Баранов С.А. Лекции по антеннам радиосистем
Подождите немного. Документ загружается.
61
=
∫
⋅
∫
=
S
х
ср
S
x
dSyxE
SRw
Rw
dSyxE
МАКС
Д
2
2
0
22
0
2
),(
42
2
),(
π
λ
∫
∫
⋅
S
X
S
x
dSyxES
dSyxE
S
2
2
2
),(
),(
4
λ
π
КИП
S
Д ⋅=
2
4
λ
π
,
где
S –
площадь
раскрыва
.
E
X
(x, y) = const –
равноамплитудное
возбуждение
.
КИП
= 1 ,
S
Д
2
4
λ
π
=
-
КНД
идеальной
антенны
.
E
X
(x, y)
≠
const, 0 <
КИП
< 1 S
·
КИП
–
эквивалентная
поверхность
.
62
7. 3. Плоская д вумерная антенная решётка.
Антенные
решётки
различаются
формой
раскрыва
(
прямоугольные
,
круглые
,
другие
),
порядком
размещения
элементов
в
системе
,
периодом
решётки
,
фазировкой
элементов
.
Чаще
всего
элементы
располагают
в
узлах
прямоугольной
или
треугольной
(
гексагональной
)
структуре
сеток
.
Важнейшим
требованием
является
отсутствие
дифракционных
максимумов
в
области
видимых
углов
.
Чаще
всего
требование
удовлетворяется
выбором
шага
.
dx <
λ
/
1+sin
θ
X MAX
,
θ
X MAX
–
максимальный
угол
отклонения
луча
в
плоскости
XOZ.
dy <
λ
/
1+sin
θ
y MAX
,
θ
y MAX
-
максимальный
угол
отклонения
луча
в
плоскости
YOZ.
a <
MAX
θ
λ
sin1
3
2
+
⋅
,
на
13%
больше
,
чем
в
прямоугольной
структуре
.
Это
для
АР
из
ненаправленных
(
с
широкими
диаграммами
направленности
)
элементов
.
Для
направленных
элементов
шаг
решётки
можно
сделать
больше
,
а
дифракционные
max «устранять
»
нулями
ДН
элементов
.
При
сканировании
,
однако
,
это
уменьшает
угол
сканирования
(
ДН
не
должна
меняться
в
секторе
углов
сканирования
).
В
сканирующих
АР
обычно
используют
слабонаправленные
элементы
.
∑
=
∑
⋅=
N
n
jkR
n
n
eIF
1
sin
),(
θ
ϕθ
,
∑
=
⋅⋅+⋅⋅
∑
⋅=
N
n
xxjk
n
nnnn
eIF
1
)sinsinsincos(
),(
θϕθϕ
ϕθ
В
случае
синфазной
решётки
формула
упрощается
:
N
y
y
M
x
x
N
M
F
ψψ
ψ
ψ
sin
sin
sin
sin
⋅=
∑
θ
ϕ
ψ
sincos
2
M
kdx
X
=
θϕ
ψ
sinsin
2
M
kdy
Y
=
dxMa
=
,
dyNb
=
, M -
число
элементов
по
X
N –
число
элементов
по
Y.
)sinsin(
)sinsin(
2
2
)(
θ
θ
θ
kdx
kdx
M
M
F =
∑
a
xoz
λ
θ
⋅=∆
o
51
63
В
плоскости
xoz
:
В
плоскости
yoz
:
КНД
рассчитывается
по
тем
же
формулам
,
что
и
для
антенн
с
непрерывным
распределением
токов
.
КИП
ab
Д ⋅=
2
4
λ
π
,
Y
Х
ba
ДД
ab
Д ⋅⋅=⋅==
ππ
λλ
λ
π
224
0
2
.
Д
Х
,
Д
Y
–
КНД
линейных
АР
.
π
–
КНД
элемента
раскрыва
.
8. ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ АПЕРТУРНЫХ АНТЕНН.
8. 1.
Рупорные
антенны
.
Используются
в
ДМ
,
СМ
и
ММ
диапазонах
в
качестве
антенн
средней
направленности
,
облучателей
сплошных
антенн
,
элементов
решёток
.
