Антенны. Комплексная векторная характеристика направленности

Антенны

Антенны являются неотъемлемой составной частью любой системы радиосвязи, которую используют электромагнитные волны в технологических целях. Помимо… Справка: Согласованные системы – это системы, которые передают друг другу максимум предназначенной для передачи…

Основные характеристики и параметры прередающей антенны

Ø Радиотехнические; Ø Конструктивные; Ø Эксплуатационные;

Комплексная векторная характеристика направленности

Комплексная векторная ХНА – это зависимость от направления (поляризация, фаза) электрического поля излученных антенной волн в равноудаленных от нее точках (на поверхности сферы радиуса r).

В общем случае комплексная ХНА состоит из трех сомножителей:

,

где - сферические координаты точки наблюдения поля излученной антенной волны.

 

Амплитудная ХНА

Амплитудная ХНА – это зависимость от направления амплитуды напряженности электромагнитной волны, излученной антенной в равноудаленных от нее точках.

Обычно рассматривают нормированную амплитудную ХНА:

,

где - направление в котором значение амплитудной ХНА максимально.

 

Диаграмма направленности антенны (ДНА)

Диаграмма направленности антенны – сечение амплитудной ХНА плоскостями, проходящими через направление или перпендикулярно ему.

Наиболее часто используется сечение взаимно ортогональными плоскостями.

Диаграмма направленности имеет лепестковую структуру. Лепестки характеризуются амплитудой и шириной.

Ширина лепестка ДНА – угол в пределах которого амплитуда лепестка изменяется в допустимых заданных пределах.

Лепестки бывают:

Ø Главный лепесток;

Ø Боковые лепестки;

Ø Задний лепесток.

Ширину лепестков определяют по нулям или по уровню половины максимальной мощности.

Ø По полю = 0.707;

Ø По мощности = 0.5;

Ø В логарифмическом масштабе = -3 дБ.

Нормированная амплитудная ХНА по мощности связана с амплитудной ХНА по полю соотношением:

Для изображения ДНА используют полярные и прямоугольные системы координат и три вида масштаба:

Ø Линейный (по полю);

Ø Квадратичный (по мощности);

Ø Логарифмический

 

 

 

 

Фазовая ХНА

Фазовая ХНА - это зависимость от направления фазы гармонической электромагнитной волны в области дальнего поля в равноудаленных от начала координат точках в фиксированный момент времени.

Справка:

Фазовый центр антенны – точка в пространстве, относительно которой значение фазы в дальней зоне не зависит от направления и изменяется скачком на при переходе от одного лепестка ХНА к другому.

Для точечного источника электромагнитной волны, излучающего сферическую волну, поверхность равных фаз имеет вид сферы.

Поляризационная ХНА

Электромагнитная волна характеризуется поляризацией.

Поляризация – пространственная ориентация вектора Е, рассматриваемая в любой фиксированной точке дальнего поля в течении одного колебания.

В общем случае конец вектора Е за один период колебания в любой фиксированной точке пространства описывает эллипс, который расположен в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (эллипс поляризации).

Поляризация характеризуется:

Ø параметрами эллипса;

Ø пространственной ориентацией эллипса;

Ø направлением вращения вектора Е.

Сопротивление излучения антенны

Сопротивление излучения антенны – это волновое сопротивление окружающего антенну пространства , перещитанное ею на вход, или в любое сечение питающего ее волновода, где понятие полного тока имеет смисл и может быть определено.

Сопротивление излучения может бать посчитано по формуле:

Сс,

где I – значение полного тока в данном месте антенны или питающего ее двухпроводной линии, которая эквивалентна питающему полому волноводу.

Входное сопротивление антенны

Входное сопротивление антенны – это отношение комплексных амплитуд гармонических напряжений и токов на входных клеммах антенны.

Входное сопротивление антенны характеризует антенну, как нагрузку для питающей линии.

Данный параметр используют в основном для линейных антенн, т.е. антенн, у которых входные напряжения и токи имеют ясный физический смысл и могут быть измерены.

Для антенн СВЧ обычно задают размеры сечения их входного волновода.

