Файл: Лекции для студентов рф (группы 443, 444, 445, 446, 447, 448, 4М51, 4М52) по курсам Антенны и распространение радиоволн.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.12.2023
Просмотров: 39
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Лекции для студентов РФ (группы 443, 444, 445, 446, 447, 448, 4М51, 4М52)
по курсам «Антенны и распространение радиоволн»
(часть 3 – «Теория антенных систем», ИБТС, ПТР)
«Устройства СВЧ и антенны» (СРС)
«Теория антенных систем» (маг. РФ)
«Основы теории антенных систем» (маг. ФИИТ)
Лектор: доцент Малеханов Александр Игоревич
almal@appl.sci-nnov.ru
(910) 387 2053
_____________________________________________________________________________
Лекция 1, 02.02.2021
Тема лекции: краткий обзор курса
Первая лекция представляется как вводная и содержит краткий обзор того материала, который будет изложен в данном лекционном курсе. В свое время, когда формировался этот курс (еще в прошлом веке, хотя и в конце его ), он был курсом по выбору для студентов магистратуры, и в силу этого такой обзор делался специально для того, чтобы студенты имели возможность определиться со своим выбором. Все последние годы этот курс читается на потоке и входит в учебный план перечисленных выше специальностей как обязательный, но традиция обзорной лекции осталась, поскольку такой обзор представляется полезным вне зависимости от числа и категории слушателей.
Прежде всего, студентам предлагается познакомиться с программой курса (приложена отдельным файлом), которая сопровождается краткой аннотацией.
Как видно из аннотации, основная идея построения курса заключается в том, чтобы дать общее представление о той науке, которая есть теория антенн. Наука эта весьма обширна, поскольку обширны и разнообразны области ее применения и практического использования антенн для разного типа волн (электромагнитных, акустических), самых разных диапазонов, в самых разных средах. Радиолокация воздушных и космических объектов, гидролокация подводных объектов, астрономия в самых различных диапазонах электромагнитных волн (от оптики до радиоволн), беспроводная связь (также в разных вариантах и диапазонах), самые различные задачи диагностики различных объектов и систем (в технике, промышленности, медицине, …) – это только некоторые из примеров тех актуальных областей науки и техники, которые не обходятся без использования антенн как инструментов решения конкретных задач. Очевидно, что в силу такого разнообразия воплощений теории антенн в практику нет никакого смысла даже пытаться втиснуть его в тесные рамки семестрового курса и скакать «галопом по Европам» от одной разновидности антенн к другой. Напротив, есть смысл сделать нечто другое – выделить те основополагающие вещи, которые составляют своего рода «несущую конструкцию» всей теории антенн, и попытаться изложить эти основы, пусть в кратком варианте и без специальных деталей.
В качестве такой несущей конструкции выбраны три крупных и, что важно, внутренне взаимосвязанных направления теории антенных систем, которые указаны в качестве разделов программы. Это, по порядку: (1) прямые и (2) обратные задачи ТАС для регулярных антенн (без учета каких-либо «паразитных» флуктуаций) и затем те же задачи, но (3) в статистической постановке, т.е. с учетом возможных флуктуаций тех характеристик антенны, которые в регулярной постановке предполагаются детерминированными. По существу, это и есть те три «кита», на которых за последние несколько десятков лет было воздвигнуто многоэтажное здание современной антенной науки.
Замечу, кстати, что эти «десятки лет», если выражаться более конкретно – период времени после 2-й Мировой войны. Именно в ходе этой смертоносной войны было всеми и отчетливо понято, насколько это полезная штука – радиолокация и, соответственно, антенны, которые ее воплощают в жизнь. И во многом именно этот научно-технический вызов – необходимость становления и быстрого развития в стране радиолокации и всей радиопромышленности – привел к образованию в Горьковском университете первого в стране радиофизического факультета (а затем и в ряде других вузов). Хочется надеяться, что студенты хорошо знают историю своей alma mater, но связь этой замечательной истории с тематикой данного курса по-своему занимательна
Итак, первый раздел курса мы посвятим знакомству с прямой задачей ТАС.
