Содержание

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АНТЕННАХ С ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ 4

2 ОПИСАНИЕ СХЕМЫ 11

3 НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛИНЗОВЫХ АНТЕНН 12

4 ВЫВОД 16

17

6 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА 17

ВВЕДЕНИЕ

Антенные устройства играют в радиотехнике важную роль, так как основным отличительным признаком радио является наличие из­лучения или приема радиоволн. Само слово «радио» происходит от греческого слова «излучать».

Требования, предъявляемые к антенне, различны в зависимости от назначения радиостанции. Так, например, в случае работы радиове­щательной станции, обслуживающей определенный район, в центре которого она расположена, передающая антенна, как правило, должна создавать равномерное излучение во все стороны, т. е. должна быть не направленной в горизонтальной плоскости. С другой стороны, антенна, например, радиолокационной станции, должна концентрировать излу­чение в малом телесном угле, т. е. должна быть остронаправленной. К приемной антенне часто предъявляется также требование направ­ленного действия, т. е. требование более эффективного, приема волн, приходящих с определенных направлений.

1 Общие сведения об антеннах с вращающейся поляризацией

В настоящее время в радиотехнической практике (радиолокации, радиотелеметрии, радиоуправлении, космической радиосвязи и др.) широкое применение находят антенны с эллиптической или вращаю­щейся поляризацией.

Такие антенны возбуждают в окружающем пространстве электро­магнитное поле, вектор напряженности которого E в точке наблюде­ния непрерывно меняет свою ориентацию. За период высокой частоты вектор E делает один полный оборот в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Кривая, которую описывает конец этого вектора в точке наблюдения за период высокой частоты, называется поляризационной характеристикой.

Поляризационная характеристика антенны с вращающейся поля­ризацией представляет собой эллипс. Параметрами эллипса, однознач­но его определяющими, являются коэффициент эллиптичности m и угол наклона α (рисунок 1 б). Коэффициент эллиптичности представ­ляет собой отношение малой полуоси эллипса (OA = a) к большой его полуоси (OB = b)

m = a/b.

Коэффициент m в общем случае может принимать значения от 0 до 1 (0 соответствует линейно поляризованному полю, а 1 — полю с круго­вой поляризацией).

Углом наклона α называется угол между большой осью эллипса и координатной осью x

Для более полной оценки поля в точке наблюдения наряду с пара­метрами эллипса необходимо знать также направление вращения вектора E и его начальную фазу (положение вектора E в плоскости xoy в момент времени t = 0).

В зависимости от направления вращения вектора E различают поля правого и левого вращения.

Полем левого вращения называется такое, вектор E которого вра­щается по часовой стрелке для наблюдателя, смотрящего навстречу

Рисунок 1 Линейно поляризованное поле (а); эллиптически поляризованное поле (б); поле круговой поляризации правого направления вращения (в).

направлению распространения волны. Вектор E поля правого вращения вращается против часовой стрелки.

На рисунке 1 изображены различные поляризационные характе­ристики. Поляризационная характеристика, изображенная на рисунке 1 а, соответствует линейно поляризованному полю (m= 0) и представляет собой прямую линию, ориентированную вдоль оси y (вертикальная линейная поляризация). Показанная на рисунке 1б поляризационная характеристика соответствует полю с вращающейся поляризацией и представляет собой эллипс (0 < m < 1).

На рисунке 1 в представлена поляризационная характеристика поля с круговой поляризацией (m= 1) правого направления враще­ния (волна распространяется вдоль оси z).

Во многих случаях представляется удобным рассматривать электро­магнитное поле с вращающейся поляризацией как результат супер­позиции либо двух взаимно перпендикулярных полей, сдвинутых по фа­зе, либо двух полей круговой поляризации с противоположными направ­лениями вращения и разными амплитудами.

Исходя из первой трактовки, поле в точке наблюдения (рисунок 2 а) можно записать при помощи соотношений

E_x=A_xcosωt, E_y=A_ycos(ωt+ψ) (1)

Исключая из выражений (1) время путем замены cos ωt на Е_Х/А_Х, получаем после преобразований уравнение эллипса в виде

E_x²/A_x² –(2E_xE_y*cosѱ / A_xA_y)+ E_y²/A_y²=sin²ѱ (2)

Если ортогональные составляющие поля Е_х и Е_у сдвинуты по фазе на π/2, то формула (2) принимает вид

E_x²/A_x²+ E_y²/A_y²=1 (3)

Последнее выражение представляет собой уравнение эллипса, оси которого совпадают с координатными осями х и у. При этом ко­эффициент эллиптичности m определяется соотношением амплитуд взаимно перпендикулярных составляющих поля А_х и А_у.

Рисунок 2 Представление поля с вращающейся поляризацией двумя взаимно перпендикулярными полями (а) и двумя полями с круговой поляризацией (б).

Если сдвиг по фазе ѱ=±π/2, а амплитуды равны (А_х = А_у =А), то выражение (3) будет представлять собой уравнение окружности в виде

(E_x²+ E_y²)/А²=1 (4)

В этом случае поляризация будет круговой.

Исходя из представления поля с вращающейся поляризацией в виде двух линейно поляризованных полей, можно построить антенну из двух взаимно перпендикулярных идентичных линейных излучате­лей.

