Ответы электроника. Ответы на вопросы экзамена v2. Понятие антенна. Обобщенная конструкция антенны. Основные уравнения эмп. Классификация антенн в зависимости от длины волны

• Название: Понятие антенна. Обобщенная конструкция антенны. Основные уравнения эмп. Классификация антенн в зависимости от длины волны
• Анкор: Ответы электроника
• Дата: 23.05.2023
• Размер: 2.44 Mb.
• Имя файла: Ответы на вопросы экзамена v2.docx
• Тип: Документы; #1153557
• страница: 1 из 5

1. 
   Понятие «антенна». Обобщенная конструкция антенны. Основные уравнения ЭМП. Классификация антенн в зависимости от длины волны.
   

Антенны- в передатчиках служат для преобразования радиочастотных электрических колебаний в энергию электромагнитного поля (радиоволн), в приемниках — для преобразования энергии радиоволн в токи радиочастоты. 

Конструкция антенны содержит металлические (токопроводящие) элементы, соединенные электрически с радиопередатчиком или с радиоприемником. В режиме передачи переменный электрический ток, создаваемый источником, протекающий по токопроводящим элементам такой антенны, в соответствии с законом Ампера порождает вокруг себя переменное магнитное поле. Это меняющееся во времени магнитное поле в соответствии с законом Фарадея, создает вокруг себя меняющееся во времени электрическое поле. Это переменное электрическое поле создает вокруг себя переменное магнитное поле и т.д. -возникает взаимосвязанное переменное электромагнитное поле, образующее электромагнитную волну, распространяющуюся от антенны в пространство. 

Первую пару уравнений Максвелла образуют уравнения:

Е– вектор напряжённости эл. поля, В– вектор индукции маг. поля.

Уравнение (1.1) связывает значение Е с изменениями вектора В во времени и является выражением закона электромагнитной индукции. Оно показывает, что источником вихревого поля вектора Е является меняющееся со временем вихревое магнитное поле. Уравнение (1.2) указывает на отсутствие источников магнитного поля, т.е. магнитных зарядов.

Н– напряжённость магнитного поля, D-вектор электрического смещения

Первое уравнение (1.3) устанавливает связь между токами проводимости и токами смещения и порождаемым ими магнитным полем. Уравнение (1.4) показывает, что источниками вектора D служат сторонние заряды.

Классификация антенн по диапазону волн:

антенны сверхдлинных волн (λ>10000 м);

антенны длинных волн (1000 м <λ< 10000 м);

антенны средних волн (100 м <λ< 1000 м);

антенны коротких волн (10 м <λ< 100 м );

антенны ультракоротких волн (1 мм <λ< 10 м). Такая классификация имеет недостаток: одна и та же антенна может использоваться в различных частотных диапазонах.

2. 
   Деление около антенного пространства на зоны. Особенности ЭМП в дальней зоне (ДЗ).
   

Деление около антенного пространства на зоны:

1. 
   Ближняя (зона индукции)
   
2. 
   Промежуточная является переходной от ближней зоны к дальней
   
3. 
   Дальняя (волновая) хара­ктеризуется условием k=2π/λ
   

Дальняя зона - это зона сформировавшейся электромагнитной волны, начинается с расстояния r > 3λ. Здесь напряженность поля убывает обратно пропорционально расстоянию до источника, то есть 1/r. В этой зоне справедливо экспериментально определенное соотношение между напряженностями электрического и магнитного полей

На частотах выше 300 МГц в "дальней" зоне излучения обычно измеряется плотность потока электромагнитной энергии, или вектор Пойнтинга. Плотность потока электромагнитной энергии характеризует количество энергии, переносимой электромагнитной волной в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны.

Для ближней зоны расстояние r значительно меньше длины волны электромагнитного сигнала и поле имеет ярко выраженный магнитный (или электрический) характер, а в дальней поле носит явный электромагнитный характер и распространяется в виде плоской волны, энергия которой делится поровну между электрической и магнитной компонентами.

3. 
   Особенности ЭМП в ближней и промежуточной зонах антенны. «Фокусирование» поля в промежуточной зоне.
   

