Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств

Подождите немного. Документ загружается.

М. С. ЖУК

Ю. Б.

МОЛОЧКОВ

6P2S

ПРОЕКТИРОВАНИЕ

АНТЕННОФИДЕРНЫХ

УСТРОЙСТВ

БИЬЛИО!ЬКА

1 ТАГЯНПГОДСЯ

|рАдиотЕХМ№.гаиЯ кк-т

ИЗДАТЕЛЬСТВО

«Э Н Е

Г И Я»

МОСКВА

1966

ЛЕНИН1РАД

УДК 621.396.67 Кратко излагаются общие методы расче1а

Ж 85 параметров антенно фидерных устройств и рас-

сматривается проектирование наиболее распро-

страненных антенн (вибраторных, щелевых, ре-

шеток излучателей, осевого излучения, рупорных

и зеркальных) Рассматриваются также методы

управления положением диаграммы направлен-

ности в решетках излучателей

Книга предназначена для инженерно техниче

ских работников, сталкивающихся с проектиро-

ванием антенно-фидерных устройств Она может

быть полезна и студентам радиотехнических фа-

культетов вузов при курсовом и дипломном про

ектировании

Жук Михаил Сергеевич,

Молочное Юрий Борисович

Проектирование антенно-фидерных устройств.

М.—Л., изд-во „Энергия", 648 стр. с илл.

3-4-1

312-66

Редактор И Б. Абрамов

Переплет художника В М. Аладьева

Техп редактор JS Н. Малькова

Корректоры В С Антипова и Л К Голышева

Сдано в набор 22/VII 1966 г.

Подписано к печати 29/Х 1966 г.

Т-12860 Бума1а типогр. мелованная 84ХЮ8'/з2

Физ.

печ. л. 20,25. Усл.-печ. л. 34,02. Уч.-изд. л. 33,5

Тираж 12 000 экз. Цена 1 р. 89 к. Заказ 2541

Издательство „Энергия",

Москва Ж-П4. Шлюзовая наб., 10.

Московская типография № 10 Главполиграфпрома

Комитета по печати при Совете Министров СССР.

Шлюзовая наб., 10.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В предлагаемой читателю книге рассматри-

ваются вопросы проектирования и расчета ан-

тенно-фидерных устройств, приводятся основ-

ные характеристики антенн и материалы по

расчету простых излучателей (вибраторных и

щелевых) и сложных антенных систем, являю-

щихся по существу комбинациями этих излу-

чателей. Рассмотрено также проектирование

антенных решеток с управляемой диаграммой

направленности, в последних главах описаны

антенны с излучающим раскрывом (рупорные

и зеркальные). Основное внимание уделено

антенным устройствам, так как расчет фидер-

ных устройств весьма подробно уже освещен

в литературе.

Из-за ограниченности объема книга не ох-

ватывает всех типов антенн. В дальнейшем

авторы предполагают дополнить ее, рассмот-

рев проектирование антенн, не вошедших в эту

книгу (линзовые, широкополосные, вращаю-

щейся поляризации и т. д.), а также особенно-

сти применения антенн в зависимости

от

диа-

пазона и назначения.

Как известно, задачей проектирования яв-

ляется не только расчет электрических пара-

метров антенн и решение вопросов, связанных

с ее механическим конструированием, но преж-

де всего выбор типа антенны, лучше всего от-

вечающего поставленным техническим и эко-

номическим требованиям. Поэтому при рас-

смотрении каждой антенны много внимания

уделено описанию принципа ее действия и

связанных с ним общих закономерностей, при-

сущих рассматриваемой излучающей системе.

По возможности приводится сравнение с дру-

гими типами антенн, которые могут быть ис-

пользованы для тех же целей. В конце каждой

главы приведен краткий список литературы,

в который включены только источники, ис-

пользованные авторами, или работы, в кото-

рых читатель найдет более полные сведения

по рассматриваемому вопросу, а в конце книги

помешен список общей литературы, ссылки на

которую в тексте даются с буквами (ЛО].

Книга рассчитана на квалифицированного

читателя, усвоившего курс антенно-фидернык

устройств.

Авторы считают своим приятным долгом

выразить глубокую благодарность члену-кор-

респонденту АН СССР А. А. Пистолькорсу за

ценные советы и замечания, высказанные им

при рецензировании книги, а также И. Б. Аб-

рамову, взявшему на себя большой груд по ее

редактированию. Авторы весьма признательны

И. В. Вавиловой, Р. В. Гуревичу, Г. А. Евстро-

пову, Б. С. Надененко, М. Т. Новосартову,

Г. П. Самуйлову, В. С. Тимофееву и

Г. X. Фридману, которые прочитали отдельные

главы рукописи и сделали ряд полезных кри-

тических замечаний.

Главы 1, 2, 3, 10 и § 11-9—11-11 написаны

Ю.

