В часть 1 настоящего пособия включены лекции, читаемые в рамках тем 24 программы дисциплины Устройства свч и антенны
 Скачать 1.21 Mb.
|
|
АИ. ДОЛБИК УСТРОЙСТВА СВЧ И АНТЕННЫ ЧАСТЬ 1 ОСНОВЫ ТЕОРИИ АНТЕНН И ЭЛЕМЕНТЫ АНТЕННЫХ СИСТЕМ Утверждено в качестве учебного пособия 2002 В часть 1 настоящего пособия включены лекции, читаемые в рамках тем 2-4 программы дисциплины Устройства СВЧ и антенны. Издание предназначено для использования обучаемыми в процессе самостоятельной работы при изучении дисциплины Устройства СВЧ и антенны, а также при изучении дисциплины по индивидуальному плану. Материал излагается на доступном уровне. При выводе ряда необходимых соотношений применяется упрощенный математический подход, который, однако, позволяет получить верные конечные результаты. Основное внимание уделяется радиотехническим характеристиками параметрам антенн, основам теории систем излучателей и рассмотрению отдельных типов антенн. ВВЕДЕНИЕ Антенной называется такое радиотехническое устройство, которое предназначено для излучения и приема электромагнитных волн (ЭМВ). В современных радиотехнических системах применяются различные по устройству и принципу действия антенны. Антенная система (АС) занимает важное место в конструкции радиолокатора. Прежде всего, это нагрузка тракта в режиме работы на передачу, а во-вторых - эквивалентный генератор токов СВЧ при работе РЛС на прием. Для передачи по тракту электромагнитной энергии без потерь нагрузка тракта - антенна - должна быть согласованной, что в принципе невозможно. Антенна - это преобразователь токов СВЧ в распространяющуюся в пространстве ЭМВ. Она также осуществляет обратное преобразование. В обоих случаях основным физическим процессом в рассматриваемом устройстве является взаимодействие зарядов с электромагнитным полем. Антенна во многом определяет такие важные характеристики радиолокатора, как дальность действия, точность измерения угловых координат, разрешающая способность, помехозащищенность. Правильный выбор антенны имеет существенное значение для обеспечения высоких боевых возможностей РЛС и удовлетворения требований надежности, удобства эксплуатации, мобильности и стоимости. В радиолокации используются и передающая и приемная антенны, которые входят в линию передачи электромагнитной энергии (рисунок. Передатчик Приемник Передающая антенна Приемная антенна Цель Высокочастотная энергия излучается передающей антенной узким пучком в направлении цели. Достигнув объекта, ЭМВ отражается от него. Часть отраженных электромагнитных волн достигает приемной антенны, возбуждает в ней электромагнитные колебания, которые по тракту передачи поступают на вход приемника. Часто в РЛС одна и та же антенна выполняет и приемные, и передающие функции. Такие антенно-фидерные системы (АФС) называют приемопередающими. Большое разнообразие антенн приводит к необходимости их классификации. В основу классификации положены три основных признака 1) область использования 2) диапазон волн 3) конструкция и принципы работы. По первому признаку антенны делятся на связные, радиолокационные, радионавигационные, телевизионные. По диапазону волн выделяют пять типов антенных систем длинноволновые, средневолновые, коротковолновые, ультракоротковолновые, антенны оптического диапазона. В радиолокации применяются в основном РЛС УКВ-диапазона. В соответствии с конструкцией и принципом действия различают 1) проволочные антенны (вибраторные и спиральные 2) акустические антенны (рупоры 3) антенны оптического типа (зеркальные и линзовые 4) щелевые антенны 5) антенны бегущей (поверхностной) волн 6) фазированные антенные решетки (ФАР 7) антенны с обработкой сигнала. Каждый из типов имеет свои достоинства и недостатки. Выбор антенны определяется радиотехническими показателями ее работы. Эти показатели делятся на характеристики, являющиеся функциональными зависимостями, и параметры, представленные числовыми величинами. 