Коэффициент полезного действия (КПД) антенны

Определяет эффективность передачи антенной в окружающие пространство.

- сопротивление потерь

Справка:

С увеличением f КПД антенны увеличивается от единиц процентов на длинных волнах, до 95-99% на СВЧ.

Электрическая прочность и высотность антенны

Электрическая прочность антенны – способность антенн выполнять свои функции без электрического пробоя диэлектрика в ее конструкции или окружающей среды при увеличении поступающей на ее вход мощности электромагнитной волны.

Количественно электрическую прочность антенны характеризуют предельно допустимой мощностью и соответствующей ей критической напряженностью электрического поля, при которых начинается пробой.

Высотность антенны

Высотность антенны – это способность антенн выполнять свои функции без электрического пробоя окружающей атмосферы при увеличении высоты расположения этой антенны при заданной мощности передачи.

Справка :

С увеличением высоты электрическая прочность сначала уменьшается, достигая минимума на высотах 40-100 км, а затем вновь возрастает.

Диапазон рабочих частот антенны

Интервал частот от f_max до f_min, в пределах которого ни один из параметров и характеристик антенны не выходит за пределы, указанные в технических условиях.

Обычно диапазон определяется тем параметром, значение которого при изменении частоты раньше других выходит из допустимых пределов. Чаще всего этим параметром оказывается входное сопротивление антенны.

Количественными оценками диапазонных свойств антенны являются полоса пропускания и коэффициент пропускания:

 

Часто пользуются относительной полосой пропускания

,

где

Антенны по параметру делят на:

Ø узкополосные ( );

Ø широкополосные ( );

Ø сверхширокополосные (частотно-независимые антенны) ( ).

Коэффициент направленного действия (КНД)

Коэффициент направленного действия антенны в заданном направлении - это число, показывающие во сколько раз значение вектора Пойнтинга в рассматриваемом направлении в фиксированной точке дальней зоны отличается от значения вектора Пойнтинга в этой же точке если заменить рассматриваемую антенну на абсолютно-ненаправленную (изотропную) антенну при условии равенства их излучаемых мощностей.

Справка:

Обычно указывают максимальное значение КНД антенны в направлении максимума ее излучения.

Вибратор: КНД=0.5;

Полуволновой симметричный вибратор: КНД=1,64;

Рупорная антенна: КНД [50;100];

Зеркальная антенна: КНД [1000;10000];

Антенны космических аппаратов: КНД [10000;100000000];

Ограничителем верхнего предела КНД являются технологические погрешности изготовления и влияние условий эксплуатации.

Минимальные значения максимумов КНД реальных антенн всегда >1, т.к. абсолютно ненаправленных антенн не существует.

КНД связан по полю с нормированной амплитудной ХНА:

,

где – максимальное значение КНД в направлении максимального излучения антенны, в котором .

КНД показывает тот выигрыш в мощности, который обеспечивает применение направленной антенны, но не учитывает тепловые потери в ней.

Коэффициент усиления антенны

Коэффициент усиления антенны в данном направлении – это число, показывающие выигрыш в мощности от применения направленной антенны с учетом тепловых потерь в ней:

Эквивалентная изотропно-излучаемая мощность

Эквивалентная изотропно-излучаемая мощность - это произведение подводимой к антенне мощности на максимальное значение ее коэффициента усиления.

 

Коэффициент рассеивания антенны

Коэффициент рассеивания антенны – это число, показывающие долю излучаемой мощности, приходящейся на долю боковых и задних лепестков.

- определяет мощность, приходящуюся на главный лепесток ХНА

Действующая длина антенны

В среде с волновым сопротивлением действующая длина антенны определяется выражением: Приёмные антенны, их характеристики и параметры При любой конструкции антенны : волновода и приёмника энергия возбудителя в антенне токов не может быть полностью…

Излучающие системы

Решетки, излучатели

Антенные решетки в зависимости от расположения элементов подразделяют:   Наиболее часто применяются прямолинейные и плоскостные антенные решетки. Решетки также различают эквидистантные, у…

Теорема умножения ХНА

Определить поле излучения решетки в т. N. Комплексная амплитуда вектора электрического поля излучения n-го элемента решетки в векторной форме может… Где , - амплитуда и фаза тока в n-ом элементе;

ПРЯМОЛИНЕЙНЫЕ ИЗЛУЧАЮЩИЕ СИСТЕМЫ

Идеальный прямолинейный излучатель ИПЛИ

     

Свойства множителя направленности ИПЛИ

  Множитель направлености ИПЛИ имеет: 1. Один главный лепесток еденичной величины при ξ = 0;

Влияние фазовых искажений на параметры прямолинейной антенны

Различают:

- детерминированные;

- случайные фазовые искажения.

