Файл: Методические указания и задания к курсовому проектированию для студентов специальности Радиотехника Екатеринбург 2022 удк 621. 396.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 06.11.2023
Просмотров: 101
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
:
.
Ширина главного лепестка для оптимального конического рупора соответственно в плоскости векторов
и 
рассчитывается следующим образом:
,
.
Длина оптимального конического рупора связана с его диаметром формулой:
.
Ширину главного лепестка рупорной антенны при другом уровне мощности можно определить из графиков, приведенных, например, в [4].
Если рупор является облучателем зеркальной антенны, то актуальным становится вопрос определения положения его фазового центра. Для рупорных антенн с максимальной фазовой ошибкой по краю апертуры Ψmax <100º÷120º, что соответствует оптимальным размерам, положение фазового центра для прямоугольного рупора в плоскости вектора Е рассчитывается по формуле:
,
в плоскости вектора
.
Аналогично для конического рупора
, 
,
где
, 
- расстояние от апертуры до фазового центра, соответственно в плоскостях векторов и , а Ψmax – максимальная фазовая ошибка на краю апертуры конического
и прямоугольного
, 
рупоров.
1.7 Директорные антенны
Директорная антенна представляет собой линейную антенную решетку вибраторов с осевым излучением (рис.1.11). Вибратор, к которому подводится питание, называется активным. Необходимый режим питания пассивных вибраторов, при котором обеспечивается коэффициент замедления близкий к оптимальной величине:
(L – длина антенны), обеспечивается подбором их длин и расстояний 
и 
. Один из вибраторов настраивается в режим рефлектора, то есть он создает преимущественное излучение в направлении активного вибратора. При обычно выбираемом значении
, его сопротивление должно быть индуктивным, что обеспечивается увеличением длины волны вибратора по сравнению с полуволновым.
Рефлектор, как правило, один, так как последующие будут находится в минимуме поля и не окажут заметного влияния на улучшение характеристик излучения антенны. Конструктивно он выполняется или в виде одиночного стержня или в виде Н-образного вибратора или сетчатой конструкции. Последние две разновидности используются для уменьшения заднего излучения.
Количество директоров может достигать десяти и более. Однако, при увеличении их числа, реактивное (емкостное) сопротивление настройки увеличивается, что требует укорочения директоров. Это приводит, в свою очередь, к уменьшению токов на них, особенно на далеко удаленных от активного вибратора. По этой причине сужение диаграммы направленности директорной антенны с увеличением её длины происходит значительно медленнее, чем у антенн с осевым излучением и элементами, возбуждаемыми с одинаковой интенсивностью, например антенн бегущей волны. Вторым препятствием использования директорных антенн с большим числом директоров является необходимость увеличения фазовой скорости, что приводит к возрастанию
требований к точности изготовления антенны, так как оптимальное значение
все меньше отличается от критического замедления 
, при котором излучение вдоль антенны вообще отсутствует.
Конструктивно наиболее удобным являются антенны с числом директоров не более 5-10. Директоры, как и рефлектор, крепятся обычно к металлической продольной штанге, которая не оказывает влияния на поле, так как перпендикулярна ему.
Обычно выбирают
. В этом случае для обеспечения емкостного характера сопротивления директоры должны быть короче полуволновых вибраторов. Их длины уменьшаются по мере удаления от активного вибратора.
Из-за влияния пассивных вибраторов входное сопротивление активного полуволнового вибратора падает до 20-30 Ом, что затрудняет его согласование с питающей линией. По этой причине активный вибратор обычно выполняют петлевым, у которого входное сопротивление примерно в четыре раза выше, чем у обычного. Петлевой вибратор, кроме этого, обладает лучшими частотными свойствами и может крепиться к металлическому стержню в точке нулевого потенциала без изолятора.
В качестве простых излучателей в составе антенных решеток используются директорные антенны с числом элементов (активный вибратор плюс директоры и рефлекторы) от 3 до 7.
При заданной геометрии антенны амплитуды и фазы токов во всех вибраторах, необходимые для расчета ДН, можно рассчитать на основании теории связанных вибраторов, решая систему уравнений Кирхгофа. Задача синтеза директорной антенны является достаточно сложной и обычно решается численными оптимизационными методами.
В настоящее время разработано большое число различных конструкций директорных антенн метрового и дециметрового диапазонов [5]. На рис.1.12 приведена ДН трехэлементной антенны (один активный петлевой вибратор, один рефлектор, один директор) в двух плоскостях. Видно, что диаграмма не имеет боковых лепестков, но имеет значительный задний лепесток. Уровень заднего лепестка (УЗЛ) составляет несколько больше 0,2 (-14дБ). В плоскости вектора Е диаграмма имеет четко выраженные нули, так как вибратор вдоль своей оси не излучает, а в плоскости вектора Н нулей нет. Аналогичный вид имеют и ДН директорных антенн с большим числом элементов.
