В часть 1 настоящего пособия включены лекции, читаемые в рамках тем 24 программы дисциплины Устройства свч и антенны
 Скачать 1.21 Mb.
|
|
Т А также можно представить в виде суммы И, (1.37) где Т АВ – шумовая температура, связанная с внутренними шумами ТАИ – шумовая температура антенны, определяемая внешними источниками. Шумовая температура Т АВ оказывается довольно просто связанной с КПД антенно-волноводного тракта η АВ : ) 1 ( 0 AB B A T T η − = , (1.38) где Т К – стандартная температура среды. Согласно выражению (1.38), увеличение КПД антенно-волноводного тракта снижает шумовую температуру Т АВ . При этом Т АВ ≤Т 0 Шумовая температура ТАИ зависит от пространственного распределения источников внешних помехи направленных свойств антенны. В метровом диапазоне волн антенны имеют широкую ДН, ив результате Т АВ <<Т АИ При этом ТАК. В сантиметровом и дециметровом диапазонах в силу остронаправлен- ности антенн ТАК. В этих диапазонах необходимо максимизировать КПД. При 95 , 0 9 , 0 = A η , согласно (1.38), имеем Т АВ =30…15 К, что сравнимо с ТАИ 23 2. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ СИСТЕМ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ 2 . 1 . Понятие оп р ямой и обратной задачах в теории антенн. Антенна как система излучателей В теории антенн практическое значение имеет решение двух задач прямой и обратной. Прямая задача состоит в расчете напряженности поля вдаль- ней зоне по заданному распределению амплитуд и фаз источников поля в передающей антенне. Обратная задача, наоборот, заключается в отыскании тока и ЭДС на выходе антенны при приеме плоской электромагнитной волны, когда заданы характеристики и параметры антенны. Решение прямой задачи находится достаточно строго, поскольку оно осуществляется на основе отработанной технологии применения к практике уравнений Максвелла. Обратную задачу решить сложнее, однако принцип взаимности позволяет ограничиться решением прямой задачи, а полученные результаты применить к той же антенне с заданными характеристиками в режиме приема. Таким образом, основной задачей в теории антенн является прямая, а методика ее решения сводится к следующему. i I& i r y Рис. 2.1 1. Вся антенная система представляется в виде совокупности элементарных излучателей (рис. 2.1). Система излучателей может быть как дискретной, таки непрерывной. Она может быть линейной, плоскостной или объемной. Излучатели в общем случае могут иметь различную ориентацию и различные физические свойства. Для решения задачи система излучателей должна быть однозначно определена, те. установлен тип каждого элементарного излучателя, его положение в антенне, ориентация. 2. Для каждого элементарного излучателя должна быть задана в зависимости от его типа или комплексная амплитуда тока, или комплексная амплитуда напряженности поля. Распределение этих величин по координатам антенны называется амплитудно-фазовым распределением. 24 3. Для каждого элементарного излучателя находят векторную величину комплексной амплитуды электромагнитного поля в дальней зоне )] ( [ B E i r & 4. Структура и величина поля, излученного антенной, определяется как результат сложения парциальных полей, созданных в произвольной точке пространства В всеми элементарными излучателями ∑ = i i B E B E ) ( ) ( r & r & . (2.1) Для разнотипных излучателей с произвольной ориентацией в антенной системе решение прямой задачи достаточно сложное. Однако на практике большая часть антенн представляет собой системы, состоящие из идентичных и одинаково ориентированных излучателей или их можно рассматривать как таковые. Для этих систем расчет поля существенно упрощается. 2 . 2 . Основные типы элементарных излучателей Основными типами элементарных излучателей, которые используются в антенных системах, являются элементарный электрический вибратор (диполь Герца излучатель Гюйгенса элементарный магнитный вибратор. Диполь Герца - это прямолинейный тонкий проводник, длина которого l значительно меньше длины волны λ (l<<λ), в результате чего высокочастотный ток в любом его поперечном сечении в любой момент времени имеет одну и туже величину и фазу. Напряженность электрического поля в дальней зоне для элементарного электрического вибратора определяется выражением) где - вектор комплексной амплитуды тока в вибраторе - расстояние от вибратора до точки дальней зоны В - длина вибратора i I r & i r i l i θ - угол между осью вибратора и направлением на точку наблюдения В k=2 π/λ - волновое число. Из выражения (1.20) следует, что поляризация ЭМП, созданного вибратором, совпадает с