Антенны_конспект

(бортовые антенны спутников связи).

6) Рупорно – пораболические.

Имеют очень малое заднее излучение и боковые лепестки – для радиорелейной связи. Недостаток – громоздки.

7) Перископические (нет фидерного тракта – меньше потерь).

плоское зеркало

8) Сферические зеркала.

	•	Фронт приближается к плоскому. Легко используется
		для сканирующих антенн. Легче изготовить.

r 2 r 2

71

8.3 Линзовые антенны

Принцип действия основан на измерении фазовой скорости в материале линзы по сравнению с окружающим пространством. За счет прохождения фазовым фронтом определенного расстояния с измененной скоростью происходит его выравнивание и превращение в плоский. Если фазовая скорость в линзе меньше, чем в окружающем пространстве – замедляющая линза, если меньше – ускоряющая.

Профили линз: а) замедляющие

			t
	r
•	ψ	0	D
	f
F
			tл

с		ε
n = υФ	=		т.е материал линзы диэлектрик

kr + knt = const для произведенного луча

kr + knt = const для центрального луча

из геометрических соображений tл – t = rcos ψ – f, t л – t =(r - f)/ n kr + knt = kf + kntл

	r =	f	n − 1
			n cosψ − 1

это управление профиля линзы – гипербола. Один из

фокусов в точке F

Освещенная поверхность – гиперболоид вращения. Выходная – плоскость.

t л	=	Д2
		8 f (n − 1)
б) ускоряющие
		t
	r				kr + knt = f
					r = f − r cosψ
•		ψ			D
		•		0
F	f	F	′		r = f	1 − n	- это управление эллипса с дальним фокусом
						− n cosψ
					1
			tл				вточке F.

72

Освещенная поверхность – эллипсоид вращения. Выходная – плоскость.

t л	=		f	∙	f 2	−		1 Д2			- толщина линзы.
					(1 + n) 2			− n 4
	1		+ n			1

В случае параллельно проводящих пластин (волноводы шириной а и произвольной высоты).

n =		с	= 1 −		λ	< 1
a	υФ
					2а

Ускоряющая линза – набор плоских пластин параллельных Е.

Линзовые антенны чаще всего используют для корректировки фазового фронта в рупорных антеннах.

Недостатки:

а) громоздкость; б) замедляющие линзы имеют большой вес, хотя практически

частотнонезависимы;

в) ускоряющие линзы узкополосны, т.к. n = f (λ) , хотя сравнительно легкие;

г) отраженная от линзы волна влияет на облучатель.

Основной способ улучшения характеристик линз – зонирование.

9.Антенны ВЧ, СЧ и НЧ диапазонов

9.1Требования предъявляемые к антеннам.

Требование к антеннам ВЧ определяются особенностями распространения радиоволн этого диапазона:

Основной механизм распространения – пространственной волной (путем отражения от ионосферы). Наиболее эффективны антенны с «приподнятым» на 20 ÷ 30° максимумом ДН. Земная волна только в пределах прямой видимости (30 км).

ионосфера

73

Земля

Помехи в основном имеют вертикальную поляризацию, поэтому наиболее целесообразны антенны с горизонтальной поляризацией.

В ионосфере за счет эффекта Фарадея происходит поворот плоскости поляризации, поэтому передающая и приемная антенны не обязательно должны иметь одинаковые поляризационные характеристики.

Принципиальной особенностью является многолучевость, т.к. при рефракции в неоднородной ионосфере в магнитном поле Земли волна «расщепляется» на две (обыкновенную и необыкновенную); параметры ионосферы меняются как по вертикали, так и по горизонтали, имеются локальные ионосферные неоднородности. Образуется набор лучей с разными фазовыми скоростями, одновременно приходящими на приемную антенну, что приводит к быстрым замираниям. Основные способы борьбы – разнесенный прием, сужение ДН в вертикальной плоскости для уменьшения зоны отражения, работа на чатотах близких к МПЧ.

Параметры ионосферы сильно меняется в течении суток, года, 11 летнего солнечного цикла и т.д. Антенна должна позволять быстро переключаться по частотам, часто достаточно разнесенным.

