Фар кнд выше чем у синфазного раскрыва

Фар кнд выше чем у синфазного раскрыва

Антенна (от лат. antenna — мачта, рея) — преобразователь (обычно линейный) волновых полей; в традиционном понимании — устройство, осуществляющее излучение волн , поступающих к антенне либо непосредственно от передатчика, либо через антенно-фидерный тракт (антенна, работающая в режиме передачи, излучения), или устройство, осуществляющее преобразование падающего излучения и посылку его к приемнику (антенна, работающая в режиме приема, поглощения). В более широком смысле антенной можно назвать любой преобразователь волнового поля в неоднородной среде (в волноводах , резонаторах и т. п.), т. е. антенна принципиально не отличается от трансформатора мод, преобразующего (по возможности оптимально, т. е. согласованно с окружающим пространством) поле одного типа (например, моду , бегущую по линии передачи ) в поле другого типа (например, моду, излученную в окружающее пространство). Приемные и передающие антенны по принципу действия идентичны, ибо в любых линейных системах (кроме гиротропных ) коэффициенты преобразования полей взаимны. Однако технические особенности приемных и передающих антенн могут значительно расходиться из-за различий в предъявляемых к ним эксплуатационных требованиях (предельные мощности , полоса частот , шумы и т. п.).

Далее рассматриваются только радиоантенны, т. е. преобразователи электромагнитных волн радиодиапазона (с длиной волны от 1 мм до нескольких км). Естественные и искусственные акустические и гидроакустические преобразователи волновых полей (например, органы излучения и приема звука у насекомых , животных , человека ) — это, по существу, древнейшие антенны. Появившиеся значительно раньше, чем радиоантенны, оптические преобразователи волновых полей , во многом стимулировавшие создание ряда типов радиоантенн — линзовых, зеркальных , перископических и т. п. (аналогично тому, как акустические преобразователи полей стимулировали появление рупорных антенн), также имеют право называться антеннами, однако, в силу исторически сложившихся традиций, в большинстве своем (кроме инфракрасного и субмиллиметрового диапазонов электромагных волн) так не называются. Само латинское слово antenna в начале ХХ века было использовано радиоинженерами для обозначения ДВ-преобразователей электромагнитных полей — проводов, укрепленных на мачтах.

Появление радиоантенн относится к концу ХIХ в. В 1888 Г. Герц (Н. Herz), использовав дипольную антенну (вибратор Герца, рис. 1), получил электромагные волны ( м), подтвердив выводы теории Максвелла (см. уравнения Максвелла , Электродинамика классическая ). В 1895 — 96 А. С. Попов и независимо Г. Маркони (G. Marconi) создали антенны, использовавшиеся для практических целей. Антенна Попова, в отличие от симметричного вибратора Герца, была несимметричной, вторым проводником служила Земля (рис. 2). Первоначально функции передатчика (приемника), линии передачи и собственно антенны были совмещены в одном узле, но в дальнейшем антенны выделились в самостоятельные устройства.

До 1924 антенны создавались в основном для ДВ и СВ (длина волны от 200 м до 20 км). Эти антенны (рис. 3 и 4) являются развитием и модификацией несимметричной заземленной антенны Попова. В 1924-31 появляются антенны для KB (длина волны 10-75 м), используемые для дальней связи. Развитие в 1940-50-х гг. теории и техники УКВ — и СВЧ-радиоволн (метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые волны), связанное с потребностями радиовещания, телевидения, радиолокации , а затем радиоастрономии и космической связи, привело к созданию общей теории антенны и множества новых типов антенн, в т. ч. щелевых антенн, диэлектрических антенн, антенных решеток и зеркальных антенн, антенн переменного профиля , а также сложных антенных комплексов — радиоинтерферометров и систем апертурного синтеза .

Излучение радиоволн. В соответствии с принципом взаимности, которому удовлетворяют поля в любых линейных системах и средах (кроме гиротропных ), многие характеристики передающих и приемных антенн взаимно сопоставимы. В частности, одним из следствий принципа взаимности является совпадение диаграммы направленности (ДН) при работе антенны на передачу и на прием. Режим работы антенны на передачу (излучение) более нагляден, поэтому далее обсуждаются передающие антенны.

Поле излучения создается антенной благодаря возбужденным в ней переменным токам . Это могут быть токи проводимости или поляризации , текущие по различным элементам антенны, или условные токи, вводимые в качестве эквивалентов сторонних (т. е. поддерживаемых каким-либо внешним источником) полей Е и (или) Н. Любое векторное поле состоит из вихревых и потенциальных частей, поэтому объемные плотности электрических токов представляются в виде суммы , div =0, rot=0. Поле излучения могут создавать только вихревые части токов , интеграл от которых по любой замкнутой кривой (условному или реальному контуру) отличен от нуля . Поэтому всегда можно ввести вспомогательную векторную величину , удовлетворяющую соотношению и проявляющую себя как некоторый фиктивный магнитный ток . Здесь приняты система единиц Гаусса и комплексная запись гармонической зависимости от времени ( — угловая частота, с — скорость света в вакууме , фактор опущен).

В простейшем случае однородной среды с постоянной магнитной () и диэлектрической () проницаемостями определение полей и , создаваемых электрическим и магнитным токами и , сводится к решению двух неоднородных уравнений Максвелла
,
,
которые инвариантны относительно замен . Следовательно, можно искать только одно решение (), получая второе () с помощью указанных замен. Этот метод изнестен как принцип перестановочной двойственности. Два примера использования принципа двойственности особо выделены в теории антенн.

Первый пример: идеально проводящий экран с отверстием (щелью), на котором задана тангенциальная составляющая . Поле, создаваемое такой дифракционной, или щелевой, антенной, совпадает с полем поверхностного магнитного тока , текущего по затягивающей отверстие идеально проводящей пленке и равного
,
— нормаль к поверхности, направленная в сторону искомого поля. Для плоских экранов нужно ввести удвоенный ток , текущий в свободном пространстве по площади отверстия.

Второй пример: кольцевой электрический ток ( — элемент сечения проводника), текущий вдоль окружности радиуса , эквивалентен магнитному диполю , направленному по оси рамки, образующему с током правый винт и обладающему магнитным моментом , — площадь рамки, Q m — эффективный магнитный заряд , l — условная длина. Этот диполь двойствен электрическому диполю , образованному, например, двумя проволочными штырями с зарядами (вибратор Герца).

Вибратор Герца (рис. 1) можно рассматривать как элементарный излучатель, поскольку любое распределение тока допустимо расчленить на элементы с и локально однородными токами , текущими по тонким () «трубкам тока». Эти трубки тока, хотя и не замкнуты, но обладают отличными от нуля вихревыми составляющими. Формирование поля таким макродиполем связано с излучением когерентно осциллирующих внутри него электрических зарядов. Для электрического диполя, помещенного в начале координат, с дипольным моментом , ориентированным вдоль оси z, поле вне источника (при ) в вакууме определяется решением уравнений Максвелла:
,

Это поперечно-магнитное поле типа ТМ относительно радиального и аксиального направлений (в случае магнитного диполя возникает поперечно-электрическое поле типа ТЕ). Вблизи источника, в квазистационарной зоне, , помимо компонент поля, уносящих энергию и, следовательно, убывающих с расстоянием как -1 , присутствуют еще и т. н.

Фазированная антенная решётка

Фазированная антенная решётка — тип антенн, в виде группы антенных излучателей, в которых относительные фазы сигналов изменяются комплексно, так, что эффективное излучение антенны усиливается в каком-то одном, желаемом направлении и подавляется во всех остальных направлениях.

Введение

Управление фазами (фазирование) позволяет радару с применяемой ФАР:

• формировать (при весьма разнообразных расположениях излучателей) необходимую диаграмму направленности (ДН) антенны (например, остронаправленную ДН типа луч);
• изменять направление луча неподвижной антенны, таким образом осуществляя быстрое (в ряде случаев практически безынерционное) сканирование — качание луча;
• управлять в определённых пределах формой ДН — изменять ширину луча, интенсивность (уровни) боковых лепестков и т.п. (для этого в ФАР иногда осуществляют также управление и амплитудами волн отдельных излучателей).

Установка защитного колпака на ФАР

Эти (и некоторые другие свойства ФАР), а также возможность применять для управления ФАР современные средства автоматики и вычислительной электроники обусловили их перспективность и широкое использование в радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоастрономии и т. д. ФАР, содержащие большое число управляемых элементов, входят в состав различных наземных (стационарных и подвижных), корабельных, авиационных и космических радиоустройств. Ведутся интенсивные разработки в направлении дальнейшего развития теории и техники ФАР и расширения области их применения.

Описание устройства ФАР

КНД

Основная статья: Коэффициент направленного действия

Применение антенных решёток обусловлено следующими причинами. Решётка из N элементов позволяет увеличить приблизительно в N раз КНД (и соответственно усиление) антенны по сравнению с одиночным излучателем, а также сузить луч для повышения точности определения угловых координат источника излучения в навигации и радиолокации. С помощью решётки удаётся поднять электрическую прочность антенны и увеличить уровень излучаемой (принимаемой) мощности путём размещения в каналах решётки независимых усилителей высокочастотной энергии.

Электрическое сканирование

Основная статья: Антенна с электрическим сканированием

Одним из важных преимуществ решётки является возможность быстрого (безынерционного) обзора пространства за счёт качания луча антенны электрическими методами (электрического сканирования).

Помехозащищённость

Помехозащищённость системы зависит от уровня боковых лепестков антенны и возможности подстройки (адаптации) его по помеховой обстановке. Антенная решётка — необходимое звено для создания такого динамического пространственно-временного фильтра, или просто для уменьшения УБЛ. Одной из важнейших задач современной бортовой радиоэлектроники является создание комплексированной системы, совмещающей несколько функций, например радионавигации, РЛС, связи и т. д. Возникает необходимость создания антенной решётки с электрическим сканированием с несколькими лучами (многолучевой, моноимпульсной и т. д.), работающей на различных частотах (совмещённой) и имеющей различные характеристики.

Конструктивно-технологические преимущества

Имеется ряд конструктивно-технологических преимуществ по сравнению с другими классами антенн. Так например, улучшение массогабаритных характеристик бортовой аппаратуры происходит за счёт использования печатных антенных решёток. Снижение стоимости больших радиоастрономических телескопов достигается благодаря применению зеркальных антенных решёток.

Классификация

Классификация антенных решёток; а) линейная; б) дуговая; в) кольцевая; г) плоская; д) цилиндрическая; е) коническая; ж) сферическая; з) неэквидистантная

Антенные решётки могут быть классифицированы по следующим основным признакам:

• геометрия расположения излучателей в пространстве
  • линейные
  • дуговые
  • кольцевые
  • плоские
    • с прямоугольной сеткой размещения
    • с косоугольной сеткой размещения
    • цилиндрические
    • конические
    • сферические
    • с последовательным питанием
    • с параллельным питанием
    • с комбинированным (последовательно-параллельным)
    • с пространственным (оптическим, «эфирным») способом возбуждения
    • эквидистантное размещение
    • неэквидистантное размещение

    Обработка сигнала

    В питающем антенную решётку тракте (фидере) возможна различная пространственно-временная обработка сигнала. Изменение фазового распределения в решётке с помощью системы фазовращателей в питающем тракте позволяет управлять максимумом диаграммы направленности. Такие решётки называют фазированными антенными решётками (ФАР). Если к каждому излучателю ФАР, или к группе подключается усилитель мощности, генератор, или преобразователь частоты, то такие решётки называются активными фазированными антенными решётками (АФАР).

    Адаптивные АР

    Приёмные антенные решётки с саморегулируемым амплитудно-фазовым распределением в зависимости от помеховой обстановки называют адаптивными. Приёмные антенные решётки с обработкой сигнала методами когерентной оптики называются радиооптическими. Приёмные антенные решётки, в которых обработка ведётся цифровыми процессорами, называются цифровыми антенными решётками.

    Совмещённые антенные решётки

    Совмещённые антенные решётки имеют в своём раскрыве два, или более типа излучателей, каждый из которых работает в своём частотном диапазоне.

    Многолучевые антенные решётки

    Антенные решётки, формирующие с одного излучающего раскрыва несколько независимых (ортогональных) лучей и имеющие соответствующее число входов, называются многолучевыми.

    По виду амплитудного распределения

    В зависимости от соотношения амплитуд токов возбуждения различают решётки с:

    • равномерным
    • экспоненциальным
    • симметрично спадающим относительно центра

    амплитудным распределением. Если фазы токов излучателей изменяются вдоль линии их размещения по линейному закону, то такие решётки называют решётками с линейным фазовым распределением. Частным случаем таких решёток являются синфазные решётки, у которых фазы тока всех элементов одинаковы.

    Структура ФАР

    Формы, размеры и конструкции современных ФАР весьма разнообразны; их разнообразие определяется как типом используемых излучателей, так и характером их расположения. Сектор сканирования ФАР определяется ДН её излучателей. В ФАР с быстрым широкоугольным качанием луча обычно используются слабонаправленные излучатели: симметричные и несимметричные вибраторы, часто с одним или несколькими рефлекторами (например, в виде общего для всей ФАР зеркала); открытые концы радиоволноводов, щелевые, рупорные, спиральные, диэлектрические стержневые, логопериодические и др. антенны. Иногда большие по размерам ФАР составляют из отдельных малых ФАР (модулей); ДН последних ориентируется в направлении основного луча всей ФАР. В ряде случаев, например когда допустимо медленное отклонение луча, в качестве излучателей используют остронаправленные антенны с механическим поворотом (например, т. н. полноповоротные зеркальные); в таких ФАР отклонение луча на большой угол выполняют посредством поворота всех антенн и фазирования излучаемых ими волн; фазирование этих антенн позволяет также осуществлять в пределах их ДН быстрое качание луча ФАР.

    В зависимости от требуемой формы ДН и необходимого пространственного сектора сканирования в ФАР применяют различное взаимное расположение элементов:

    • вдоль линии (прямой или дуги);
    • по поверхности (например, плоской – в т. н. плоских ФАР; цилиндрической; сферической)
    • в заданном объёме (объёмные ФАР).

    Иногда форма излучающей поверхности ФАР – раскрыва, определяется конфигурацией объекта, на котором устанавливается ФАР. ФАР с формой раскрыва, подобной форме объекта, иногда называются конформными. Широко распространены плоские ФАР; в них луч может сканировать от направления нормали к раскрыву (как в синфазной антенне) до направления вдоль раскрыва (как в антенне бегущей волны). Коэффициент направленного действия (КНД) плоской ФАР при отклонении луча от нормали к раскрыву уменьшается. Для обеспечения широкоугольного сканирования (в больших пространственных углах – вплоть до 4 стерадиан без заметного снижения КНД используют ФАР с неплоским (например, сферическим) раскрывом или системы плоских ФАР, ориентированных в различных направлениях. Сканирование в этих системах осуществляется посредством возбуждения соответственно ориентированных излучателей и их фазирования.

