Антенно-фидерные устройства. АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА РТ. Антеннофидерные устройства
 Скачать 7.65 Mb.
|
|
3.5. Антенны ультракоротких волн. Зеркальные антенны Принцип действия Зеркальные антенны построены на использовании оптических принципов и подобны оптическим прожекторам. Любая зеркальная антенна состоит из облучателя и отражателя, или зеркала. Облучатель является источником волн, которые падают на зеркало и, отразившись от него, распространяются в пространстве. В качестве облучателей используются слабонаправленные антенны вибратор с рефлектором, открытый конец волновода, щелевая, рупорная, спиральная антенны в специальные облучатели. Зеркало антенны представляет собой металлическую поверхность, выполненную в виде параболоида вращения, параболического цилиндра, уголкового отражателя или отражателя специальной формы. Зеркальные антенны позволяют формировать любую заданную характеристику направленности. Так, например, параболический цилиндр с линейным облучателем, или параболоид вращения с точечным облучателем формирует игольчатую характеристику направленности. Параболическая поверхность получается в результате вращения параболы вокруг оси рис. 118). Параболоид вращения характеризуется следующими геометрическими параметрами (рис. 118). Рисунок 118. Параболическая антенна а – внешний вид б – параметры параболоида вращения. 145 Точка Оназывается вершиной параболоида, а расстояние от нее до фокуса F — фокусным расстоянием. Прямая называется оптической осью, расстояние АВ=2аназывается диаметром зеркала. Плоскость, стягивающая края зеркала, называется раскрывом или апертурой зеркала, расстояние от вершины до раскрыва зеркала Z 0 называется глубиной зеркала, а угол, под которым видно зеркало из фокуса 2θ, называется углом раскрыва зеркала. В прямоугольной системе координат с началом в вершине параболическая поверхность описывается уравнением а парабола в плоскости xoz — уравнением Радиус раскрыва, угол раскрыва и фокусное расстояние f связаны соотношениями Поверхность параболоида вращения обладает замечательным свойством, состоящим в том, что лучи, выходящие из фокуса и отраженные от зеркала по законам геометрической оптики, оказываются параллельными друг другу в оптической оси (рис. Расстояния, которые проходят лучи по ломаным линиям FР 1 М 1 , FР 2 М 2 и т. дот фокуса до плоскости перпендикулярной оптической оси, одинаковы. Следовательно, если в фокусе находится точечный источник, излучающий сферические волны, тов плоскость раскрыва все лучи придут с одинаковой фазой, то есть эта плоскость является синфазно возбуждаемой поверхностью. Иначе говоря, параболоид вращения преобразует сферические волны, а параболический цилиндр — цилиндрические в плоские волны. Этим объясняется высокая направленность параболических антенн. Синфазный раскрыв параболической поверхности можно представить состоящим из большого числа излучающих элементарных площадок, интерференцией волн которых и определяются направленные свойства антенны. Поэтому параболическая антенна до некоторой, степени подобна многовибраторной антенне чем больше размеры раскрыва по сравнению с длиной волны, тем острее характеристика направленности. 146 Рисунок 119. Отражение лучей от параболического зеркала. Направленные свойства параболических антенн Характеристика направленности параболической антенны с параболоидом вращения в качестве зеркала и вибратором с рефлектором в качестве облучателя имеет один главный и несколько боковых лепестков рис. 120). Форма характеристик направленности параболической антенны зависит от типа, размеров, направленных свойств и расположения облучателя, геометрических параметров зеркала, распределения амплитуд и фаз поля в раскрыве, точности выполнения профиля зеркала. Отрицательное влияние всех факторов состоит в том, что они несколько расширяют главный лепесток и увеличивают уровни боковых лепестков. Рисунок 120. Характеристика направленности параболической антенны. Облучатель располагают так, чтобы его фазовый центр излучения находился в фокусе или в фокальной плоскости. Из-за конечных размеров облучателя фронт его волны не является точно сферическим. Это приводит к тому, что раскрыв параболоида не является точно синфазной плоскостью, что, в свою очередь, расширяет главный лепесток и увеличивает боковые лепестки, Однако главное влияние конечных размеров облучателя в крепящих его деталей состоит в рассеивании отраженной от зеркала волны в создании тени, что уменьшает излучение в главном направлении и увеличивает боковое излучение. Смещение облучателя из фокуса вдоль оптической оси увеличивает рассеяние энергии зеркалом, так как отраженные лучи уже не будут параллельны друг другу. 147 Коэффициент усиления зеркальной антенны можно определить по формуле где η 2 =Р изл /Р обл есть кпд. антенны η 1 =Р изл /Р изл.