Баранов С.А. Лекции по антеннам радиосистем
Подождите немного. Документ загружается.
41
1)
ξ
0
=
-
синфазная антенна
θmax
π
2
режим нормального излучения
.
2)
0 ξ< 1< 0 θmax<
π
2
<
-
режим
сканирования
.
3)
ξ 1
-
режим
излучения
по
оси
антенны
.
4)
1 ξ<
-
режим
замедленной
волны
.
1)
ξ = θmax 0 ∆θ 0.707
( )
∆ψ
θ
ψ
d
d
θm
∆ψ
kL
2
sin
π
2
⋅
0.886
λ
L
⋅
∆ψ 0.707
(
)
2.78
2)
0 ξ< 1< ∆θ 0.707
( )
∆ψ
θ
ψ
d
d
θm
∆ψ
kL
2
sin θm
( )
⋅
0.886
λ
L sin θm
( )
⋅
⋅
3)
ψ
kL
2
cos θ
( )
1−
( )
⋅
ξ 1
θ 0 ψmax 0
θ π ψmin
kL
−
1.39−
kL
2
cos
∆θ
2
1−
⋅ 1.39−
πL
λ
1
∆θ
2
8
− 1−
⋅
∆θ
2
8 1.39⋅ λ⋅
( )
π L⋅
355
λ
L
⋅ ∆θ 0.707
( )
115 0.886
λ
L
⋅⋅
4)
1 ξ<
Граница
еще
более
смещается
в
лево
ширина
ДИ
уменьшается
,
но
УБЛ
поднимается
.
Существует
оптимальная
ширина
при
которой
D=Dmax
∆θ 0.707
(
)
(
уменьшается
),
что
приводит
к
увеличению
D.
УБЛ
увеличивается
,
что
приводит
к
уменьшению
D.
Оптим
.
при
42
2
ψ
π−
2
π
2
− kL 1 ξопт−
( )
⋅
1
2
−
L
λ
L
λ
ξопт⋅−
ξопт 1
λ
2 L⋅
+
Ширина
ДИ
(0,707)
надо
брать
не
от
1,
от
нового
значения
.
∆θ 0.707
( )
115 0.28
λ
L
⋅⋅ УБЛ 9.5− deg
L 10
λ
⋅
ξ
∆θ
0.707
(
УБЛ
0 5.1 -13.2
1 34 -13.2
ξ
опт
1.05
19 -9.5
5.3
Амплидудные
и
фазовые
искажения
в
линейных
антеннах
.
В
качестве
идеальной
будем
считать
синфазную
линейную
антенну
с
равномерным
распределением
тока
.
I z( ) I0 Φ z( )
const
Отклонение
от
равно
амплитудного
и
синфазного
распределения
тока
называется
искажением
.
По
виду
искажения
различаются
:
а
)
спадающие
к
краям
б
)
возрастающие
к
краям
F θ
( )
L−
2
L
2
z
I z( ) e
γФ z( )
⋅ e
γkz cos θ
( )
⋅
⋅
⌠
⌡
d
Если
искажения
только
амплитудные
то
,
Φ z( ) const ξ
0
Для
некоторых
случаев
F(Q)
можно
получить
в
виде
формулы
.
Например
:
I
z( )
1
∆−
( )
∆ cos⋅
π
L
z
⋅+
-
косинус
на
пьедестале
.
43
F θ
( )
⋅
L−
2
L
2
z
1
∆−
( )
∆ cos⋅
π
L
z
⋅+
e
γkz cos⋅ θ
( )
⋅
⋅
⌠
⌡
d
1
∆−
( )
sin ψ
( )
⋅
ψ
⋅
∆ cos⋅
2
π
ψ
⋅
1
2
π
ψ⋅
2
−
+ ψ
kL
2
cos⋅
θ
(
⋅
∆
1
-
чистый
косинус
F θ
( )
2
π
cos
kL
λ
cos θ
( )
⋅
1
2
L⋅
( )
λ
cos θ
( )
⋅
2
−
⋅
В
общем
случае
амплитудные
искажения
типа
а
(
спадающих
к
краям
)
приводят
:
1)
Главный
лепесток
-
расширяется
.
2)
Уровень
боковых
лепестков
–
понижается
.
3)
КНД
–
падает
незначительно
.