Распределение детерминированных фазовых ошибок является гладким и его представляют в формуле степенного ряда

 

Где - амплитудное распределение

- фазовое распределение

Распределение фазовой ошибки возбуждателя.

- линейные; - квадратичные; - кубичные.

Квадратичные фазовые искажения

     

Кубичные фазовые искажения

 

 

 

Кубичные фазовые искажения вызывают сдвиг максимума направленности в сторону края антенны с дополнительной краевым запаздыванием.

Относительное смещение

 

Отклонение максимума при равномерном распределении и кубичной фазовой ошибки в 1,7 раза жене чем при линейной ошибки.

Искажения формы ДН заключается в том, что главный лепесток расширяется и становится не симметричным.

Боковые лепестки по одну сторону увеличиваются, по другую уменьшаются, снижается КНД антенны.

При спадающим краям амплитудных распределении влияние кубической фазовой ошибки на форму ДН ослабляется.

Кубичные фазовые ошибки встречаются:

- в параболических зеркальных антеннах при смещении излучателя из фокуса при боковом направлении.

Случайные фазовые искажения

  Где Ф(z) – стационарный случайный процесс с нулевым средним значением и… При небольших дисперсиях структурную функцию можно аппроксимировать:

Анализ множителя направленности

Эквидистантой прямолинейной антенной решетки.

Способы подавления побочных главных максимумов.

, где Φ - разность фаз между двумя любыми соседними излучателями. Такая излучающая система является дискретным аналогом ИПЛИ. Коэффициент замедления фазовой скорости возбуждения…

Ограничение шага решетки

   

Применение направленных элементов

В соответствии с теоремой умножения полная ХН антенной решетки есть произведение ХН одного элемента на множитель направленности решетки, если один элемент имеет не значительное излечение в направлении излучения решетки то последний оказывается подавленным. Применение направленных элементов ограничивает сектор сканирования антенной решетки.

Не эквидистантное расположение излучателей

  Основным свойтством главного луча решетки при М=0, является то, что его…

КНД прямолинейной антенной решетки

1) - режим поперечного и наклонного излучения; 2) - режим осевого излучения; 3) – режим осевого излучения с оптимальным коэффициентом замедления фазовой скорости.

Симметричный вибратор

Симметричный вибратор (СВ) – это два прямолинейных проводника, одинаковой длинны l, расположенные на одной прямой и возбуждаемые с обращенных друг к другу концов.

АФР возбуждения

В следствии этого распространение тока возбуждения вдоль проводников симметричного вибратора в первом приближении аналогично распространению тока в…   - где In – значение тока в пучности

ХН симметричного вибратора.

Нормированная ХН симметричного вибратора имеет вид:

 

- где 𝜽 – угол, отсчитываемый от оси +Z

На практике часто применяют полуволновой СВ, у которого:

Для полуволнового симметричного вибратора формула (**) упрощается и имеет вид:

 

Свойства ХН симметричного вибратора

2. При любых значениях l в направлении Oz характеристика направленности симметричного вибратора = 0. 3. При ХН симметричного вибратора имеет вид сплюснутого тора, окружности… 4. При в ДН симметричного вибратора появляются боковые лепестки, величина которых растет с ростом l

Мощность излучения СВ

Имеет вид:

Сопротивление излучения СВ

В пучности тока возбуждаемого симметричный вибратором сопротивление излучения определяется со следующих выражений:

 

 

Входное сопротивление СВ

Входное сопротивление симметричного вибратора зависит от длинны, толщины и формы концов проводников СВ.

