Пространственный спектр (ДН) волноводной антенны, питаемой волной Н_10

стенки волновода. Силовые линии вектора H представляют собой эллипсы, лежащие в плоскости XZ. Направление силовых линий меняется два раза за период колебания.

 

 

Y	Vф
X	λв
Z

. . . ... . . .

. . .. . .

 

 

 

 

 

λ	в	+ ++ +
		+ + +++ + +
		+ ++ +

Vф

 

. . .. .... .. .. . 

 

 

 

 

 

 

Силовые линии вектора Е

 

 

Силовые линии вектора Н

 

Рис. 7. Структура силовых линий

 векторов поля волны  Н10

 

На рис.8  показаны зависимости указанных     составляющих   поля от координат

•  →

X и Y. Показана также структура  силовых линий векторов E и H в поперечном сечении волновода. Как видно, на стороне волновода "а" укладывается один полупериод (одна полуволна) изменения поля, а от координаты Y поле не зависит - на стороне "b" укладывается ноль полупериодов. Сказанное подтверждает физический смысл индексов m и n. Подставив значение λh10 =2а получим для волны Н10:

 

(24)

1 −

2a

1 −

.

2a

 

 

Графики зависимости λв , Vф , Vэотλ показаны на рис. 9.

E составляющая
Н составляющая

 

 

 

 

 

 

				λв
					2a	λ
Рис.8. Распределение поля	Рис.9. Зависимость Vф,Vэ,λв
в поперечном сечении для	от длины волны

 

 

3. Основные параметры и применение антенн

• Антенны широко применяются в качестве приёмных и передающих устройств в системах беспроводной передачи данных, в радиолюбительской связи, в прочих системах связи, в радиолокации. Широкому их распространению способствуют высокое усиление, хорошая направленность, компактность, простота, небольшая масса. Антенну применяют на диапазонах, начиная с коротких волн, в диапазонах метровых и дециметровых волн и на более высоких частотах, на СВЧ-диапазонах.

К основным характеристикам и параметрам приёмных и передающих антенн относятся: 

• полоса пропускания
• поляризация
• входной импеданс
• коэффициент стоячей волны
• диаграмма направленности
• коэффициент направленного действия
• коэффициент усиления антенны
• коэффициент полезного действия антенны
• шумовая температура антенны 

Полоса пропускания антенны

Ширина полосы пропускания - это область рабочих частот антенны, где уровень принимаемого или излучаемого антенной сигнала находится в пределах 0.7 от максимальной амплитуды сигнала, а мощность в пределах 0.5 от максимальной мощности сигнала. Ширина полосы пропускания измеряется в единицах частоты (например, в кГц). 

Поляризация электромагнитных волн

Поляризация электромагнитных волн  - нарушение осевой симметрии поперечной волны относительно направления распространения этой волны. В неполяризованной волне колебания векторов s и v смещения и скорости в случае упругих волн или векторов Е и Н напряжённостей электрических и магнитного полей в случае электромагнитных волн в каждой точке пространства по всевозможным направлениям в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, быстро и беспорядочно сменяют друг друга, так что ни одно из этих направлений колебаний не является преимущественным.

Поляризованная волна может возникнуть: вследствие отсутствия осевой симметрии в возбуждающем волну излучателе; при отражении и преломлении волн на границе раздела двух сред или при распространении волны в анизотропной среде .

Входной импеданс антенны

Важным параметром антенн является входное сопротивление: (входной импеданс антенны), характеризующее её как нагрузку для передающего устройства или фидера. Входным сопротивлением антенны называется отношение напряжения между точкой подключения (точкой возбуждения) антенны к фидеру, к току в этих точках. Если антенна питается волноводом, то входное сопротивление определяется отражениями, возникающими в волноводном тракте.

 

  

Коэффициент стоячей волны (KСВ)

Коэффициент стоячей волны характеризует степень согласования антенны с фидером, а также согласование выхода передатчика и фидера. На практике всегда часть передаваемой энергии отражается и возвращается в передатчик. Отраженная энергия вызывает перегрев передатчика и может его повредить.

Коэффициент направленного действия (КНД) передающей антенны — отношение квадрата напряженности поля, создаваемой антенной в направлении главного лепестка, к квадрату напряженности поля создаваемой ненаправленной или направленной эталонной антенной при одинаковой подводимой мощности.  КНД является безразмерной величиной, может выражаться в децибелах (дБ, дБи, дБд).

 

 

Коэффициент полезного действия (КПД)  

В режиме передачи, (КПД ) - это отношение мощности излучаемой антенной к мощности, подведённой к ней, так как существуют потери в выходном каскаде передатчика, в фидере и самой антенне, КПД антенны всегда меньше 1. В приёмных телевизионных антеннах КПД находится в пределах 0,93…0,96.