5 1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ АНТЕННО снов н ы ера д и от е х ни чески е характеристики и параметры передающих антенн Радиотехнические характеристики передающих антенн отражают зависимость формируемого ими электромагнитного поля от направления излучения и частоты излучаемых колебаний. Основными из них являются диаграмма направленности (ДН) антенны частотная характеристика (ЧХ) антенны. К основным радиотехническим параметрам передающих антенн относятся ширина диаграммы направленности антенны уровень паразитных лепестков максимальный коэффициент направленного действия (КНД); коэффициент полезного действия (КПД максимальный коэффициент усиления (КУ сопротивление излучения входное сопротивление предельная мощность излучения антенны. 1.1.1. Диаграмма направленности антенны Диаграмма направленности антенны характеризует зависимость амплитуды, фазы и поляризации ЭМП в дальней зоне антенны от направления 0 r E H П Рис. 1.1 наблюдения. Дальняя зона ограничена условием λ 2 2L r ≥ , где r - расстояние до точки наблюдения, L - длина антенны, λ - длина волны. Аналитически указанная зависимость записывается в виде ) , ( ) , ( ϕ θ ϕ θ f C E r & r & ⋅ = , (где E r & - вектор комплексной амплитуды напряженности электрического поля С - постоянная величина, определяемая фиксированными значениями длины волны λ , параметрами среды μ a , ε a и фиксированной дальностью r до точек наблюдения r j a a e r C λ π λ ε μ 2 2 − ⋅ = , (1.2) где ) , ( ϕ θ f r & - функция углов наблюдения ϕ θ , (рис. 1.1), называемая векторной комплексной ДН по полю. Если в выделить ее модуль ) , ( ϕ θ f r & ) , ( ϕ θ f , аргумент ) , ( ϕ θ Φ и направляющий единичный вектор ) , ( ϕ θ pr , то ) , ( ) , ( ) , ( ) , ( ϕ θ ϕ θ ϕ θ ϕ θ p e f f j r r & Φ ⋅ = . (1.3) Функции ) , ( ϕ θ f , ) , ( ϕ θ Φ и ) , ( ϕ θ pr называются соответственно амплитудной, фазовой и поляризационной диаграммами антенны. 1.1.1.1. Амплитудная диаграмма направленности антенны Амплитудная диаграмма направленности (АДН) антенны ) , ( ϕ θ f - это зависимость амплитуды напряженности электрического поля в равноудаленных от центра излучающей системы точках дальней зоны от направления на- блюдения(углов θ и ϕ ). АДН - основная характеристика, определяющая направленные свойства антенны. Чем определяется эта зависимость Только конфигурацией антенны и распределением комплексных амплитуд токов, протекающих в ее различных элементах. Физически это объясняется тем, что в каждую точку 1 2 3 Антена P Δr 1 Δr 2 Рис. 1.2 пространства Р одновременно, нос некоторым фазовым сдвигом, обусловленным разностьюхода Δr (рис, приходят волны от всех излучающих элементов антенны. В итоге образуется результирующее (суммарное) поле, величина которого определяется соотношением амплитуд и фаз частных (парциальных) полей. Соотношение фаз существенно меняется при изменении углового положения точки Р относительно антенны даже при неизменной дальности, так как меняются значения Δr: λ π π ω r c r f c r Δ = Δ = Δ = ΔΦ 2 2 , где - фазовый сдвиг парциальных полей. В результате взаимодействия частных полей от всех излучающих элементов антенны в пространстве образуется объемная интерференционная картина, конфигурацию которой и описывает амплитудная ДНА ) , ( ϕ θ f . Она дает полное представление о том, в каком направлении поля складываются, в каком - частично вычитаются, а в каком - компенсируют друг друга. Представление ДНА в абсолютных значениях неудобно, так как величина поля зависит не только от антенны и закона распределения токов в ней, но и от мощности, подводимой к антенне. Это затрудняет сравнение АДН различных антенн. Поэтому на практике обычно пользуются нормированными диаграммами направленности. Нормировка производится относительно максимального значения ДН ) , ( ) , ( ) , ( max ϕ θ ϕ θ ϕ θ f f F = . (1.4) АДН может быть представлена графически при этом она имеет объемную форму (рис. 1.3). Объемные диаграммы направленности наглядны, но неудобны для графического изображения и экспериментального измерения, поэтому их обычно заменяют плоскостными ДН. Плоскостные диаграммы Рис. 1.3 являются сечениями объемной АДН плоскостями, проходящими через начало координат и направление максимума излучения. Полнота представления объемной ДНА определяется количеством сечений. Чаще всего ограничиваются двумя взаимно перпендикулярными