В следствии приближения заданного тока возбуждения, формулы для входного сопротивления имеют малую точность.

На практике широко применяются экспериментальные данные зависимости активной и реактивной составляющей входного сопротивления.

Основные свойства входного сопротивления СВ

2. С ростом от 0 отношения , входное сопротивление имеет чередующиеся резонансы - последовательный: - параллельный :

Действующая длина симметричного вибратора.

η_g= λ/π*tg(πl/λ);

КНД симметричного вибратора.

Зависит от l/λ и угла θ.

 

 

2,5

 

1,5

 

0,5 0,75

D_св=120 (1-сosβl)² /R_из

D_св=1,64 → l=λ/4

D_св= 3.36→ l=0.625λ

Полоса пропускания симметричного вибратора.

Δfрез/fрез=4RABX/πZВА У тонких симметричных вибраторов: l/a > 1000 Δfсв=5-10% от fрез.

Питание СВ

Для устранения ассиметрии питания симметричного вибратора применяют симетрирующие устройства: Чвертьволновой стакан, приставка, симметрическая…   Чвертьволновой стакан представляет собой металлический цилиндр , длинной , конец которого электрически соеденен с…

Симметричная приставка

На рабочей частоте f0 входное сопротивление в т. А и Б стремится к бесконечности, исключается короткое замыкание между внутренним проводом и внешней… При уходе от рабочей частоты, утечка токов в линию симметрична, что сохраняет… Отрезок двухпроводной линии в шелевом симметричном устройстве образуется двумя половинками внешней оболочки…

U– колено

Представляет собой отрезок коаксиального кабеля, подключенного концами центральной жилы к точкам А и В

Кабель подключаете к одному концу, центральной жилой (С)

Т.к длина U – колена равна , то потенциал точки А запаздывает относительно т. Б на П, в любой момент времени потенциалы этих точек равны по величине и противоположны по знаку, что соответствует симметричному питанию плеч вибратора.

U – колено широко используется благодаря своей частот, недостаток – ускополосность.

 

 

Конструкция несимметричного вибратора

  Особенностью этой антенны является излучатель широкой части ЭМЕ в нижнее… 2) Несимметричный петлевой вибратор – широко используется в диапазоне УКВ

ЩЕЛЕЫЕ АНТЕННЫ

Рассмотренные выше антенны излучают поле с линейной поляризацией. В спутниковой связи, телеуправлении, радиоразведки применятся системы… Эллиптической поляризация может быть создана системой излучателей линейной… Состоит из двух одинаковых, расположенных в одной плоскости, взаимно перпендикулярных вибраторов. Питание…

Антенны бегущей волны

Антенны бегущей волны - это непрерывные или дискретные системы возбуждение которых происходит бегущей по ней электромагнитной волной с фазовой скоростью равной или меньшей скорости света.

Классификация антенн бегущей волны:

1. Однопроводные антенны бегущей волны

2. Ромбические антенны бегущей волны

3. Многовибраторные антенны

4. Директорные антенны (волновой канал)

5. Спиральные антенны

6. Антенны поверхностных волн

7. Частотно независимые антенны

Антенны бегущих волн состоят из возбудителя и направителя.

Возбудитель- это устройство согласующие питание волн с направителем.

Направитель- открытые линии – излучатель, элементы которой последовательно возбуждаются бегущей по нему электромагнитной волной от возбудителя.

Излучатели прямолинейного провода с бегущей волной тока

Пусть в направлении оси по прямолинейному проводу длинной бежит ток со скоростью света

Этот провод можно рассматривать как непрерывную прямолинейную систему элементарных излучателей , характеристики направленности которых, с коэффициентом замедления равны 1.

 

Диаграмма направленности:

 

 

Ромбическая антенна

Справка Ромбические антенны применяется на коротких волнах для связи ионосферной… Ширина характеристика направленности уменьшается при увеличении отношения . Угол отклонения главного лепестка от…

Однопроводные антенны бегущей волны

(Беверджа)

Устройство - длинной провод, подвешенной на высоте несколько метров над землей, на конце обращенной к кореспонденту провод соединяет замедлением через сопротивление нагрузки равной волновому сопротивлению антенны. На другом конце антенны подсоединена к согласованному с ней входу приемника.