обл , γ – коэффициент использований поверхности апертуры) антенны Р изл – мощность, излучаемая зеркалом Р изл.обл — мощность, излучаемая облучателем Р обл — мощность, подводимая к облучателю S — площадь раскрыва. Кпд. антенны η 2 учитываются тепловые потери энергии в зеркале, облучателе, деталях крепления я т. д. Коэффициентом η 1 учитывается энергия облучателя, проходящая мимо зеркала. Если при заданных размерах зеркала диаграмма направленности облучателя будет узкой, то но и наоборот, если диаграмма направленности облучателя широкая, то зеркало облучается равномерно и но значительная доля энергии проходит мимо облучателя и потому η 1 «1 рис. 121). Следовательно, при заданных размерах зеркала существует такая диаграмма направленности, при которой облучение будет оптимальным, то есть кн. д. будет максимальными наоборот, при заданной ширине диаграммы направленности существует оптимальный угол раскрыва зеркала рис. 121, в. Расчеты показывают, что оптимальным является такое облучение зеркала, при котором напряженность поля у краев Е кр составляет 0,3 напряженности поля у вершины Е 0 ,т. е. При этом γη 1 ≈0.65. Если важно получение минимальных боковых лепестков, то применяются короткофокусные зеркала и облучатели с широкой диаграммой направленности. 148 Рисунок 121. Распределение поля в раскрыве зеркала при различной ширине диаграммы направленности облучателя. Обратное и дальнее боковое излучение параболической антенны в основном определяется излучением облучателя, рассеянием волн крепящими деталями и облучателем, дифракционным рассеянием на краях зеркала, излучением токов, протекающих по наружной поверхности зеркала, излучением из отверстий перфорированного зеркала, излучением поперечно поляризованного поля. Ширина полосы пропускания параболической антенны определяется диапазонными свойствами облучателя. При изменении длины волны изменяется входное сопротивление и диаграмма направленности облучателя и, следовательно, изменяется характеристика направленности и кн. д. антенны. Диапазонные свойства облучателя зависят не только от его конструкции, но и от реакции зеркала на облучатель. Если облучатель расположен в фокусе зеркала или близко к фокусу, то он находится в максимуме потока отраженной от зеркала мощности и воспринимает отраженную волну. Последняя играет такую же роль, как и отраженная волна, возникающая при рассогласовании облучателя. Следовательно, реакция зеркала на облучатель состоит в изменении входного сопротивления облучателя, что приводит к уменьшению рабочего диапазона частот. Существуют различные способы уменьшения реакции зеркала на облучатель. Рупорные антенны Волноводные излучатели Открытый конец круглого или прямоугольного волновода может быть использован в качестве излучателя радиоволн. Распространяющаяся в волноводе волна частично отражается от открытого конца, а частично излучается. При этом на открытом конце возникают волны высших порядков и появляются токи на наружной поверхности волновода. Приближенно можно считать, что на открытом конце волновода существует такое же поле, как ив поперечном сечении волновода с бегущей полной, то есть вдоль 149 широкой стороны поле изменяется по синусоидальному закону, а вдоль узкой стороны поле равномерное (рис. 122). Рисунок 122. Характеристики направленности волноводного излучателя в главных плоскостях. Возбуждаемую синфазную поверхность можно представить как большое число элементарных излучающих площадок, а ее характеристику как результат интерференции волн элементарных излучателей. Ширина диаграммы направленности по половинной мощности в плоскостях Е и Нопределяется соответственно по формулам Кн. д. прямоугольного волноводного излучателя Кн. д. круглого волноводного излучателя а ширина главного лепестка по половинной мощности где а — радиус волновода. Кроме широкой диаграммы направленности, волноводный излучатель плохо согласован. Коэффициент бегущей волны в волноводе с открытым 150 концом не более 0,5, что обусловливает значительные потери энергии в волноводе и другие недостатки режима смешанных волн. Секториальные рупоры В рупорных излучателях преодолены недостатки волноводных излучателей. Образуется рупорный излучатель путем плавного увеличения поперечного сечения волновода рис. 123). При этом возникают волны высших порядков, которые имеют очень малую интенсивность, если волновод расширяется достаточно плавно. Плавное расширение волновода обеспечивает согласование рупора со свободным пространством, то есть постепенную трансформацию волнового сопротивления волновода в волновое сопротивление свободного пространства, равное 120π м. Рисунок 123. Рупорные излучатели а – секториальный; б – пирамидальный в – конический г – экспоненциальный. Полного согласования достичь не удается. Поэтому некоторое отражение от открытого конца рупора имеется. Кроме того, волны отражаются в переходном от волновода к рупору сечении. Если угол с при вершине рупора Оневелик и рупор длинный, то суммарное отражение волн в нем значительно меньше, чем в волноводном излучателе. Различают два типа секториальных рупоров Н плоскостной и Е плоскостной. Первый из них получается увеличением только широкой стенки волновода, а второй — только узкой (рис. 124). 