dsd13-gos / dsd-13=СВЧ / Конспект / 7

47

3. Резонаторы и антенны

3.1. Резонаторы СВЧ

Резонатор — устройство, в котором могут существовать собственные колебения электромагнитного поля. Эти колебания не связаны с переносом энергии в пространстве (групповая скорость равна нулю). В резонаторах происходит периодическое перекачивание электрической энергии в магнитную и обратно на резонансной частоте . Если нет потерь, полная энергия колебаний .

Основная характеристика резонатора — добротность:

,

где — потеря энергии за период. Для поддержания незатухающих колебаний потери необходимо компенсировать подкачкой в резонатор энергии .

Частотная характеристика резонатора:

— полоса частот резонатора.

Для простых резонаторов

.

В общем случае

.

В оптике резонаторы представляют собой систему зеркал. Простейший тип резонатора — 2 параллельных зеркала (например, в лазере). Между ними могут существовать собственные колебания в виде стоячих волн. Расстояние между зеркалами должно составлять целое число полуволн на резонансной частоте:

.

Это число очень велико (обычно > 10⁴ - 10⁵). При нет необходимости точно подбирать — резонатор «подстроится сам». Потери: неполное отражение от зеркал и поглощение света средой (мнимая часть ).

.

В электротехнике резонатор — -контур.

Электрическое и магнитное поля

сосредоточены в разных местах.

Электрическая и магнитная

энергия излучается. В тороидальной катушке с большим значением и в конденсаторе с большим значением — меньше. Но на высокой частоте такие материалы работают плохо.

На очень высокой частоте оба элемента контура работают плохо:

• импеданс дросселя шунтируется межвитковой емкостью;

• к импедансу конденсатора добавляется импеданс паразитной индуктивности;

• возрастают потери на излучение.

, где

- волновое сопротивление контура, — сопротивление потерь.

В технике СВЧ резонатор — полость.

Цилиндрическая полость

— нулевая функция Бесселя

(цилиндрический аналог синуса).

По вертикальным стенкам течет ток скачок магнитного поля.

Электрическое и магнитное поля не разнесены в пространстве.

!!!

Это стоячая волна.

Подкачка резонатора

Петля в пучности магнитного поля.

Эволюция -контура в полость (повышении резонансной частоты):

Высшие типы колебаний в полости

Все резонансные частоты наблюдаются на частотной характеристике:

Ввиду очень высокой добротности нужна точная подстройка резонансной частоты. Один из способов — винт в корпус.

Резонаторы на отрезке волновода

Резонаторы могут выполняться на отрезках короткозамкнутого или разомкнутого волновода, длина которого кратна или .

На открытом конце поля искажаются вследствие краевых эффектов, и часть падающего потока энергии излучается. Поэтому лучшую добротность имеют отрезки волновода, короткозамкнутые с обоих концов. Предельные волноводы обеспечивают лучшую добротность (нет потерь в тонком проводе в диэлектрике).

3.2. Антенны

Антенна — это открытый резонатор, который может излучать или воспринимать электромагнитное поле.

Некоторые типы антенн

Антенны делятся на передающие и приемные.

Основные параметры и характеристики передающей антенны

1). Входной импеданс (нагрузка для генератора или фидера)

или .

2). Сопротивление излучения

.

3). Сопротивление потерь

.

4). Активное сопротивление антенны

.

5). Коэффициент полезного действия (к.п.д)

.

6). Амплитудная характеристика направленности ( — азимутальный угол, — меридианальный угол) или

амплитудная характеристика направленности по мощности

плотность потока мощности ;

их графические изображения — диаграммы направленности;

7). Угол раствора диаграммы , (в направлении плотность потока мощности вдвое меньше, чем в направлении ).

8). Плоскость поляризации (электрического поля).

9). Коэффициент направленного действия (КНД)

при одинаковой напряженности поля в месте приема (1-10⁴).

10). Коэффициент усиления антенны

.

Если ту же антенну использовать как приемную, большинство параметров сохраняется, но некоторые изменяют смысл (принцип взаимности):

входное сопротивление  внутреннее сопротивление;

;

Эффективная площадь антенны

.

( численно равна модулю вектора Умова-Пойнтинга)

Связь между и : .

Симметричный вибратор

В линии передачи можно рассматривать распределения I(x) и V(x):

не зависит от пути интегрирования

Вибратор излучает поле. Электрическое поле не является потенциальным.

зависит от пути интегрирования.

можно рассматривать только распределения I(x) и q(x).