сечениями, плоскости которых при линейной поляризации выбирают так, чтобы одна из них совпадала с Е-плоскостью, а другая - с Н-плоскостью. Плоские сечения ДН изображают в прямоугольной и полярной системах координат (рис. 1.4). Представление в полярной системе координат более наглядно, номе нее точно, особенно изображения мелких элементов диаграммы направленности Прямоугольная система координат Полярная система координат Рис. 1.4 На графике ДНА обычно имеется несколько "лепестков. Лепесток, в котором сосредоточен максимум излучения, называется главным лепесток, направленный в противоположную сторону (на 180 °) - задним все остальные лепестки - боковыми (эти лепестки обычно являются паразитными. Наряду с ДНА по полю ) , ( ϕ θ F очень часто используют ДН по мощности ) , ( ϕ θ p F , те. зависимость плотности потока мощности в равноудаленных от центра антенны точках от направления излучения. Так как плотность потока мощности и напряженность электрического поля связаны квадратичной зависимостью, то ДН по мощности является квадратом модуля комплексной функции ) , ( ϕ θ F , те. . (1.5) Главный лепесток диаграммы направленности имеет различную форму в зависимости от назначения антенной системы (для вращающейся антенны РЛС обнаружения - диаграмма направленности широкая в вертикальной плоскости и узкая в горизонтальной, для РЛС точного наведения - ДН игольчатого типа, для высотомеров - веерная и т.д.). 1.1.1.2. Фазовая диаграмма антенны Фазовая диаграмма антенны ) , ( ϕ θ Φ - это зависимость фазы излучаемого антенной электромагнитного поля от направления в пространстве при постоянном расстоянии от центра антенны до точек наблюдения и неизменных условиях возбуждения. Физически зависимость фазы от направления объясняется той же причиной, что и зависимость амплитуды, - результатом сложения парциальных полей от всех элементов антенны. Графически фазовую диаграмму (ФД) антенны принято изображать в виде эквифазных поверхностей. Эквифазная поверхность (или фронт волны) представляет собой поверхность в пространстве, во всех точках которой в данный момент времени фаза поля одинакова. ФД обычно изображается в виде плоских сечений (рис. 1.5). Секущие плоскости выбирают также, как и для амплитудной диаграммы направленности. Если расстояние до эквифазной поверхности при любых углах θ и ϕ не изменяется, значит, антенна излучает сферическую волну (риса, а центр сферы, называемый фазовым центром совпадает с антенной (точка "0"). На рис. 1.5, б фазовый фронт имеет скачки, но отдельные его участки остаются сферическими, а фазовый центр (ФЦ) снова совпадает с антенной. В обоих случаях нормаль к фазовому фронту указывает направление на антенну. 0 nr o n О o n О o n o 1 n o 2 n o n О О l 1 2 3 4 a б в Рис. 1.5 На рис. 1.5, в некоторые участки фазового фронта имеют фазовый центр, совпадающий с антенной ("0"), а другие (например, 1-2, 3-4) - не совпадающий с ней (точка "0'"). Такой фазовый центр называется интегральными нормаль к фронту волны указывает направление на интегральный фазовый центра не на центр антенны. Это имеет практическое значение, поскольку многие РЛС измеряют угловые координаты цели относительно направления нормали к фазовому фронту волны. 10 1.1.1.3. Поляризационная диаграмма антенны Под поляризационной диаграммой антенны понимается зависимость поляризации электромагнитного поля от направления наблюдения. Поляризацией волны называется ориентация вектора напряженности электрического поля в дальней зоне за период высокочастотных колебаний. Если ориентацию вектора E r определить направлением единичного вектора pr , то , и дальше можно рассматривать зависимость E p E ⋅ = r Вид поляризации определяется тем, какую фигуру (годограф) описывает конец вектора pr за период колебаний (рис. 1.6). Направление вращения вектора определяется по уходящей волне. Наиболее общий случай поляризации - эллиптическая. Поляризационный эллипс (рис. 1.6, г) характеризуется тремя поляризационными параметрами коэффициентом эллиптичности К э ; углом ориентации γ; направлением вращения вектора поляризации. a θ 0 γ b линейная круговая эллиптическая а б в г Рис. 