Элементарные источники излуч ения

Глава 2. АНТЕННЫ

Причиной существования электромагнитного поля является электрический ток, расходующий энергию источника. Взаимосвязь этого тока с создаваемым им электромагнитным полем описывается системой уравнений Максвелла.

Всякий переменный ток создает электромагнитное поле, но пока размеры области тока (L) малы по сравнению с длиной волны, т. е. при L λ — излучение мало. С ростом частоты и уменьшением длины волны излучение быстро возрастает. Это явление используют для создания излучающих устройств — передающих антенн. При этом необходимо учитывать требования к согласованию передающей антенны со свободным пространством, придания антенне направленных свойств и ориентацию излучаемой энергии в пространстве.

С другой стороны постороннее тело, размещенное в электромагнитном поле, за счет наводимых на нем токов деформирует электромагнитное поле, поскольку налагается на него. Наведенные на постороннем теле токи могут быть использованы для обнаружения стороннего поля. Таким образом, данная антенна может выполнять также функции приемной антенны. Направленные свойства одной и той же антенны при приеме и передаче одинаковые, что следует из теоремы взаимности.

Основные параметры антенных устройств

К основным параметрам следует отнести коэффициент полезного действия (КПД), входное сопротивление антенны, характеристику направленности, коэффициент направленного действия (КНД), коэффициент усиления (КУ), понятие эффективной поверхности антенны (эффективной высоты) и связанное с этим понятие коэффициента использования.

КПД антенны характеризуется отношением излучаемой мощности к подводимой и обозначается . Обозначив излучаемую (т. е. полезную) мощность P _∑, будем иметь

где R _∑ — сопротивление излучения антенны, а

— действующее значение тока.

Подводимая к антенне мощность равна

P_подв = P _∑ + P_пот,

где P_пот — мощность потерь в антенне.

Таким образом

откуда находим КПД

Так как поток вектора Пойнтинга через полную границу некоторой поверхности (обычно сферы), окружающей антенну в дальней зоне, равен среднему значению излучаемой мощности

то отсюда следует, что

где W₀ — волновое сопротивление окружающей среды.

Если вместо сопротивления излучения использовать понятие проводимости излучения G_∑, тогда

где U_m— амплитуда напряжения, а

Поскольку размер антенны больше или соизмерим с длиной волны, то на излучающей (или принимающей) поверхности антенны ток (или напряжение) в разных ее точках имеет различные значения ( I_m , U_m ). Поэтому для характеристики обычно используют ток на входных клеммах антенны и ток в пучности (I_m ₀ и I_m_п). К этим значениям тока и относят обычно сопротивление излучения. Часто это используется при рассмотрении линейных антенн (вибраторов).

Связь между I_m ₀ и I_m_п определяется выражением

где , а l — длина линейной антенны, от точки питания.

Входное сопротивление антенны оказывает существенное влияние на работу генератора, поскольку входное сопротивление антенны непосредственно или через линию передачи является его нагрузкой. Это сопротивление может быть записано в следующем виде:

где R_Аи Х_А — активная и реактивная составляющие.

Реактивная часть сопротивления Х_А может иметь любой знак (+ или -), в зависимости от конструкции антенны. Для согласования антенны с передатчиком используются рассмотренные выше методы. У правильно сконструированных антенн R_пот R_∑, поэтому активная часть входного сопротивления близка к сопротивлению излучения R_∑. Однако может быть такое распределение тока на антенне, при котором R_A R_∑. Рассмотрим это на примере линейных антенн (вибраторов). Длина волнового симметричного вибратора такова, что на входе (в точках питания) будет располагаться узел тока, при этом R_A R_∑.

Характеристика направленности — диаграмма направленности по мощности — характеризуется зависимостью величины потока мощности, излучаемой антенной, в функции от направления в пространстве. Также диаграмма направленности может характеризоваться амплитудой напряженности поля. Строится диаграмма направленности обычно в полярной а) или декартовой б) системах координат — рис. 2.1.

Для пространственного изображения диаграммы направленности используют, как правило, два взаимно перпендикулярных сечения, которые называют экваториальной (перпендикулярной оси излучателя) и меридиональной (проходящей через ось излучателя) плоскостями. Для удобства обычно диаграмму направленности нормируют относительно максимального значения излучения (по напряженности поля или мощности). F ( α, θ) — диаграмма направленности по полю в полярных координатах (α — азимутальный угол; θ — полярный угол); F ²(α, θ) — диаграмма направленности по мощности;

— нормированная диаграмма направленности по полю;

— нормированная диаграмма направленности по мощности.

Рис. 2.1

Диаграмму направленности можно характеризовать, как качественно, например: осесимметричная, всенаправленная, узкая, широкая, так и с использованием конкретных величин ее параметров, например: ширина на разных нормированных уровнях излучаемой мощности (или поля). Наиболее часто ширина диаграммы направленности определяется по уровню половинной мощности ( ) и по уровню первого нуля ( ) — рис. 2.1, б. Уровень бокового излучения (боковых лепестков) измеряют в дБ (по мощности) относительно максимального излучения (например, первый боковой лепесток составляет 15 дБ, второй — 23 дБ и т. д.).

При графическом изображении «широких» диаграмм используют обычно полярные координаты; «узких» диаграмм — декартовы координаты (рис. 2.1).

Для всенаправленных или слабонаправленных диаграмм направленности принято характеризовать их по равномерности относительно некоторого среднего значения (т. е. определять перепад уровня излучения относительно этого значения).