Рупор
получается
путём
плавного
перехода
от
открытого
конца
волновода
за
счёт
увеличения
поперечного
сечения
.
Тем
самым
улучшаются
направленные
свойства
и
согласование
волновода
со
свободным
пространством
.
Круглый
волновод
=>
конический
рупор
.
Он
характеризуется
углом
2
φ
и
D –
диаметром
апертуры
.
Прямоугольный
волновод
,
расширенный
в
плоскости
Е
, =>
Е
секторальный
рупор
.
Прямоугольный
волновод
,
расширенный
в
плоскости
Н
, =>
Н
секторальный
рупор
.
Прямоугольный
волновод
,
расширенный
в
плоскости
Е
и
Н
, =>
пирамидальный
рупор
.
В
секторальных
рупорах
фронт
волны
цилиндрический
.
В
пирамидальном
и
коническом
–
сферический
.
Край
в
рупоре
-
всегда
плоскость
,
есть
квадратичные
фазовые
искажения
.
Чем
больше
2
φ
,
тем
искажения
больше
.
)sinsin(
)sinsin(
2
2
)(
θ
θ
θ
kdy
kdy
N
N
F =
∑
b
yoz
λ
θ
⋅=∆
o
51
64
Амплитудные
искажения
.
В
плоскости
Е
искажений
нет
–
равноамплитудное
распределение
поля
.
В
плоскости
Н
–
распределение
,
спадающее
к
краям
.
E
E
E
ф
EEE
kB
kB
w
w
FFF
θ
θ
θ
θθθ
sin
2
)sin
2
sin(
2
cos1
)()()(
0
1
⋅
⋅+
=⋅=
∑
Первый
множитель
обычно
модифицируют
:
w
Ф
–
характеризует
сопротивление
фронта
волны
в
апертуре
. w
0
–
характеризует
сопротивление
свободного
пространства
.
Т
.
к
.
А
>>
λ
, w
ф
≈
w
0
.
Часть
энергии
отражается
от
раскрыва
,
что
учитывается
через
коэффициент
отражения
(
ещё
один
сомножитель
).
Зависимость
ДН
от
размеров
апертуры
.
Оптимальный
рупор
–
размеры
апертуры
уже
больше
,
а
фазовые
искажения
ещё
не
велики
.
Д
=
Д
макс
.
возможный
.
∆
r = OB – OA= a/2
·
ctg
φ
.
Для
Е
секторального
рупора
Д
макс
при∆
r =
λ
/4,
ϕ
λ
ππ
ctgrk
a
2
2
2
/
⋅/
⋅=∆⋅=≤∆Φ
.
Для
Н
секторального
рупора
4
3
π
≤∆Φ
искажения
допускаются
большие
,
т
.
к
.
амплитудные
распределения
~ cos,
и
на
краях
поле
близко
к
нулю
,
т
.
е
.
края
вносят
меньший
вклад
в
фазовые
искажения
.
КИПВАД
⋅
⋅
⋅
=
λ
π
4
КИП
=
КИП
ампл
·
КИП
фаз
.
КИП
ампл
–
неравномерное
распределение
по
амплитуде
.
A
x
Е cos~
&
2
0
)sin(1
)sin
2
cos(
2
cos1
)(
H
H
H
ф
H
kA
kA
w
w
F
θ
π
θ
θ
θ
−
⋅
⋅+
=
2
cos1
)(
0
1
E
ф
E
w
w
F
θ
θ
⋅+
=
( )
0
2
2
0
1
w
w
w
A
ф
→
−
=
λ
2
cos1
)(
1
E
E
F
θ
θ
+
=
65
КИП
фаз
–
квадратичные
фазовые
искажения
.
Для
пирамидального
рупора
с
прямоугольным
раскрывом
(
оптимального
):
КИП
= 0,81
·
0,8
·
0,8 = 0,52 ,
где
0,81 –
неравномерность
в
одной
плоскости
по
амплитуде
,
0,8
·
0,8 –
фазовые
искажения
по
обоим
плоскостям
.
Это
первое
приближение
,
т
.
к
.