Ближняя» зона (зона индукции) простирается до расстояния от источника, равного 0-3 λ, где λ - длина порождаемой полем электромагнитной волны. При этом напряженность поля быстро убывает, то есть 1/r² или 1/r³. В этой зоне порождаемая электромагнитная волна еще не полностью сформирована. Для характеристики электромагнитного поля измерения переменного электрического поля Е и переменного магнитного поля Н производятся раздельно. Поле в зоне индукции служит для формирования бегущих составляющей полей, ответственных за излучение. Ближняя зона представляет собой область пространства, в которой преимущественное значение имеют так называемые квазистатические поля. Эти поля, резко убывающие при удалении от источника, продолжают существовать при стремлении к нулю частоты возбуждающего тока. В ближней зоне выполняется условие квазистационарности (r<
Промежуточная зона является переходной от ближней зоны к дальней. В промежуточной зоне поле излучения и реактивное поле оказываются одного порядка. Здесь плотности энергии электрического и магнитного полей становятся примерно одинаковыми и значительно меньшими по величине, чем в ближней зоне. Равное значение с ранее рассмотренными приобретают здесь составляющие поля  меняющиеся с расстоянием медленнее, чем квазистатические и квазистационарные поля, характерные для ближней зоны. У всех составляющих поля наблюдается значительное запаздывание по фазе по сравнению с полем в ближней зоне. В промежуточной области разрешающая способность синфазных антенн ухудшается.

Фокусирование антенны может быть достигнуто конструктивным выполнением ее в виде сферы. Кривизна антенны определяет дальность фокусирования. Удобно проводить фокусирование в фазированных антенных решетках (ФАР), где компенсация паразитных фазовых набегов проводится фазовращателями. Фокусирование антенны увеличивает ее коэффициент усиления. Улучшение угловой разрешающей способности удобно характеризовать отношением ширины луча синфазной антенны  к ширине луча фокусированной антенны. Фокусирование широко применяется в РЛС с синтезированным раскрывом и в голографических РЛС.

4. 
   Элементарные излучатели. Система элементарных излучателей. Пеленгационные свойства антенн.
   

Элементарным электрическим излучателем называется короткий по сравнению с длиной волны провод (𝑙 ≪ 𝜆), по которому течет гармонический электрический ток, амплитуда и фаза которого одинаковы в любой точке провода. Такая модель излучателя является идеализированной, удобной для анализа излучающей системы, так как практическое создание излучателя с неизменной по всей длине амплитудой и фазой тока невозможно. Однако диполь Герца оказывается весьма близким по своим свойствам к элементарному излучателю. Благодаря металлическим шарам, которые обладают значительной емкостью, амплитуда тока слабо изменяется вдоль проводника.

Сложные проводящие тела, обтекаемые токами, можно считать как бы состоящими из множества элементарных электрических излучателей. Такая возможность вытекает из того, что каково бы ни было распределение амплитуды и фазы тока по проводящему телу, в пределах отрезка 𝑙 ≪ 𝜆 их можно принять неизменными. При определении поля, создаваемого этими токами, можно воспользоваться принципом суперпозиции, т.е. рассматривать его как сумму полей элементарных излучателей.

Пеленгационные свойства антенн:

1. 
   определение направления
   
2. 
    диаграмма направленности с одним или несколькими четкими минимумами или максимумами
   
3. 
   чувствительность к амплитудным флуктуациям принятого сигнала
   
4. 
   анализа фаз принимаемых несколькими антеннами сигналов
   
5. 
   прием (улавливание) и распознавание сигнала
   

5. 
   Распределение тока по «тонкому» вибратору. Типовые зависимости распределений при различной длине плеч и асимметрии вибратора. Влияние толщины вибратора на параметры системы.
   

Расчет распределения тока вдоль проводов антенны при заданных напряжении на ее клеммах, частоте этого напряжения и геометрии антенны, является задачей о вынужденных колебаниях тока в вибраторе. Если распределение тока известно, то расчет всех характеристик излучения - ДН, КНД, входного сопротивления, поляризации - не представляет принципиальных затруднений.

Выражения для функции распределения тока по тонкому цилиндрическому вибратору показывают, что распределение тока зависит от относительной толщины вибратора. В общем случае ток в различных сечениях вибратора имеет различную фазу и амплитуду, сложным образом зависящую от координаты вдоль вибратора.

Для очень тонких вибраторов, распределение тока является почти синусоидальным и симметричным относительно середины вибратора. Оно имеет вид стоячих волн с узлами на концах вибратора и в сечениях, отстоящих на расстояниях от концов. Максимальное значение тока в стоячей волне есть значение тока в пучности - In.

Фаза тока во всех сечениях вибратора одинакова или изменяется скачком при изменении знака синуса.

Распределение тока для вибраторов длиной 2l - синфазное, а для вибратора длиной 2l - переменно-фазное.