В самом общем и неформальном виде эта задача формулируется как вопрос о том, для чего вообще нужна антенна и чем она принципиально отличается от «неантенны», т.е. от излучателя или приемника сигналов, размер которого меньше (и даже много меньше) соответствующей длины волны. Многие из студентов хорошо знают (особенно те, кто посещает кафедру военной подготовки), что это отличие состоит прежде всего в том, что у антенны есть направленность, которая, в свою очередь, есть свойство антенны формировать поле излучения (если речь об излучающей антенне) в определенном угловом диапазоне или (если речь о приемной антенне) – иметь наибольший отклик на сигналы, приходящие из определенных направлений. Таким образом, антенна способна осуществлять угловую селекцию поля излучения (или отклика на сигналы внешних источников), в то время как ненаправленный точечный (в смысле малости в сравнении с длиной волны) излучатель (или приемник) такой способностью в принципе не обладает и излучает во все углы (принимает со всех углов) равномерно.
Чтобы в дальнейшем не отвлекаться на эти аспекты, касающиеся излучения или приема сигналов, мы будем ориентироваться на задачу излучения, т.е. формирования поля определенной (хотя и произвольной) частоты, отвечающей рабочему диапазону частот антенны, в окружающем ее пространстве. Физическая «начинка» и, тем более, техническая реализация задач излучения и приема волновых сигналов, очевидно, сильно различны, но теоретический аппарат, как и антенная терминология, во многом одинаковы. По ходу дела иногда будут делаться оговорки, касающиеся специфики задач излучения и приема сигналов, в тех случаях, где это наиболее важно.
За отмеченное нами свойство направленности, присущее антеннам, «отвечает» особая их характеристика – диаграмма направленности (ДН). Уже по названию видно, что ДН есть функция угловых координат, и эта функция как раз и показывает в явном виде, каким именно образом комплексная амплитуда поля излучения антенны зависит от угла – в каких направлениях поле оказывается максимальным или близким к нему, а в каких – минимальным и даже нулевым. Соответственно, и угловое распределение мощности излучения тоже оказывается сильно неравномерным. Для антенн больших волновых размеров (размер которых составляет сотни и тысячи длин волн), для которых есть смысл говорить не просто об антеннах, но об антенных системах, ДН оказывается очень сильно «изрезанной» функцией и, что наиболее важно для большинства приложений, максимум этой функции оказывается сильно доминирующим и имеет малую угловую ширину. Это означает, что такая остронаправленная антенна формирует поле излучения таким образом, что подавляющая часть излучаемой мощности оказывается сосредоточенной вокруг некоторого угла в весьма узком диапазоне углов, в то время как в других углах распределение мощности – фон бокового излучения – оказывается относительно малым (но при этом тоже сильно неравномерным, как правило). На качественном уровне, все эти соображения относительно ДН студентам должны быть уже хорошо известны и понятны.
С ДН антенны связан целый ряд других характеристик, которые есть ее параметры или непосредственно определяются через ДН. С ними мы познакомимся по ходу дела, но первые две мы уже, фактически, назвали. Это направление главного максимума ДН – тот угол, в направлении которого формируется максимум излучаемой мощности, и его угловая ширина – та величина, которая показывает «остроту» главного максимума. Применительно к ДН антенн главный максимум и окружающие его боковые максимумы стандартно называют
лепестками. Таким образом, типичная ДН большой антенны, на размере которой укладывается много длин волн выбранного частотного диапазона, имеет ярко выраженную многолепестковую структуру с доминирующим и узким главным лепестком. Для приемных антенн с этими двумя параметрами ДН связано важное понятие разрешающей способности, которое вводится в контексте селекции сигнала одного источника на фоне другого, близко (по углу) расположенного к первому. Очевидно, чем главный лепесток уже, тем разрешающая способность антенны выше, и при этом она оказывается зависящей от того угла, куда направлен главный лепесток.
Возвращаясь к общей, но уже более формализованной постановке прямой задачи ТАС, мы можем теперь сказать более четко, что она собой представляет по существу. Итак, прямая задача ТАС есть задача расчета ДН антенны по заданному АФР поля на ее апертуре (излучающей поверхности), которая также известна (задана).