 

 

Шумовая температура

Шумовая температура антенны - характеристика мощности шумов антенны по всём диапазоне принимаемых частот. Чем уже диаграмма направленности антенны, тем меньше влияют на неё шумы. На Земле" шумят" все предметы, атмосфера и сама Земля, поэтому шумы антенны зависят от её угла места и наличия посторонних предметов в направлении приёма (ветки деревьев и др.).Источниками шумов являются и электромагнитные излучения, вызванные деятельностью человека. Типичная шумовая температура параболической антенны диаметром 90 см в Ku-диапазоне для угла места 30 градусов - 25-30 К. 

 

 

 

 

 

 

 

2.1 Радиооптика и радиофизика

Радиооптика - новое научное направление, возникшее на стыке радиофизики и оптике. Лазеры положили начало радиооптике. Переход к оптическому диапазону (занимает полосу частот приблизительно от до Гц) открывает новые возможности для передачи большего количества информации. Таким образом, многие процессы, свойственные СВЧ сигналам (с полосой частот приблизительно до Гц), являются аналогичными процессам в радиооптике для временных пространств U(t) и U(ξ,η)

• Преобразование Фурье — операция, сопоставляющая функции вещественной переменной другую функцию вещественной переменной. Эта новая функция описывает коэффициенты («амплитуды») при разложении исходной функции на элементарные составляющие — гармонические колебания с разными частотами.
• Свёртка функций — операция в функциональном анализе, показывающая «схожесть» одной функции с отражённой и сдвинутой копией другой. В математике, свёртка — это математическая операция двух функций f и g, порождающая третью функцию, которая обычно может рассматриваться как модифицированная версия одной из первоначальных. По существу, это особый вид интегрального преобразования.
• Коэффициент передачи (также коэффициент преобразования) — отношение напряжения на выходе той или иной системы, предназначенной для передачи электрических сигналов, к напряжению на входе. В частном случае, когда значения выходного и входного сигнала являются однородными, коэффициент передачи называют коэффициентом усиления. KП = UВЫХ / UВХ.
• Импульсная характеристика дискретной системы является откликом системы на единичную импульсную функцию x0(k), являющуюся аналогом дельта функции при описании дискретных систем и представляющую собой единичный отсчет с единичным значением:

  

Импульсная характеристика показывает реакцию дискретной системы на подачу на ее вход единичной импульсной функции.            

• Фильтрация — процесс выделения желательных компонентов спектра электрического сигнала и/или подавления нежелательных.

 

2.2 Границы диаграммы направленности 

В радиофизике  диаграммой направленности по называют пространственный спектр или двумерное преобразование Фурье, работающее на расстоянии :

где L – max размер антенны.

 

Исследование диаграммы направленности небольших антенн производят в безэховых мерах. Для больших антенн , не помещающихся в камеру, используют их уменьшенные модели; длину волны излучения также уменьшают в соответствующее число раз.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчет КНД и диаграммы  направленности  антенны

 Для простоты анализа найдем КНД и диаграмму направленности антенны, питаемой волной H10 волновода с размерами a,b, выполненной в виде клиновидного рупора.

1. Выбор размеров волновода.

Размеры поперечного сечения прямоугольного волновода и выбираются из условия распространения в волноводе только основного типа волны Н10:

Находим стороны раскрыва рупора при условии, что

 

Выберем bр=2b:

 

2. Рассчитаем длину рупора и ширину диаграммы направленности по уровню половинной мощности в Е и Н – плоскостях:

3. Определим коэффициент направленного действия в направлении

 максимума излучения:

где для рупоров без коррекции фазы

4. Расчёт диаграммы направленности рупорного излучателя:

Поле в раскрыве рупора синфазное. Амплитудное распределение принимаем совпадающим с полем поперечного сечения питающего волновода. Тогда диаграмма направленности будет рассчитываться по следующим формулам:

- в Н плоскости;

- в Е плоскости.

Соответственно для нашего случая диаграмма направленности примет вид:

- в Н плоскости;

- в Е плоскости.

Рисунок 3 - Диаграмма направленности рупора в Н плоскости:

 

Рисунок 4 - Диаграмма направленности рупора в Е плоскости:

В полярных координатах диаграмма направленности имеет следующий вид:

Если бы мы рассматривали диаграмму направленности антенной решетки, то зависимость имела бы более сложный характер . Например :

В полярных координатах график имеет следующий вид:

Как мы можем наблюдать, на диаграмме направленности помимо основного лепестка присутствуют ещё боковые лепестки.

Уровень боковых лепестков – относительный уровень излучения антенны в направлении боковых лепестков.

На практике стремятся к уменьшению уровня боковых лепестков, что связанно со следующими факторами :

• В режиме приема антенна с низким уровнем боковых лепестков “более помехоустойчива”, поскольку лучше осуществляет селекцию по пространству полезного сигнала на фоне шума и помех, источники которых расположены в направлениях боковых лепестков.
• Антенна с низким уровнем боковых лепестков обеспечивает системе большую электромагнитную совместимость с другими радиоэлектронными средствами и высокочастотными устройствами.
• Антенна с низким уровнем боковых лепестков обеспечивает системе большую скрытность.
• Снижение уровня боковых лепестков (при фиксированной ширине главного лепестка ДН) ведет к росту уровня излучения в направлении главного лепестка .