Распределение тока в вибраторах конечной толщины отличается от синусоидального и тем сильнее, чем толще вибратор. Наиболее существенные отличия: отсутствие чистых нулей, уменьшение расстояния между минимумами полуволн тока, эквивалентное укорочению длины волны, несинфазность тока по длине в пределах каждой полуволны. Распределение тока на вибраторе конечной толщины соответствует сложению чисто стоячей и бегущей волн.

При увеличении диаметра вибратора уменьшаются длина плеча вибратора и коэффициент укорочения, полная длина вибратора

6. 
   Характеристики одиночного вибратора в ДЗ. Типовые ДН и основные параметры в зависимости от длины плеч
   

Дальняя зона хара­ктеризуется условием k=2π/λ. В дальней зоне напряженность электрического поля одиночного вибратора имеет только составляющую Е_θ, а напряженность магнитного поля - составляющую Н_φ, которые изменяются синфазно. Поверхность, во всех точках которой в один и тот же момент времени фаза рассматриваемой функции имеет одинаковые значения, называется поверхностью равных фаз (ПРФ). В случае монохроматического поля на ПРФ постоянна фаза комплексной амплитуды рассматриваемой функции. Поверх­ность, на которой постоянна амплитуда рассматриваемой функции, называют поверхностью равных амплитуд (ПРА).

Диаграмма направленности – это зависимость напряженности поля, создаваемого антенной на достаточно большом расстоянии, от углов наблюдения в пространстве.

ДН:

1. 
   Амплитудная ДН по полю – зависимость амплитуды поля от угловых координат. Она представляет собой пространственную трехмерную поверхность. Ее рассматривают представленной в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.
   
2. 
   Поляризационная ДН представляет собой единичный вектор поляризации, совпадающий по направлению с вектором электрического поля антенны и описывающий зависимость его ориентации от угловых координат времени.
   
3. 
   Фазовая ДН представляет собой зависимость фазы поля основной поляризации от угловых координат в дальней зоне при постоянстве расстояния от точки наблюдения до начала выбранной системы координат. Форма ФДН существенно зависит от положения начала отсчета координат.
   

Диаграмма направленности антенны характеризуется следующими параметрами:

1. 
   Ширина главного лепестка   в Е и Н плоскостях по уровню 3 дБ (в градусах)
   
2. 
   Максимальный уровень боковых лепестков
   
3. 
   Максимальный уровень заднего излучения
   

Наличие задних и боковых лепестков свидетельствует о том, что антенна излучает радиоволны не только в области главного лепестка, но и в других направлениях, что может создавать помехи  другим радиотехническим системам и снижает помехоустойчивость, если антенна работает на прием. Поэтому при проектировании антенн стремятся к уменьшению уровней бокового и  заднего излучения.

7. 
   Согласующие устройства вибраторных антенн. Мощность и сопротивление излучения. Магнитный вибратор.
   

Согласующие устройства вибраторных антенн:

1. 
   АСУ на отрезках линий — наиболее простые устройства согласования, применяемые в основном в метровом и дециметровом диапазонах волн. Представляют собой цепи, являющиеся комбинацией отрезков линий определённых длины и волнового сопротивления. 
   
2. 
   Узкодиапазонные АСУ на дискретных LC-элементах. Согласование производится с помощью цепей, состоящих из катушек индуктивности и конденсаторов, то есть элементов, имеющих реактивный характер сопротивления, не потребляющих энергии. В некоторых случаях, дополнительно могут использоваться высокочастотные трансформаторы.
   
3. 
   АСУ с неперестраеваемыми параметрами, для узкого диапазона частот
   

Излучаемая мощность Р_и — мощность электромагнитных волн, излучаемых антенной в свободное пространство. Это активная мощность, так как рассеивается в пространстве, окружающем антенну.

Сопротивление излучения характеризует способность антенны к излучению электромагнитной энергии и в большей степени характеризует качество антенны, чем излучаемая ею мощность, поскольку последняя зависит не только от свойств антенны, но и от создаваемого в ней тока.

Мощность потерь Р_п — мощность (активная), бесполезно теряемая передатчиком во время прохождения тока по проводам антенны, в земле и предметах, расположенных вблизи антенны.