Такие
распределения
используются
на
примере
косинуса
на
пьедестале
.
∆
КРЛ
∆θ
51
λ
L
⋅
УБЛ
(
ДБ
)
КИП
=
Д
/
Д
0
0 1 -13.2 1
0.3
3
1.12 -20.5 0.932
1 1.35
--
23.5
0.81
КРЛ
–
коэффициент
расширения
луча
.
КИП
–
коэффициент
использования
поверхности
равен
отношению
КНД
идеальной
к
КНД
антенны
с
искажением
.
Искажения
типа
б
(
возрастающие
к
краям
)
приводит
:
Главный
лепесток
незначительно
изменяется
.
К
сильному
и
быстрому
росту
боковых
лепестков
.
КНД
сильно
падает
.
44
Такие
искажения
на
практике
не
используются
.
Фазовые искажения.
I
z
(
)
I
z
(
)
e
γ Ф z(
)
⋅
⋅
Ф
z
(
)
-
обычно
раскладываются
в
степенной
ряд
.
Φ z( ) Φ0 Φ1 z⋅+ Φ2 z
2
⋅+ Φ3 z
3
.......
⋅+
Ф
0-
влияние
не
оказывает
.
а
)
линейные
фазовые
искажения
.
Рис
2.
Поведение
множителя
направленности
при
линейных
фазовых
искажения
в
равноамплитудной
антенне
.
δ
∆θ
0.707
( )
Φ1
158
(
для
не
очень
больших
значении
. )
Ф
1 – max
значения
искажений
в
градусах
при
/I/=const.
Если
/I(z)/
имеет
к
краям
амплитудные
искажения
.
δ
∆θ
0.707
( )
Φ1
158
К Р Л⋅
.
Линейные
искажения
используют
для
сканирования
.
б
)
квадратичные
фазовые
искажения
.
Рис
3.
искажения
множителя
направленности
линейной
антенны
при
квадратичных
фазовых
ошибках
.
45
Эти
искажения
четные
они
не
приводят
к
смещению
ДН
,
а
приводят
к
расширению
ДИ
,
росту
УБЛ
.
При
больших
Ф
2
главный
лепесток
“
расщепляется
”.
Такие
искажения
типичны
,
если
облучатель
параллелен
в
фокус
зеркала
или
линзы
.
Поэтому
они
называются
искажениями
дефокусировки
.
в
)
кубичные
фазовые
искажения
.
а
)
б
)
Рис
4.
а
)
Снижение
КИП
линейной
равноамплитудной
антенны
при
квадратичных
и
кубичных
фазовых
ошибках
.
б
)
Искажения
множителя
направленности
линейной
антенны
при
кубичных
фазовых
ошибках
.
δ
∆θ
0 707
,
( )
Φ3
266
Смещение
меньше
в
1.7
раза
чем
при
линейных
.
ДИ
становится
ассиметричной
резко
нарастает
боковой
лепесток
со
стороны
в
которую
смещается
max
ДИ
.
Они
называются
кома
.
5.4
Диаграмма
направленности
линейной
антенной
решётки
.
d= const -
решётка
эквидистантная
Zn= (n-1)d
In
I0
e
γ− n
1
−
(
)
⋅ ∆Ф⋅ ⋅
⋅
:
где
∆Ф
–
сдвиг
фазы
между
соседними
элементами
.
fΣ θ
( )
1
N
n
In e
γkZn cos θ
( )
⋅
⋅
∑
=
1
N
n
I0 e
γ kd n
1
−
( )
⋅ cos θ
( )
⋅
n
1
−
( )
∆Ф⋅−
⋅
⋅
∑
=
I0
1
N
n
e
γkd n
1
−
( )
⋅ cos θ
( )
ξ−
( )
⋅
∑
=
⋅ ξ
∆Ф
kd
1
ξ
0
∆Ф
0
(
)
46
-
синфазная
линейная
решётка
.
2 0
ξ<
1
<
-
решётка
возбуждается
быстрой
волной
.
3
ξ
1
V C⋅
4 1
ξ< V C⋅<
-
решётка
возбуждается
медленной
волной
.