    По характеру распределения излучателей в раскрыве различают эквидистантные и неэквидистантные ФАР. В эквидистантных ФАР расстояния между соседними элементами одинаковы по всему раскрыву. В плоских эквидистантных ФАР излучатели чаще всего располагают в узлах прямоугольной решётки (прямоугольное расположение) или в узлах треугольной сетки (гексагональное расположение). Расстояния между излучателями в эквидистантных ФАР обычно выбирают достаточно малыми (часто меньше рабочей длины волны), что позволяет формировать в секторе сканирования ДН с одним главным лепестком (без побочных дифракционных максимумов – т. н. паразитных лучей) и низким уровнем боковых лепестков; однако для формирования узкого луча (т. е. в ФАР с большим раскрывом) необходимо использовать большое число элементов. В неэквидистантных ФАР элементы располагают на неодинаковых расстояниях друг от друга (расстояние может быть, например, случайной величиной). В таких ФАР даже при больших расстояниях между соседними излучателями можно избежать образования паразитных лучей и получать ДН с одним главным лепестком. Это позволяет в случае больших раскрывов сформировать очень узкий луч при сравнительно небольшом числе элементов; однако такие неэквидистантные ФАР с большим раскрывом при малом числе излучателей имеют более высокий уровень боковых лепестков и, соответственно, более низкий КНД, чем ФАР с большим числом элементов. В неэквидистантных ФАР с малыми расстояниями между излучателями при равных мощностях волн, излучаемых отдельными элементами, можно получать (в результате неравномерного распределения плотности излучения в раскрыве антенны) ДН с более низким уровнем боковых лепестков, чем в эквидистантных ФАР с таким же раскрывом и таким же числом элементов.

    Управление фазовыми сдвигами

    По способу изменения фазовых сдвигов различают ФАР:

    • с электромеханическим сканированием, осуществляемым, например, посредством изменения геометрической формы возбуждающего радиоволновода;
    • частотным сканированием, основанным на использовании зависимости фазовых сдвигов от частоты, например за счёт длины фидера между соседними излучателями или дисперсии волн в радиоволноводе;
    • с электрическим сканированием, реализуемым при помощи фазосдвигающих цепей или фазовращателей, управляемых электрическими сигналами с плавным (непрерывным) или ступенчатым (дискретным) изменением фазовых сдвигов.

    Наибольшими возможностями обладают ФАР с электрическим сканированием. Они обеспечивают создание разнообразных фазовых сдвигов по всему раскрыву и значительную скорость изменения этих сдвигов при сравнительно небольших потерях мощности. На СВЧ в современных ФАР широко используют ферритовые и полупроводниковые фазовращатели (с быстродействием порядка микросекунд и потерями мощности ~ 20%). Управление работой фазовращателей осуществляется при помощи быстродействующей электронной системы, которая в простейших случаях управляет группами элементов (например, строками и столбцами в плоских ФАР с прямоугольным расположением излучателей), а в наиболее сложных – каждым фазовращателем в отдельности. Качание луча в пространстве может производиться как по заранее заданному закону, так и по программе, вырабатываемой в ходе работы всего радиоустройства, в которое входит ФАР.

    Особенности построения ФАР

    Возбуждение излучателей ФАР производится либо при помощи фидерных линий, либо посредством свободно распространяющихся волн (в т. н. квазиоптических ФАР), фидерные тракты возбуждения наряду с фазовращателями иногда содержат сложные электрические устройства (т. н. диаграммообразующие схемы), обеспечивающие возбуждение всех излучателей от нескольких входов, что позволяет создать в пространстве соответствующие этим входам одновременно сканирующие лучи (в многолучевых ФАР). Квазиоптические ФАР в основном бывают двух типов: проходные (линзовые), в которых фазовращатели и основные излучатели возбуждаются (при помощи вспомогательных излучателей) волнами, распространяющимися от общего облучателя, и отражательные – основной и вспомогательные излучатели совмещены, а на выходах фазовращателей установлены отражатели. Многолучевые квазиоптические ФАР содержат несколько облучателей, каждому из которых соответствует свой луч в пространстве. Иногда в ФАР для формирования ДН применяют фокусирующие устройства (зеркала, линзы). Рассмотренные выше ФАР иногда называются пассивными.

    Наибольшими возможностями управления характеристиками обладают активные ФАР, в которых к каждому излучателю или модулю подключен управляемый по фазе (иногда и по амплитуде) передатчик или приёмник. Управление фазой в активных ФАР может производиться в трактах промежуточной частоты либо в цепях возбуждения когерентных передатчиков, гетеродинов приёмников и т.п. Таким образом, в активных ФАР фазовращатели могут работать в диапазонах волн, отличных от частотного диапазона антенны; потери в фазовращателях в ряде случаев непосредственно не влияют на уровень основного сигнала. Передающие активные ФАР позволяют осуществить сложение в пространстве мощностей когерентных электромагнитных волн, генерируемых отдельными передатчиками. В приёмных активных ФАР совместная обработка сигналов, принятых отдельными элементами, позволяет получать более полную информацию об источниках излучения.

    В результате непосредственного взаимодействия излучателей между собой характеристики ФАР (согласование излучателей с возбуждающими фидерами, КНД и др.) при качании луча изменяются. Для борьбы с вредными последствиями взаимного влияния излучателей в ФАР иногда применяют специальные методы компенсации взаимной связи между элементами.

    Перспективы развития ФАР

    К наиболее важным направлениям дальнейшего развития теории и техники ФАР относятся:

    • Широкое внедрение в радиотехнические устройства ФАР с большим числом элементов, разработка элементов новых типов, в частности для активных ФАР;
    • Развитие методов построения ФАР с большими размерами раскрывов, в том числе неэквидистантных ФАР с остронаправленными антеннами, расположенными в пределах целого полушария Земли (глобальный радиотелескоп);
    • Дальнейшая разработка методов и технических средств ослабления вредных влияний взаимной связи между элементами ФАР;
    • Развитие теории синтеза и методов машинного проектирования ФАР;
    • Разработка теории и внедрение в практику новых методов обработки информации, принятой элементами ФАР, и использования этой информации для управления ФАР, в частности для автоматического фазирования элементов (самофазирующиеся ФАР) и изменения формы ДН, например понижения уровня боковых лепестков в направлениях на источники помех (адаптивные ФАР);
    • Разработка методов управления независимым движением отдельных лучей в многолучевых ФАР.

    История создания

    До конца 1980-х годов создание такой системы требовало применения большого количества устройств, из-за чего фазированные решётки, полностью управляемые электроникой, использовались, главным образом, в больших стационарных радарах, типа массивного BMEWS (Ballistic Missile Warning Radar) и несколько меньшего американского морского радара противовоздушной обороны SCANFAR, (развитие AN/SPG-59), установленного на американском тяжелом атомном ракетном крейсере «Лонг-Бич»(англ.) и атомном авианосце «Энтерпрайз». Его потомок SPY-1 Aegis установливался на крейсерах класса Ticonderoga и позже на эсминцах Arleigh Burke. Единственными известными применениями на самолётах был большой радар Заслон (англ.), установленный на советском перехватчике МиГ-31, и радар нападения на Rockwell B-1B Lancer. В текущий момент применяется в Су-35 и F-22.

    Такие радары не устанавливались на самолётах главным образом из-за их большого веса, поскольку первое поколение технологии фазированных решёток использовало обычную радарную архитектуру. В то время как антенна изменилась, всё остальное ещё оставалось прежним, но были добавлены дополнительные вычислители, чтобы управлять фазовращателями антенны. Это привело к увеличению веса антенны, количества вычислительных модулей, а также повысило нагрузку на систему электропитания.

    Выгоды применения фазированных решёток, однако, оправдывали дополнительную стоимость. Фазированные решетки могли в единственной антенне совместить работу нескольких антенн, почти одновременно. Широкие лучи могли использоваться для поиска цели, узкие — для сопровождения, плоские лучи в форме веера для определения высоты, узкие направленные лучи для полёта по ландшафту (B-1B). Во враждебной зоне электронного противодействия выгоды были ещё больше, поскольку фазированные решётки позволяют системе размещать «ноль» диаграммы направленности антенны в направлении источника помех и таким образом блокировать её попадание в приёмник. Другая выгода — отсутствие необходимости механически поворачивать антенну в направлении цели, что позволило повысить скорости обзора пространства на порядки, а также увеличить срок службы системы, так как с введением фазирования частично отпала потребность в громоздких механизмах ориентации полотна в пространстве. Обычно многосторонняя антенна могла обеспечить охват в 360 градусов, неподвижными антеннами, охватывающими все направления сразу.

    Эта технология также предоставляла менее очевидные выгоды. Одна могла быстро «осмотреть» маленький участок неба, чтобы увеличить вероятность обнаружения маленькой и скоростной цели, в отличие от медленно вращающейся антенны, которая может сканировать специфический сектор только однажды за оборот (обычно период обзора составляет от 5 до 20 секунд). Цель с малым ЭПР, например, низко летящую крылатую ракету, почти невозможно заметить при таких условиях. Способность фазированной решётки к почти мгновенному изменению направления и формы луча фактически добавляют целое новое измерение к сопровождению целей, поскольку разные цели могут быть отслежены разными лучами, каждый из которых переплетается во времени с периодически сканирующим лучом обзора пространства. Например, луч обзора пространства может охватывать 360 градусов периодически, тогда как сопровождающие лучи могут следить за индивидуальными целями независимо от того, куда в это время направлен луч обзора пространства.

    Фазированные решётки, как и все физические объекты, имеют и ограничения. Основное ограничение — диапазон углов, на которые луч может быть отклонён. Практически, предел составляет 45. 60 градусов от перпендикуляра к плоскости антенны. Отклонение луча на большие углы значительно ухудшает основные характеристики антенной системы (УБЛ, КНД, ширину и форму основного лепестка диаграммы направленности). Это объясняется двумя эффектами. Первый из них — уменьшение эффективной длины (ширины) антенны (апертура антенны) с ростом угла отклонения луча. В свою очередь, сокращение длины решётки в сочетании со снижением коэффициента усиления антенны уменьшает способность обнаружения цели на расстоянии.

    Второй эффект вызван видом диаграммы направленности (ДН) выбранных элементов антенной решётки. Отклонять луч ФАР целесообразно в пределах основного лепестка ДН элементов антенной решётки (этот луч шире основного луча ДН ФАР). Выход за пределы или приближение к краям основного лепестка ДН элементов антенной решетки приводит, в первом случае, к участию боковых лепестков ДН в формировании ДН ФАР, во втором случае, к уменьшению мощности излучения. В результате, при предельных значениях углов луч существенно ослаблен и расфокусирован.

    См. также

    • Активная фазированная антенная решётка
    • Антенна с синтезированной апертурой
    • Цифровая антенная решётка
    • Антенна на основе управляемых пассивных рассеивателей
    • НИИП, Фазотрон-НИИР — советские/российские разработчики авиационных/наземных ФАР и АФАР

    Ссылки

    • Активная Фазированная Антенная Решётка (АФАР) — популярное описание в блоге dxdt.ru
    • Вендик О. Г., Антенны с немеханическим движением луча, М., 1965;
    • Сканирующие антенные системы СВЧ, пер. с англ., т. 1–3, М., 1966–71.

    Литература

    • Воскресенский Д. И., Гостюхин В. Л., Максимов В. М., Пономарёв Л. И. Антенны и устройства СВЧ / Под ред. Д. И. Воскресенского. Учебник. — 2-е изд. — Москва: МАИ, 1993. — 528 с.
    • Сазонов Д. М., Гридин А. М., Мишустин Б. А. Устройства СВЧ — М: Высш. школа,1981
    • Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решёток. Учебное пособие / Под ред. Д. И. Воскресенского. — Москва: Радио и связь, 1994. — 592 с.
    • Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ. Учебник. — Москва: Высшая школа, 1988. — 432 с.

    И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

    СОСТАВИТЕЛИ: Прилепкина Л.П. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 5В0719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации. – Алматы: АИЭС, 2009 — 54 с.

    Конспект лекций соответствует программе курса и предназначен в качестве дополнительной литературы для изучения дисциплины «Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн». В конспекте рассматриваются физические процессы, происходящие при распространении радиоволн разных диапазонов в реальных условиях, методы расчета напряженности поля в месте приема, рассматриваются общие вопросы теории антенн, требования, устройство, принцип действия и основные параметры различных типов передающих и приемных антенн

    Введение. Технические параметры антенн . . . . . . . . .

    Теория симметричных вибраторов . . . . . . . . . . . . . . .

    Излучение антенных решеток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

    Излучение возбуждающих поверхностей. Теория приемных антенн . . . . .

    Вибраторные и щелевые антенны диапазона УКВ . . .

    Антенны осевого и поперечного излучения УКВ диапазона . . .

    Сканирующие антенные решетки и решетки с обработкой сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

    Механизмы РРВ. РРВ в свободном пространстве. Распространение земной волны . . . . . . . . . . . . . . . . . .

    Электрические параметры земной атмосферы. Распространение радиоволн в земной атмосфере . . .

    Основной механизм распространения и область применения КВ. Распространение средних и длинных волн . . .

    1 Лекция Введение. Технические параметры антенн

    Цель лекции: ознакомиться с историей развития теории и техники АФУ, изучить основные электрические параметры антенн

    Любая линия передачи информации (связная, вещательная или телевизионная) содержит на концах радиопередающие и радиоприемные устройства, снабженные антеннами. Неправильный выбор антенн, их неправильная эксплуатация могут привести к нарушению работы радиолинии, несмотря на применение мощных радиопередатчиков и чувствительных приемников.

    Рисунок 1.1 — Структурная схема Рисунок 1.2 — Спектр

    радиосистемы электромагнитных волн

    Приемные антенны улавливают и преобразуют энергию электромагнитных волн в ВЧ-энергию, поступающую по фидеру (обычно это коаксиальный кабель) к приемнику. От антенны в значительной степени зависит качество принимаемого сигнала.

    Передающие антенны преобразуют и излучают подведенную к нему высокочастотную энергию в виде электромагнитных волн в окружающее пространство.

    Передающая и приемная антенны обладают свойством взаимности (обратимости), т. е. одна и та же антенна может излучать или принимать электромагнитные волны, причем в обоих режимах она имеет одинаковые свойства (параметры).

    К передающим антеннам предъявляют дополнительные требования, связанные с большими подводимыми мощностями ВЧ энергии, поэтому конструктивно приемные антенны проще передающих.

    · направленность действия, т. е. распределение элек­тромагнитной мощности в пространстве (или реакция на приходя­щее электромагнитное поле при радиоприеме) по определенному закону. В одних случаях желательно обеспечить равномерность дей­ствия антенны по всем направлениям, в других требуется концен­трировать излучение или осуществлять радиоприем в пределах до­статочно узкого углового сектора. Для фор­мирования узкого луча размеры антенны должны во много раз превышать рабочую длину волны радиосистемы.

    · излучение или радиоприем должны сопровождаться минимальными потерями электромагнитной мощности на нагрев провод­ников и диэлектриков антенны, т. е. антенна должна иметь высо­кий КПД.

    На работу любой радиолинии оказывает влияние среда (тракт) распространения. Когда распространение происходит в свободном пространстве, влияние заключается только в ослаблении поля. В случае реальных сред полупроводниковые свойства земли приводят к утечке энергии поля в Землю. Атмосфера Земли является поглощающей неоднородной средой, поэтому возникают ослабление сигнала и искривление траектории дви­жения волны. Верхние слои атмосферы (ионосфера) содержат газ в ионизиро­ванном состоянии, что также оказывает влияние на распространение радиоволн.

