-10дБ) от центра (пьедестал равен 0,33 по полю. 0,1 – по мощности). КИПмакс = 0,83.

Облучатель – вибратор с контррефлекторм. (f/Д)опт = 0,38 - КИПмакс . Для других облучателей (f/Д)опт – своё значение.

КИП′ - учитывает уменьшение использования поверхности за счёт:

1.Дифракции на краю зеркала.

2.Затекание токов на заднюю поверхность зеркала, что приводит к росту уровней боковых (дальних) и задних лепестков.

3.Фазовые искажения в раскрыве зеркала. Они следствие:

а) отклонения зеркала от параболы из-за неточности изготовления или сферические.

б) локальные неровности из-за механических повреждений, болты, заклёпки и т. д.

d – отклонение профиля. d/D = 10-n, n = 2 ÷ 3, n = 4 – только специальные материалы и технологии.

λ =	ϕ = λ 10		− n	- фазовая ошибка.	Д = Д 0 (1 − ( ϕ )	2	) = Д	0 КИП	НЕР
5 d		5 D

в) неточный фазовый центр облучателя.

г) смещение фазового центра облучателя из фокуса зеркала:

-смещение вдоль фокальной оси. Продольное смещение (дефокусировка) приводит к квадратичным искажениям.

-смещение перпендикулярно оси. Приводит к наклону фронта волны в противоположном направлении, в следствии линейных фазовых искажений. l –

величина смещения. Для малых l -	θ = arctg	l	и используется при
		f

сканировании. Большие одновременные искажения вдоль и перпендикулярно оси – кома искажения.

4. Затенение части апертуры облучателем и его элементами крепления	(стойки,
крепления и т. д.).

	КИП =	S −Sобл
		S
	тени

67

5. Кроссполяризация – появление ортогональных составляющих поля	за
счёт «искривления» токов на зеркале.
Для короткофокусных зеркал потери на кроссполе
- больше (обычно на фокальной оси потерь нет –	они
компенсируются).

Для длинно-	Для коротко-
фокусных.	фокусных.
	Облучатель в виде конического рупора лучше, чем
	пирамидальный так как в коническом H11, имеющая
	противоположное значение и искривления и поле
	раскрыве.

С учетом КИП1 – общий КИП зеркальной антенны трудно получить больше чем

0,7÷0,75 ( обычно 0,5÷0,6).

Излучаемая мощность антенны определенная через G=η·D – коэффициент усиления антенны. Факторы снижающие η – коэффициент полезного действия в зеркальных антеннах:

а) Омические потери из-за конечной проводимости зеркала, антикоррозионных покрытий (краска), потери в диэлектриках (чаще в облучателях);

б) Влияние радиопрозрачных укрытий, если они имеются, или пленок воды, льда, снега и т.д.

Облучатели зеркальных антенн.

Облучатель зеркальной антенны должен удовлетворять ряду часто противоречивых требований. Основными из них являются:

ДН облучателя должна быть однонаправленной и иметь минимум боковых лепестков, чтобы не искажать поля зеркала. Для круглых зеркал она должна быть осесимметричной.

Амплитудная ДН должна обеспечить выбранное амплитудное распределение в раскрыве и иметь минимальное излучение вне угла раскрыва.

Облучатель должен излучать сферическую волну Е20 фазовый центр не должен быть «размытым».

68

Облучатель должен иметь минимальные размеры и вес, чтобы КНП тени был минимальным.

Облучатель стоит в поле, отраженном от зеркала. Появляется отраженная волна, т.е. рассогласование, говорят о реакции зеркала на отражатель. Она оценивается коэффициентом отражения и должна быть минимальной.

Облучатель должен быть достаточно диапазонным и выдерживать заданную мощность без !!! эти параметры ( зеркало практически не меняет характеристики в диапазоне и там не может быть пробоя).

Наиболее распространенные конструкции облучателей

а) ДМВ – диапазон, питающая линия – коаксиал (чаще всего): вибратор с контррефлектором; спираль с контррефлектором и др.; контррефлекторов для получения одностороннего излучения.

			диск
	λ/2 вибратор				Вместо диска может быть пассивный
λ/4 стакан
		Ф,Ц.			вибраторов. λ/4 стакан – симметрирующее
			λ/2
					устройство F(θ) ~ cos2 θ (для диска).
λ/4
		λ/4

б) СМ – диапазон, питающая линия(чаще всего) – прямоугольный волновод: связанные вибраторы; щелевые; рупорные; диэлектрические стержневые; спиральные.

щель

Д Р

резонатор

металлическая пластина 69

рупорные

с контррефлектором

Недостатки рупорных вибраторов: большая реакция, трудно сделать осесимметричный ДН, большое затемнение, а если его нет сложной формы зеркало или трудно получить необходимого ДН.

Разновидности зеркальных антенн

1)Параболоид вращения;

2)Цилиндрический параболоид (ДН в одной из плоскостей формируется только облучателем);

3)Вырезка из параболоида вращения для получения ДН разной ширины в ортогональных плоскостях.

4)Двухзеркальные антенны по схемам Канегрела или Грегори (для уменьшения размеров «в глубину»).

1.	облучатель.
2.	основное зеркало.
3.	вспомогательное зеркало (для антенны
3	Конегрела – гиперболическое).
1
2
5) Гибридно-зеркальные (ГЗА).

Используются для управления лучом

70