В таб.1.3 приведены нормированные к длине волны геометрические размеры и основные параметры ДН директорных антенн с одиночным рефлектором, используемых в телевизионном вещании в МВ и ДМВ диапазонах [5]. Длину активного вибратора la во всех случаях можно брать равной λ/2.
Таблица 1.3
2. Антенные решетки
Антенная решетка (АР) представляет собой группу излучающих элементов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, причем токи в каждом элементе, в общем случае, имеют различные амплитуды и фазы. Поле решетки определяется путем суперпозиции полей отдельных элементов. Это приводит к представлению суммарного поля в виде ряда. Принудительное изменение фаз в элементах АР приводит к перемещению луча антенны в пространстве – сканированию. Антенны такого класса называются фазированными антенными решетками – ФАР. Применение находят линейные, плоские, осесимметричные (например, кольцевые) решетки, решетки специальной формы.
Для формирования узконаправленного излучения в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях и обеспечения возможностей управления лучом в некотором пространственном секторе углов необходимо использовать двумерную (поверхностную) решетку излучателей.
Н
а практике находят применение поверхностные АР самой разнообразной формы и структуры. Однако – наибольшее распространение имеют АР, схема, которой изображена на рис.2.1. Это плоская решетка идентичных и одинаково ориентированных излучателей расположенных в узлах прямоугольной эквидистантной сетки с периодом dx и dy.
Рассмотрим прямоугольную решетку с неравномерным амплитудным и линейным фазовым распределением, сфазированную для ориентации луча под углами
. В этом случае распределение тока по элементам записывается как:
, где 
, 
, 
. (2.1)
, 
, где 
и 
.Ширина главного лепестка для оптимального конического рупора соответственно в плоскости векторов
и рассчитывается следующим образом: , .Длина оптимального конического рупора связана с его диаметром формулой:
.Ширину главного лепестка рупорной антенны при другом уровне мощности можно определить из графиков, приведенных, например, в [4].
Если рупор является облучателем зеркальной антенны, то актуальным становится вопрос определения положения его фазового центра. Для рупорных антенн с максимальной фазовой ошибкой по краю апертуры Ψmax <100º÷120º, что соответствует оптимальным размерам, положение фазового центра для прямоугольного рупора в плоскости вектора Е рассчитывается по формуле:
,в плоскости вектора
.Аналогично для конического рупора
, ,где
, - расстояние от апертуры до фазового центра, соответственно в плоскостях векторов и , а Ψmax – максимальная фазовая ошибка на краю апертуры конического
и прямоугольного
, рупоров.
1.7 Директорные антенны
Директорная антенна представляет собой линейную антенную решетку вибраторов с осевым излучением (рис.1.11). Вибратор, к которому подводится питание, называется активным. Необходимый режим питания пассивных вибраторов, при котором обеспечивается коэффициент замедления близкий к оптимальной величине:
(L – длина антенны), обеспечивается подбором их длин и расстояний и . Один из вибраторов настраивается в режим рефлектора, то есть он создает преимущественное излучение в направлении активного вибратора. При обычно выбираемом значении , его сопротивление должно быть индуктивным, что обеспечивается увеличением длины волны вибратора по сравнению с полуволновым. Рефлектор, как правило, один, так как последующие будут находится в минимуме поля и не окажут заметного влияния на улучшение характеристик излучения антенны. Конструктивно он выполняется или в виде одиночного стержня или в виде Н-образного вибратора или сетчатой конструкции. Последние две разновидности используются для уменьшения заднего излучения.
Количество директоров может достигать десяти и более. Однако, при увеличении их числа, реактивное (емкостное) сопротивление настройки увеличивается, что требует укорочения директоров. Это приводит, в свою очередь, к уменьшению токов на них, особенно на далеко удаленных от активного вибратора. По этой причине сужение диаграммы направленности директорной антенны с увеличением её длины происходит значительно медленнее, чем у антенн с осевым излучением и элементами, возбуждаемыми с одинаковой интенсивностью, например антенн бегущей волны. Вторым препятствием использования директорных антенн с большим числом директоров является необходимость увеличения фазовой скорости, что приводит к возрастанию
требований к точности изготовления антенны, так как оптимальное значение
все меньше отличается от критического замедления , при котором излучение вдоль антенны вообще отсутствует.Конструктивно наиболее удобным являются антенны с числом директоров не более 5-10. Директоры, как и рефлектор, крепятся обычно к металлической продольной штанге, которая не оказывает влияния на поле, так как перпендикулярна ему.