    

    а — вертикальная поляризация; б — горизонтальная поляризация; в — вращающаяся поляризация

    Рисунок 1.3 — Структура электромагнитной волны

    Т а б л и ц а 1 распределение радиоспектра по диапазонам.

    Метрическое наименование диапазона волн

    Наименование диапазона частот

    Электромагнитные волны.

    Для электромагнитных волн возмущениями являются передвигающиеся в пространстве электрические и магнитные поля. Меняющееся во времени электрическое поле обязательно вызывает появление переменного магнитного поля, и наоборот. Эти поля взаимно связаны.

    Основным источником спектра электромагнитных волн является звезда Солнце. Часть спектра электромагнитных волн видит глаз человека. Этот спектр лежит в пределах 380. 780 нм (рис. 1.1). Электромагнитные колебания с различной длиной волн вызывают ощущение света с различной окраской.

    Часть спектра электромагнитных волн используется для целей радиотелевизионного вешания и связи (рис. 1.2).

    Технические параметры антенн

    1. Диаграмма направленности f ( ) —

    гра­фическое представление зависимости от углов наблюде­ния в пространстве ( и ) напряженности электромаг­нитного поля, созданного антенной, измеренной на до­статочно большом, но одинаковом расстоянии от ан­тенны.

    

    Рисунок 1.4 — ДН: а) — пространственная; б) — пространственная, рассеченная плоскостями Е и Н

    

    Рисунок 1.5 — ДН: а) — в полярной системе координат, б) — в прямоугольной

    2. Коэффициент защитного действия (Кзащ) –

    отношение квадрата напря­женности поля, созданного антенной в главном направ­лении Е 2 0, к квадрату напряженности поля в направле­нии, противоположном главному:

    

    3. Уровень боковых лепестков.

    4. Ширина главного лепестка

    Ширины главного лепестка по нулевому излучению — .

    Ширины главного лепестка по уровню 0,5 максимальной мощности , что соответствует уровню 0,707 (3дБ) по напряженности поля (показаны на рисунке 1.5).

    5. Коэффициент направленного действия D —

    о тношение квадрата напряжен­ности поля, созданного антенной в данном (обычно главном) направлении Ео к среднему (по всем направ­лениям) значению квадрата напряженности поля Еср.

    

    т. е. численное значение КНД показывает, во сколь­ко раз нужно уменьшить мощность излучения, если ненаправленную антенну заменить направленной при сохранении прежней напряженности поля в глав­ном направлении.

    3а ненаправленную (изотропную) условно принимают ан­тенну, равномерно излучающую по всем направлениям. Практиче­ски таких антенн нет, так как любая реальная антенна в той или иной степени обладает направленными свойствами.

    6. Эффективная, или дейст­вующая площадь

    Действующая длина передающей антенны L д — длина излучателя с равномерным распре­делением тока, который в главном направлении созда­ет такую же напряженность поля, как и реальная антен­на при одинаковых токах.

    

    7. Сопротивление излучения антенны —

    коэффициент пропорциональности, связывающий мощ­ность излучения с квадратом действующего значения тока в антенне.

    8. Коэффициент полезного действия антенны —

    отношение излучаемой мощности к подво­димой мощности.

    9. Коэффициент усиления антенны G –

    отно­шение плотности потока мощности или квадрата напря­женности поля, созданного антенной в главном на­правлении к потоку или квадрату на­пряженности поля, созданному эталонной антенной в главном направлении при равенстве подводимых к антеннам мощностей

    

    В различных частотных диапазонах используют разные типы эталонных антенн:

    · В диапазоне ДВ и СВ — короткий несимметричный вибратор, расположенный непосредственно над идеально проводящей землей. Для такой антенны D Э =3.

    · В диапазоне КВ — симметричный полуволновый вибратор, расположенный в свободном пространстве, для которого D Э = 1,64.

    · В диапазоне СВЧ — ненаправленный изотропный излучатель с D Э =1.

    Коэффициент усиления показывает, во сколько раз надо уменьшить мощность, подводимую к направленной антенне, по сравнению с эталонной, чтобы напряженности поля в главном направлении бы­ли одинаковыми.

    

    Коэффициент усиления и коэффициент направленного действия выражают в деци­белах:

    10. Волновое сопротивление антенны W определяется отношением напряжения к току бегущей (падающей) волны

    При рассмотрении антенн, выполненных из системы проводов для расчета W B , можно восполь­зоваться соотношением, справедливым для двухпровод­ных линий:

    где L 1 и С1 — погонные индуктивность и емкость линии.

    Волновое сопротивление существенно влияет на мак­симальные напряжения, входные сопротивления и по­лосы рабочих частот антенн.

    11. Рабочая полоса частот — область частот от f макс до f мин, в которой все параметры антенны не выходят из заданных пределов. Обычно границы рабо­чей полосы определяются тем параметром, который с изменением частоты быстрее других выходит из задан­ных пределов. Часто ширину полосы рабочих частот определяют в процентах относительно средней частоты диапазона

    

    или коэффициентом перекрытия диапазона . Антенны со значением 10% называют узкополос­ными, а при =10 — 60% — широкополосными. Антенны с коэффициентом перекрытия 1,6—5 называют широкодиапазонными, а при 5 — частотнонезависимыми.

    2 Лекция Теория симметричных вибраторов

    Цель лекции: изучить распределение тока и заряда по вибратору, характеристику направленности, сопротивление излучения, волновое сопротивление, входное сопротивление, коэффициент направленного действия, коэффициент усиления и их зависимость от относительной длины вибратора.

    Симметричный вибратор (см. рисунок 2.1) со­стоит из двух одинаковых цилиндрических проводни­ков (плеч), между которыми включается линия, соединяющая вибратор с генератором (передатчиком) или приемни­ком. Применяется как самостоятельная антенна или как элемент сложной ан­тенны в диапазонах коротких, метровых и дециметро­вых волн.

    Поле излучения проволочных антенн и ДН можно определить, если известно распределение токов по антенне. Симмет­ричный вибратор можно рассматривать как разверну­тую двухпроводную линию, разомкнутую на конце (см. рисунок 2.2).

    

    Рисунок 2.1 — Симметричный Рисунок 2.2 — Преобразование симметричной

    вибратор линии в симметричный вибратор

    Поле двухпроводной линии в какой-либо до­статочно удаленной точке равно нулю, так как поля, созданные каждым проводником при , равны по величине, но направлены взаимно противоположно. При развертывании линии токи проводимости в плечах вибратора имеют одинаковые направления и поэтому создают излучение.

    Учитывая, что вибратор на конце разомкнут и I к=0, а U к= U п, уравнения для распределения напряжения и тока вдоль симметричного вибратора:

    

    где — волновое число.

    Напряжение на концах симметричного вибратора имеет максимальное значение (пучность напряжения) и изменяется вдоль проводов от конца вибратора к точ­кам питания по косинусоидальному закону. Ток на кон­цах вибратора равен нулю (узел тока) и изменяется вдоль проводов по синусоидальному закону. В симметричном вибраторе устанав­ливается режим стоячей волны.

    Параметры симметричного вибратора:

    · L А( l А) = 2 L – геометрическая длина вибратора, где L – длина плеча;

    · — относительная длина вибратора;

    · — электрическая длина вибратора (градусы, рад.).

    ДН и Коэффициент направленного действия

    

    где F ( ) макс — максимальное значение множителя диаграммы направленности.

    Диполь Герца и короткий симметричный вибратор имеют КНД, равный 1,5.

    КНД полуволнового вибратора равен 1,64, одноволнового – 2,4.

    Максимальное значение D =3,1 имеет симметричный вибратор с длиной плеча L = 0,625 .

    

    Рисунок 2.3 — Распределение тока и напряжения

    а) – пространственная, б) – в экваториальной плоскости (Н), в) — в меридиональной плоскости (Е)

    Рисунок 2.4 — Диаграммы направленности короткого симметричного вибратора

    Распределение тока и напряжения и ДН зависят от относительной длины вибратора:

    

    Короткий Полу- Одноволновый Полуторо- Двуволновый

    Рисунок 2.5 — Распределение тока и напряжения и ДН вибратора

    Действующая длина симметричного вибратора

    Под эквивалентными понимают антенны, соз­дающие равные напряженности поля. Такие антенны должны иметь и равные площади токов.

    Действующая длина симметричного вибратора

    

    Действующая длина симметричного вибратора малых размеров равна длине одного плеча или половине дли­ны всего вибратора L д= L

    

    Рисунок 2.6 — Действую­щая длина симмет­ричного вибратора

    Действующая длина полуволнового вибратора

    

    Сопротивление излучения симметричного вибратора

    Сопротивление излучения полуволнового вибратора равно 73,1 Ом, а волнового — 200 Ом .

    Знание сопротивления излучения и тока в пучности позво­ляет определить мощность излучения .

    Волновое сопротивление симметричного вибратора W в

    Тонкий вибратор (когда ) имеет относительно большое волновое сопротивление порядка 1000 Ом. Та­кой вибратор является узкополосным и позволяет под­водить к нему относительно небольшие мощности. Для расширения рабочей полосы и возможности работать с большими мощностями применяют вибрато­ры с пониженным волновым сопротивлением. Для уменьшения волнового сопротивления необходимо уве­личивать погонную емкость и уменьшать погонную ин­дуктивность вибратора, что возможно при увеличении его радиуса.

    Входное сопротивление симметричного вибратора

    Короткий вибратор имеет комплексное входное сопротивление емкостного харак­тера.

    Полуволновый виб­ратор является резонансным, так как его реактивное со­противление равно нулю. Малое и чисто активное вход­ное сопротивление позволяет сравнительно просто со­гласовать полуволновый вибратор с коаксиальной лини­ей, имеющей волновое сопротивление 75 Ом.

    Одноволновый симметричный вибратор длиной име­ет чисто активное входное сопротивление и является резонансным.

    

    Рисунок 2.7 — Эквива­лентные схемы вход­ного сопротивления симметричного виб­ратора в зависимости от его относительной длины

    Для одиночного симметричного одноволнового вибратора = 200 Ом. Если вибратор находится в системе из­лучателей или вблизи рефлектора, то за счет их взаим­ного влияния сопротивление излучения может су­щественно измениться. Пучности напряжения и узлы тока у одноволнового симметричного вибратора располага­ются на конце и на входе. Поэтому его входное сопро­тивление велико, у тонкого вибратора W в =800-1000 Ом и R а = 3200—5000 Ом. Одноволновый симметричный вибратор лучше согласуется с симметричными линиями.

    Наличие реактивной составляющей во входном со­противлении вибратора затрудняет согласование его с фидером, поэтому на практике стремятся использовать резонансные вибраторы — одноволновый или полуволновый, — либо работать на частотах, близких к резонансным.

    Укорочение вибраторов

    Фазовая скорость в вибраторе меньше скорости распространения волны в свободном пространстве, следовательно, и длина волны в вибраторе (антенне) меньше длины в свободном пространстве. Поэтому размеры резонансных вибраторов должны быть несколько короче 0,5 или . Для расчета вибраторов вводят понятие коэффициента укорочения волны –

    

    КПД и коэффициент усиления, полоса пропускания.

    Для симметричных вибраторов, полная длина которых , сопротивление излучения много больше сопротивления потерь, поэтому их КПД принимают равным 100%.

    Коэффициент усиления симметричного вибратора относительно ненаправленного (изотропного) излучателя численно равен его КНД, а относительного полуволнового вибратора в 1,64 раза меньше. Полоса пропускания симметричного полуволнового вибратора .

    Несимметричный вертикальный вибратор —

    одно плечо по размерам или форме отличается от дру­гого.

    Несимметричный вертикальный заземленный виб­ратор — вертикальный по отношению к земле проводник, к нижнему концу ко­торого присоединен один из зажимов генератора, а другой зажим генерато­ра присоединен к земле. Роль второго плеча вибратора иг­рает земля.

    Несимметрич­ный вибратор имеет максимальное излучение вдоль по­верхности земли. Применя­ется в качестве антенн длинных, сред­них и коротких волн, волн метрового диапазона, устанавливается на движущихся объектах.

    Действующая длина, волновое сопротивление, сопротивление излучения и входное сопротивление несимметричной ан­тенны вдвое меньше аналогичных сопротивлении сим­метричного вибратора.

    

    

    Рисунок 2.8 — Несим­мет-

    ричный (а) и симмет-

    ричный (б) вибраторы Рисунок 2.9 — ДН несим­метричного вибратора

    3 Лекция Многовибраторные антенны

    Цель лекции: изучить н аправленные свойства системы из 2-х связанных вибраторов, принципы работы линейной антенной решетки с равномерным возбуждением и линейным изменением фазы.

    Система из двух вибраторов

    

    Рисунок 3.1 — Система из двух вибраторов

    Если линейную решетку составить из направле нных излучателей, например симметричных вибраторов, то поле E 1 , созданное каждым вибратором, определяется его направленными свойствами и результирующая характеристика направленности

    

    

    Рисунок 3.2 — Диаграммы направленности множителя системы, состоящей из двух вибраторов, при равных амплитудах, но различных фазах токов в них в зависимости от расстояния между вибраторами

    Антенные решетки —

    антенны в виде системы большого числа вибраторов.

    Применяют для получения больших значений КНД и резко выраженных направленных свойств.

    Синфазные решетки — т оки в вибраторах решетки имеют одинаковые фазы. Переменно-фазовые — токи в вибраторах имеют раз­личные фазы, подчиняющиеся определенным законам.

    Эквидистантная равноамплитудная решетка — линейная система из п ненаправленных излучателей, расположенных на равных расстояниях d друг от друга, возбужденных токами, равными по амплитуде .

    В равноамплитудной решетке амплитуды поля, созданные различными вибраторами на большом удалении, можно принять равными амплитуде поля первого вибратора, но фазы этих полей будут различными.

    Характеристика напр авленности такой решетки

    

    Если линейную решетку составить из направле нных излучателей, например симметричных вибраторов, то поле E 1 , созданное каждым вибратором, определится его направленными свойствами и результирующая характеристика направленности

    

    Синфазные решетки применяются в качестве направленных антенн радиосвязи, звукового и телевизионного вещания.

    В ДН кроме основного будут присутствовать боковые лепестки, что является вредным явлением.

    В двухмерной решетке вибраторы располагаются на плоскости. Число вибраторов в горизонтальном направлении (ряду) п 1 и расстояния между ними d 1 определяют характеристику направленности в горизонтальной плоскости. Характеристика направленности в вертикальной плоскости определяется числом вибраторов в вертикальной плоскости п 2 (числом этаж) и расстояниями между ними d 2 . Для формирования односторонней ДН двухмерная решетка должна иметь рефлектор, т. е. быть трехмерной (объемной) системой (рис. 3.3,б).

    

    а – линейной, б – плоской, в – плоской с рефлектором

    Рисунок 3.3 -Диаграммы направленности синфазных решеток из ненаправленных излучателей

    Переменно – фазовые решетки. Преимущества — возможность согласования антенны с фидером в более широком диапазоне частот.

    Система вибраторов, в которой каждые два соседних вибратора имеют токи, отличающиеся по фазе на угол , называется антенной бегущей волны.