 

Диаграмма направленности антенны можно определить по теореме умножения, если учесть, что

 

Коэффициент замедления зависит от параметров почвы высоты подвеса и длинны волны. Измененной в пределах 1.05…1.2

Коэффициент полезного действия антенны весьма мал из-за потерь в земле и резисторе нагрузке.

В основном применяются как приемная антенна, в диапазоне коротких, средних и длинных волн.

Многовибраторная антенна бегущей волны.

     

Директорная антенна(антенна типа волновой канал)

Приёмный вибратор, замкнутый накоротко, всю принимаемую энергию излучает обратно в пространство, его можно использовать в качестве пассивного отражателя (рефлектора), или направителя (директора).

Необходимое соотношение между фазами и амплитудами в активном В. и пассивном Р. Достигается подбором расстояния между ними и регулируемой длинны.

 

 

 

Система их активного В. и пассивного Р. Широко используется в радиолокации. Максимальный КНД не превышает 5. Для увеличения КНД применяют многоэлементные директорные антенны.

 

Директорная антенна типа волновой канал( антенна Уда-Яги)

Используя в качеству активного петлевого вибратора позволяет крепить его непосредственно к стреле, это упрощает конструкцию.    

Сложные директорные антенны

В целях сужения ДН и повышения КНД применяют сложные системы состоящие из ряда директорных антенн, расположенных в одной горизонтальной плоскости. Использование двух директорных антенн с расстоянием между ними 1.25λ, позволяет сузить ДН до 25 градусов. Применение 4х ДА с расстоянием между ними 1.3λ до 10-15 градусов. Применение нескольких волноводных каналов, расположенных в горизонтальной плоскости сужают ДН только в горизонтальной плоскости, не изменяя её в вертикальной.

Спиральные антенны

а – радиус намотки; d – расстояние между витками; α – угол подъема.

Диэлектрические стержневые антенны

Коэффициент укорочения волны в диэлектрической антенне зависит от отношения диаметра стержня к длине рабочей волны и от относительной…

Частотно-независимые антенны бегущей волны

В основе построение частотно-независимых антенн лежат 3 принципа, главным из которых – принцип подобия. Он отражает известные свойства идеальной…

Апертурные антенны

К ним относятся: § рупорные; § линзовые;

Волноводные излучатели

Простейшим излучателем сантиметровых волн является открытый конец прямоугольного или круглого волновода.

2θ_0,5^Н = 1,18*λ/а

2θ_0,5^Н = 0,89*λ/b ,

где λ – длина волны, а*b - размеры волновода.

КНД определяется следующим выражением:

D= 4πabK_ип/λ² ≈10,2 ab/λ² , где K_ип - коэффициент использования поверхности (для прямоугольных волноводов K_ип = 0,81).

Для круглого волновода при волне Н₁₁:

2θ_0,5^Н = 1,62*λ/2r

2θ_0,5^Н = 1,21*λ/2r

D=8.3(2r/λ)² ,где r – радиус волновода.

Рупорные антенны

Для получение большей направленности волноводный излучатель превращают в рупорные антенны:

- секториальные

- пирамидальные

- конические

Рупоры с максимальным КНД называют оптимальными.

H→Ф = 3π/4

Е→Ф = π/2 - фазовые ошибки на краях раскрыва.

Размеры оптимального Н- плоскостного секториального рупора связаны между собой:

L_опт^Н=а_р²/3λ , где L_опт^Н и а_р оптимальные длина и ширина раскрыва рупора.

