Антенные системы средств связи презентация

Прм

модулятор

Фидер тракт

Упр.
устр-во

Устр-во обр

Упр.устр-во

Г

Фидер тракт

Принцип
обратимости
антенн

Физические основы излучения Это взаимодействие зарядов с электромагнитным полем

Р’

V

S

li

ri

(11)
где векторная комплексная функция

(12)


(13)

игольчатая

веерообразная

косекансная

1-главный лепесток,
2-боковые лепестки,
3-задний лепесток.

3

2

1

В логарифмическом масштабе

Эквифазная поверхность (фронт волны) поверхность в пространстве, во всех точках которой в данный момент фаза поля одинакова.

КНД определяют в направлении максимума излучения F2(θ,φ)=1.

В произвольном направлении:

(3)

(4),

-мощность излучения приходящая на главный лепесток DH,

-телесный угол, занимаемый главным лепестком DH,

-мощность излучения, приходящаяся на область боковых
и задних лепестков DH,

-КНД по главному лепестку DH,

полный коэффициент рассеивания, относительная доля
мощности излучения антенны, приходящуюся на область
боковых и заднего лепестков DH.

-нормированное сопротивление антенны

-коэффициент отражения на входе антенны, позволяет
определить Zвх, т.к. для вычисления Rвх , Хвх
следует найти точные значения J и U

(9),

Сравнивая (11)и (12) получаем

D(θ,φ)=f2(θ,φ)/30RE (13) .

(11),

(12),

Зависимость коэффициента эллиптичности от пространственных углов θ,φ

(14)

(1)

учитывая, что

(2),

(3),

(4),

(5),

(6)

Приемная антенна рассматривается как генератор с ЭДС

(7),

(8),

(9).

(16),

(17),

β= βn+βз –коэф. рассеивания, для оценки величины шумовой
температуры, характеризуют какая часть мощности
поступает в антенну через боковые лепестки переднего и
заднего полупространства.
ТА=Тг(1- β)+Тnβn+ βзТз- шумовая температура
идеальной антенны
ТА=Тг(1- β)+Тnβnη+ βзТз η +Т0(1- η) (24).

(23),

СЕКТОРИАЛЬНЫЙ РУПОР СЕГМЕНТНО-ПАРАБОЛИЧЕСКАЯ АНТЕННА

(3)

(4)

Значение уровня боковых лепестков:

Значение уровня боковых лепестков:

4.КНД

КИD - АНАЛОГ КИП апертурных антенн,
при А(х)=1 , D=2L/λ

,

(12)

(13)

Ширина DH 2ψ0,5р=1,84; 2θ0,5р=67λ/L ;
ψ =±(2k+1)π/2, k=1,2… Fб1=7% или -23 дБ

(14)

Ширина DH ↑, УБЛ↓, КНД↓

(15)

(16)

(17)

(18)

Пусть А(х)=1,

(19)

sinθm=aλ/πL (21)

(20)

φ(x)=-ax

Воронкообразное F(θ)=sinθ

φ(x)=-ax2 , a>0

Условие существования фазового центра нет, т.к. функция четная.
Диаграмма искажается симметрично.

(1)

Электромагнитное поле линейно поляризовано, составляющие

элемент поверхности рассматривается как совокупность двух взаимно
ортогональных электрического и магнитного диполей с моментами.

(2)

При расчете полей излучения реальных апертурных антенн достаточно учитывать поле в раскрыве т.к. результирующие поле согласно принципу
суперпозиции определиться суммой полей элементарных источников Гюйгенса.

,

(3)





(4)



(5)

В дальней зоне θі=θ и φі=φ,

ri=r-ρr0=r-ρicosαi

(14)

(15)


(16)

-фазовое распределение.

-амплитудно-фазовое распределение

амплитудная DH системы изотропных излучателей

фазовая DH этой системы

Полное поле системы одинаково ориентированных диполей в дальней зоне.

(1)

(2)

Учитывая ρcosα=ρr0, находим

ρcosα = xsinθcosφ + ysinθcosφ (3)

(4)

(11)




(12)

(15)

,

Используя интегральное представление для функции Бесселя
нулевого порядка

Получаем
Раскрыв излучает сферическую волну.
Фазовый центр в центре раскрыва.

,

,

(16)

(17)

Переход от прямоугольному к круглому раскрыву приводит к
расширению главного лепестка DH и снижению УБЛ.