Б. Молочковым, гл. 4, 5, 6, 8, 9 написаны

М. С. Жуком, §

11-1 — 11-8

написаны М. С. Жу-

ком и Ю. Б. Молочковым совместно, гл. 7 на-

писана В. А. Дроздковым.

Книга, безусловно, не свободна от недо-

статков, и авторы будут признательны за сове-

ты,

направленные на их устранение.

Авторы

ВВЕДЕНИЕ

Одним из важнейших элементов любой радиотехни-

ческой системы является антенно-фидерное устройство,

которое должно выполнять функции приема и излуче-

ния радиоволн таким образом, чтобы обеспечивать наи-

более рациональную и максимально надежную работу

всей системы. Для этого оно должно удовлетворять це-

лому ряду определенных технических требований, кото-

рые обычно перечисляются в техническом задании на

проектировэние. В нем указываются: назначение антен-

ны,

ее основные технические характеристики, условия

эксплуатации, а также специфические требования, свя-

занные с особенностями системы, в состав которой вхо-

дит проектируемое антенно-фидерное устройство

Основным требованием к антенне является создание

определенной зависимости излучаемой или принимае-

мой энергии от угловых координат, которая характери-

зуется диаграммой направленности (ДН). Однако в по-

давляющем большинстве случаев задают не ДН, а ее

основные параметры (ширину главного лепестка на

уровне половинной мощности в основных плоскостях,

допустимый уровень бокового или заднего излучения

и т. п.). Случается, что в задании указана только тре-

буемая величина коэффициента усиления (КУ) или ко-

эффициента направленного действия (КНД).

Современное состояние теории антенн в некоторых

случаях позволяет решить задачу прямым путем, т. е.

рассчитать размеры антенны, распределение токов или

полей на ней и т. Д [ЛО 12]*. Однако эти методы пока

не находят широкого практического применения, так

как, во-первых, в большинстве случаев они не охваты-

вают всех вопросов, связанных с конструированием ан-

* Буквы ЛО означают ссылку на литературу, помещенную

в конце книги.

тенно-фидерной системы, а во-вторых, полученные в ре-

зультате решения задач синтеза распределения токов

часто не MoiyT быть реализованы на практике Сравни-

тельно просто решается задача синтеза антенн с косе-

кансной ДН, при котором с успехом применяются мето-

ды геометрической оптики (§ 2-9)

В подавляющем большинстве случаев в инженерной

практике используются результаты теоретическою и экс-

периментального анализа различных типов антенн В со-

ответствии с этим перед проектировщиком прежде всего

встает вопрос о выборе типа антенны, которая по своим

ьозможностям могла бы удовлетворить всем или по

крайней мере основным требованиям задания. Такой

выбор может быть произведен только после изучения

основных типов антенн и областей их применения.

Большую роль при выборе играет рабочий диапазон ча-

стот антенны как по ширине, так и по расположению

в радиочастотном спектре Некоторую ориентацию

в этом вопросе дает приводимая ниже классификация

антенных устройств, которая положена также в основу

расположения материала по главам книги

Представляется целесообразным в основу классифи-

кации антенн положить наиболее общий признак

—

принцип их действия [ЛО 27] По этому признаку все

многообразие антенн можно разбить на восемь основ-

ных групп.

1 Проволочные антенны со стоящей волной тока

(вибраторные антенны).

2 Проволочные антенны с бегущей волной тока (ан-

тенны из длинных проводов с бегущей волной)

3 Щелевые (дифракционные) антенны

Антенны акустического типа — рупорные и волно-

водные

5 Антенны поверхностных волн (антенны осевою

излучения) —диэлектрические, ребристые, волновые ка-

нала ит д '.

6 Антенны оптического гипа — зеркальные и линзо-

вые

7 Решетки излучателей

8 Рамочные антенны.

Поверхностные антенны можно было бы тоже

о гнести

к ан

теннам акустического типа Однако они достаточно специфичны, и

это вполне оправдывает их выделение в самостоятельную группу

Из этих основных групп следует выделить еще три

категории антенн. Они хотя и входят в число указанных

выше типов, но обладают настолько ярко выраженными

специфическими свойствами, что имеет смысл рассма-

тривать их отдельно. Это:

9. Антенны с управляемым положением ДН.

10.

Антенны вращающейся поляризации — спираль-

ные,

рупорные, вибраторные и т. д.

11.

Сверхширокополосные антенны

Области применения большинства типов антенн на-

столько обширны, что их невозможно охватить в крат-

ком введении. Этому посвящена специальная глава во

второй части книги, рассматривающая особенности при-

менения основных типов антенн в зависимости от ча-

стотного диапазона.

Некоторые из этих вопросов затронуты в остальных

главах.