Важным параметром является также рабочий диапазон волн антенны, в котором обеспечиваются заданные характеристики излучения.

Коэффициент направленного действия (КНД) D — мера направленных свойств антенны, которая характеризует увеличение потока энергии в направлении максимального излучения по сравнению с энергией в этом же направлении от изотропного излучателя при равенстве подводимых мощностей:

где П_А и П₀ — поток вектора Пойнтинга направленной и изотропной антенн в данном направлении.

КНД необходимо знать в направлении максимального излучения. Для его определения используется следующее соотношение:

Здесь E_m₍_max₎— поле в направлении максимума диаграммы направленности;

r — расстояние, на котором определяется поле;

W₀— волновое сопротивление среды.

Коэффициент усиления антенны (КУ) G излучающего раскрыва или области, с которой происходит излучение равен произведению КПД на

где — КПД, D — КНД.

Эффективная поверхность антенны. Для любой антенны распределение возбуждающих токов на ее поверхности является неравномерным. Излучаемая или принятая антенной мощность зависят от этого распределения. Поэтому антенну характеризуют некоторой эффективной поверхностью А с максимальным значением возбуждающего тока. При этом эффективная поверхность А всегда меньше геометрической поверхности S (рис. 2.2).

Рис. 2.2

Элементарные источники излуч ения

Всякая сложная антенна может рассматриваться, как совокупность сосредоточенных источников тока (диполей Герца), либо системой непрерывных токов в области раскрыва антенны, которое обычно предполагается известным. Излучаемое этой системой поле в заданной точке пространства (в дальней зоне) есть суперпозиция полей от каждого источника. Например, симметричный вибратор (рис. 1) можно представить в виде суммы диполей в соответствии со схемой рис. 2.1. При увеличении количества и соответственно уменьшении их размеров (l ступенчатая функция распределения тока вибратора переходит в плавную, соответствующую действительному распределению этого тока.

Поле, создаваемое элементарными источниками рассмотрим в дальней зоне (l ; r l). Для упрощения будем пренебрегать эффектом взаимодействия сосредоточенных источников тока.

Известны четыре простейших элементарных источника излучения, которые имеют одинаковые диаграммы направленности: элементарный электрический вибратор (диполь Герца); элементарный магнитный вибратор; элементарная электрическая рамка и элементарная магнитная рамка.

Рассмотрим также элемент Гюйгенса, который содержит элементарные электрический и магнитный вибраторы, расположенные в одной точке пространства перпендикулярно друг другу.

Элементарный электрический вибратор (диполь Герца). Под элементарным вибратором понимают короткий проводник (l c переменным током I, амплитуда и фаза которого по длине вибратора распределены равномерно.

Приведем выражение для поля электрического вибратора в прямоугольной системе XYZ координати вписанной в нее полярной системой координатами r , α, θ, где r — радиус-вектор, α — азимутальный угол, расположенный в плоскости XOY , θ — полярный угол, отсчитываемый от оси Z, S— область источников (рис. 2.3).

Для пространственного представления диаграммы направленности ее целесообразно представить в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: меридиональной (ZOY)и экваториальной (XOY).

а). В меридиональной плоскости будем иметь:

Рис. 2.3

В приведенных соотношениях , — длина волны; r — расстояние до точки, в которой определяется поле; l — длина электрического вибратора; I_m — амплитуда тока.

Нормируем диаграмму направленности элементарного вибратора, разделив на амплитудный множитель. При этом выражение для диаграммы направленности упроститься и примет вид:

б). Диаграммы направленности в экваториальной плоскости

;

Нормированные диаграммы направленности:

; 1

Сопротивление излучения

Диаграмма направленности электрического вибратора представлена на Рис. 2.4. Направление максимального излучения соответствует ; при = 0 (или π), т.е. вдоль оси вибратор не излучает.

Необходимо отметить, что диаграммы направленности электрического вибратора и магнитной рамки полностью совпадают, поэтому магнитную рамку более подробно рассматривать не будем.

Элементарная электрическая рамка эквивалентна магнитному вибратору, поэтому их диаграммы направленности также совпадают. Запишем выражение для поля электрической рамки, размещенной в плоскости ХОY площадью S с равномерным распределением тока и амплитудой I_m.

а). В меридиональной плоскости будем иметь:

Нормированные диаграммы направленности:

б). Диаграммы направленности в экваториальной плоскости

Сопротивление излучения

Амплитуда тока в рамке связана с фиктивным током ( ) эквивалентного магнитного вибратора длиной l следующим образом

где µ₀ — абсолютное значение магнитной проницаемости среды.

Диаграмма направленности элементарной электрической рамки представлена на рис. 2.5.

Элементарный магнитный вибратор можно представить в видеэлементарного щелевого излучателя с длиной l и шириной d ; d l и l , который размещен вдоль оси Z

Сопротивление излучения

Здесь U_m— амплитуда напряжения, возбуждающего щель (равномерного вдоль щели).

Элемент Гюйгенса. Электрический вибратор расположен по оси X — l _Э, а магнитный - по оси Y — l_Y; при этом выполняется условие l _Э и l _м . Диаграмма направленности строится методом суперпозиции (суммирования) излучений от каждого из вибраторов, которые соответственно равны:

Здесь W₀— волновое сопротивление среды распространения волны, Для однородной среды W = W₀и соотношения упрощаются.

Суммарный вектор электрического поля в рассматриваемой точке пространства равен геометрической сумме векторов и

Нормированная диаграмма направленности для элемента Гюйгенса

Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 692; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 5 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!