УБЛ круглого раскрыва Fб1=13% или 17дБ
ШDH , где

При ρ0>>λ

Для АР вида


где

(18)


(19)

,

,

Таблица со значениями Р для АР в раксрыве, апроксимирующиеся
функцией вида (20).

(25)

(26)

(27)



(28)



(29)

Учитывая (24)-(27), получаем

КИП антенны в режиме приема

(30)

γ=Sэфф/Sгеом – КИП излучающего раскрыва (31)

КИП синфазного раскрыва показывает на сколько снижается КНД
антенны из-за неравномерности АР.

DH формируются вследствии различного АФР,
зависящий от формы зеркала.

Для уменьшения веса и ветровых нагрузок зеркало выполняется:
1.перфорированным -диаметр отверстия
2.сетчатым - размер ячейки
Кол-во отверстий определяется из условия Рпр<10%Рпад
Т=Рпр/Рпад- коэфф. прохождения, характеризует эффект. несплошных антенн.

DH формируются за счет формы линзы.

,

(1)

(2)
(3)

(4)

(5)


(6)

Z0Z0>f (2ψ0>π)- глубокий или короткофокусный

x2+y2=2pz=x2+y2=4fz

(7)
(8)




(9)



(10)

Уравнение профиля линзы:

Направление асимптоты гиперболы:

Угол раскрыва ограничен неравенством:

n>1 уравнение гиперболы

(12а)

ускоряющая линза

замедляющая линза

d

Используя уравнения для замедляющей линзы:

Дифференцируем обе части по ψ:

ΔХ2

ΔХ1

x

z

АР на теневой поверхности линзы:

характеризует влияние замедляющей цилиндрической линзы на АР в ее раскрыве.

(18)
















(19)

и соотношения

где

Множитель системы,

(24)



(25)










(26)

DH облучателя осесимметричная, АР не зависит от α

Приближенный метод расчета:

Рассчитаем КНД:

Амплитуда поля в главном направлении Е(0):


где амплитуда поля центрального
излучателя Гюйгенса:

Учитывая:

(27)



(28)




(29)

Σ

(30)



(31)



(32)

где S0=πr0- площадь раскрыва

коэффициент перехвата - ηп

а б

Рис.1

Реально КИПА = 0,6…0,7 в лучших образцах 0,75

D0, G0- максимальные КНД и КУ

(43)

Облучатель- влияет на УБЛ DН и КНД антенны.
Зеркало-влияет на работу облучателя в части рассогласование облучателя с фидером за счет приема части энергии, отраженной от зеркала.

с ↑ f влияние зеркала на облучатель усиливается

Определив f2=f1+Δf, то по формуле
профиля замедляющей линзы,
можно рассчитать профиль линзы во II зоне.

Разность хода вдоль фокальной оси:

Замедляющая линза

Зонирование в ускоряющей линзе.

(46а)

для замедляющей линзы
вредные зоны-«неосвещенные» участки на апертуре линзы.
АР в раскрыве имеет провалы, приводящие к появлению дополнительных БЛ и ↓ КНД антенны.

Вредные зоны

Отражение электромагнитных волн от поверхности линзы происходит:

определяется функциями Френеля,
зависит от поляризации падающей волны,
угла падения ,
величины n.

Поле и DH

Рассмотрим тонкий вибратор

Допустимые предположения:

Поверхностные электрические токи и эквивалентные магнитные токи заменяются расположенной на оси вибратора бесконечно тонкой нитью продольного электрического тока, считающегося непрерывной функцией в области возбуждающего зазора и обращающегося в нуль на концах вибратора:

(1)

.

- возбуждающая функция при

функция

(2)










(3)







(4)

Линейное дифференциальное уравнение второго порядка для векторного потенциала на боковой поверхности вибратора.

Решение в общем виде ∑ общего решения однородного уравнения и какого либо частного решения неоднородного уравнения,

(5)










(6)






(7)

Учитывая что:

Интегральное уравнение Галлена для неизвестной функции распределения тока

Если , то и определенные интегралы в (6)

вычисляются:

.