КИП
должен
ещё
учитывать
токи
,
вытекающие
на
внешнюю
сторону
,
и
дифракцию
на
рёбрах
.
Т
.
е
.
КИП
=
КИП
А
·
КИП
Ф
·
КИП
ток
·
КИП
дифр
.
Наибольший
вклад
(
наименьшие
значения
)
имеют
первые
два
.
Фазовый
центр
–
из
-
за
фазовых
искажений
волна
на
выходе
из
рупора
–
не
сферическая
.
Антенна
не
имеет
фазового
центра
.
Имеются
частичные
фазовые
центры
,
находящиеся
между
точками
О
и
А
.
Достоинства
:
1.
Высокий
КПД
–
нет
диэлектриков
,
форма
проводников
простая
(
линии
токов
короткие
)
η
= 100%.
Рупора
часто
используют
в
виде
эталонов
при
измерении
коэффициентов
усиления
G-
методом
замещения
.
2.
Хорошо
согласовываются
со
свободным
пространством
,
т
.
к
. w
ф
≈
w.
3.
Антенна
имеет
хорошие
диапазонные
возможности
.
4.
Антенна
сравнительно
лёгкая
и
механически
прочная
.
8. 2. Зеркальные и параболические антенны.
Широко
распространены
в
диапазонах
от
метровых
до
миллиметровых
волн
как
антенны
высокой
направленности
.
Это
основной
тип
антенн
в
радиолокации
,
радиорелейной
связи
,
спутниковой
связи
,
радиоастрономии
.
ДН
формируется
за
счёт
отражения
поля
первичных
источников
(
облучателей
)
от
металлических
зеркал
той
или
иной
формы
.
В
простейшем
случае
это
плоскости
(
вибратор
в
углу
из
двух
пластин
),
но
наибольшую
направленность
имеют
антенны
с
зеркалами
в
виде
параболоида
вращения
.
Используется
свойство
параболической
поверхности
–
длина
лучей
из
фокуса
до
плоскости
,
перпендикулярной
оси
,
является
постоянной
. FA + AB
= const, FA+AC = const.
-
уравнение
параболы
в
сферической
системе
координат
.
x
2
+ y
2
=4
·
f
·
z –
уравнение
параболы
в
декартовой
системе
координат
.
F –
точка
фокуса
,
О
–
вершина
зеркала
, f –
фокусное
расстояние
, R –
радиус
зеркала
, 2
ψ
max
–
угол
раскрыва
.
Сферическая
волна
облучателя
преобразуется
f2cos
=
+
ψ
ρ
ρ
ψ
ρ
cos1
2
+
=
f
66
в
плоскую
с
помощью
зеркала
.
Плоский
фронт
является
нерасходящимся
.
В
зависимости
от
2
ψ
max
различают
:
1.
Короткофокусные
2
ψ
max
>
π
(R) f .
2.
Длиннофокусные
2
ψ
max
<
π
(R<f)
зеркала
.
По
ряду
причин
,
о
которых
будет
сказано
ниже
,
в
основном
применяются
длиннофокусные
зеркала
.
В
качестве
основного
геометрического
параметра
при
расчётах
и
построении
графиков
обычно
используют
отношение
f / D,
где
D –
диаметр
зеркала
.
Расчёт
характеристик
направленности
производят
токовым
или
апертурным
методами
:
Токовый
метод
:
как
более
точный
используется
для
расчёта
уникальных
антенн
(
радиотелескопов
,
космической
связи
и
т
.
д
.),
с
ДН
специальной
формы
(
имеющих
специальные
облучатели
,
например
ГСА
),
короткофокусных
зеркал
(
из
-
за
сложного
распределения
токов
).
Апертурный
метод
:
обычный
для
инженерной
практики
.
Расчёт
производится
в
следующем
порядке
:
1.
По
заданной
ДН
облучателя
F
обл
(
ψ
)
определяется
величина
эквивалентных
токов
в
раскрыве
:
f
FF
облобл
I
2
)()cos1()(
)(
ψψ
ρ
ψ
ψ
+
==
,
после
этого
рассчитывается
распределение
токов
в
раскрыве
от
координаты
r –
расстояние
от
фокальной
оси
до
точки
в
апертуре
.