Конечный
ряд
типа
геометрической
прогрессии
:
A
1
N
n
g
n
1
−
( )
∑
=
⋅ A
1
g
N
−
(
)
1
g−
( )
⋅
fΣ θ
( )
⋅ I0
1
g
N⋅
−
(
)
1
g−
( )
⋅
g⋅ e
γkd cos θ
( )
⋅ ξ ⋅−
⋅
fΣ θ
( )
⋅ I0
1
e
γkdN cos θ
( )
⋅ ξ ⋅−
⋅
−
1
e
γkd cos θ
( )
⋅ ξ ⋅−
⋅
−
⋅
I0 e
γ
kd
2
⋅ N⋅
1
−
( )
⋅ cos θ
( )
⋅ ξ−
⋅
⋅
sin cos θ
( )
⋅ ξ−
kdN⋅
2
⋅
⋅
sin cos θ
( )
⋅ ξ−
kd
2
⋅
⋅
⋅
Набег
фазы
от
края
до
середины
решётки
Ф
kd
2
N
1
−
( )
⋅ cos θ
( )
ξ−
( )
⋅
Ф1 Ф
kd
2
N
1
−
( )
⋅ cos θ
( )
ξ
( )
⋅−
0
-
если
отчёт
фазы
взять
от
центра
решётки
.
fΣ θ
( )
I0
sin
kdN
2
cos θ
( )
ξ−
( )
⋅
sin
kd
2
cos θ
( )
ξ−
( )
⋅
⋅
Линейная
решётка
излучает
сферическую
волну
с
центром
в
середине
решётки
.
fΣ θ
( )
I0
N sin
kdN
2
⋅ cos θ
( )
ξ−
( )
⋅
N sin
kd
2
⋅ cos θ
( )
ξ−
( )
⋅
⋅
sin ψ
( )
N sin
ψ
N
⋅
ψ
kdN
2
cos θ
( )
ξ−
( )
⋅
ДИ
линейной
эквидестантной
решётки
с
линейным
распределением
фазы
.
47
I(0)N-
можно
пренебречь
т
.
к
.
они
от
θ
не
зависит
.
Nd=L –
длина
решётки
.
N
→∞
d
→
0 ,
т
.
к
. Nd=L const f
∑
(
θ
)
→
sin(
ψ
)/
ψ
1
sin ψ
(
)
N sin
ψ
N
⋅
1
при ψ
0
2
ψ
Т
πm m
1 2......
,
fΣ θ
( )
1
ψ
Т
π− m m
1 2......
,
ψ N π⋅ m ψ N− π⋅ m
Рис
5.
К
анализу
множителя
направленности
решетки
.
Дифракционный
максимум
антенной
решётки
0
и
объясняется
тем
,
что
под
некоторым
углом
разность
фаз
соседних
элементов
=2
π
и
получается
синфазное
сложение
полей
.
Появление
дифракционных
максимумов
резко
снижает
КНД
,
привод
к
неоднозначной
цепи
.
θ
0
ψmax
.
.
kdN
2
1
ξ−
( )
⋅
θ π ψmin
kdN
2
1
ξ−
( )
⋅
−
Чтобы
не
было
дифракционных
лепестков
ψmax N
1
−
( )
π⋅< N
1
−
( )
− π⋅ ψmin<
.
N
1
−
( )
− π⋅ ψ< N
1
−
( )
π⋅<
48
Способы
устранения
дифракционных
лепестков
:
Выбор
шага
решётки
d
λ
N
1
−
( )
N
1
1
ξ+
⋅≤
ξ
0
( )
.
синфазная− ....решётка d
λ
≤
При
сканировании
d
λ
N
1
−
(
)
N
1
1
cos θ0
( )
+
⋅≤
При
осевом
излучении
θ0
0
ξ
1
d
λ
2
<
Выбор
ДИ
элемента
решётки
Рис
6.
Подавление
побочных
главных
максимумов
решетки
при
использовании
направленных
элнмннтов
.
F θ
(
)
f1 θ
(
)
fΣ θ
(
)
⋅
ДИ
элемента
выбирается
такой
,
чтобы
её
нули
попали
в
максимумы
дифракционных
лепестков
.
Использование
неэквидестантных
решёток
.
Если
d-
переменная
то
синфазного
сложения
в
направлении
дифракционного
max
не
произойдет
.
КНД
-
значительно
меньше
,
чем
в
эквидестантных
.