направлением тока (те. осью вибратора, а его диаграм- Плоскость Е Плоскос Н ть Рис. 2.2 ма направленности описывается функцией sin θ . Поскольку не зависит от угла ϕ, то объемная ДН вибратора имеет форму поверхности вращения вокруг оси вибратора (форму тора, а в главных сечениях - вид восьмерки в плоскости вибратора и окружности в перпендикулярной ему плоскости рис. 2.2). Совокупность диполей Герца может представлять линейные излучатели различной длины и конфигурации. Излучатель Гюйгенса - это гипотетический излучатель, соответствующий бесконечно малому участку волнового фронта плоской ЭМВ с линейной поляризацией (рис. 2.3). Площадь участка . Для этого случая напряженность электрического поля в точке В выражается формулой 2 λ << = y x i l l s 2 / 2 ) cos 1 ( ) ( π θ λ + − + = i r jk i i i i i e r s E B E r & r & , (2.3) где - вектор напряженности электрического поляна элементе. у Рис. 2.3 Плоскость Е, Н z Рис. 2.4 Поляризация поля совпадает с направлением i E r & . Диаграмма направленности является телом вращения около нормали к площадке s i , описывается выражением (1+cos θ i )/2 ив главных сечениях представляет собой кардиоиду (рис. 2.4). Элементы Гюйгенса в совокупности могут представлять собой как поверхностные излучатели, таки раскрывы антенн. Элементарный магнитный вибратор (магнитный диполь) может быть представлен в виде свернутого в кольцо (или рамку) элементарного электри- x y Рис. 2.5 Плоскость Е Плоскость Н Рис. 2.6 ческого вибратора или в виде щели, прорезанной в проводящем экране больших размеров параллельно вектору напряженности магнитного поля рис. 2.5). Размеры щели таковы, что . Напряженность электрического поля в дальней зоне определяется зависимостью) Поляризация поля линейная, совпадает с направлением . ДН щелевого источника в полупространстве имеет вид половины тора (рис. i E r & 2.6) ивы- ражается зависимостями const f i = ) ( θ - в электрической плоскости, θ θ cos ) ( = i f - в магнитной. Поле щели максимально в плоскости, перпендикулярной ее оси и проходящей через центр щели. Вдоль оси щели поле равно нулю. 2 . 3 . Результирующее поле системы одинаково ориентированных излучателей вдаль ней зоне В общем случае излучатели, образующие антенну, могут быть по- разному ориентированы в пространстве. Соответственно, по-разному будут ориентированы и векторы i E r & . Для получения полного поля антенны необходимо найти векторную сумму величин i E r & . Рис. 2.7 Наибольшую амплитуду результирующее поле имеет при условии параллельности и синфазности векторов i E r & , что обеспечивается одинаковой ориентацией в пространстве всех излучателей. Поэтому в большинстве случаев антенны РЭС представляют собой системы из одинаково ориентированных в пространстве излучателей (рис. 2.7). Найдем поле такой антенны вдаль- ней зоне. Начало координат "0" совместим с произвольным излучателем, обозначенным также индексом 0, общее количество излучателей равно N (от 0 до N-1). Полное поле антенны в точке "В" равно векторной сумме полей всех излучателей ∑ − = = 1 0 ) ( ) ( N i i B E B E r & r & (2.5) Примем для определенности в качестве элементарного излучателя вибратор Герца. Согласно (2.2), выражение для комплексной амплитуды его поля в дальней зоне имеет вид 2 / sin 60 ) ( π θ λ π + − = i r jk i i i i i e r l I B E r & r & . (2.6) Сгруппируем члены правой части в виде i r jk i i i i i e r I l B E − ⋅ ⋅ ⋅ = θ λ π sin 60 ) ( & & . (2.7) В выражении (2.7) первый сомножитель является величиной постоянной и одинаковой для всех излучателей системы. Обозначим его "С. Третий сомножитель определяет диаграмму направленности го элементарного излучателя. Второй и четвертый сомножители для каждого излучателя имеют свое индивидуальное значение. С учетом этих замечаний представим) в виде 28 i r jk i i i i i i e f r I C B E − ⋅ ⋅ ⋅ = ) , ( ) ( ϕ θ & & . (2.8) Проанализируем выражение (2.8) применительно к дальней зоне, те. при λ / 2 2 L r >> , где L - максимальный линейный размер антенны. 1. Направления из любой точки антенны на точку "В" дальней зоны можно считать параллельными, те. ; 0 0 ϕ ϕ ϕ θ θ θ = = = = i i В силу идентичности и одинаковой ориентировки излучателей ) , ( ) , ( ) , ( ) , ( 0 1 ϕ θ ϕ θ ϕ θ ϕ θ f f f f N i i i i = = = − , (2.9) и значения ДН всех излучателей на точку наблюдения одинаковы и равны соответствующему значению ДН центрального излучателя. 