    При распространении волны вдоль линии в сторону нагрузочного сопротивления ( ) опережение фазы за счет питания вибратора 1 компенсируется отставанием фазы за счет разности хода волны до вибратора 2 и в этом направлении поля от всех вибраторов складываются синфазно, образуя главный максимум ДН.

    

    Рисунок 3.4 — Антенна бегущей волны и диаграмма Рисунок 3.5 —

    направленности решетки антенны бегущей Кольцевая решетка

    волны из ненаправленных излучателей

    При распространении в любом другом направлении поля от отдельных вибраторов складываются в разных фазах и результирующее поле ослаблено.

    Синфазная линейная решетка формирует более узкую ДН, чем антенна бегущей волны, но только в одной плоскости. В плоскости, перпендикулярной линии расположения вибраторов, синфазная решетка имеет ненаправленную ДН (рис. 3.3,а). Антенна бегущей волны, составленная из ненаправленных излучателей, имеет ДН, (рис. 3.4), формируется в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и имеет один главный лепесток. Для получения однонаправленного излучения здесь не требуется рефлектор. Линия, питающая антенну бегущей волны, в конце нагружается сопротивлением, равным ее волновому сопротивлению с учетом влияния вибраторов. При отсутствии согласования от конца антенны распространяется отраженная волна, которая вызывает ухудшение, т. е. уменьшение коэффициента защитного действия антенны.

    Кольцевые решетки представляют собой систему излучателей, размещенных по окружности (рис. 3.5).

    Для передачи телевидения широко используют кольцевые решетки с синфазным или переменно-фазным питанием, формирующие ненаправленные характеристики излучения в горизонтальной плоскости.

    Влияние земли на направленные свойства антенн

    Под влиянием поля антенны, расположенной непосредствен­но над землей, возникают токи, которые создают вторичное поле. Вторичное поле наводит в антенне дополнительные токи, которые изменяют первичное распределение токов и зарядов в антенне, в результате чего изменяются входное сопротивление и другие параметры антенны. Результирующее поле на большом удалении от антенны является суммой первичного и вторичного полей. В расчетах влияние земли учитывают методом зеркальных изображений. Сущность его состоит в том, что результирующее поле рассматривают как сумму прямой волны Е 1 и отраженной от земли Е 2 . Волну, отраженную от земли, можно рассматривать как волну, созданную зеркальным изображением антенны.

    Из построения следует, что токи в вертикальном вибраторе и в его зеркальном изображении совпадают по направлению, а в горизонтальном вибраторе и его зеркальном изображении — встречны.

    

    а — вертикальный вибратор и его зеркальное изображение; б — горизонтальный вибратор и его зеркальное изображение; в — вертикальный вибратор; г — горизонтальный вибратор

    Рисунок 3.6 — К определению множителя земли

    

    — множитель, учитывающий влияние идеально проводящей земли на ДН антенны с вертикальными вибраторами.

    Поле Е 1 определяется характеристикой направленности, следовательно, характеристика направленности любой антенны с вертикальными вибраторами, расположенной над землей будет определяться так:

    

    где — множитель характеристики направленности антенны в свободном пространстве.

    

    Рисунок 3.7 — Множители земли при вертикальной поляризации волны без учета на­правленных свойств вибратора

    При горизонтальной поляризации поля —

    

    .

    Характеристика направленности любой антенны с горизонталь­ными вибраторами, расположенной над землей:

    

    где — множитель ДН в вертикальной плоскости антенны, расположенной в свободном пространстве;

    — множитель, учитывающий влияние земли при горизонтальных вибраторах.

    

    Рис. 3.8 Диаграммы направленности горизонтального вибратора при разных высотах подвеса

    Выводы. Антенна с горизонтальными вибраторами вдоль идеально проводящей земли не излучает. Максимум излучения направлен под некоторым углом к поверхности земли. Чем больше высота расположения антенны, тем меньше угол, соответствующий направлению максимального излучения.

    Оптимальная высота подвеса антенны с горизонтальными вибраторами

    

    При высотах подвеса ДН в вертикальной плоскости становится многолепестковой.

    Плоские рефлекторы

    Система из двух вибраторов является узкополосной. Для получения большего значения коэффициента защитного действия в широкой полосе частот применяют апериодические рефлекторы, выполняемые в виде плоских металлических поверхностей (см. рисунок 3.9,а).

    Плос­кие рефлекторы больших размеров выполняются в виде сеток из проводов, металлических стержней или пластин, располо­женных параллельно вектору Е. Такие рефлекторы легче сплош­ных, но обладают меньшим коэффициентом защитного действия, поскольку часть энергии проходит через решетчатый рефлектор.

    

    Рисунок 3.9 — Апериодический рефлектор

    4 Лекция Излучение возбуждающих поверхностей

    Цель лекции: изучить направленные свойства прямоугольных и круглых раскрывов с синфазным и равноамплитудным возбуждением. Влияние амплитудных и фазовых распределений на ДН излучающих поверхностей. КНД излучающих поверхностей.

    С увеличением частоты антенны с большим КНД выполнить в виде системы вибраторов затруднительно. Большое число вибраторов и их малые размеры существенно усложняют систему питания и не позволяют получить широкую полосу рабочих частот. В диапазонах дециметровых и более коротких волн распространены антенны, выполненные в виде излучающих поверхностей —рупорные и зеркальные антенны. Параметры антенн этого типа определяются площадью и формой излучающей поверхности (раскрыва), распределением амплитуд и фаз поля в раскрыве.

    Излучение плоской поверх­ности прямоугольной формы, возбужден­ной в каждой точке поверхности полем одинаковых фаз и амплитуд. Для определения ДН в горизонтальной плоскости излучающую поверхность представим в виде суммы большого числа узких вертикальных полосок (см. рисунок 4.1). Верти­кальный размер (высота) полоски на ДН в горизонтальной плос­кости влияния не оказывает. В этом случае множитель ДН . Здесь — множитель ДН элемен­та излучающей поверхности с малыми относительными размера­ми; —нормированный множитель системы.

    При равенст­ве амплитуд и фаз поля в раскрыве

    

    Рисунок 4.1 — К определению поля излучения прямо­угольной поверхности

    Для антенн с большим раскрывом ( ) направленными свой­ствами можно пренебречь и учитывать только множитель системы. Максимум излучения будет наблюдаться при , ширина главного лепестка ДН бу­дет такая же, как и для синфазной решетки. Уровни боковых лепестков определяются приближенным равенством , где р — порядковый номер лепестка. С увеличением частоты или размера излучающей поверхности ДН антенны сужается.

    Для излучающей поверхности произвольной формы с различными амплитудным и фазовым распределениями поля на этой поверхности ДН определяется суммой полей, создан­ных элементарными участками излучающей поверхности.

    В антеннах с неравномерным амплитудным распределением участки раскрыва с малыми амплитудами поля вносят соответственно и малый вклад в создание поля излучения в главном направлении. Уменьшение амплитуд поля от центра к краям раскрыва приводит к расширению ДН. В этом случае менее эффек­тивно используется поверхность раскрыва антенны, уменьшается КНД, но вместе с этим понижаются уровни боковых лепестков.

    Откло­нение поля в раскрыве от синфазного может быть вызвано конст­рукцией антенны, недостаточно точным ее изго­товлением или специально заданным, например, для управле­ния ДН.

    Влияние амплитудных и фазовых распределений на ДН излучающих поверхностей.

    Распреде­ление фазы поля характеризуют средней фазой Ф 0 , соответствую­щей полю в центре, и отклонениями фаз от Фо в других точках — фазовыми искажениями. Различают фазовые искаже­ния линейные, когда , квадратичные, соответствующие распределению , кубичные и т. д. При синфазном возбуждении направление максимального излучения совпадает с нормалью к плоскости фронта волны (см. рисунок 4.2,а). При линейном изменении фаз происходит наклон фронта излучаемой волны и отклонение главного излучения от нормали к плоскости раскрыва в сторону запаздывающих фаз (рисунок 4.2,6). При квадратичных фазовых искажениях (рисунок 4.2,б) направление максимального излучения совпадает с нормалью к плоскости раскрыва, так как симметричному распределению фаз соответствует и симметричная ДН. При квадратичных искажени­ях вместо нулей в ДН образуются минимумы, которые с ростом Ф 2 увеличиваются и сливаясь с основным лепестком, расширяют его.

    

    Рисунок 4.2 — Влияние распределения фаз поля в раскрыве на ДН антенны

    При максимальной разности фаз, большей , наблюдается раздвоение главного лепестка с сохранением его симметрии. При кубических искажениях (см. рисунок 4.2,г) происходит отклонение глав­ного лепестка ДН от нормали к излучающей поверхности в сто­рону запаздывающих фаз. Одновременно увеличиваются уровни боковых лепестков, смещенных в сторону запаздывающих фаз.

    Основные положения теории приема

    На основании принципа взаимности приемную антенну можно представить в виде эквивалентного генератора (рисунок 4.3). Электродвижущая сила эквивалентного генератора (наведенная в антенне)

    где L Д — действующая длина антенны; F н(ф) — множитель нормированной ДН антенны.

    Ток в приемной антенне, нагруженной на приемник,

    где Z а — входное сопротивление антенны; Z ПР — входное сопротивление приемника.

    Ток и ЭДС в приемной антенне зависят от направленных свойств и ориентации антенны в пространстве. В профессиональных устройствах антенна и приемник часто работают в согласованных режимах, когда Z а и Z ПР являются величинами комплекс­но-сопряженными. В этом случае антенна отдает в приемник максимальную мощность.

    Ослабление помех направленной антенной

    Помехи радиоприему могут быть внешними и внутренними. Внешние помехи создаются электромагнитным излучением радиостанций, различными техническими устройствами, атмосферными и космическими явлениями. Уменьшение индустриальных и есте­ственных помех осуществляется вынесением приемных радиостан­ций на значительные расстояния от городов и промышленных цен­тров и применением направленных антенн с высокими значения коэффициентов направленного и защитного действия. Внутренние помехи обусловлены шумами входных цепей приемника, тепловым движением электронов в антенне и фидере. Качество приема определяется отношением сигнал-помеха: Рс/Рш, где Рс — мощность полезного сигнала; Рш — суммарная мощность внешних помех и внутренних шумов, отнесенных ко входу приемника.

    В диапазонах декаметровых и более длинных волн основными являются внешние помехи. В этом случае пониженный КПД при­емной антенны в одинаковой степени снижает на входе приемни­ка полезный сигнал и помехи, сохраняя неизменным отношение сигнал-помеха. Это позволяет в указанных диапазонах использо­вать приемные антенны с невысоким КПД, но с хорошими направленными свойствами. Такие антенны требуют меньших матери­альных затрат и могут работать в более широком диапазоне час­тот. Уменьшение уровня сигнала на входе приемника в этом слу­чае может быть скомпенсировано дополнительным усилением в приемнике, затраты на создание которого гораздо ниже стоимос­ти сложной антенны с высоким КПД.

    В диапазонах ОВЧ, УВЧ, СВЧ за счет применения антенн с высокими коэффициентами направленного и защитного действия уровень внешних помех значительно меньше внутренних шумов. В этих условиях для улучшения отношения сигнал-помеха необ­ходимо повышать КПД и КУ антенн, а также стремиться к сни­жению уровня внутренних помех: шумов антенны, фидера и при­емника.

    Если уровень внешних помех значительно выше внутренних шумов и поле внешних помех равномерно приходит со всех на­правлений, а направление прихода полезного сигнала совпадает с правлением главного максимума ДН, то применение направленной антенны на приеме по сравнению с ненаправленной улучшает отношение Рс/Рш в D раз. В случае направленной внешней помехи, идущей с одного направления, приемную антенну, а следовательно, и ее ДН можно ориентировать так, чтобы направление на помеху совпало с направлением нулевого (минимума) приема, тогда отношение сигнал-помеха может быть улучшено более чем в D раз.

    

    Рисунок 4.3 — Приемная антенна Рисунок 4.4 — Подавление помех

    как эквивалентный генератор направленной антенной

    Направление максимального приема в этом случае может несколько отличаться от направления прихода полезного сигнала (рисунок 4.4).

    5 Лекция Вибраторные и щелевые антенны диапазона УКВ.

    Цель лекции: изучить требования, предъявляемые к антеннам дециметровых и метровых волн различного назначения (телевидения, вещания и связи), особенности конструкции, распределения тока и зарядов вдоль петлевого вибратора, необходимость и устройства симметрирования питания. Сравнить свойства одиночного и петлевого вибраторов.

    Требования, предъявляемые к антеннам

    Диапазоны дециметровых и метровых волн используют для пере­дачи телевидение, радиовещания, связи с подвижными объектами, навигации, радиолокации и радиоастрономии. Антенны для связи с наземными подвижными объектами должны:

    · обладать ненаправленными характеристиками излучения в горизонтальной плоскости и иметь максимум, направленный вдоль земной поверхности, в вертикальной плоскостях. В вертикальной плоскости антенна должна создавать равномерную напряженность поля, (рисунок 5.1,а). Этим требованиям удовлетворяют антенны с вертикальными вибраторами.

    · При установке на одной опоре нескольких антенн их необходимо располагать так, чтобы ослабить взаимное влияние.

    · Для уменьшения числа выпускаемых промышленностью типоразмеров антенн их выполняют широкополосными.

    · Для увеличения зоны действия передающие телевизионные антенны устанавливают на башнях или мачтах высотой 180 . 350 м.

    · Для уменьше­ния взаимных помех между передатчиками, работающими в од­ном частотном канале, применяют антенны с взаимно перпендику­лярными вибраторами.

    На практике применяют многоэтажные антенны с узкими ДН в вертикальной плоскости, сужая главный лепесток до 2... 4° с одновременным наклоном на­правления максимального излучения на 1. 20 от горизонтальной плоскости к поверхности Земли. Антенны с узкими ДН являются многолепестковыми с несколькими направлениями глубоких минимумов, за счет которых образуются зоны плохого приема (рисунок 5.1,б). Для исключения таких зон напряженность поля в минимумах не должна быть меньше 0,1 от напряженности поля главного максимума (рисунок 5.1,в). Для устранения вредного влияния фидерного эха на работу телевизионного и звукового стереофонического вещания КБВ в фидере должен быть достаточно большим — не менее 0,85. Высоко расположенные антенны подвержены большим ветровым и гололедным нагрузкам, а так же воздействию грозовых разрядов. Для повышения надежности и молниезащиты вибраторы антенн должны выполняться жесткими с непосредственным заземлением, снабжаться устройством прогрева для устранения гололеда или обтекателями, закрывающими вибраторы от внешних воздействий.

    

    Рисунок 5.1 — Диаграммы направленности в вертикальной плоскости передающих телевизионных антенн:

    а — косекансного вида, б —с глубокими минимумами, в — с размытыми минимумами

    Симметрирующие устройства

    А с и м м е т р и я токов вибратора. К несимметричной ан­тенне несимметричный фидер можно подключить непосредствен­но: центральный проводник к вибратору, а внешний к заземле­нию, противовесу или корпусу, если входное сопротивление ан­тенны равно волновому сопротивлению фидера. В противном слу­чае между антенной и фидером ставят согласующий трансформа­тор.