Анализ прямой задачи мы начнем с задачи расчета поля, создаваемого антенной с известной функцией распределения амплитуды и фазы поля при условии, что апертура антенны является плоской. Такая антенна представляет собой площадку произвольной, но известной формы, на которой задано непрерывное пространственное распределение комплексной амплитуды поля – оно стандартно называется амплитудно-фазовым распределением (АФР) антенны. Требуется найти угловое распределение поля, создаваемого заданной плоской антенной в окружающем ее пространстве.
Такая «плоская» постановка, в качестве исходной, выбрана исключительно потому, что в несколько другом виде она уже хорошо известна студентам (или была известна совсем недавно ). Речь идет о задаче дифракции плоской волны (в общем случае – неоднородной волны) на отверстии известной формы в непрозрачном (для данной волны) экране. По сути своей, это действительно «родственная» задача, поскольку то волновое поле, которое проходит сквозь отверстие, создает в его плоскости некоторое АФР, которое есть начальное АФР с точки зрения дальнейшего распространения волнового поля в пространство за экраном. За исключением деталей, связанных с возможным «затеканием» дифрагирующего поля на теневую сторону экрана, все выглядит точно так, как для плоской антенны, апертура которой совпадает с данным отверстием в экране. Что до отмеченных деталей, то их влияние мы будем считать пренебрежимо малым (на этот счет известны условия Кирхгофа, именем которого назван и общий метод решения задачи дифракции). Таким образом, краткое воспоминание об этой классической задаче волновой физики даст нам все необходимое для рассмотрения прямой задачи ТАС – постановку, метод решения, основные приближения, основные выражения.
Студентам: в качестве подготовки к следующей лекции рекомендуется вспомнить задачу дифракции плоской волны на отверстии в непрозрачном экране и то, как она решается. Вспомнить, откуда возникают и какой смысл имеют такие термины, как ближняя зона, зона Френеля, зона Фраунгофера (дальняя зона) применительно к задаче дифракции.
После анализа прямой задачи для плоской антенны и получения всех необходимых выражений, связывающих угловую зависимость поля излучения с распределением поля на самой антенне, мы обратимся к приближенному и весьма простому выражению, которое отвечает большим удалениям от антенны – именно тем, которые означают попадание точки наблюдения в дальнюю зону антенны. Что значит «большие удаления», каков количественный критерий дальней зоны? На этих вопросах мы остановимся отдельно, поскольку это не умозрительный, но практически важный вопрос: насколько далеко нужно удалиться от антенны известного размера, чтобы оказаться в ее дальней зоне и пользоваться для расчета ее ДН наиболее простым выражением? Качественно, ответ на него в точности такой, как в задаче дифракции, и ключевой безразмерный параметр, который здесь возникает – параметр Френеля – здесь тот же самый, но количественные уточнения необходимы нам для конкретного ответа. Рассмотрение этого важного вопроса будет сопровождаться несложными количественными оценками для разных диапазонов длин волн, в том числе, для диапазона СВЧ электромагнитных волн.
Затем мы упростим задачу и обратимся к еще более простому выражению связи ДН антенны с ее АФР, предельно упростив саму антенну – перейдем к случаю линейной антенны, т.е. антенны в виде линейного отрезка заданной длины и, соответственно, заданного волнового размера (отношения его длины к длине волны). Весь последующий материал будет ограничен именно этим случаем, на его примере мы продолжим рассмотрение прямой задачи и затем перейдем обратной задаче, разберем все основные эффекты и решим ряд простых расчетных задач для закрепления материала. Завершающее введение в статистическую теорию антенн будет также ограничено случаем линейной антенны.
Важный вопрос, который далее будет рассмотрен на основе полученного решения прямой задачи для линейной антенны, есть следующий: как можно управлять ДН и ее ключевыми параметрами? Ответ вполне очевиден – для этого нужно управлять АФР антенны и перестраивать его так, чтобы ДН менялась нужным образом. Но это в общем, а если более конкретно? За какие именно параметры ДН «отвечает», к примеру, амплитудное распределение антенны, а за какие – фазовое? Ответы на эти вопросы будут также сопровождаться простыми количественными оценками и примерами.