“+” – к области

(9)

(10)











(12)




(13)

Разлагая С1 и С2 по формуле Эйлера, вводя переменные С3,С4.
Получаем уравнение Галлена:

Для симметричного вибратора:

где С4=0

Интегрирование от до , где

(14)


(15)

(16)








(17)

Для комплексной амплитуды поля вибратора

(18)












(19)




(20)



(21)

С- постоянная Эйлера

KHD симметричного вибратора:

(27)




(28)













(29)

Для тонких проводов:

С ↑ толщины провода ↓

Пути согласования:

Применение четвертьволнового трансформатора;
Шлейфа Татаринова;
Использование петлевого вибратора
(шлейф-вибратор А.А Пистолькорса)

Согласование

-расстояние между вибраторами

При подключении вибратора к коаксиальной линии возникает асимметрия токов в плечах вибратора, ток, текущий по правой половине вибратора ответвляется на
внешнюю «оплетку» наружного проводника фидера через емкость Спар, возникает паразитное поле излучения. Условный фазовый центр вибратора смещается, DH зеркальной антенны отклоняется.

(класс антенн бегущей волны, металлическая спираль, возбуждаемая коаксиальной линией)

- шаг намотки;

-угол намотки;

-диаметр;

-осевая длина спирали;

-длина витка;

-число витков.

-режим осевого излучения

-воронкообразная DH.

(1)

и

такие, что сдвиг фаз полей в первом и последнем витке равен ,
то в точках на оси сохраняется круговая поляризация

.

(2)

DH спиральной антенны

Закон распределения тока в каждом витке:

Распределение тока по витку

поле, излучаемое вдоль оси Z имеет круговую поляризацию, отличных от Z, эллиптическую

(3)


(3а)

Условно max излучения в направлении

Более широкая DH, т.к. она формируется лишь витками «рабочей области».
Условная фазовый центр находится примерно в середине «рабочей области»
и перемещается при измененный

.

Плоские спиральные антенны.

Архимедову логарифмическую плоскую
(арифметическую) (равноугольную)

Достоинства:
Поле вращающейся поляризации.
Высокая диапазонность по направленным свойствам, поляризационным
свойствам.
Простота конструкции.
Активный характер входного сопротивления.
Недостатки:
Высокий УБЛ, громоздкость для больших
Тудность формировании узких при помощи одной спирали.

ЭДС, наведенная на элементе длины dz первого вибратора тангенциальной составляющей поля Е12 , порожденного током J2 во втором вибраторе.

Комплексная мощность, затрачиваемая генератором на создание εдоп:
 

Полная дополнительная мощность, расходуемая генератором.

(1)
(2)







(3)



(4)

(5)

(11)



(12)






(13)


(14)

Уравнение Кирхгофа:

К=0,1,2,…,N-1

Использование уравнений Кирхгофа целесообразно при известных законах распределения токов в вибраторах, так рассчитываются взаимные сопротивления Zik и комплексные амплитуды токов в фиксиров. сечения вибраторов.
Если Jk в вибраторах неизвестно, то использовать уравнение нецелесообразно, т.к величины Zik неизвестны. Для нахождения распределения токов надо решить граничную задачу.

(15)


(16)


(17)

2Ɵ0.5р=f (di, n,l).
Укорочение активного вибратора

от

Директоры укорочены на (5…15 )%
Рефлектор на (2…5) % длиннее полуволнового вибратора

Электрический расчет.

Система N уравнение Кирхгофа:

для активного вибратора,

для рефлектора (i=0) и директоров (i=2,3,…,N-1).

(18)

Для определения DH используем правило перемножения диаграмм

Для главных плоскостей:

(19)

(20)








(21)

(22)



(23)

(24)

Достоинства:
простота конструкции,
высокий КПД,
широкая полоса пропускаемых частот,
высокая эл –я прочность,
устойчивый режим работы во времени.

Резонансный вибратор реактивная
составляющая равно нулю,
длины кратны

(25)

(26)

Для анализа работы используется метод зеркальных
изображений, с фиктивным изображением получаем симметричную ВА.
DH имеет вид:

нагрузка позволяет уменьшить длину антенны по отношению к

(27)

Антенна с крестообразным расположением элементов, 2 взаимно перпендикулярных вибратора одинаковой длины , возбуждаемые
со сдвигом фаз токов в них на 900

(28)

Нормированные DН:

на оси Z поле излучателя с круговой поляризацией,
для других направлениях с эллиптической.

(29)




(30)

(31)

(32)

(33)