    

    Рисунок 5.2 — Симметрирующие устройства:

    а — непосредственное подключение линии к вибратору; б- приставка; в — петля; г, д – U -колено, е — стакан; ж — широкополосное

    Непосредственное подключение коаксиального фидера к сим­метричному вибратору рисунок 5.2,а, без симметрирующего устройства вызывает появление различий между амплитудами тока в плечах вибратора и приводит к возникновению тока на поверхности внешнего проводника фидера. Асимметрия токов в плечах вибратора вызвана тем, что между плечом, подключенным к центральному проводнику коаксиального фиде­ра, и внешним его проводником образуются токи смещения. Вто­рое плечо вибратора имеет потенциал внешнего проводника фиде­ра, разности потенциалов здесь нет и токов смещения не образуется. Асимметрия токов в вибраторе искажает его ДН. Более существенное влияние оказывают токи на внешнем проводнике коаксиального фидера. Результатом их действия является антенный эффект фидера. Эти токи при работе горизонтального вибратора на передачу создают паразитное поле излучения с вертикальной поляризацией. В случае горизонтальных приемных антенн за счет асимметрии происходит прием вертикального поля помех.

    Простейшие вибраторные антенны

    

    Рисунок 5.3 — Вертикальные вибраторы: а— штыревой; б — коаксиальный; в —с нижним плечом из проводов; г — оба плеча из проводов или трубок; д — диско-конусный

    Симметричный одиночный (линейный) и петлевой вибраторы

    Петлевой вибратор Пистолькорса (рисунок 5.4,а) можно рассматривать как два полуволновых синфазных вибратора, расположенных на малом расстоянии ( ) друг от друга и соединенных по концам. Относительно точек питания ае вибратор является симметричной системой.

    В наиболее удаленной от точек питания точке с систе­ма оказывается короткозамкнутой, и здесь устанавливается пучность тока. Расположение в точке с пучности тока и узла напряжения позволяет крепить вибратор в этой точке к металлической стреле или мачте непосредственно без изоляторов, обеспечив надежную грозозащиту.

    При равенстве диаметров трубок вибратора в них будут равны и токи. Поле излучения создается суммарным током 2 I . Мощность излучения петлевого вибратора . Подводимая мощность , R а = 300 Ом. Входное сопротивление петлевого вибратора можно менять, изменяя соотношение диаметров трубок вибратора. Петлевой и симметричный полуволновый вибраторы имеют примерно одинаковые ДН, КНД и КУ.

    Для получения большего входного сопротивления антенны применяют двухпетлевые вибраторы (рисунок 5.4,б), состоя­щие из трех полуволновых синфазных вибраторов. Входное сопротивление такого вибратора примерно равно 9 .

    

    Рисунок 5.4 — Петлевые вибраторы:

    а — однопетлевой; б — двухпетлевой

    6 Лекция Антенны осевого и поперечного излучения УКВ диапазона.

    Цель лекции: изучить особенности конструкции, параметры, ДН директорной, логопериодической и спиральной антенн. Рассмотреть особенности передающих телевизионных антенн

    Директорные антенны (Волновой канал) . В качестве направленных более рас­пространены антенны типа волновой канал. Эта антенна (рисунок 6.1,а) состоит из вибратора Б, рефлектора А и нескольких директоров В, Г и Д. Для упрощения конструкции рефлектор и директоры выполняются вторичными — к ним не подводят питания. Вторичные вибраторы возбуждаются полем первичного вибратора Б. Рассмотрим си­стему, состоящую из первичного вибратора 1 и вторичного 2 (рисунок 6.1,б). В вибраторе, как и в разомкнутой на конце линии с малыми потерями, устанавливается режим стоячей волны, при ко­тором напряжение отстает от тока I 1 на угол, приблизительно равный 90° (рисунок 6.1,б). Напряжение U 1 создаст около вибратора 1 поле Е 1 совпадающее с ним по фазе. Это поле, достигнув вибратора 2 (Е 12 ) отстанет по фазе на угол. kd =90° и наведет в вибраторе 2 ЭДС Э 2 . Возьмем вторичный ви­братор 2 несколько длиннее 0,5 ,. Реактивное сопротивление такого вибратора имеет индуктивный характер ( kl 2>90°), и ток I 2 , обусловленный ЭДС Э 2 , будет отставать от нее на угол, приблизительно равный 90°.

    

    Рисунок 6.1 — Волновой канал: а – пятиэлементный,

    б — вибратор с вторичным рефлектором в — вибратор с вторичным директором

    В свою очередь, ток I 2 создаст у вибратора 2 поле Е 2 , отстающее по фазе от тока на 90°. Поскольку поля Е 12 и Е 2 противофазны, результирующее поле позади вторичного вибратора 2 ослаблено. Поле Е 2 вибратора 2, достигнув вибратора 1 (Е 21 ), отстанет по фазе на угол kd =90° и будет совпадать с полем Е1. В направлении от вибратора 2 к вибратору 1 и далее поля складываются. Вторичный вибратор длиной , ведет себя как рефлектор.

    Если вторичный вибратор короче 0,5 (рисунок 6.1,в), то его активное сопротивление имеет емкостный характер и ток I 3 опережает ЭДС Э 3 на угол, приблизительно равный 90°. Максимум излучения направлен в сторону вторичного вибратора 3, а поле позади первичного вибратора ослаблено. Такой вторичный вибратор ( ) называется директором..

    Для облегчения согласования с фидером и из конструктивных соображений в качестве первичного вибратора часто применяют петлевой вибратор. Антенна «волновой канал» узкополосна, так как с изменением частоты существенно изменяются входные сопротивления, а следовательно, изменяются амплитуды и фазы токов во вторичных вибраторах. Шести-, семиэлементная антенна имеет полосу пропускания 10 . 15% от средней частоты. При увеличении числа элементов в антенне до десяти полоса сужается до 5%. Некоторым изменением размеров и взаимного расположения вибраторов можно расширить полосу пропускания, уменьшив КНД антенны.

    

    Рисунок 6.2.- Логопериодические антенны:

    а — активная область; б, в — плоские; г — пространственная рефлектором,

    в — вибратор с вторичным директором

    Передающие телевизионные антенны

    Для передачи телевизионного вещания применяют многовибраторные антенны. Вибраторы таких антенн должны быть широкополосными. Расширить полосу пропускания можно применением вибраторов с малым волновым сопротивлением и использованием схем с компенсацией реактивной составляющей входного сопротивления. На первых телевизионных станциях применялись вибраторы Б. В. Брауде, представля­ющие собой плоский вибратор, совмещенный с короткозамкнутым шунтом (рисунок 6.3,а). Реактивные составляю­щие входных сопротивлений вибратора и шунта имеют разные знаки и частично компенсируются. Наличие нулевого потенциала в точке короткого замыкания шунта позволяет крепить вибратор к опоре в этой точке без изоляторов. Это упрощает грозозащиту.

    

    Рис. 6.3 — Плоские вибраторы:

    б — в форме трапеции;

    в — Ж-образный

    Рис. 6.4 — Панельные антенны:

    а — волновый вибратор; б — панель с цилиндрическими одноволновыми вибраторами;

    в- панель с плоскими полуволновыми вибраторами

    В вибраторе Брауде проводники возбуждаются токами разных амплитуд, т.к. по мере продвижения по шунту напряжение от максимального значения в точках питания падает до нуля в точке короткого замыкания. То­ки в проводниках можно выровнять, выполнив плечи вибратора в форме трапеции. Для этого в точках, расположенных ближе к короткозамыкателю, длину горизонтальных проводников берут ре­зонансной, т. е. близкой к значению (рисунок 6.3,6), а проводники, расположенные ближе к точкам питания, укорачиваются. С укорочением вибратора появляется реактивная составляющая и его входное сопротивление возрастает. Большое распростране­ние получили Ж-образные вибраторы, совмещающие в себе два плоских трапецеидальных вибратора (рисунок 6.3,а). Питание подводится к середине вибратора, в том месте, где расположен корот­кий горизонтальный проводник. Входное сопротивление вибратора равно 150 Ом (по 75 Ом на плечо), полоса пропускания

    В передающих антеннах часто применяют симметричные одноволновые вибраторы ( ) цилиндрической формы, выполненные из труб диаметром примерно 0,02 . Крепление волновых вибраторов к апериодическому рефлектору осуществляется в точке нулевого потенциала, расположенной в центре плеч вибратора, посредством «металлических изоляторов» — стрежней или труб длиной, приблизительно равной 0,25 . Входное сопротивление одноволнового вибратора при небольшой расстройке изменяется аналогично сопротивлению параллельного контура, т. е. при имеет емкостный, а при — индуктивный характер. Для расширения полосы пропускания одноволнового вибратора между каждым его плечом и симметричной линией включают последовательно разомкнутые шлейфы, располагая их внутри виб­ратора (рисунок 6.4,а). Длины шлейфов берутся равными 0,25 ср.

    Симметричный одноволновый вибратор имеет относительно большое входное сопротивление (250 . 500 Ом). В кон­структивном отношении удобно из двух (или нескольких) вибра­торов с апериодическим рефлектором создавать блок — панель. На рис. 6.4,6 показана панель антенны, состоящая из двух одноволновых вибраторов 1 цилиндрической формы, расположенных над апериодическим рефлектором 2, имеющим решетчатую конструкцию. Вибраторы укорочены и соединены между собой симметричной линией 3, к центру которой подключается симметрирующее устройство 4. Панель имеет несимметричный коаксиальный вход с сопротивлением 75 Ом. Переход от коаксиальной линии к симметричной осуществляется посредством симмет­рирующей приставки длиной 0,25 . Подбором волнового сопротивления симметричной линии обеспечивается согласование.

    На рис. 6.4,в приведена панель из двух полуволновых вибра­торов 1, выполненных из стальных оцинкованных полос для работы в IV ТВ диапазоне. Начальные участки вибраторов для лучшего согласования выполнены в виде конуса, концы вибраторов закруглены. Симметричная двухпро­водная линия 3 выполняется из труб диаметром 20 . 35 мм и длиной, равной средней длине волны ди­апазона, замкнутая на концах. Расстояние между вибраторами берут равным 0,5 . Согласование осуществляется подбором рас­стояний от вибраторов до короткозамыкающих мостиков 5.

    Горизонтальный симметричный или Ж-образный вибраторы в горизонтальной плоскости имеют ДН в форме восьмерки. Для Формирования ненаправленной ДН применяют системы из двух вибраторов, расположенных перпендикулярно друг другу, или из нескольких панелей, образующих кольцевую решетку. В турникетной антенне два симметричных петлевых или Ж-образных вибратора располагаются перпендикулярно друг другу и плечи соседних вибраторов питают со сдвигом по фазе на 90° (переменно-фазное питание). Та­кие антенны выполняются с относительно небольшим КУ – 10 дБ. Для его повышения необходимо увеличивать число этажей в антенне.

    Спиральные антенны

    Спутниковые системы используют волны эллиптической, близкой к круговой поляризации. Волны такой поляризации позволяют получить спиральные антенны. Спиральная антенна (рисунок 6.5) состоит из металлического проводника, свернутого по об­разующей цилиндра или конуса в спираль, расположенную над плоским экраном так, что ось спирали перпендикулярна плоско­сти экрана. В диапазоне сантиметровых волн экран диаметром (0,6. 1 ) выполняется сплошным, а в диапазонах дециметровых и метровых волн из металлической сетки.

    

    Рис. 6.5 — Спиральные антенны: Рис. 6.6 – ДН спиральных антенн

    а — цилиндрическая однозаходная;

    б — коническая двухзаходная

    Коаксиальный фидер подводят к спирали обычно не по осевой линии, а по образующей и подключают непосредственно к первому витку.

    При диаметре спирали, меньшем 0,18 , антенна работает как штыревая с малым сопротивлением излучения. При диаметре спи­рали, большем 0,45 , ДН антенны раздваивается относительно оси. При диаметре спирали (0,25. 0,45) антенна создает макси­мальное излучение вдоль оси по направлению движения волны тока (рисунок 6.6,а). В основном применяются спиральные антен­ны осевого излучения.

    При прохождении бегущей волны тока по спирали созда­ется эллиптически (близкая к круговой) поляризованная волна. Фазовая скорость волны тока вдоль провода оказывается нес­колько меньше скорости волны в свободном пространстве, за счет чего каждый последующий виток имеет несколько запаздываю­щую фазу тока. Это позволяет рассматривать спираль как антен­ну бегущей волны.

    7 Лекция Апертурные антенны

    Цель лекции: изучить особенности конструкции, параметры, ДН рупорных и параболических антенн.

    Рупорные антенны и облучатели

    Одной из простейших антенн является открытый конец волно­вода. Малые (относительно длины волны) размеры сечения от­крытого конца волновода формируют широкую ДН. Фазовая ско­рость волны в волноводе значительно отличается от скорости волны в свободном пространстве. Это приводит к значительному от­ражению энергии от открытого конца и низкому КПД в волново­де. Для сужения ДН и улучшения согласования необходимо плавно увеличивать сечение волновода, т. е. перейти к рупору. Рупорная антенна представляет собой волновод с плавно ме­няющимся сечением. При расширении узкой стенки волновода ру­пор называют Е-секториалъным, при расширении широкой — Н-секториальным. Если у волновода плавно изменяются оба разме­ра (рисунок 7.1,а), рупор называют пирамидальным. Круглый вол­новод при плавном увеличении сечения (рисунок 7.1,6) образует ко­нический рупор. В рупоре возбуждаются волны того же типа, что и в волноводе. Однако плоский фронт волны в волноводе при переходе в рупор превращается в сферический (в пирамидальных и конических) или цилиндрический (в секториальных). Сферичес­кая волна в рупоре создает поле в его раскрыве, отличающееся от синфазного с квадратичными фазовыми искажениями. Если у оптимального ру­пора, оставив его длину неизменной, увеличить размеры раскрыва, то КНД антенны за счет больших фазовых искажений в рас­крыве уменьшится.

    Для получения больших значений КНД необходимо увеличи­вать размеры раскрыва, при этом длина рупора должна увеличи­ваться пропорционально квадрату увеличения линейных размеров раскрыва, а длина рупора оказывается чрезмерно большой. По­этому рупорные антенны с КНД более 25 . 30 дБ не применяют. При малых КНД рупор конструктивно прост и часто применяет­ся в качестве облучателей зеркальных антенн. Рупор обладает высоким защитным действием благодаря малым затеканиям токов на его теневые (внешние) поверхности и хорошо согласован с волноводом в широком диапазоне частот.

    

    Рисунок 7.1- Рупоры:

    а — пирамидальный; б — конический

    Рисунок 7.2 — К определению длины рупора

    Диапазонные свойства рупора по согласованию ограничиваются в основном волноводом. При работе в качестве облучателя рефлекторных антенн рупор часто должен работать волнами с двумя взаимно перпендикулярными поляризациями и обеспечивать одинаковую ширину ДН в плоскостях Е и Н для каждой поляризации. Этим требованиям удовлетворяет пирамидальный рупор с квадратным раскрывом, внутри которого расположены металлические пластины .

    Зеркальные антенны

    Зеркальные или рефлекторные антенны состоят из облучателя и рефлектора.