Следует отметить, что если в задании не оговорен

тип антенны, то произвести однозначно его выбор весь-

ма трудно. Приходится рассматривать антенны двух-

трех типов, сравнивать их и выбирать из них наиболее

полно удовлетворяющую требованиям задания. Важную

роль в окончательном выборе типа антенны играет так-

же экономическая сторона, однако вопросы экономики

выходят за рамки настоящей книги.

После выбора типа антенны расчет ее ведется мето-

дом последовательных приближений.

Для выбранного типа антенны известны приближен-

ные соотношения, связывающие размеры антенны с ши-

риной главного лепестка ДН при возможных распреде-

лениях тока (поля), и соотношения, связывающие рас-

пределение тока с уровнем боковых лепестков. Пользу-

ясь этими соотношениями, выбирают подходящее распре-

деление тока и определяют ориентировочные размеры

антенны; при этом производят выбор и определение па-

раметров отдельных элементов антенны, например облу-

чателя в антеннах оптического типа, линии питания

и т. д. После этого по известным размерам антенны и

распределению тока определяют ее параметры (ДН,

КНД, КУ, входное сопротивление и т. д.). Методы рас-

чета ДН и других параметров антенны хорошо разрабо-

таны, и особых трудностей при этом не возникает. Далее

производят сравнение полученных данных с требуемыми

по заданию. Обычно обнаруживаются некоторые расхож-

дения, которые затем уменьшают соответствующей кор-

ректировкой размеров антенны и распределения токов;

при этом производят также необходимые изменения в эле-

ментах антенны Затем еще раз определяют параметры

антенны и сравнивают их с заданными. Обычно одного-

двух пересчетов оказывается достаточно, чтобы полу-

чить удовлетворительное приближение параметров ан-

тенны к их заданным значениям.

Глава

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

АНТЕНН

Антенная система, являясь обязательным элементом

любой линии радиосвязи, в значительной степени опре-

деляет технические возможности этой линии. Влияние

антенны на характеристики радиолинии, а также на

условия работы линии передачи и генератора токов вы-

сокой частоты оценивается с помощью ряда парамет-

ров.

Эти параметры позволяют судить об эффективно-

сти антенны как устройства, предназначенного для пре-

образования энергии токов высокой частоты в энергию

направленных электромагнитных волн в режиме переда-

чи или обратного преобразования в режиме приема.

Введение эгих параметров позволяет сравнивать раз-

личные типы антенн, судить о пригодности какой-либо

антенны для решения задач радиосвязи и устанавливать

соответствие антенны предъявляемым требованиям.

Ниже кратко рассматриваются основные технические

характеристики (радиотехнические параметры) антенн,

часть которых обычно служит исходными данными при

проектировании антенны, а другая часть определяется

в процессе расчета антенны. Почти все параметры со-

гласно принципу взаимности могут характеризовать ра-

боту антенны как в передающем, так и в приемном ре-

жимах. Рассмотрим вначале параметры передающих ан-

тенн, а затем раскроем их смысл при работе антенны

в режиме приема.

1-1. ПАРАМЕТРЫ ПЕРЕДАЮЩИХ АНТЕНН

Диаграмма направленности антенны

(ДН).

ДН антенны является важнейшей характеристи-

кой антенны, определяющей распределение излучаемой

антенной энергии в пространстве. В теории антенн до-

казывается (например, [ЛО. 27]), что распределение

электромагнитного поля в дальней зоне, создаваемое

любой антенной, полностью определяется векторной

функцией N, зависящей только от сферических угловых

координат (8,<р) точки наблюдения:

N(9,

<р)\ (1-1)

В дальней зоне антенны, определяемой обычно условием

#>2^-\

(1-2)

где R

—

расстояние от антенны до точки наблюдения,

a D — наибольший размер раскрыва антенны. Векторная

функция N имеет только две компоненты:

= #,(6,

<р)е

+ ^(9,

)е,, (1-3)

так как поле антенны в дальней зоне носит чисто попе-

речный относительно направления распространения харак-

тер.

Векторы е

и е — орты сферической системы коор-

динат. В общем случае функции N

и N —комплексные:

Nj=\N

; ^ —

e \ (1-4)

причем как модуль, гак и аргумент этих функций зависит

от угловых координат. Определяемые функциями N

и N

векторы поля Е и Н будут, естественно, иметь также по

две компоненты: Е

, Е и H

. Так как компоненты

Еу(Н

и Н ) в общем случае сдвинуты по фазе, то

векторы Е и Н не будут векторами постоянного во вре-

мени направления. Под диаграммой направленности антенны

по полю понимают графическое изображение изменения

модуля функций iV

и N в зависимости от угловых коор-

динат 6 и «р*

. Так как эти функции определяют векторы

* Векторная функция N полностью определяегся распредете-

нием источников поля (токов). При наличии как электрических, так

и магнитных токов поле излучения определяется двумя функциями

N и N^, причем N соответствует электрическим, a N^

—

магнитным

токам (гл. 2).

** На практике часто функцию, описывающую ДН, также назы-

вают ДН.