1.6 Коэффициент эллиптичности - это отношение малой и большой полуосей эллипса ) 1 э эВ частных случаях, когда К э =0, поляризация оказывается линейной, а при К э =1 - круговой. Угол ориентации эллипса γ - это угол между большой осью эллипса и плоскостью (ортом ), (0 ≤γ≤π). Направлению вращения придается знак "+" (э, если оно правое почасовой стрелке, и знак "-" (э, если левое. Зависимость параметров поляризационного эллипса от направления наблюдения называется поляризационной диаграммой э э ϕ θ ϕ θ γ ϕ θ K K Эта зависимость чаще всего снимается экспериментально и строится водной плоскости в прямоугольной системе координат. Поляризация антенны имеет большое практическое значение, так как для полного приема сигнала требуется полное согласование поляризаций приемной и передающей антенна для подавления помехи - максимальное различие поляризационных параметров помехи и антенны. Знание поляризационных свойств антенны позволяет также оценить влияние РЛС на ЭМС в группировке. 1.1.2. Частотная характеристика антенны Частотной характеристикой антенны (ЧХ) в общем случае называется зависимость амплитуды электромагнитного поля в дальней зоне в направлении главного максимума излучения от частоты передатчика. Рассчитать напрямую эту зависимость часто бывает затруднительно, поэтому на практике частотные свойства антенн, как правило, оценивают косвенным образом по зависимости, например коэффициента стоячей волны в волноводе, питающем антенну, от частоты (рис. 1.7). Количественными ΔF f m a x f m i n f 0 f K ( ) c f K c доп Рис. 1.7 оценками частотных свойств антенны являются номинальная частота , полоса пропускания ΔF и коэффициент перекрытия К п 0 f Полоса пропускания - это полоса частот, в пределах которой параметры антенны не выходят за допустимые пределы min Коэффициент перекрытия - это отношение частот min max п. (1.7) Для узкополосных антенн К п ≤1,1; для сверхширокополосных коэффициент достигает значения десятков единиц. 12 1.1.3. Ширина диаграммы направленности Ширина ДН характеризует степень ее направленности (узость радиолуча. Ширина диаграммы направленности оценивается по ее главному лепестку и отсчитывается на некотором условном уровне относительно его максимума. Обычно ширина ДНА указывается для координатной плоскости ( θ и ϕ ) 2θ 0, 5p F ( ) p θ 0,5 Рис. 1.8 и определяется как угол между направлениями, в которых плотность потока мощности уменьшается в 2 раза или до нуля по сравнению с направлением главного максимума рис. 1.8). Соответственно говорят о ширине диаграммы направленности по половинной мощности ( p 5 , 0 2 θ ) и по нулям ( 0 2 θ ). Чаще всего используется. Отметим, что уровень половинной мощности соответствует уровню 0,707 напряженности поля так как 2 F F p = , то 2 ) 707 , 0 ( 5 , 0 F F p = 1.1.4. Уровень паразитных лепестков Уровень паразитных лепестков определяется как отношение их максимумов к главному максимуму. Обычно эту величину выражают в процентах или децибелах (дБ. Иногда ограничиваются указанием уровня только первого бокового лепестка, имеющего наибольшую величину. Наличие боковых и заднего лепестков крайне нежелательно, поскольку они бесполезно уносят энергию в ненужных направлениях, снижают ее концентрацию в главном лепестке, создают помехи другим станциям. 1.1.5. Максимальный коэффициент направленного действия Коэффициентом направленного действия антенны в заданном направлении называется число, показывающее, во сколько раз плотность ее потока в какой-либо точке пространства в этом направлении больше плотности потока мощности в той же точке для случая, когда антенна излучала бы ненаправленно (изотропно. Существуют и другие варианты определения КНД. КНД обозначается буквой "D" и является функцией углов θ и ϕ: , при ) , ( И A И А P P П П D = = ϕ θ (1.8) где ПА и ПИ - плотность потока мощности водной и той же точке для направленной и изотропной антенн Р А и Р И - мощность, подводимая к соответствующей антенне. Предполагается, что обе антенны являются идеальными излучателями, те. не имеют потерь. КНД антенны определяется формой ее АДН: ∫ ∫ = π π θ ϕ θ ϕ θ ϕ θ π ϕ θ 2 0 0 2 2 sin ) , ( ) , ( 4 ) , ( |