151 Рисунок 124. Поля в секториальных рупорах а – Н-плоскостной; б – Е- плоскостной рупор. Принцип действия рупорного излучателя тот же, что и волноводного излучающей поверхностью рупора можно считать поверхность раскрыва рупора, которая является совокупностью излучающих площадок. Однако фронт волны в раскрыве рупора неплоский, а цилиндрический, и потому раскрыв рупора не является синфазной поверхностью (рис. Сдвиг фаз поляна краях рупора относительно его середины можноопределить по формулам для Ни Е-рупоров соответственно. Секториальные рупоры применяются в тех случаях, где нужна веерная характеристика направленности. Очевидно, что Н-рупор сужает по сравнению с волноводным излучателем характеристику направленности только в Н-плоскости, а Е-рупор — в Е-плоскости. Оптимальным размерам раскрыва рупора соответствуют допустимые сдвиги фаз поля между его серединой и краями. Оптимальные размеры рупоров и допустимые сдвиги фаз определяются соотношениями 152 Угол излучения оптимального Н – плоскостного рупора в магнитной плоскости определяется по формуле Угол излучения оптимального Е – плоскостного рупора в электрической плоскости определяется формулой Кн. д. оптимальных рупоров определяется по формуле где S — площадь раскрыва. Если при заданных размерах раскрыва рупора увеличивать его длину, то фронт волны в раскрыве будет приближаться к плоскому, а кн. д. — увеличиваться. Пирамидальный рупор По сравнению с волноводным излучателем пирамидальный рупор сужает характеристику направленности в обеих главных плоскостях.Он получается путем плавного увеличения обоих размеров прямоугольного волновода и может иметь общую для обеих плоскостей вершину или разные вершины. Фронт волны в раскрыверупора близок к сферическому (рис.123,б). Углы излучения пирамидального рупора могут быть приближенно рассчитаны по соответствующим формулам для секториальных рупоров. Кн. д. оптимального пирамидального рупора можно определить по формуле 153 Конические рупоры (рис. 123, в, г) применяются в антенных устройствах с круговой поляризацией. Ширина главного лепестка диаграммы направленности оптимального конического рупора по половинной мощности где ар диаметр раскрыва рупора. Достоинствами рупорных антенн являются их широкий частотный диапазон и простота конструкции. Рабочий диапазон частот рупора определяется питающим волноводом и является примерно двукратным, так как в волноводе распространяется основная волна Несли а<λ<2а. Линзовые антенны Принцип действия. Основные типы линзовых антенн Принцип действия линзовых антенн тот же, что и оптических линз. Он основан на свойстве электромагнитных волн преломляться при падении на поверхность раздела двух диэлектриков. Если волна падает на диэлектрик из воздуха, то называется коэффициентом преломления диэлектрика. V 0 — скорость света в пустоте V — фазовая скорость волны в диэлектрике ε — относительная диэлектрическая проницаемость. Линзовая антенна состоит из слабонаправленного облучателя и линзы рис. 125). На освещенную сторону линзы падают волны облучателя со сферическим или цилиндрическим фронтом. Линзой все лучи преломляются и распространяются параллельно друг другу к теневой стороне линзы. При правильно подобранном профиле линзы ее теневая сторона оказывается синфазно возбуждаемой поверхностью, что обеспечивает высокую направленность. Таким образом, линза преобразует сферические волны сферическая линза) или цилиндрические волны (цилиндрическая линза) в плоские волны. Цилиндрическая линза формирует характеристику направленности только водной плоскости — плоскости профиля линзы. Линзы бывают замедляющие и ускоряющие. Для замедляющей линзы n>1, и ее освещенная поверхность должна быть гиперболоидом вращения или гиперболическим цилиндром, в фокусе которого или на фокальной оси расположен точечный или линейный облучатель (риса. Для ускоряющей линзы n<1 и ее освещенная поверхность должна быть эллипсоидом вращения ила эллиптическим цилиндром, в дальнем фокусе которого или дальней фокальной оси расположен точечный или линейный облучатель (рис. 125, б. 154 Рисунок 125. Замедляющая (аи ускоряющая (б) линзы. Толщина δ, фокусное расстояние f, ширина раскрыва аи угол раскрыва θ 0 обеих линз связаны соотношениями Из этих соотношений видно, что чем больше отличается от единицы, тем меньше f и δ при заданном а. Для уменьшения габаритов антенны следует