2.
К
полученному
распределению
токов
в
раскрыве
подбирается
аппроксимирующая
функция
,
обычно
:
n
D
r
rI ))(1()1()(
2
2
−∆+∆−=
.
Подбирая
n
и
∆
,
можно
достаточно
точно
подобрать
распределение
.
3.
По
известным
формулам
рассчитывается
ДН
,
УБЛ
,
∆θ
0,7
.
4.
Определяется
КНД
S –
площадь
раскрыва
.
КИП
=
КИП
ампл
·
КИП
обл
·
КИП′
Д
= const f – var
КИПSД ⋅=
2
4
λ
π
67
КИП
амп
–
определяется
амплитудными
искажениями
(
спаданием
поля
к
краям
).
КИП
амп
= 1 –
равноамплитудное
возбуждение
.
КИП
обл
–
определяет
долю
мощности
облучателя
,
перехваченную
зеркалом
.
КИП
–
максимальный
,
когда
f/
Д
–
оптимальное
.
Это
соотношение
зависит
от
типа
облучателя
,
параметров
зеркала
и
т
.
д
.
В
общем
случае
КИП
–
максимальный
,
если
края
облучаются
0,33 (-10
дБ
)
от
центра
(
пьедестал
равен
0,33
по
полю
. 0,1 –
по
мощности
).
КИП
макс
= 0,83.
Облучатель
–
вибратор
с
контррефлекторм
. (f/
Д
)
опт
= 0,38 -
КИП
макс
.
Для
других
облучателей
(f/
Д
)
опт
–
своё
значение
.
КИП′
-
учитывает
уменьшение
использования
поверхности
за
счёт
:
1.
Дифракции
на
краю
зеркала
.
2.
Затекание
токов
на
заднюю
поверхность
зеркала
,
что
приводит
к
росту
уровней
боковых
(
дальних
)
и
задних
лепестков
.
3.
Фазовые
искажения
в
раскрыве
зеркала
.
Они
следствие
:
а
)
отклонения
зеркала
от
параболы
из
-
за
неточности
изготовления
или
сферические
.
б
)
локальные
неровности
из
-
за
механических
повреждений
,
болты
,
заклёпки
и
т
.
д
.
d –
отклонение
профиля
. d/D = 10
-n
, n = 2 ÷ 3, n = 4 –
только
специальные
материалы
и
технологии
.
n
Dd
−
=∆= 10
55
λλ
ϕ
-
фазовая
ошибка
.
НЕР
КИПДДД
0
2
0
))(1( =∆−=
ϕ
в
)
неточный
фазовый
центр
облучателя
.
г
)
смещение
фазового
центра
облучателя
из
фокуса
зеркала
:
-
смещение
вдоль
фокальной
оси
.
Продольное
смещение
(
дефокусировка
)
приводит
к
квадратичным
искажениям
.
-
смещение
перпендикулярно
оси
.
Приводит
к
наклону
фронта
волны
в
противоположном
направлении
,
в
следствии
линейных
фазовых
искажений
.
∆
l –
величина
смещения
.
Для
малых
∆
l -
f
l
arctg
∆
=∆
θ
и
используется
при
сканировании
.
Большие
одновременные
искажения
вдоль
и
перпендикулярно
оси
–
кома
искажения
.
4.
Затенение
части
апертуры
облучателем
и
его
элементами
крепления
(
стойки
,
крепления
и
т
.
д
.).
S
SS
тени
обл
КИП
−
=
68
5.
Кроссполяризация
–
появление
ортогональных
составляющих
п
оля
за
счёт
«
искривления
»
токов
на
зеркале
.
Для
короткофокусных
зеркал
потери
на
кроссполе
-
больше
(
обычно
на
фокальной
оси
потерь
нет
–
они
компенсируются
).
Для
длинно
-
Для
коротко
-
фокусных
.
фокусных
.
Облучатель
в
виде
конического
рупора
лучше
,
чем
пирамидальный
так
как
в
коническом
H
11
,
имеющая
противоположное
значение
и
искривления
и
поле
раскрыве
.