2. Множитель определяет зависимость амплитуды поля от расстояния. Для дальней зоны можно считать, что 0 1 1 r r i ≈ . В самом деле, из рис. 2.6 видно, что разность хода волн Δr i до точки Виз точек 0 и i определяется соотношением i i i i r r r γ ρ cos 0 = − = Δ , где i ρ - расстояние между мину- левым излучателями, а γ i - угол между направлением на точку наблюдения и направлением на й излучатель. Отсюда i i i r r γ ρ cos 0 − = . Максимальное значение соответствует предельному случаю, когда max max ) (cos и. Очевидно, что любое отклонение ρ i немо- жет выходить за пределы антенны с линейным размером L, те. 1 ) (cos , max max = = i i a L γ ρ . Поэтому L r i = Δ max и . На практике L<<r 0 , и можно считать, что L r r i − = 0 min 0 0 1 1 1 r L r r i ≈ − = 3. Множитель характеризует изменение фазы поля го излучателя в зависимости от расстояния. Здесь нельзя полагать, что r i ≈r 0 , так как даже небольшая разность Δr i ведет к существенному фазовому сдвигу ΔФ i i jkr − exp Действительно, так как i i i i r k γ ρ λ π cos ) / 2 ( = Δ = ΔΦ , то при - L r i = Δ max L i λ π 2 = ΔΦ . Поскольку на практике L>> λ, то величина фазового сдвига полей от различных элементарных отражателей в точке В может составлять от нуля до нескольких периодов, те. принимать любое значение в пределах от 0 до 2 π. Таким образом, выражение (2.8) для дальней зоны можно представить так i i i i jk i jkr i i r jk i i i i i e I r e f C e f r I C B E γ ρ γ ρ ϕ θ ϕ θ cos 0 0 ) cos ( 0 Суммируя поля всех излучателей, получим ∑ ∑ − = − − = ⋅ ⋅ ⋅ = = 1 0 cos 0 0 1 0 0 ) , ( ) ( ) ( N i jk i jkr i i N i i i i e I r e f C B E B E γ ρ ϕ θ & & & & . (2.10) Учитывая, что комплексная амплитуда тока в м излучателе в экспоненциальной форме имеет вид i j i i e I I Φ ⋅ = & , где и i I i Φ - амплитуда и фаза тока, помножим и разделим выражение (2.10) на комплексную амплитуду тока в нулевом излучателе 0 I& ∑ − = + Φ − Φ − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = 1 0 ] cos ) [( 0 0 0 0 0 0 ) , ( ) ( N i k j i jkr i i i i i e I I e f r I C B E γ ρ ϕ θ & & & . (2.11) Введем обозначения 0 / I I A i i = - амплитудное распределение токов в системе (АР 0 Φ − Φ = i i ϕ - фазовое распределение токов в системе (ФР. Отношение ) ( 0 0 / Φ − Φ ⋅ = i j i i e A I I & & будем называть амплитудно- фазовым распределением токов в системе излучателей. С учетом введенных обозначений выражение (2.11) запишется в виде ∑ − = − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = 1 0 cos 0 0 0 0 ) , ( ) ( N i jk i jkr i i i i e A e f r I C B E γ ρ ϕ θ & & & & . (2.12) Рассмотрим полученное соотношение. Согласно формуле (2.8), множитель, стоящий перед суммой, представляет собой поле излучателя, находящегося вначале координат, те. . Следовательно, ) ( 0 B E& ∑ − = ⋅ ⋅ = 1 0 cos 0 ) ( ) ( N i jk i i i e A B E B E γ ρ & & & . (2.13) Таким образом, результирующее поле антенны как системы идентичных, одинаково ориентированных излучателей получается путем умножения поля одного ее элементарного излучателя на некоторый множитель, который получил название множитель системы (МС. В общем случае множитель системы, обозначаемый ) , ( ϕ θ cucm f , имеет комплексный характер, и его можно выразить через модуль и аргумент . (2.14) ) , ( 1 Множитель системы является функцией углов наблюдения точек пространства, потому что он зависит от угла Величина ) , ( ϕ θ cucm f не зависит от типа излучателей, из которых состоит антенна, а определяется только АФР токов в системе ( ) и пространственным расположением излучателей ( i A& i i γ ρ , ). Замена типа излучателя приведет только к изменению , ноне изменит величины Поэтому все приведенные выше рассуждения справедливы не только для вибратора Герца, но и для любого другого излучателя. После введения множителя системы выражение (2.13) можно переписать в виде , (2.15) те. поле системы идентичных, одинаково ориентированных излучателей равно произведению поля ее центрального излучателя на множитель системы. Множитель системы, по существу, является функцией, описывающей интерференционную картину результирующего поля, полученного в результате суперпозиции парциальных полей от всех излучателей антенной системы. Он зависит от следующих параметров N - количества излучателей i A& - амплитудно-фазового распределения r i - геометрии системы γ i - направления на точку наблюдения (те. углов ϕ θ , ). Множитель системы не зависит от типа излучающих элементов, ориентации элементарных излучателей, ДН излучателей. МС отображает интерференционные свойства всей антенной системы. 31 2 . 4 Правило перемножения диаграмм направленности В соответствии с выражениями (2.13) и (2.15) комплексная амплитуда результирующего вектора электрического поля всей антенны 0 ) , ( ) , ( ) ( 0 0 |