Расчет диаграмм направленности антенн
Практическое занятие № 1
«Расчет основных электрических характеристик антенн»
Учебно-воспитательные цели:
Обучающие: закрепление знаний основных электрических характеристик антенн и основ теории их расчета.
Развивающие: развитие способности выполнять расчеты параметров и характеристик антенн.
Воспитательные: воспитание желания целеустремленно и самостоятельно заниматься сбором и анализом информации, а также системного подхода к процессу самообразования.
Время:2 часа.
Учебные вопросы и расчет времени:
| № | Учебные вопросы | Время, мин |
| Организационная часть | 1 | |
| Вступительное слово | 3 | |
| 1 2 3 | Расчет сопротивления излучения и входного сопротивления антенны Расчет диаграмм направленности антенн Расчет КНД и коэффициента усиления | 20 35 20 |
| Подведение итогов | 3 | |
| Ответы на вопросы Выдача задания на самоподготовку | 7 1 |
Краткие теоретические сведения
Расчет сопротивления излучения и входного сопротивления антенны
Антенна в режиме излучения служит нагрузкой для генератора — источника высокочастотных колебаний. Антенна может подключаться к генератору непосредственно либо с помощью линии передачи (фидера). В любом случае антенна служит нагрузкой, сопротивление которой равно входному сопротивлению антенны (рис. 1).
Входным сопротивлением антенны называется отношение комплексных амплитуд напряжения и тока на входе антенны:
|
|
|
(Ом), (1)
где 
— активная компонента входного сопротивления, равная сумме сопротивления излучения 
и сопротивления потерь 
; 
— реактивная компонента. В общем случае входное сопротивление является комплексным и частотно-зависимым. Далее для краткости символы, обозначающие частотную зависимость, будут опущены.
Рис. 1. Эквивалентная схема антенны в режиме излучения
Сопротивлением излучения антенны называется величина сопротивления некоторого эквивалентного резистора, на котором при протекании тока той же амплитуды, что и в антенне, рассеивается активная мощность, равная мощности излучения антенны. Сразу отметим, что при определении сопротивления излучения возникает вопрос, какая именно амплитуда тока имеется в виду — в точках питания, или же, например в случае вибраторных антенн длиной более λ/2,— в пучности, которая может находиться в произвольном месте на плече вибратора. Поэтому обычно оговаривают, к каким точкам относится сопротивление излучения — к точкам питания или к точкам пучности тока.
Выражение для сопротивления излучения 
, отнесенного к току с амплитудой I0 в точках питания, можно записать в виде
|
|
|
, (2)
где 
— мощность излучения антенны.
Мощность колебаний 
, подведенных к входу антенны, можно представить в виде суммы полезной активной мощности излучения и активной мощности тепловых потерь 
, безвозвратно теряемой в антенне: 
. Пусть тепловые потери характеризуются соответствующим активным сопротивлением потерь 
, которое в эквивалентной схеме антенны включено последовательно с сопротивлением излучения. Учитывая, что мощность, рассеиваемая на сопротивлении потерь 
, а мощность на входе антенны 
, можно получить новое выражение для КПД излучения антенны:
. (3)
Очевидно, что чем больше сопротивление излучения по отношению к сопротивлению потерь, тем выше эффективность антенны как преобразователя мощности направляемых волн, поступающих на ее вход, в мощность излучаемых волн.
Надо отметить, что далеко не всегда применительно к той или иной антенне можно ввести понятия входного напряжения и тока. Примером служат волноводные излучатели и рупорные антенны. Тем не менее, входное сопротивление таких антенн можно определить косвенным образом, например, по измеренному комплексному коэффициенту отражения напряжения 
на входе антенны и известному волновому сопротивлению W питающей линии передачи при условии одномодового режима работы линии:
|
|
|
. (4)
Если в питающей линии передачи одновременно существует несколько типов колебаний (мод), то само понятие входного сопротивления теряет смысл. Следует помнить, что входное сопротивление антенны зависит от близкорасположенных предметов и может существенно изменяться при их перемещении относительно излучающей части антенны.
С точки зрения передачи наибольшей мощности из питающей линии передачи в антенну надо стремиться обеспечить их согласование, заключающееся в равенстве входного сопротивления антенны и волнового сопротивления линии. В режиме согласования в линии существует только падающая (прямая) волна, бегущая от источника к антенне, =0. Отметим, что при рассогласовании мощность , поступающая в антенну из линии передачи, снижается до уровня 
, где 
— мощность на выходе линии передачи.
|
|
|
Важным электрическим параметром антенны в режиме излучения является предельная мощность, которую можно подвести к входу антенны без опасности возникновения электрического пробоя, как в самой антенне, так и в окружающем ее пространстве.
Расчет диаграмм направленности антенн
Применительно к той или иной антенне часто наиболее важно знать характер зависимости напряженности поля от направления на точку наблюдения, а не абсолютную величину напряженности поля. Поэтому удобно пользоваться нормированной характеристикой направленности F( 
), т.е. отношением амплитуды напряженности поля, излучаемого антенной в произвольном направлении 
, к значению амплитуды напряженности поля в направлении максимального излучения 
:
. (4)
Максимальное значение нормированной амплитудной ХН F(θ,φ) равно единице.
Графическое изображение нормированной амплитудной характеристики направленности называют диаграммой направленности (ДН) антенны.
Пространственная ДН изображается в виде поверхности f(θ,φ) или F(θ,φ), описываемой концом радиус-вектора, исходящего из начала координат, длина которого в каждом направлении в определенном масштабе равна значению функции f(θ,φ) или F(θ,φ).
Применительно к антеннам УВЧ-КВЧ диапазонов обычно пользуются нормированными ДН по мощности 
.
На рис. 2, а показан пример пространственной (трехмерной, объемной) нормированной ДН F(θ,φ) апертурной антенны с круглым раскрывом, на рис. 2, б — пример ДН апертурной антенны с прямоугольным раскрывом (так называемые игольчатые ДН); на рис. 2, а — пример пространственной нормированной ДН вертикальной линейной антенной решетки, на рис. 2, б — пример ДН линейной антенной решетки в полярных координатах.
а б
Рис. 2. Примеры диаграмм направленности апертурных антенн
а б
Рис. 3. Примеры диаграмм направленности вертикальной линейной антенной решетки
На практике обычно пользуются ДН в каких-либо выбранных плоскостях, обычно взаимно перпендикулярных. В качестве таких плоскостей для антенн линейной поляризации выбирают так называемые главные плоскости, в которых располагаются направление максимального излучения (вектор Пойнтинга 
(волновой вектор 
) и либо вектор 
(плоскость Е), либо вектор 
(плоскость 
Н) (рис. 4):
Рис. 4. Главные плоскости антенны с линейной поляризацией
Нормированные ДН в выделенной плоскости обычно изображают либо в полярной (рис. 2.2, б), либо в декартовой (прямоугольной) системе координат (рис.2.5).
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 2001; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!