Существенное влияние на РРВ и, особенно, на формирование диаграммы направленности оказывают параметры почвы ε2, σ, которая в данном диапазоне является полупроводящей.

Горизонтальные антенны имеют ДН с главным лепестком, направленным под углом к горизонту. Вертикальные антенны, в свою очередь, имеют максимум излучения «прижатый» к поверхности земли. Исходя из этого горизонтально ориентированные антенны более предпочтительны и соответственно имеют большое число разновидностей и вариантов:

а) Горизонтальный проволочный вибратор

изолятор	2×l	f (θ ,ϕ) = f1 (θ ,ϕ ) × f3 (θ )
	d<λ/4	D
h		h
		D
	~

74

f3 - для горизонтального вибратора F2(Ө).

¦(q1)

sinθ −

F2(Ө)=

F2

е jФ2 =

ε

2

− cos2 θ

2 sin(kh sin θ )

h=λ/2

sin θ +

ε 2

− cos2 θ

30°

f1(Ө)=fвибр(Ө)

h ³ λ/2

При подъеме (h ↑) лепестки снижаются. В горизонтальной плоскости ДН такая же, как у вибратора.

Достоинства: вибратор легкий (не нужно мощных столбов). Недостатки:

1)вибратор очень узкополосен, т.к. dl < 0.01 ( l = 5 ÷ 50 м).

2)Прием только с двух направлений (вибратор по оси не излучает).

б) Широкополосные вибраторы.

l							Вибратор Надененко
				2·d

	Rвх ≈ ρа = 120(ln	l	− 1)	≈ 300Ом dээк = d n	nr	n- радиус провода
		d экв			d

Они пересекают ВЧ диапазон в 3 ÷ 4

Шунтовый вибратор

шунт

2·

n=8 - 12

Rвх=500 Ом

На базе таких вибраторов строятся более сложные.

75

		Уголковая антенна.
	90º	Не имеет направленности в горизонтальной
		плоскости при L λ = 0,5.	Подвешивается на трех

столбах.

ВГДШ-2У

Вибраторная горизонтальная с шунтовым питанием, двойным углом.

Перекрывает ВЧ диапазон в 3 ÷ 5 комплектах (удовлетворительно).

Подвешивается на трех столбах.

СГД.

Синфазные горизонтальные диапазонные антенные решетки.

76

СГ m РН.

n

Синфазная горизонтальная, m – число этажей, n – число вибраторов, РН – рефлектор настроечный. Такая антенна направленная, со сканированием. Разработано ещё большое число вибраторных антенн, имеющих различные частотные свойства, но в основном средней направленности. Наиболее широкополосны плоские проволочные вибраторы, которые подвешиваются на четырёх столбах.

КПД вибраторных антенн примерно 95%, поэтому можно использовать и на прием и на передачу.

в) Антенны бегущей волны.

Используется излучение бегущей волны тока. 1). Ромбическая антенна.

		ДН провода с током –
		воронковидная. Составляющие в
P=600	RH	продольном направлении
		складываются, в поперечном –
		вычитаются. Регулируется углом β.
	β	l ≈ 3 ÷ 5λ
		h ≈ (0.5 ÷1)λ
	L
	Подвешиваются на четырёх столбах. Волновое
	сопротивление к углам ромба сильно возрастает. Для
	компенсации этого явления используют:
	≈30°	3 ÷ 4 проводника	η = 0,8 ÷ 0,9

Антенна используется как направленная для магистральных линий связи и для приема и для передачи. Обычно работает на два направления (тандемно).

2). Антенна бегущей волны с элементами связи.

77

e

e

P=600

RH

e

R=0.7λmin

Чтобы вибраторы не шунтировали линию питания включают элементы развязки: ёмкости, индуктивности или сопротивления. БЕ, БИ, БС – так обозначаются антенны такого типа, если емкости или сопротивление – то фазовая скорость в линии уменьшается, получается режим осевого излучения. Вибраторы находятся близко один к другому и взаимно влияют, это необходимо учитывать.