    Рефлектор — п араболоид вращения отражает падающие на его апертуру параллельные лучи в одну точку, называемую фокусом. Апертура — это часть плоскости, ограниченная кромкой параболоида вращения.

    Облучатель – антенна с широкой диаграммой направленности.

    Плоскость, образованная наружными краями рефлектора, является раскрывом антенны.

    Осесимметричная антенна имеет раскрыв в форме круга.

    Антенны с большим КНД имеют размеры раскрыва >> длины волны.

    Параболоид вращения, который используется в качестве отражателя антенны, образуется вращением плоской параболы вокруг ее оси.

    Каноническое уравнение параболоида вращения в прямоугольных координатах:

    

    

    Рисунок 7.3 – Основные параметры параболы

    Параллельные оси параболоида, лучи (радиоволны) от спутника, отраженные от апертуры к фокусу, проходят одинаковое (фокусное расстояние). Отраженные сигналы обоих лучей проходят к фокусу F одинаковое расстояние. Это означает, что расстояние A+B=C+D. Все лучи, которые излучает передающая антенна спутника, и на которую направлено зеркало параболоида, концентрируются синфазно в фокусе F.

    Если в фокус зеркала поместить облучатель, создающий сферическую волну, то плоскость раскрыва рефлектора будет являться плоскостью одинаковых фаз. В результате сферическая волна преобразуется в плоскую, а широкая ДН – в узкую.

    Выбор параметра параболы определяет глубину параболоида, т. е. расстояние между вершиной и фокусом.

    Зеркало называют короткофокусным, когда угол раскрыва при этом (глубокое зеркало).

    Длиннофокусным — и (мелкое зеркало).

    С увеличением радиуса раскрыва и уменьшением ДН сужается.

    · обладать односторонней в направлении рефлектора направленностью,

    · обеспечивать необходимое ампли­тудное распределение поля в раскрыве,

    · иметь устойчивый фазо­вый центр, совмещенный с фокусом зеркала,

    · создавать малое за­тенение раскрыва,

    · иметь требуемую рабочую полосу частот.

    В качестве облучателей могут использоваться любые слабонаправ­ленные антенны:

    1. Полуволновые вибраторы с контрефлектором в виде стержня или с дисковым просты, создают малое затенение, но узкополосны. Используются в диапазоне дм волн.

    2. Рупорные облучатели являются широкополосными, но они больше затеняют раскрыв антенны. Рупорные облучатели применяются на частотах от 600 МГц и выше.

    3. Спиральные облучатели позволя­ют получить волны с эллиптической поляризацией.

    Поле, созданное облучателем, должно быть по возможности равномерным в раскрыве рефлектора и быстро спадать за его пределами.

    · У короткофокусных антенн почти вся энергия облучателя попадает на рефлектор, но распределение поля неравномерно, что понижает КИП.

    · У длиннофокусных антенн поле в раскрыве более равномерно, но много энергии рассеивается.

    Параболические антенны делятся на два основных класса: симметричный параболический рефлектор и асимметричный (рисунок 7.4, 5). Первый тип антенн принято называть прямофокусными, второй — офсетными.

    Офсетные антенны целесообразно использовать, если для устойчивого приема программ выбранного спутника необходим размер антенны до 1,5 м, так как с увеличением общей площади антенны эффект затенения зеркала становится менее значительным.

    

    Рисунок 7.4 – Осесимметричная Рисунок 7.5 – офсетная параболическая параболическая антенна антенна

    

    Рисунок 7.6 – Диаграмма направленности антенны

    8 Лекция Сканирующие антенные решетки и решетки с обработкой сигналов

    Цель лекции: изучить н азначение и методы сканирования, построение фазированных антенных решеток, особенности активных фазированных и многолучевых антенных решеток.

    Под сканированием в антенной технике понимают процесс перемещения основного лепестка ДН в пространстве. Сканирование может осуществляться механическим, электромеханическим и электрическим способами.

    Первые два способа обладают значительной инерционностью. Наиболь­шим быстродействием отличается третий способ сканирования, при котором антенна остается неподвижной в пространстве, а перемеще­ние ДН осуществляется за счет изменения амплитудно-фазового рас­пределения в раскрыве антенны электрическим путем. Электрическое сканирование осуществляется обычно на основе использования многоэлементных антенных решеток (АР).

    Управлять положением максимума ДН электрическим путем можно

    · изменяя сдвиг фаз между тока­ми в соседних излучателях (фазовый способ),

    · изменяя длину волны (или частоту) колебаний (частотный способ),

    · изменяя амплитуды на входах многолучевой антенной системы.

    · позволяет осуществлять многостационарный до­ступ к ИСЗ,

    · возможности непрерыв­ной многофункциональной работы — поиска, захвата и сопровождения многих целей при одновременном обзоре пространства в широком сек­торе углов,

    · позволяют реализовывать большие предельные значения КНД,

    · электрическая стабилизация при работе с подвиж­ных платформ,

    · позволяет решать такие важные задачи, как сложение в одном луче мощностей многих передатчиков, более полное извлечение ин­формации из сигналов, принятых отдельными элементами, повыше­ние надежности работы антенн и др.

    Недостаток — сложность этих устройств, высокая стоимость и большие затраты на эксплуатацию.

    Фазированные антенные решетки

    Наиболее распространены ФАР на основе линейных и плоских решеток. У линейных ФАР сканирование может осуществляться только в одной плоскости, проходящей через ось решетки. Плоские ФАР позволяют сканировать в пространственном секторе углов отно­сительно нормали к плоскости решетки (реально — в секторе углов, не превышающем ±60°). Однонаправленность излучения достигается применением экранов или элементов с однонаправленным излучением.

    Принцип работы ФАР связан с изме­нением фазы колебаний, подводимых к отдельным излучающим эле­ментам (в передающем режиме) с помощью фазовращателей таким образом, чтобы обеспечить синфазное сложение полей отдельных из­лучателей в требуемом направлении, т. е. формирование главного мак­симума ДН.

    Добиться уменьшения числа требуемых фазовращателей можно и при использовании простых, ненаправленных излучателей, размещаемых с шагом, близким к 0,5 , если объединять их в группы, управляемые одним фазовращателем (рис. 8.1). Каждую подрешетку можно рассматривать как направленный элемент решетки. Число излу­чателей в одной группе выбирается из условия, чтобы ДН подрешетки имела ширину . Этот метод эф­фективен только при сканировании в узком секторе углов ( < 20°).

    

    Рисунок 8.1 – ФАР с облучателями, объединенные в группы

    Излучающие элементы ФАР

    В качестве излучающих элементов ФАР наиболее широко ис­пользуются вибраторы, излучатели в виде открытых концов волново­дов, рупоры, спиральные антенны. Находят применение также диэ­лектрические антенны. Выбор конкретного типа излучателя определя­ется целым рядом требований, основными из которых являются: за­данный частотный диапазон, требования к форме ДН одного элемента (определяемые шириной сектора сканирования), поляризационная ха­рактеристика, излучаемая мощность, рабочая полоса частот, возмож­ность размещения элементов в узлах прямоугольной или гексогональной сетки.

    При широкоугольном сканировании ДН отдельного элемента должна быть близка к ненаправленной.

    При сканировании в ограниченном секторе углов (менее ±20°) можно использовать направленные излучатели в виде директорных антенн, рупоров, цилиндрических спиралей, диэлектрических антенн. Так как ФАР может содержать большое число элементов (до де­сятков тысяч), то они должны быть дешевыми, надежными в работе, одинаковыми по своим параметрам, иметь малую массу.

    Взаимное влияние элементов ФАР

    Во избежание появления вторичных главных максимумов излучающие элементы решетки должны располагаться сравнительно близко относительно друг друга, вследствие чего возникает взаимное влияние, которое может существенно нарушить нормальную работу ФАР.

    Появление отражений приводит к тому, что если в режиме нормального излучения решетка была согласована с трактом, то в некотором направлении излучения она может быть полностью рассогласована.

    Схемы возбуждения ФАР

    Схема возбуждения ФАР предназначена для подведения энер­гии, вырабатываемой генератором, к излучателям (в передающем ре­жиме) и подведении энергии, принимаемой отдельными элементами, ко входу приемника (в приемном режиме) и реализации требуемого амплитудного распределения. Используют схемы возбуждения как фидерного (с помощью линий передачи энергии), так и оптического типа, при котором энергия от облучателя до отдельных элементов рас­пространяется в свободном пространстве. Схема питания включает фазовращатели .

    

    Рисунок 8.2 – Последовательный способ деления мощности ФАР

    Параллельная схема возбужде­ния фидерного типа реализуется обыч­но в виде, изображенном на рис. 8.3 (схема типа «елочки»).

    

    Рисунок 8.3 – Параллельный способ деления мощности ФАР

    В качестве делителей мощности могут быть использованы тройники, на­правленные ответвители, кольцевые делители на полосковых линиях и др. Для борьбы с отражениями применяют также циркуляторы или вентили, подключаемые ко входам излучателей.

    Способы фазирования

    Требуемые значения фазы возбуждения отдельных элементов определяются заданной ориентацией максимума ДН в пространстве и геометрией решетки.

    При непрерывном способе фазирования (аналоговый способ) изменение фазы в каждом фазовращателе осуществляется плавно, что обеспечивает точную реализацию необходимого значения .

    При дискретном способе фазирования изменение фазы осуществляется скачком на величину (дискрет фазы). Реализуется способ обычно с помощью операций включения или выключения (коммута­ции) в устройствах, управляющих работой фазовращателей, способ коммутационного или диск­ретно-коммутационного, получил в настоящее время более широ­кое практическое применение.

    Активные фазированные антенные решетки (АФАР)

    Активной антенной решеткой называют многоэлемент­ную антенну, в тракт каждого излучателя которой в зависимости от назначения антенны включен активный элемент: генератор, усилитель, преобразователь или умножитель частоты. Активные элементы распо­лагаются в непосредственной близости от излучателя или встраива­ются непосредственно в излучатель.

    Преимуществом АФАР является упрощение схемы разводки высокочастотного сигнала, что уменьшает потери и фазовые ошибки, вносимые высоко­частотным трактом. Приемные АФАР имеют меньший уровень шума, чем обычные ФАР. Преимуществом передающих АФАР является от­сутствие общего тракта, по которому передается суммарная мощность; сложение мощностей многих передатчиков осуществляется в одном пространственном луче.

    Многолучевые антенные решетки

    Управление положением луча в пространстве может осуществляться с помощью многолучевых антенных решеток, представляющих антенны с несколькими независимыми входами, каждому из которых соответствует своя парциальная ДН (луч). При возбуждении любого входа в раскрыве решетки формируется равноамплитудное распределение с линейным изменением фазы, причем ве­личина фазового сдвига между соседними излучателями (и соответственно направление максимума ДН) зависит от номера входа. Формирование требуе­мого распределения обеспечивается специальным многополюсником, назы­ваемым диагроммообразующей схемой (ДОС) или, по аналогии с матрицами в алгебре, диаграммообразующей матрицей.

    Обычно ДОС выполняется из реактивных элементов (мостов, направ­ленных ответвителей, фиксированных фазоврашателей), но иногда содержит и поглощающие нагрузки. Управление ДОС осу­ществляется переключением входов электронным коммутатором (амплитуд­ный способ сканирования). В многолучевых антеннах возможно также одновременное возбужде­ние нескольких входов, что соответствует одновременному существованию нескольких лучей в пространстве и существенно расширяет возможности применения подобных антенн, в частности позволяет многократно использо­вать антенны, т.е. применять их для одновременной работы нескольких пере­датчиков (или приемников).

    На практике применяются обычно диаграммообразующие схемы па­раллельного и последовательного типов.

    Антенны с искусственным раскрывом (с синтезированным раскрывом) наиболее перспектив­ны для движущихся объектов (самолетов, спутников.), на которых не­возможно размещение антенн больших размеров. Специальная обработка сигналов заключается в излучении бортовой антенной последовательности импульсов в определенных точках траектории полета, приеме отраженных сигналов, их фиксации в запоминающем устройстве и последующем сложе­нии.

    Адаптивные антенные решетки (ААР)

    Используются в приемном режи­ме и осуществляют автоматическое подавление помех, создаваемых сигнала­ми, в частности шумовыми помехами, приходящими с неизвестных заранее направлений. Подавление помех обеспечивается за счет формирования нулей ДН в направлении их прихода.

    9 Лекция Механизмы РРВ. РРВ в свободном пространстве

    Цель лекции: изучить о сновные механизмы РРВ, энергетические соотношения в условиях свободного пространства.

    Электромагнитные поля и волны

    В электромагнитном поле электрическая и магнитная составляющие не­разрывно связаны друг с другом. Вблизи движущихся зарядов (вблизи проводника с током) обнаруживается магнитное поле, а, в свою очередь, всякое изменение магнитного поля вы­зывает появление электрического поля. Магнитное поле появляется при любом изменении электрического поля. Согласно теории Максвелла изменение электрического поля следует рассматривать как особую форму тока — ток смещения. Ток смещения протекает в пространстве, где из­меняется электрическое поле.

    Любой колеблющийся электрический заряд является источником переменного электромагнитного поля, излучающего в окружающее пространство.

    Два проводящих шара, находящиеся на расстоянии L , друг от друга (рисунок 9.1). Такая система называется электрическим диполем. Амплитуда тока вдоль провода L остается постоянной. Такой электрический диполь называют диполем Герца.

    

    Рисунок 9.1 — Возникнове­ние ЭМВ, излучае­мой диполем Герца

    Если выключить генератор, то в окружающей среде продолжает распростра­няться возникшая электромагнитная волна. Если генератор генерирует напряжение, изменяющееся по гармоническому закону, то электромагнитное поле изменяется во времени по гармоническому закону с той же частотой. Определенное состояние колебания назы­вают фазой. Скорость распространения фазы электромагнитной волны называют фазовой скоростью. Фазовая скорость электро­магнитной волны в диэлектрике

    

    В свободном пространстве , и .

    Расстояние, которое проходит определенная фаза волны за время одного периода колебаний Т, называется длиной волны:

    

    Поверхность, на которой фаза волны одинакова, называется фронтом волны. На больших расстояниях r от диполя при вы­полнении условия r >> фаза волны одинакова на поверхности сферы. Такая волна называется сферической.

    Электромагнитная волна, излучаемая источником, уносит в ок­ружающее пространство энергию. Мощность, переносимая волной, характеризуется вектором Пойнтинга. Направление вектора Пойнтинга показывает направление перемещения энергии. Модуль этого вектора равен мощности, переносимой волной через еди­ничную площадку, перпендикулярную вектору.

    

    Для ненаправленного излучателя —

    

    Элементарный электрический вибратор — излучатель радиоволн

    Любую проволочную антенну можно представить состоящей из элементарных отрезков провода, в пре­делах каждого из которых амплитуда тока может считаться не­изменной. Такой отрезок называют элементарным электрическим вибратором. Диполь Герца также можно рассматривать как эле­ментарный электрический вибратор. Поле, излучаемое элементарным электрическим вибратором (рисунок 9.2).