Чаще всего используются “полуволновые” вибраторы () и “волновые” вибраторы ().

Будем рассматривать тонкие вибраторы:

.

Для полуволнового вибратора: Для волнового вибратора:

; ;

; ;

Ом. Ом.

Вблизи резонанса полуволновой вибратор ведет себя как последовательный резонансный контур, а волновой — как параллельный:

Входной импеданс (активный):

Ом; кОм;

— добротность антенны;

Дб — КНД;

эффективная площадь антенны;

Амплитудная характеристика направленности:

; .

Волновое сопротивление контура кОм.

Для полуволнового вибратора входное сопротивление Ом практически совпадает с волновым сопротивлением коаксиального кабеля РД-20 (75 Ом), поэтому можно подключать кабель прямо к антенне.

Для волнового вибратора входное сопротивление значительно больше волнового сопротивления любого фидера, поэтому необходимо согласующее устройство:

Из-за излучения скорость волны вдоль вибратора несколько меньше с. Поэтому резонансные длины волн лишь приближенно определяются соотношениями ₀ = 4l, ₁ = 2l. Резонансные длины волн зависят (слабо) от отношения толщины провода а к длине волны:

Шлейф - вибратор

Эквивалентные схемы

Ток I_A генератора 2V_A на рис. а) равен сумме токов I_A1 от всех генераторов V_A /2 и тока I_A от генератора V_A на рис. б):

.

Противофазные токи I_A1 = 0, т.к. для КЗ линии l =  /4 Z_IN = :

.

При действии одного генератора V_A на рис. г) оба провода шлейф-вибратора соединены параллельно. В каждом проводе

, (— сопротивление излучения вибратора на рис. г)).

Таким образом: .

Так как ток имеет только синфазную составляющую, его распределение по длине каждого провода такое же, как в обычном полуволновом вибраторе:

При том же входном токе I_А шлейф-вибратор создаст вдвое большую напряженность излученного поля, т.е. в 4 раза большую мощность излучения .

Поэтому сопротивление излучения шлейф-вибратора в 4 раза больше, чем полуволнового вибратора:

Ом.

Полуволновые вибраторы могут работать в некотором диапазоне частот (например, принимать все каналы ТВ, кроме ДМВ). Шлейф-вибраторы эффективно работают только на резонансной частоте, т.к. только на ней подавляется противофазная составляющая тока I_A1.

Диаграмма направленности и КНД у шлейф-вибратора такие же как у полуволнового вибратора.

Директорные антенны

Направленность антенны можно увеличить, используя ряд параллельных полуволновых вибраторов, расположенных на общей рее и отстоящих друг от друга на .

Один из вибраторов (активный) питается от генератора; остальные (активные) возбуждаются полем активного вибратора.

Система из 2 вибраторов (1 – активный, 2 – пассивный):

В

КЗ

1 2

цепь вибратора 2 для настройки включено реактивное сопротивление — линия с КЗ перемычкой.

При индуктивном сопротивлении пассивного вибратора он действует как рефлектор – создает преимущественное излучение от пассивного вибратора к активному.

~  / 4

При емкостном сопротивлении пассивного вибратора он действует как директор – создает преимущественное излучение от активного вибратора к пассивному.

Практически удобнее получить индуктивное сопротивление пассивного вибратора за счет его удлинения, а емкостный — за счет укорочения.

Многовибраторная директорная антенна:

Излучение в обратном направлении мало, поэтому нет смысла использовать больше одного рефлектора.

В середине пассивных вибраторов — узел заряда (нулевой потенциал). Поэтому можно крепить их на общем металлическом стержне.

Антенны с широкой диаграммой направленности делают в виде полуволновых щелевых линий. В летательных аппаратах они просто прорезаются в обшивке (или корпусе).

В оптике антенны — это линзы и зеркала.

Очень мощные антенны СВЧ (например, в радиотелескопах дециметрового диапазона) также делаются по оптическому принципу — в виде очень больших параболических зеркал (~ 40 м диаметром). Такие зеркала необязательно делать сплошными (это практически невозможно). Достаточно сделать их поверхность в виде металлической решетки с размером ячеек .

В технике локации антенна должна обладать высокой направленностью и следить за объектом. Для этой цели используются вращающиеся антенны. Лучшее решение — антенна без движущихся частей в виде фазированныой антенной решетки (ФАР). На плоскости располагается много вибраторов, на которые сигнал подается с задержкой по фазе. От задержки зависит направление, в котором все излучаемые волны суммируются. Так же — прием.