Мощность в антенне Р_а — мощность, подводимая к антенне от передатчика. Эту мощность можно представить в виде суммы излучаемой мощности и мощности потерь

Элементарный магнитный вибратор

Это плоский виток с током, равномерно распределенным по контуру. Условие элементарности вибратора s^1/2 <<λ, где S – площадь ограниченная витком. Этот вибратор применяют к расчету щелевых и рамочных антенн. Излучение максимально в экваториальной плоскости. Вдоль своей оси элементарный магнитный вибратор не излучает. Диаграммы направленности элементарного магнитного вибратора совпадают с диаграммами направленности элементарного электрического вибратора. Магнитный вибратор создает в дальней зоне такие же по величине электрическое и магнитное поля, как и элементарный электрический вибратор.

8. 
   Поле излучения системы вибраторов. Теорема умножения. Множитель направленности. Типовые ДН системы из 2х вибраторов.
   

На значительном расстоянии от вибратора электромагнитное поле представляет собой бегущую волну, удаляющуюся от вибратора. Здесь, как и во всякой бегущей волне, колебания электрического и магнитного полей совпадают по фазе и энергия распределена поровну между этими полями. Такое электромагнитное поле принято называть полем излучения. Конечно, это поле существует и вблизи вибратора, поскольку он излучает, и в нем имеются бегущие волны тока и напряжения, переносящие вдоль вибратора к отдельным его элементам энергию, расходующуюся на излучение.

В системе из N идентичных и однонаправленных излучателей с совпадающими функциями распределения полное электромагнитное поле пропорционально произведению векторной характеристики нормированной диаграммы направленности одиночного вибратора на множитель направленности, который полностью учитывает как расположение элементов в пространстве, так и распределение комплексных амплитуд на входах.

Множитель направленности нужен, чтобы воспользоваться теоремой о перемножении диаграмм направленности

Для улучшения направленных свойств к симметричному вибратору часто добавляют второй вибратор, располагаемый на некотором расстоянии от первого. Второй (первый) вибратор может быть либо активным и подсоединяться к генератору, либо пассивным и возбуждаться электромагнитным полем первого вибратора.

Когда необходимо получить однонаправленное излучение или узкие диаграммы направленности применяют антенны, состоящие из двух или нескольких вибраторов, расположенных на небольшом расстоянии (меньше  ) друг от друга. Такие вибраторы заметно влияют друг на друга, поэтому их называют связанными. Взаимодействие связанных вибраторов аналогично взаимодей­ствию связанных колебательных контуров с сосредоточенными постоянны­ми. Поле одного вибратора наводит в другом вибраторе некоторую ЭДС, что эквивалентно изменению сопротивления излучения или входного сопротив­ления вибратора. Поле, создаваемое системой вибраторов, является резуль­татом сложения полей, создаваемых отдельными вибраторами, с учетом фаз этих полей, определяемых как разностью хода лучей, так и разностью фаз токов в излучателях.

9. 
   Связанные вибраторы как элементы электрической цепи. Собственные, входные и взаимные импедансы. Режимы работы пассивного вибратора. Настройка пассивного вибратора.
   

Входной импеданс антенны- отношение напряжения между точкой подключения (точкой возбуждения) антенны к фидеру, к току в этих точка, характеризующее её как нагрузку для передающего устройства или фидера.

Если антенна является изолированной от влияния земли и окружающих объектов, а также, если отсутствует диссипативное рассеяние в её проводниках и диэлектриках, обусловливающая тепловые потери энергии, то концевой импеданс является собственным импедансом антенны. Этот импеданс имеет вещественную часть, называемую собственным сопротивлением (сопротивлением излучения) и мнимую часть, называемую собственной реактивностью.

Взаимный импеданс- импеданс между антенной и окружающими предметами, точнее: токами, протекающими по окружающим предметам

Пассивным называется вибратор, который непосредственно не связан с передатчиком (приемником). Ток в пассивном вибраторе наводится электромагнитным полем, излучаемым активным вибратором. Соотношения между амплитудами и фазами токов в антенне и пассивном вибраторе регулируются с помощью реактивного сопротивления, включенного в пассивный вибратор или регулировкой длины вибратора. В зависимости от режима работы пассивный вибратор может называться рефлектором или директором.

Волны, излучаемые антенной отражаются от рефлектора, расположенного позади антенны на расстоянии четверть длины волны. Для получения ДН в виде кардиоиды, амплитуды токов антенны и рефлектора должны быть одинаковы, а ток в рефлекторе должен опережать по фазе ток в антенне на π/2. При этом условии ДН системы антенна-директор будет иметь максимум в направлении директора и минимум в противоположном направлении и иметь подобный вид как и у антенны с рефлектором.