    

    Рисунок – 9.2 К определению составляющих элект­ромагнитного поля элементарного вибратора

    Виб­ратор возбуждается генератором гармонических колебаний и в нем протекает ток

    

    Математический анализ показывает, что в точке пространства, для которой выполняются условия r >> L и r >> , поле диполя опре­деляется формулами:

    

    k называется волновым чис­лом и показывает, насколько изменяется фаза волны при прохо­ждении ею пути в единицу. Величина W называется вол­новым сопротивлением среды. В свободном пространстве , и . Индексы и показывают положение век­торов Е и Н в пространстве (рис. 9.2). Векторы Е и Н радиоволны взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения радиоволны.

    Излучаемое поле тем больше, чем больше отношение длины вибратора к длине волны. Наибольшее излучение происходит в направ­лении, перпендикулярном оси диполя ( = 90°). Это направление называется главным. В направлении своей оси ( = 0) диполь не излучает.

    Плоские электромагнитные волны

    Все реальные излучатели создают только сферические волны. Но на больших расстояниях от излучателя кривизна фронта мала и можно рассматривать небольшие его участки как плос­кие. Волна, обладающая плоским фрон­том, называется плоской.

    

    Рисунок 9.3 — Распределение в пространстве полей Е и Н плоской электромагнитной волны в определенный момент времени

    Напряженность поля гармонической плоской волны, распро­страняющейся вдоль оси y в идеальном диэлектрике, записываются в виде

    

    где Ет амплитуда напряженности электрического поля.

    Векторы Е и Н в пространстве перпендикулярны друг другу.

    Фронт, волны совпадает с плоскостью хо z .

    Поляризация определяется положением в пространстве век­тора напряженности электричес­кого поля Е. Если конец вектора Е в данной точке пространства в течение периода колебаний описывает прямую линию, то поляризация называется линейной.

    При эллиптической поляризации конец вектора Е в течение периода описывает в пространстве эллипс. Частным случаем эллипти­ческой поляризации является круговая поляризация. Линейно поляризованные волны различают по положению вектора Е отно­сительно поверхности Земли. Если вектор Е лежит в плоскости, перпендикулярной земной поверхности, волна имеет вертикальную поляризацию. У горизонтально поляризованной волны век­тор Е лежит в плоскости, параллельной поверхности Земли.

    Дифракция — огибание волной препятствия, размеры которого соизмеримы с длиной волны. Радиоволна, распрост­раняющаяся вдоль поверхности Земли, называется земной (рис. 9.5). Чем больше длина волны, тем легче она огибает пре­пятствие, тем на большее расстояние распространяется земная волна.

    Радиоволна, распространяющаяся за счет отражения в ионосфере, называется ионосферной

    

    Рисунок 9.4 — Распространение Рисунок 9.5 — Пути распространения

    радиоволн в пределах прямой видимости земной и ионосферной волн

    Распространение радиоволн в поглощающих средах

    Все среды, кроме свободного пространства, в действительно­сти не являются идеальными диэлектриками. При распространении радиоволн, например в морской воде, в почве часть энергии волны переходит в тепло, поглощается средой. Потери энергии могут происходить либо за счет проводимости среды, либо за счет диэлектрических потерь.

    Поглощающую среду характеризуют отношением амплитуд плотностей токов проводимости и смещения . При среда приближается по своим свойствам к идеальному проводнику, а при — к идеальному диэлект­рику.

    10 Лекция Распространение радиоволн в земной атмосфере

    Цель лекции: изучить строение атмосферы и ф изические процессы при распространении земной волны.

    Строение атмосферы земли

    В земных условиях радиоволны распространяются в атмосфере. Атмосферу разделяют по высоте на три области: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Нижняя область—тропосфера простирается до высоты 7…10 км в полярных районах и до 16. 18 км над экватором. Тропосфера переходит в стратосферу, верхняя граница которой находится на высоте около 50 . 60 км. Стратосфера отличается от тропосферы почти полным отсутствием водяного пара, осадки образуются только в тропосфере. Тропосфера и стратосфера влияют только на распространение УКВ.

    На высоте более 60 км воздух находится в ионизированном состоянии -ионосфера. Ионосфера влияет на распространение всех диапазонов, т.к. радиоволны вызывают в ней движение свободных зарядов. Степень ионизации ионосферы характеризуют электронной концентрацией N , т. е. количеством свободных электронов в единице объема. Электронная концентрация зависит от высоты ионосферного слоя и теоретически на некоторой высоте должна иметь максимум.

    Область пространства, существенно влияющая на распространение радиоволн

    Рассмотрим распространение сферической радиоволны из точки С в точку М (рисунок 10.1). Согласно принципу Гюйгенса каждую точку фронта волны следует рассматривать как источник новой сферической волны. Поле в точке М следует определять как сумму полей, созданных источниками, расположенными на всем фронте. Можно показать, что на поле в точке М оказывает существенное влияние не весь фронт, а только его часть. Рассмотрим, как суммируются в точке М поля, излученные экви­валентными источниками, находящимися на отдельных участках фронта. Источники, расположенные на поверхности фронта, излучают волны в одной и той же фазе. Однако отдельные участки фронта находятся от точки М на разных расстояниях r и волны от этих источников на этом пути r приобретают различные сдви­ги фаз r . Для суммирования полей фронт радиоволны раз­вивают на зоны (см. рис 10.1) таким образом, чтобы расстояния от соседних зон до точки приема М отличались /2:

    

    (10.1)

    При этом сдвиг фаз между полями, созданными соседними зонами в точке М, составляет 180°. Эти зоны называют зонами Френеля. В точке М суммарное поле

    

    (10.2)

    где n — номер зоны.

    

    Рисунок 10.1 — Зоны Френеля на поверхности фронта волны при определении поля в точке М

    Уменьшение поля с увеличением п вызывается и тем, что зоны с большим но­мером находятся на большем расстоянии от точки приема. Рас­чет показывает, что в (ф-ле10.2) можно пренебречь слагаемыми при п>8, ошибка в определении Е при этом не превышает 16%. Существенное влияние на значение поля оказывают только первые восемь зон Френеля. Область пространства, охватываемую первыми восемью зонами Френеля, называют областью, существенной для распро­странения радиоволн.

    Еп с увеличением п монотонно убывает, приближенно можно записать

    

    суммарное поле в точке приема приближенно равно полю, создаваемому первой зоной Френеля. Если, например, радиоволна распространяется через отверстие в препятствии, имеющее размер первой зоны Френеля, то поле в точке приема такое же, как и при распространении радиоволны в пространстве, свободном от препятствий.

    Определим границу области, су­щественной для распространения, между зеркальным источни­ком и точкой приема. Сечение этой области отражающей поверх­ностью представляет собой область, существенную для отра­жения.

    

    Рисунок 10.2 – Область пространства Рисунок 10.3 — Область пространства существенная для распространения существенная для отражения радиоволн радиоволн

    Если препятствие перекрывает прямой луч между передающей и приемной антеннами, то поле в точке приема создается остав­шимися свободными от препятствий зонами Френеля. За счет этого волна огибает препятствие (дифракция). Чем больше дли­на волны, тем больше радиус зон Френеля, тем меньшее их ко­личество перекрывается препятствием. Поэтому поле дифракции возрастает с увеличением длины волны.

    Распространение радиоволн в случае антенн, расположенных непосредственно у поверхности земли

    Математический анализ дифракции показывает, что при рас­пространении радиоволн на трассах длиной ( r — выра­жено в километрах, — в метрах) можно пренебречь сферич­ностью Земли.

    Распространение волны, излученной вертикальным вибратором, расположенным у плоской полупроводящей поверхности. В отличие от идеально проводящей реальная поверхность поглощает часть энергии распространяющейся над ней радиоволны. Чем меньше проводимость земной поверхности, тем больше энергия «отсасывается» вглубь Земли. Волну, рас­пространяющуюся над поверхностью Земли, можно рассматривать как падающую на границу раздела атмосферы и Земли под углом падения = 90°.

    Эта волна вызывает появ­ление преломленной волны, уходящей вглубь Земли. Из закона преломления следует, что при больших значения п 2 вол­на, уходящая в глубь Земли, распространяется практически по нормали к границе раздела. На рис. 10.4 изображены две состав­ляющие вектора Пойнтинга земной волны.

    Составляющая П ха­рактеризует энергию, распространяющуюся вдоль границы раз­дела, составляющая П n — энергию преломленной волны, поглощае­мую Землей. Суммарный век­тор Пойнтинга земной волны на­клонен к границе раздела, так же как вектор Е1. Таким обра­зом, под влиянием полупроводящей земной поверхности у волны, излученной вертикальным вибратором, помимо вертикальной составляющей Е n 1 появляется продольная составляющая Е . Эта составляющая позволяет принимать волну, излученную вертикальным вибратором, с помощью горизонтального вибратора, расположенного у поверхности плохо проводящей Земли.

    Волна, уходящая вглубь Земли, имеет только горизонтальную составляющую вектора Е. Отсюда следует, что под Землей и под водой радиоволны, излученные над поверхностью Земли, следует принимать на горизонтальный вибратор. Это учитывают связи с подводными лодками.

    

    Рисунок 10.4 — Составляющие векторов Е и Н волны вблизи плоской полупроводящей по­верхности

    Напряженность поля земной волны рассчитывают по графи­кам МККР (Международного консультативного комитета по радиосвязи) [4].

    Распространение радиоволн в случае антенн, поднятых над поверхностью земли

    На УКВ для увеличения расстояния прямой видимости антенны располагают на возможно большей высоте над поверхностью Земли. Кроме прямой волны, распространяющейся в свободном пространстве по пути АВ (рисунок 10.5), в точку приема приходит волна, отраженная от поверхности Земли.

    Поле вблизи приемной антенны образуется за счет сложения (интерференции) этих двух волн. При горизонтальной поляризации эти векторы Е 1 и Е 2 параллельны. На рис. 10.5 показаны векторы Е 1 и Е 2 при вертикальной поляризации и суммарный вектор Е. При расстоя­нии между передающей и приемной антеннами, много большем высоты их подвеса h 1 и h 2 , векторы Е 1 и Е 2 в пространстве оказы­ваются практически параллельными и суммарное поле в точке приема . При этом необходимо учесть сдвиг фаз между вкладываемыми напряженностями и .

    Амплитуда напряжен­ности поля прямой волны в точке В определяется по формуле

    

    (10.4)

    Отраженная волна, приходящая в точку В, создается за счет отражения волны, излученной передающей антенной в направле­нии АО. Путь отраженной волны до точки В отличается от пути прямой волны на .

    

    Рисунок 10.5 — Распространение радиоволны в пределах прямой видимости в случае антенн, высоко поднятых над плоской поверхностью

    При выполнении условий >> h 1 и >> h 2 амплитуда поля отраженной волны отличается от амплитуды прямой волны только множителем, равным модулю коэффициента отражения R :

    

    (10.5)

    Сдвиг фаз между напряженностями этих полей

    

    

    Рисунок 10.6 — Векторная диаграмма для суммирования полей прямой и отраженной волн

    В соответствии с теоремой косинусов

    

    где ; Е т1 и Е т2 определяются формулами (10.4) и (10.5). Заменив в знаменателе (10.4) на , получим

    

    При малых углах скольжения модуль коэффициента скольжения R для многих сред приближается к 1, а величина Ф близка к 180°. При этом зависит только от .

    Выполнив преобразования, получим

    

    (10.6)

    В (10.6) используется абсолютное значение синуса, так как амплитуда поля должна быть положительна. Изменение амплиту­ды суммарного поля по закону синуса при изменении высоты под­веса антенн и расстояния между ними объясняется тем, что при этом изменяются разность хода и сдвиг фаз между склады­ваемыми полями.

    11 Лекция Распространение УКВ

    Цель лекции: изучить особенности распространения радиоволн УКВ диапазона .

    Распространение

    сантиметровых, дециметровых и метровых радиоволн

    Радиоволны длиной короче 10 м — ультракороткие (УКВ). Только на УКВ возможно телевидение и высококачественное радиовещание с использованием частотной модуляции (ЧМ).

    Земная волна на УКВ обеспечивает связь только в пределах прямой видимости. Для увеличения расстояния прямой видимости антенны телецентр­ов и станций ЧМ вещания уста­навливают на высоких башнях. Для передачи радиосигналов на большие расстояния в диапазоне УКВ используют наземные радио­релейные линии и ретрансляторы, расположенные на искусственных спутниках Земли.

    

    Рисунок 11.1 — К определению рас­стояния прямой видимости

    Предельное расстояние прямой видимости получа­ется тогда, когда луч, соединяющий антенны, касается земной поверхности

    

    Подставляя численное значение R З и выражая г 0 в кило­метрах, а высоты h 1 и h 2 в метрах, получаем

    

    С учетом рефракции

    

    Методы расчета напряженности поля при связи в пределах прямой видимости:

    

    2. При больших расстояниях г, когда выполняется условие

    т.е. при

    

    — Формула Б. А. Введен­ского

    Р в киловаттах, r — в километрах, h 1 , h 2 и — в метрах,

    Ед мВ/м, — действующее (эффективное) значение напряжен­ности поля.

    3. При r >> r 0 (зона тени)

    

    Для расчета разности хода при учете сферичности Земли вводят понятие о приведенных высотах антенн.

    При распространении УКВ над сильно пересеченной мест­ностью (рисунок 11.3) практически невозможно рассчитать напряжен­ность поля в точке приема как сумму прямой и отраженных волн. Неровности рельефа, имеющие острые вершины, мо­гут не создавать отражений, если вершина не покрывает область, достаточную для отражения. При расчете поля в слу­чае распространения над пересеченной местностью вводят поня­тие просвета Н.

    

    Рисунок 11.2 — К определению Рисунок 11.3 — К определению

    приведенных высот подвеса антенн величины просвета на трассе

    Просвет определяется расстоянием между самой высокой точкой профиля трассы (рисунок 11.3) и линией, соединяю­щей центры передающей и приемной антенн. От просвета зависит число зон Френеля на фронте волны, участвующих в создании по­ля у приемной антенны, а при наличии отражений от Н зависит сдвиг фаз между прямой и отраженной волнами. Эта­лонным называют просвет Н 0 , при котором разность длин АВ и АОВ (рисунок 11.3) составляет . В этом случае при на­личии отраженной волны, распространяющейся по пути АОВ, ее сдвиг фаз относительно прямой волны составляет 60° и при R = 1 и Ф=180° в формуле множитель F =1. Эта­лонный просвет определяют по формуле:

    

    Величины r , r 1 и r 2 указаны на рис. 11.3. Если просвет на трассе меньше нуля, трассу называют закрытой. На закрытой трассе поле в точке приема создается за счет дифракции. Если выпол­няется условие 0полуоткрытой или полузакрытой, при Н>Н0 трасса открытая.

    

    Рисунок 11.4 — Зависимость Рисунок 11.5 — К пояснению эффекта множи­теля ослабления усиления за счет препятствия от величины просвета

    На длинных закрытых трассах иногда наблюдается усиление поля в точке приема за счет препятствия на трассе (рисунок 11.5). Усиление поля препятствием используют при организации УКВ радиолиний в гористой местности.

    В городах распространение УКВ сопровождается многочисленными отражениями от зданий, линий электропередач и других ее сооружений. Напряженность поля в городе при закрытых трассах и внутри зданий приходится определять экспериментально.

    Степень рефракции непостоянна и зависит от метеорологических условий, напряженность поля на УКВ в точке приема изменяется с течением времени. Эти изменения называются замираниями.