Ширина луча по уровню половины мощности

2θ_0,5^Н = 1,45λ/а_р

2θ_0,5^Е = 0,89 λ/8

Точно также и для Е – плоскости:

L_опт^Е=b_р²/2λ

2θ_0,5^E = 1,18 λ/а

2θ_0,5^E = 0,93 λ/ b_р

КНД оптимальных секториальных рупоров

D=4πSK_ип/λ² = 85/λ²

S – площадь раскрыва рупора, K_ип= 0,64

Рупоры могут быть клиновидными и остроконечными. Размеры оптимального клиновидного рупора определяются следующими соотношениями:

L_опт^Е = B²/2λ

L_опт^Н = A²/3λ

Остроконечного:

L_опт = а_р/3λ

b_р ≈ 0.8 a_р

Для конической рупорной антенны:

2θ_0,5^Н = 1,23 λ/d_р

2θ_0,5^E = 1,05 λ/ d_р

D= (πd_р / λ)² K_ип ≈ 5(d_р / λ)²

K_ип = 0,51

G=η*D

Зеркальные антенны

Источником Эмв служит какая либо слабонаправленная антенна-облучатель По направленности, коефициенту эффективности ,простоте конструкции зеркальные… Они широко используются в качестве антенн радиополосных станций, радиорелейных антенн, антенн бортовой радиостанции. …

Допуски на отклонение профиля параболоида зеркала

 

 

Смещение облучателя из фокуса в направлении перпендикулярном оси, вызывает отклонение луча в сторону противоположной оси, изменяясь на угол определяющийся по формуле:

- где К_р – коэффициент редукции, зависящий от размеров и фокусирующих свойств антенны.

 

Основные схемы двухзеркальных антенн

В большинстве случаев в качестве большого зеркала используется параболоид с фокусом f1.

Если малое зеркало находится перед f1, то двухзеркальная антенна называется системой Кассегрена, в которой малое зеркало имеет гиперболический профиль.

Если малое зеркало находится за фокусом параболоида, то система называется системой Грегори, в которой малое зеркало имеет эллиптический профиль.

Преимущества двухзеркальных антенн

1. Меньшие продольные размеры

2. Расположение первичных облучателей вблизи вершины большего зеркала приводит к существенному уменьшению длинны в ПП, что позволяет повысить отношение сигнал-шум.

3. Расположение облучателя вблизи вершины приводит к тому, что рассеянная энергия идет переднюю полусферу. Это снижает фон излучения (шумовую температуру антенны)

4. Возможности метода сканирования расширяются путем смещения облучателя.

5. Наличие 2-х зеркал облегчает решение задачи обеспечения требования ХН.

6. Кип в 2-х зеркальной антенне составляет 0,7-0,8 вместо 0,4-0,5 для однозеркальной.

7. Можно задаваться произвольной формой большого зеркала, не опасаясь потери энергии.

8. Наличие 2-х зеркал и 2-х фокусов облегчает создание многофункциональных систем, дает возможность обьеденить две различные антенны в одной конструкции.

Распространение радиоволн

Каждая радиолиния связи состоит из трех основных частей:

1. Передающие устройство (передатчик + антенна);

2. Приемная часть (приемик + антенна);

Естественная природная среда;

Свободное распространение радиоволн в земной атмосфере определяется двумя группами факторов: 1) Связана с влиянием земной поверхности; Влияние земной поверхности определяется:

В наличии отраженной от земли волны;

Если точка наблюдается в пределах прямой видимости радиостанции (луч 2), то результирующие поле представляет собой суму полей прямой и отраженных.

Справка:

· В следствии интерференции прямой и отраженных волн дальность действия в одних направлениях уменьшается, в других – увеличивается по сравнению с дальностью действия в свободном пространстве;

· Из-за неровностей земной поверхности механизм распространения радиоволн усложняется;

· Отражение радиоволн от земной поверхности сказывается на работе радиостанций всех диапазонов , но в больше й степени метрового диапазона волн.

В ограниченности дальности прямой видимости вследствие сферической земли;

В дифракции выпуклостей земли;

Поглощение части энергии электромагнитной волны, которая распространяется вдоль земли.

 

Вследствие сферичности земли, распространяющиеся над ней радиоволны испытывают явление дифракции, причем только в том случае, если размеры препятствий соизмеримы с длиной волны.

Если размер h>>λ, то такие волны практически не дифрагируют на земном шаре и распространяются прямолинейно.

Радиоволны, длина которых соизмерима с h, огибают кривизну земного щара.

На характер распространения радиоволн значительное влияние оказывает рельеф и электрические свойства земной поверхности.

 

Влияние атмосферы