Параметры
ДИ
решётки
:
При
n>>1
49
fΣ ψ
( )
sin ψ
( )
Ν sin
ψ
Ν
⋅
sin ψ
( )
ψ
в
окрестностях
главного
лепестка
т
.
е
.
можно
использовать
те
же
формулы
,
что
и
для
непрерывных
.
δ1 13.2− deg ∆θ
51
λ⋅
(
)
Ν d⋅ sin θ0
( )
⋅
6.Практические типы линейных антенн.
6.1.
Диэлектрические
стержневые
антенны
.
Как
и
остальные
рассматриваемые
в
этой
главе
антенны
с
непрерывным
распределением
тока
,
они
относятся
к
антеннам
бегущей
волны
(
режим
осевого
излучения
,
возбуждение
с
одного
конца
,
размеры
в
поперечном
сечении
малы
).
Используются
с
частотой
f>2
ГГц
(
ДМ
и
СМ
волны
)
как
самостоятельные
антенны
,
облучатели
,
элементы
решётки
.
Направленность
слабая
и
средния
.
Представляют
собой
сплошной
цилиндр
или
стержень
или
трубку
из
диэлектрика
с
малыми
потерями
.
Питается
волноводами
прямоугольным
с
H10
или
круглым
с
H11
волной
.
Возбуждается
LE11.
C Vф>
C
ε
> ξ
C
Vф
1
>
А
)
Б
)
Рис
7.
А
)
Диэлектрические
стержневые
антенны
:
а
)
цилиндрическая
;
б
)
коническая
.
Б
)
Коэффициент
замедления
волны
HE11.
Для
определения
ξ
используют
графики
,
рассчитанные
строго
для
волны
HE11.
При
d
↑
поле
концентрируется
в
стержне
и
замедление
увеличивается
.
Обычно
используют
ε
2
≈
2/5, d/
λ≈
0,25/0,5 (
т
.
е
.
стержень
ещё
не
очень
толстый
,
но
уже
замедляет
.
Каждый
элемент
можно
считать
диполем
Герца
.
50
F θ
(
)
F1 θ
(
)
fΣ θ
(
)
⋅
F1 θ
( )
cos θ
( )
fΣ θ
( )
sin
KL
2
cos θ ξ−
( )
⋅
KL
2
cos θ ξ−
( )
⋅
ξ
1
>
(
основной
режим
осевое
излучение
).
Формула
не
учитывает
:
Излучение
открытого
конца
волновода
искажает
ДИ
и
увеличивает
боковые
.
Отражение
от
конца
стержня
и
возбуждение
обратной
волны
,
которая
формирует
задний
лепесток
.
Затекание
токов
на
часть
волновода
,
излучение
,
которых
создает
большие
боковые
лепестки
и
увеличивает
задний
.
С
1)-
вым
фактором
борется
увеличением
d,
что
излучает
возбуждение
LE11
и
уменьшает
излучение
открытого
конца
.
Однако
при
этом
ξ
слишком
велико
и
L
опт
слишком
мало
.
Lопт
λ
λ
L
ξ
1
−
( )
⋅
Что
не
позволяет
получить
узкую
ДИ
.
Для
этого
используют
конические
(
пирамидальные
)
стержни
.
С
2)-
рым
бороться
не
следует
,
т
.
к
.
ξ
мало
больше
1
и
отражение
от
конца
<10%
С
3)-
им
бороться
использованием
дисков
и
сплошных
экранов
.
Возбуждающий
стержень
волновода
обязательно
не
в
диэлектрике
,
иначе
возбуждаются
высшие
типы
колебании
.
Для
лучшего
согласования
часто
делают
.
Расчет
ДИ
как
для
антенны
с
осевым
излучением
.
ξопт
1
λ
2
L
+ Lопт
λ
2
ξ
1
−
( )
При
этом
D
7.2
L
λ
⋅
4
L
λ
⋅
÷ ∆θ 0.707( )
61 107
÷
( )
λ
L
⋅
(
первое
для
более
длинных
антенн
.)
6.2.
Спиральные
антенны
.
Используются
с
частотой
300
МГц
и
выше
как
антенны
с
круговой
поляризацией
(
самостоятельные
,
облучатели
,
элементы
решётки
).