С
учетом
КИП
1
–
общий
КИП
зеркальной
антенны
трудно
получить
больше
чем
0,7÷0,75 (
обычно
0,5÷0,6).
Излучаемая
мощность
антенны
определенная
через
G=
η·
D –
коэффициент
усиления
антенны
.
Факторы
снижающие
η
–
коэффициент
полезного
действия
в
зеркальных
антеннах
:
а
)
Омические
потери
из
-
за
конечной
проводимости
зеркала
,
антикоррозионных
покрытий
(
краска
),
потери
в
диэлектриках
(
чаще
в
облучателях
);
б
)
Влияние
радиопрозрачных
укрытий
,
если
они
имеются
,
или
пленок
воды
,
льда
,
снега
и
т
.
д
.
Облучатели зеркальных антенн.
Облучатель
зеркальной
антенны
должен
удовлетворять
ряду
часто
противоречивых
требований
.
Основными
из
них
являются
:
ДН
облучателя
должна
быть
однонаправленной
и
иметь
минимум
боковых
лепестков
,
чтобы
не
искажать
поля
зеркала
.
Для
круглых
зеркал
она
должна
быть
осесимметричной
.
Амплитудная
ДН
должна
обеспечить
выбранное
амплитудное
распределение
в
раскрыве
и
иметь
минимальное
излучение
вне
угла
раскрыва
.
Облучатель
должен
излучать
сферическую
волну
Е
20
фазовый
центр
не
должен
быть
«
размытым
».
69
Облучатель
должен
иметь
минимальные
размеры
и
вес
,
чтобы
КНП
тени
был
минимальным
.
Облучатель
стоит
в
поле
,
отраженном
от
зеркала
.
Появляется
отраженная
волна
,
т
.
е
.
рассогласование
,
говорят
о
реакции
зеркала
на
отражатель
.
Она
оценивается
коэффициентом
отражения
и
должна
быть
минимальной
.
Облучатель
должен
быть
достаточно
диапазонным
и
выдерживать
заданную
мощность
без
!!!
эти
параметры
(
зеркало
практически
не
меняет
характеристики
в
диапазоне
и
там
не
может
быть
пробоя
).
Наиболее распространенные конструкции облучателей
а
)
ДМВ
–
диапазон
,
питающая
линия
–
коаксиал
(
чаще
всего
):
вибратор
с
контррефлектором
;
спираль
с
контррефлектором
и
др
.;
контррефлекторов
для
получения
одностороннего
излучения
.
Вместо
диска
может
быть
пассивный
вибраторов
.
λ
/4
стакан
–
симметрирующее
устройство
F(
θ
) ~ cos
2
θ
(
для
диска
).
б
)
СМ
–
диапазон
,
питающая
линия
(
чаще
всего
) –
прямоугольный
волновод
:
связанные
вибраторы
;
щелевые
;
рупорные
;
диэлектрические
стержневые
;
спиральные
.
Ф
,
Ц
.
λ
/2
диск
λ
/2
вибратор
λ
/4
λ
/4
стакан
λ
/4
резонатор
щель
металлическая
пластина
Р
Д
70
Недостатки
рупорных
вибраторов
:
большая
реакция
,
трудно
сделать
осесимметричный
ДН
,
большое
затемнение
,
а
если
его
нет
сложной
формы
зеркало
или
трудно
получить
необходимого
ДН
.
Разновидности зеркальных антенн
1)
Параболоид
вращения
;
2)
Цилиндрический
параболоид
(
ДН
в
одной
из
плоскостей
формируется
только
облучателем
);
3)
Вырезка
из
параболоида
вращения
для
получения
ДН
разной
ширины
в
ортогональных
плоскостях
.
4)
Двухзеркальные
антенны
по
схемам
Канегрела
или
Грегори
(
для
уменьшения
размеров
«
в
глубину
»).
1.
облучатель
.
2.
основное
зеркало
.
3.
вспомогательное
зеркало
(
для
антенны
Конегрела
–
гиперболическое
).
5)
Гибридно
-
зеркальные
(
ГЗА
).
Используются
для
управления
лучом
рупорные
с
контррефлектором
3
2
1