Обычно выбирают
. В этом случае для обеспечения емкостного характера сопротивления директоры должны быть короче полуволновых вибраторов. Их длины уменьшаются по мере удаления от активного вибратора.Из-за влияния пассивных вибраторов входное сопротивление активного полуволнового вибратора падает до 20-30 Ом, что затрудняет его согласование с питающей линией. По этой причине активный вибратор обычно выполняют петлевым, у которого входное сопротивление примерно в четыре раза выше, чем у обычного. Петлевой вибратор, кроме этого, обладает лучшими частотными свойствами и может крепиться к металлическому стержню в точке нулевого потенциала без изолятора.
В качестве простых излучателей в составе антенных решеток используются директорные антенны с числом элементов (активный вибратор плюс директоры и рефлекторы) от 3 до 7.
При заданной геометрии антенны амплитуды и фазы токов во всех вибраторах, необходимые для расчета ДН, можно рассчитать на основании теории связанных вибраторов, решая систему уравнений Кирхгофа. Задача синтеза директорной антенны является достаточно сложной и обычно решается численными оптимизационными методами.
В настоящее время разработано большое число различных конструкций директорных антенн метрового и дециметрового диапазонов [5]. На рис.1.12 приведена ДН трехэлементной антенны (один активный петлевой вибратор, один рефлектор, один директор) в двух плоскостях. Видно, что диаграмма не имеет боковых лепестков, но имеет значительный задний лепесток. Уровень заднего лепестка (УЗЛ) составляет несколько больше 0,2 (-14дБ). В плоскости вектора Е диаграмма имеет четко выраженные нули, так как вибратор вдоль своей оси не излучает, а в плоскости вектора Н нулей нет. Аналогичный вид имеют и ДН директорных антенн с большим числом элементов.
В таб.1.3 приведены нормированные к длине волны геометрические размеры и основные параметры ДН директорных антенн с одиночным рефлектором, используемых в телевизионном вещании в МВ и ДМВ диапазонах [5]. Длину активного вибратора la во всех случаях можно брать равной λ/2.
Таблица 1.3
| Число элементов |  |  |  |  |  |  |  |  | УЗЛ, дБ | Коэффициент усиления по сравнению с λ/2 вибратором, дБ |
| 3 | 0,55/0,15 | 0,41/0,1 | - | - | - | - | 68º | 110º | -14 | 5 |
| 4 | 0,62/0,27 | 0,43/0,075 | 0,42/0,23 | - | - | - | 63º | 95º | -14 | 6 |
| 5 | 0,62/0,27 | 0,43/0,075 | 0,43/0,2 | 0,42/0,17 | - | - | 58º | 80º | -14 | 7 |
| 6 | 0,59/0,27 | 0,43/0,027 | 0,43/0,2 | 0,42/0,19 | 0,4/0,2 | - | 53º | 70º | -16 | 8 |
| 7 | 0,58/0,27 | 0,43/0,06 | 0,43/0,2 | 0,42/0,2 | 0,42/0,2 | 0,42/0,2 | 51º | 65º | -16 | 8,5 |
| 9 | 0,58/0,27 | 0,43/0,12 | 0,43/0,22 | 0,43/0,2 | 0,43/0,2 | 0,43/0,2 | 46º | 55º | -15 | 9,7 |
| | | | | | | | | | | |
2. Антенные решетки
Антенная решетка (АР) представляет собой группу излучающих элементов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, причем токи в каждом элементе, в общем случае, имеют различные амплитуды и фазы. Поле решетки определяется путем суперпозиции полей отдельных элементов. Это приводит к представлению суммарного поля в виде ряда. Принудительное изменение фаз в элементах АР приводит к перемещению луча антенны в пространстве – сканированию. Антенны такого класса называются фазированными антенными решетками – ФАР. Применение находят линейные, плоские, осесимметричные (например, кольцевые) решетки, решетки специальной формы.
Для формирования узконаправленного излучения в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях и обеспечения возможностей управления лучом в некотором пространственном секторе углов необходимо использовать двумерную (поверхностную) решетку излучателей.
Н
а практике находят применение поверхностные АР самой разнообразной формы и структуры. Однако – наибольшее распространение имеют АР, схема, которой изображена на рис.2.1. Это плоская решетка идентичных и одинаково ориентированных излучателей расположенных в узлах прямоугольной эквидистантной сетки с периодом dx и dy.Рассмотрим прямоугольную решетку с неравномерным амплитудным и линейным фазовым распределением, сфазированную для ориентации луча под углами
. В этом случае распределение тока по элементам записывается как: , где , , . (2.1) , , где и