Если индуктивности, то υф > с - такой режим не используют (при изменении частоты будет наблюдаться сканирование).

Емкости используют редко, так как у емкостей имеется ТКЕ, т.е. параметры антенны будут меняться от температуры. Обычно используются БС LАНТ ≈LОПТ ≈ 90 м, ∆θ ≈10 ÷ 30° в зависимости от частоты в диапазоне. Диапазон ВЧ перекрывается в 2 комплектах. Из-за потерь в подгрузочном сопротивлении и сопротивлениях связи η ≈20 ÷ 40%. Такие антенны используют только для приема. Поляризация может быть и

вертикальной (3 столба). Используются и другие типы антенн, например логопериодические (ЛПА), вертикальные вибраторы и другие.

9. Требования к антеннам НЧ и СЧ диапазонов. Конструкции антенн.

НЧ: λ=1000 ÷ 10000 м – километровые волны. СЧ: λ=100 ÷ 1000 м – гектометровые волны.

Основной механизм распространения – земной волной. Поверхность Земли можно считать проводником поляризация поля вертикальная.

Антенны в этих диапазонах имеют очень маленькие электрические размеры, т.е. они близки к элементарным.

В качестве передающих используются вертикальные вибраторы ( << λ/4 ).

78

1). Входное сопротивление маленькое, следовательно трудно согласовать с линией.

2). Из-за нуля тока на конце, действующая высота (эффективность работы) вибратора мала. Улучшение в Г и Т зонтичные.

Горизонтальная часть играет роль емкости и улучшает распределение тока на вертикальной части. Токи текущие по поверхности Земли компенсируют излучение горизонтальной части, т.к. они противофазны. Излучает только вертикальная часть. В диапазоне СЧ вибратор можно сделать близким к λ/4. Главное чтобы антенна была антиорединговой (не имела излучения под большими углами к горизонту). Для этого высота должна быть выше λ/4.

Обычно используют антенны – « башни» и антенны – мачты оттяжки (3 ÷ 7 яруса) разбиваются изоляторами на элементарные участки ( << λ/4 ), чтобы исключить их излучение.

h ≈ 100 ÷ 500 м.

изолятор

Приемные антенны – рамочные.

z	y

x

79

1. Устройства СВЧ

ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ

Характеристики линий передачи

Линия передачи (ЛП) – устройство, ограничивающее область распространения электромагнитных колебаний и направляющее энергию в заданном направлении.

Регулярная ЛП – поперечное сечение постоянно и диэлектрическое заполнение не меняется по длине.

Открытая ЛП – нет замкнутого охват электропроводного контура в сечении. Закрытая ЛП или волновод – есть охватывающая проводящая поверхность. Характеристики линий передачи: массо-габаритные, весовые, стоимостные,

конструкционные, электрические и т.д. Основные электрические характеристики: а) Тип волны (тип колебания)

ЛП чаще всего работает на одном, заранее выбранном, типе колебания.

1.Т-волны: ЕZ=0, HZ=0, λкр=∞. Может существовать в многосвязных ЛП.

Z

2.Е-волны: ЕZ≠0, HZ=0, λкр=const=f (поперечное сечение).

3.Н-волны: ЕZ=0, HZ≠0, λкр=f (поперечное сечение).

4.Гибридные волны

∙LE: HZ≠0, ЕZ≠0, ЕZ>HZ

∙LН: HZ≠0, ЕZ≠0, HZ>ЕZ

б) Фазовая скорость (дисперсионная характеристика):

Vф =

c

–

для волны Т-типа, дисперсии нет, ε, µ –

относительная проницаемость.

εµ

λл =

λл

–

длина волны в линии (Т-тип).

εµ

Vф =

с

–

для Е и Н. Волны только λ0 <

λкр , сильная дисперсия

λ0

2

1−

εµ

λкр

(зависимость Vф от частоты)

λкр

зависит

от

размеров

и

типа

линии,

вида

колебания.

Для прямоугольного волновода основной волной является Н10, λкр=2а. Для гибридных волн λкр рассчитывается по сложным соотношениям Vф, λ=f (частота) и имеют сложный вид.

в) Коэффициент затухания

80