выбирать а возможно более отличающимся от единицы. Но при этом возрастает отражение энергии от освещенной и теневой сторон линзы, что увеличивает боковые лепестки и ухудшает согласование. Поэтому для ускоряющих линза для замедляющих — (1,3÷1,6). При увеличении раскрыва линзы и неизменном фокусном расстоянии толщина линзы увеличивается. Для уменьшения толщины линзы применяется зонирование линз. Профиль зонированной линзы состоит из нескольких отдельных участков (зон, профили которых и расстояние между которыми (глубина ступеней) рассчитываются так, чтобы электрические пути лучей соседних зон отличались на одну волну, то есть время прохождения лучей соседних зон от фокуса линзы до теневой поверхности отличались на один период (рис. 126). В этом случае теневая поверхность остается синфазно возбуждаемой поверхностью, и зонированная линза будет подобна линзе полного профиля. Зонированная линза является недиапазонной, так как условие синфазности затененной поверхности нарушается с изменением частоты. Кроме того, часть энергии падающих лучей рассеивается на границах зон, что уменьшает эффективную площадь раскрыва. Последний недостаток зонированной линзы можно устранить применением вогнуто- выпуклых зонированных линз. 155 Рисунок 126. Профиль зонированной ускоряющей линзы. Направленные свойства линзовых антенн зависят от размеров излучающих раскрывов в распределения амплитуд и фаз поляна них. Обычно размеры линзы и углы излучении облучателя подбирают так, чтобы амплитуда напряженности облучающего поляна краях линзы была меньше на 10 дБ, те. Е кр =0,3Е 0 . Ширина главного лепестка диаграммы направленности сферической линзы с круглым раскрывом, облучаемой вибратором с рефлектором, по половинной мощности в плоскостях Е и Н приближенно можно определить по формулам При помощи линзовых антенн, например рупорно-линзовых, можно сформировать характеристики с шириной в единицы и доли градусов. Коэффициент направленного действия антенн определяется по формуле где S — площадь излучающей поверхности, а γ — коэффициент использования поверхности, учитывающий неравномерность амплитуд возбуждающего поля, который обычно равен (0,5÷0,65). Замедляющие линзы малых размеров изготавливаются из высокочастотного диэлектрика полистирол, фторюпласт, тефлона больших — из металлодиэлектрика рис. 127). Металлодиэлектрик, или искусственный диэлектрик, представляет собой пространственную решетку металлических изолированных частиц, скрепленных между собой с помощью твердого диэлектрика малого удельного веса и с ε≈1. Таким диэлектриком обычно бывает пенистый 156 полистирол. Размеры частиц, параллельные вектору падающей волны, должны быть значительно меньше λ/2. Рисунок 127. Макеты линз из металлодиэлектрика: а – шариковая линза б, в – линзы из диэлектрических пластин, на которые нанесены из проводящей краски диски или прямоугольники. Металлодиэлектрик представляет собой увеличенную модель молекулярной структуры обычного диэлектрика, при этом роль поляризующихся молекул играют металлические частицы шарики, диски, лента. Под воздействием внешнего поля эти частицы поляризуются, те. их электроны смещаются в направлениях, противоположных вектору Е,частицы превращаются в электрические диполи и таким образом создается вторичное поле, направленное навстречу первичному. Напряженность результирующего поля уменьшается как ив обычном диэлектрике, те. металлодиэлектрик характеризуется ε>1, V , n>1. Коэффициент его преломления зависит от числа металлических частиц в единице объема. Металлодиэлектрические и диэлектрические замедляющие линзы полного профиля являются широкополосными линзами. Ускоряющие линзы Наиболее часто применяются металлопластинчатые ускоряющие линзы, выполненные на основе прямоугольных волноводов (рис. 128). Такая линза представляет собой ряд профилированных тонких металлических пластин, расположенных параллельно вектору Еэлектрического поля падающей волны на расстояниях аодна от другой. Каждая пара соседних пластин образует отрезок прямоугольного волновода, в котором распространяется волна основного типа Н 10 .Известно, что фазовая скорость волны Н вволноводе равна 157 Поэтому коэффициент преломления Такая линза удовлетворительно работает в диапазоне те. она является узкополосной. Если ускоряющую металлопластинчатую линзу установить непосредственно в раскрыве рупора, то получится рупорно0линзовая антенна рис. 129). Фокус линзы должен совпадать с вершиной рупора. Тогда сферический или цилиндрический фронт волны в рупоре будет скорректирован линзой в плоский фронт в раскрые линзы. Это позволяет уменьшить длину оптимального рупора в десятки раз без изменения формы характеристики направленности и к.н.д. Рисунок 128. Ускоряющие линзы а – цилиндрическая б – часть сферической линзы. Рисунок 129. Рупорно-линзовая антенна. |