Если такие излучатели (рисунок 3) питать равноамплитудными токами, сдвинутыми по фазе на π/2, то в направлении оси Z будет воз­буждаться поле с круговой поляризацией, в плоскости расположения вибраторов (плоскость хoу) — поле с линейной поляризацией, а во всех остальных направлениях возникнут поля с эллиптической поляризацией.

В диапазоне метровых и дециметровых волн широкое применение находят взаимно перпендикулярные (скрещенные) полу­волновые вибраторы, а на сантиметровых волнах — взаимно перпендикулярные (кре­стообразные) полуволновые щели на ши­рокой стенке волновода.

Скрещенные вибраторы. На рисунке 3 в начале координат расположены два скре­щенных полуволновых вибратора, вибратор 1 ориентирован вдоль оси х, а вибратор 2—вдоль оси у. Токи в вибраторах сдвинуты по фазе на π/2

Диаграмма направленности вибратора 1 в любой плоскости, про­ходящей через ось х, представляет собой восьмерку, максимум которой лежит в вертикальной плоскости yoz. В частности, в плоскости хoz диаграмму направленности полуволнового вибратора 1 можно запи­сать приближенно в виде

F (θ) ~ cos θ, (5)

где θ — угол, отсчитываемый от направления оси z.

Диаграмма направленности вибратора 2 также представляет собой восьмерку в любой плоскости, проходящей через ось у. Макси­мум этой диаграммы расположен в горизонтальной плоскости xoz. Диаграмма направленности вибратора 2 также определяется выра­жением (5), но оно соответствует плоскости уoz.

Рассмотрим поляризационные характеристики поля, создаваемого скрещенными вибраторами.

В направлении оси z (точка Р₁ на рисунке 4) вибратор 1 возбуж­дает вертикально поляризованную составляющую поля Е_в, а гори­зонтальный вибратор 2 — горизонтально поляризованную составляю­щую поля Е_г. Так как амплитуды этих составляющих равны (оба виб­ратора в направлении оси z излучают одинаково), а сдвиг по фазе меж­ду ними равен π/2 (он соответствует фазовому сдвигу между токами в вибраторах), то поле оказывается поляризованным по кругу. При этом если ток в вибраторе 1 опережает по фазе ток в вибраторе 2 то на оси z возбуждается поле левого вращения. В противном случае поле имеет правое вращение.

Рисунок 3 Скрещенные вибраторы

Рисунок 4 Поляризационные диаграммы системы скрещенных вибраторов

Рассмотрим работу еще одной простой антенны вращающейся поляризации, состоящей из двух скрещенных полуволновых щелей, прорезанных на широкой стенке прямоугольного волновода с волной H₁₀ (рисунок 5). Для того, чтобы щель излучала, она должна быть прорезана вдоль магнитных силовых линий поля, то есть перпендикулярно токам проводимости. Щель 1 возбуждается составляющей магнитного поля H_x, а щель 2- составляющей H_z. Если выполняются для ортогональных составляющих поля условия | H_x|-| H_z| и они сдвинуты во времени на 190⁰, то в направлении оси Y суммарный вектор напряженности магнитного поля будет иметь круговую поляризацию.

Рисунок 5

Актуальной задачей является создание антенных решеток с регулируемой поляризацией , что позволяет существенно улучшить рабочие характеристики радиолокационных комплексов путем настройки на поляризацию принимаемой волны, которая может изменяться в течение времени из-за наличия помех, не стационарности поляризационных характеристик цели , атмосферных осадков и др. Создание антенной решетки с перестраиваемой поляризацией на базе скрещенных вибраторов или щелей потребовало бы большого числа управляющих элементов для регулировки и установки требуемых соотношений по амплитуде и фазе в каждой линейке или каждом облучателе. Однако, возможно создание антенной решетки, позволяющей решить поставленную задачу, то есть изменить поляризацию при минимальном числе регулирующих элементов.

Рассмотрим работу антенной решетки, состоящей из двух подрешеток (рисунок 6) в виде волноводов прямоугольного сечения с волной H₁₀, на узкой стенке которых прорезаны под углами +45⁰ и +45⁰ к оси волновода встречно - наклонные излучающие щели на расстоянии длины волны в волноводе λ друг от друга. При этом все излучатели одной подрешетки сдвинуты по отношению к излучателям другой подрешетки на расстояние λ/2 вдоль оси питающих волноводов.

Излучающие наклонные щели каждой подрешетки возбуждаются синфазно перпендикулярной щели составляющей тока и создают в пространстве линейно - поляризованную волну, векторы напряженности которой E₁ и E₂ ориентированы перпендикулярно осям щелей, то есть под углом +45⁰ или -45⁰ к оси волновода, и, следовательно, перпендикулярны друг другу. Поляризация всей антенной решетки будет зависеть от соотношения между амплитудами этих ортогональных векторов и сдвигом по фазе во времени ∆Ψ.

При возбуждении двух соседних подрешеток в фазе ∆Ψ=0⁰ возбуждающие токи проводимости будут направлены в каждом сечении волноводов подрешеток в одну сторону, а токи в соседних встречно - наклонных излучателях подрешеток направлены в противоположные стороны (рисунок 7а). Поляризация суммарного электромагнитного поля от ортогональных составляющих E₁ и E₂ будет в этом случае горизонтальной.

Если же подрешетки возбуждаются в противофазе ∆Ψ=180⁰ , то токи в соседних ортогональных излучателях будут направлены в одну сторону (рисунок 7б), а суммарная поляризация антенной решетки становится вертикальной.

Рисунок 6

Рисунок 7