    

    Рисунок 11.6 — Траектории лучей в тропосфере:

    а — при положительной; б — при отрицательной рефракциях

    

    Рисунок 11.7 — Увеличение просвета Рисунок 11.8 К определению при положительной рефракции эквивалентного радиуса Земли

    Сверхдальнее распространение УКВ

    1. Если при положительной рефракции радиус кривизны траектории , то возникает критическая рефракция (рисунок 11.9, а). При наступает сверхрефракция (рисунок 11.9,б).

    

    Рисунок 11.9 — Траектории лучей в тропосфере:

    а) – при критической рефракции, б) – при сверхрефракции

    2. Тропосферное рассеяние.

    

    Рисунок 11.10 — Связь Рисунок 11.11 — Типичная зависимость за счет тропосферного рассеяния уро­вня напряженности поля от време­ни

    Интерференционные замирания.

    3. За счет влияния ионосферы.

    4. З а счет отражения от ионизированных метеорных следов.

    Распространение радиоволн на космических линиях связи

    Дальние УКВ радиолинии в качестве ретрансляторов используют искусственные спутники Земли (ИСЗ), расположенные на высоте 30. 40 тыс. км, обеспечивают ретрансляцию сигналов в пределах 1/3 земного шара.

    

    Рисунок 11.12 — Эллиптическая Рисунок 11.13 — К определению угла

    ор­бита ИСЗ воз­вышения траектории

    радиоволны при спутниковой связи

    12 Лекция Основной механизм распространения и область применения КВ. Распространение средних и длинных волн

    Цель лекции: изучить особенности распространения радиоволн КВ, СВ и ДВ диапазонов .

    Особенности распространения и области применения декаметровых (коротких) волн

    Поверхностная волна в декаметровом диапазоне при мощности передатчика несколько десятков киловатт может быть принята на расстоянии не более нескольких десятков километров. Короткие волны распространяются в основном в виде пространственных ионосферных волн. При отражении от слоя F 2 радиоволна может перекрыть одним скачком расстояние 3500 . 4000 км (расстояние скачка измеряется вдоль поверхности Земли). При отражении от слоев Е или Е s максимальное расстояние скачка равно 2000 км. Проводимость ионосферы на коротких волнах сравнительно мала, и поглощение радиоволн в ионосфере при правильном выборе рабочей частоты оказывается небольшим. Благодаря этому короткие волны путем многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли могут обеспечить связь между любыми точками на земном шаре без применения ретрансляторов (рисунок 12.1). Вместе с тем на декаметровых волнах невозможно организовать такие же широкополосные радиоканалы, как на УКВ. Декаметровые волны применяют для радиовещания на большие расстояния, для построения магистральных телефонных и телеграфных линий большой протяженности, в тех случаях, когда нецелесообразна организация УКВ радиолиний, а также для связи с морскими судами и самолетами.

    1. Зона молчания. Д ля отражения радиоволн от ионосферы необходимо выполнение условия

    

    Минимальный угол падения , при котором еще возможно отражение радиоволны от ионосферы, называется критическим. Если частота близка к критической, зона молчания исчезает, так как если , радиоволна отражается от ионосферы при .

    

    Рисунок 12.1 — Распространение Рисунок 12.2 — К образованию зоны декаметровых волн на большие молчания

    расстояния при многократного

    отражения от поверхности Земли и ионосферы

    2. Интерференционные замирания. В точку приема при­ходят луч, испытавший «зеркальное» отражение в ионосфере, и множество лучей, рассеянных ионосферными неоднородностями (рисунок 12.3,а).

    В точку приема могут прийти также обыкновенный и необыкновенный лучи (рисунок 12.3,б). При угле в точку приема могут прийти лучи, совершившие различное число скач­ков на данной трассе (рисунок 12.3,в). Многолучевость приводит к интерференционным замираниям, средний период которых составляет около 1 с.

    

    Рисунок 12.3 — Причины интерференционных замираний на декаметровых волнах:

    а — интерференция рассеянных лучей; б — интерференция обыкновенной и необыкновенной волн, с — интерференция лучей, совершивших различное число скачков

    3. Поляризационные замирания. Вызываемые изменением типа поляризации радиоволны при ее распространении в ионосфере. Средний период замираний на декаметровых волнах составляет секунды.

    Борьба с замираниями:

    а) приемные устройства снабжают автоматическими регуляторами усиления (АРУ),

    б) применяют разнесенный прием. При этом приемные антенны должны быть разнесены в пространстве на расстояние, примерно равное десяти длинам волн.

    в) используют поляризационное разнесение, при котором прием ведется одновременно на антенны, принимающие радиоволны с вертикальной и горизонтальной поляризациями.

    4. Радиоэхо . Эхо возникает, если запаздывание распространения сигнала по более длинному пути по сравнению с более коротким превышает длительность сигнала. Интерференции сигналов при этом не происходит и замирания отсутствуют, но повторяющиеся за счет эха сигналы нарушают работу радиолинии, вызывая ложное срабатывание оконечных устройств, например, телеграфных аппаратов. Для устранения эха следует работать при углах падения на ионосферу, близких к критическому. Может возникать кругосветное эхо, при котором радиоволны приходят в точку приема не только по кратчайшему пути, но и обойдя весь земной шар. Запаздывание кругосветного эха составляет примерно 0,137 с.

    Выбор рабочих частот на коротких волнах

    Максимально применимая частота (МПЧ).

    Оптимальная рабочая частота (ОРЧ).

    

    Рисунок 12.4 — График зависимости ОРЧ от времени суток для зимы при отражении от слоя F .

    При радиовещании на декаметровых волнах обычно используют различные рабочие частоты в дневные и ночные часы.

    

    Рисунок 12.5 — К расчету угла возвышения на трассе коротковолновой связи

    Распространение гектометровых, километровых и мириаметровых волн

    Гектометровые волны сражаются от слоя Е. При этом днем они очень сильно поглощаются слоем D и даже при больших мощностях передатчиков (сотни киловатт) дневной уровень поля на этих волнах оказывается ниже уровня помех. Прием ионосферной волны на гектометровых (средних) волнах возможен только ночью. Земная волна в этом диапазоне распространяется на большие расстояния, чем на коротких волнах, что позволяет обеспечить радиовещание на расстояниях около 300 . 400 км при мощности передатчика 100 кВт и при использовании передающих антенн высотой 100 . 200 м.

    Ночью помимо земной волны появляется ионосферная волна. Вследствие интерференции этих волн возникают замирания. Период замираний составляет несколько минут. Замирания могут иметь селективный характер. Для борьбы с замираниями применяют специальные антифединговые передающие антенны (замирания иногда называют федингом). Антифединговая антенна в отличие от элементарного вибратора имеет ДН в вертикальной плоскости, сильно прижатую к Земле (рисунок 12.6). Поэтому ионосферная волна принимает значительный уровень только на больших расстояниях от передатчика за пределами зоны, обслуживаемой земной волной, замирания в этой зоне устраняются. Ночью, когда исчезает слой D волны могут быть приняты на больших расстояниях от передатчика за счет ионосферного распространения. При этом многолучевость приводит к замираниям сигнала.

    

    Рисунок 12.6 — ДН анифединговой антенны

    Особенностью распространения ионосферных волн в гектометровом диапазоне являются нелинейные эффекты, возникающие в ионосфере. Практически необходимо учитывать нелинейный эффект, заключающийся в перекрестной модуляции радиоволн. Перекрестная амплитудная модуляция возникает в том случае, когда две амплитудно-модулированные волны различных станций отражаются от одной области ионосферы. При этом более мощное поле изменяет поглощение в ионосфере в такт с амплитудной модуляцией: при большей амплитуде поглощение возрастает, при меньшей — падает. Это изменяет поглощение другой волны в ионосфере, что приводит к ее дополнительной модуляции, от которой в приемном устройстве избавиться невозможно. Возможность возникновения перекрестной модуляции необходимо учитывать при размещении радиостанций гектометровых волн и при выборе их мощности.

    Гектометровые волны применяют для связи на небольшие рас­стояния с помощью земной волны и для организации областного и республиканского радиовещания.

    Километровые (длинные) и мириаметровые (сверхдлинные) волны отра­жаются от самой нижней границы ионосферы — днем от слоя D и ночью от слоя Е, не проникая в ее глубину. Потери энергии этих радиоволн в ионо­сфере незначительны. Земная волна в диапазоне длинных и сверхдлинных волн также распространяется со сравнительно небольшим поглощением. Благодаря этому километровые и мириаметровые волны распространяются в сферическом волноводе, образованном поверхностью Земли и нижней границей ионосферы. Для этого волновода критической является длина волны около 100 км. Более длинные волны в пространстве между Землей и ионосферой распространяться не могут. Поскольку длинные и сверхдлинные волны отражаются от нижней границы ионосферы, их распространение мало подвержено ионосферным возмущениям. Это позволяет использовать волны этих диапазонов для аварийной связи в полярных районах. Вследствие узости частотного диапазона на длин­ных и сверхдлинных волнах удается передавать небольшие потоки информации (низкоскоростной телеграф). Километровые и мириаметровые волны сравни­тельно глубоко проникают в морскую воду. Поэтому их исполь­зуют с подводными лодками, находящимися в погруженном состоя­нии. Километровые и мириаметровые волны применяют для передачи сигналов точных частот времени и радионавигации. Для радиовещания применяют волны длиной до 2 км, особенности распространения которых мало отличаются от особенностей распространения гектометровых волн.

    Напряженность поля земной волны на гектометровых волнах рассчитыва­ется по графикам МККР, приведенным в [1].

    1. Кочержевский Г.Н., Ерохин Г.А., Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства. — М.: Радио и связь, 2004. — 352 с.

    2. Чернышов В.П., Шейман Д.И. Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства. — М.: Радио и связь, 1989.

    3. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. — М: Выс. Шк., 1988. — 432с.

    4. Чернышов В.П. Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства. Задачи и упражнения. — М.: Радио и связь, 1982.

    5. Козырев Н.Д. Антенны космической связи. — М.: Радио и связь. 1990. — 160 с.

    6. Коротковолновые антенны. Г.3.Айзенберг, С.П.Белоусов и др.; Под общей ред. Е.З.Айзенберга. — М.: Радио и связь, 1985. — 535 с.

    7. Ямпольский В.Г., Фролов О.П. Оптимизация антенных систем линий связи. — М.: Ра­дио и связь, 1991. 272 с.

    8. Грудпнская Г.Г. Распространение радиоволн.-М.: Высшая школа,

    9. Айзенберг Г.З. Коротковолновые антенны.-М.: Связьизд, 1982.-156с.

    10. Справочник по спутниковой связи и вещанию/Под ред. ЛЯ Кантора. – М.:Радио и связь, 2007. – 288 с.

    Экзамен по антеннам и устройствам СВЧ (Скачков)

    1.Дальняя зона антенны. Особенности поля антенны в дальней зоне.

    Рассмотрим некоторую поверхность S с локализованными на ней электрическими э ( )и магнитными токами м ( ) . Выделим малый участок поверхности ∆ с размерами значительно меньшими длины волны.

    При значительном удалении от источников /2 электромагнитное поле представляет собой совокупность неоднородных сферических волн с амплитудами, пропорциональными / , где r – это расстояние от i-участка антенны. Рассмотрим ситуацию, когда удаление настолько велико, что характер результата интерференции электромагнитных полей практически не зависит от расстояния. Электромагнитное поле в этой области называется полем дальней зоны. Поле излучение представляет собой неоднородную сферическую волну ( 0 , ) = ( 0 ) ∙ / . Условная граница ДЗ будет определяться выражением дз = 2 2 / , где L – это max размер аппретуры, – это длина волны.

    Особенности поля любой антенны в ДЗ: 1) Вектора поля и связаны между собой, как и в плоской волне; 2) Поле антенны в ДЗ имеет поперечный характер. Составляющие поле в направлении распространения отсутствуют; 3) Зависимость поля от расстояния имеет вид сферической волны; 4) При фиксированном значении r характер изменения поля в пространстве будет определяться комплексной ДН.

    2.Линия передачи СВЧ. Поле в линии передачи, нагруженной на сопротивление.

    Линией передачи СВЧ называется устройство, ограничивающее область распространения электромагнитных колебаний и направляющее поток электромагнитной энергии в заданном направлении. С помощью ЛП осуществляется передача мощности от генератора к нагрузке. Отрезок линии передачи является базой для создания СВЧ-устройств и служит для соединения отдельных устройств в СВЧ-тракт.

    В нагруженной ЛП поле представляется суммой падающих и отраженных волн. Падающая волна бежит в сторону нагрузки, а отраженная волна от нагрузки. Полное напряжение будет суперпозиции напряжений: ̇ ( ) = ̇ пад ( ) + ̇ отр ( )

    ̇ отр ( ) зависит от свойств нагрузки, которая характеризуется коэффициентом отражения Г н ̇ = ̇ отр ( ) = |Г н | н

    Если |Г н ̇ | = 0 , т.е ̇ отр ( ) = 0 , нагрузка называется согласованной, ЛП работает в режиме бегущей волны. Если |Г н ̇ | = 1 т.е. | ̇ отр ( )| = | ̇ пад ( )| , нагрузка называется реактивной, ЛП работает в режиме стоячих волн. Если 0 < |Г н | < 1 , ЛП работает в режиме смешанных волн.

    Доля отражений от нагрузки мощности равна: отр = |Г н | 2 = Г н 2

    Коэффициент стоячих волн: КСВ= 1+Г н

    1.Коэффициент направленного действия КНД и коэффициент усиления КУ

    КНД – это число, показывающее, во сколько раз плотность потока мощности П(θ, φ) реальной (направленной) антенны больше плотности потока мощности П Э (θ, φ) эталонной (ненаправленной) антенны для этого же направления и на том же удалении при условии, что мощности излучения антенн одинаковы: (θ, φ) = П(θ, φ)/П Э при Σ = Σэ

    КНД в произвольном направлении: (θ, φ) = 0 ∙ 2 (θ, φ) − чем уже ДН, тем выше КНД антенны , максимальное значение КНД соответствует направлению главного максимума, для которого 2 (θ, φ) = 1

    КНД в направлении максимального излучения: 0 = 2

    ∫ θ=0 ∫ φ=0 2 (θ,φ)∙sin( ) φdθ

    КУ – это число, показывающее, во сколько раз плотность потока мощности П(θ, φ) реальной (направленной) антенны больше плотности потока мощности ПЭ(θ, φ) эталонной (ненаправленной) антенны для этого же направления и на том же удалении при условии, что мощности, подведённые к антеннам, одинаковы: (θ, φ) = П(θ, φ)/П Э при А = А Э , где А – мощность, подведённая к антенне

    Коэффициент усиления можно выразить через КНД: (θ, φ) = (θ, φ) ∙ А , где А – КПД антенны.

    2.Свойство отрезков линии передачи

    Отрезок линии, нагруженный на одном конце на некоторое сопротивление, обладает трансформирующими свойствами, поскольку его входное сопротивление отличается от сопротивления нагрузки .

    Похожие публикации:

    1. Rigonda 102 как включить пластину
    2. Как называются северный и южный полюса
    3. Как найти дельта s физика
    4. Как найти напряжение без силы тока