Пространственный спектр (ДН) волноводной антенны, питаемой волной Н_10

МИНИСТРЕСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

“ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ”

 

Физический факультет

Кафедра радиофизики

 

 

Пространственный спектр (ДН) волноводной антенны, питаемой волной

 

Курсовая работа

 

 

 

 

 

Научный руководитель:

к.ф.м.н., доц. И.Ф. Струков

Студент:

Осипенко А.А

3курс 

 

 

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Антенна-устройство для излучения и/или приема электромагнитных волн путем прямого преобразования электрического тока в излучение (при передаче) или излучения в электрический ток (при приеме).

Первые антенны были созданы в 1888 году Генрихом  Герцем в ходе его экспериментов по доказательству существования электромагнитной волны. Форма , размеры и конструкция созданных впоследствии антенн чрезвычайно разнообразны и зависят от рабочей длины волны и назначении антенны. Нашли широкое применение антенны, выполненные в виде отрезка провода, системы проводников, металлического рупора, металлических и диэлектрических волноводов, волноводов с системой прорезанных щелей, а также многие другие типы.

Целью курсовой работы является обозначение основных параметров антенн , расчет характеристик таких как : коэффициент направленного действия и диаграмма направленности антенны , которые не однократно будут упомянуты в ходе данной работы.

Данная курсовая работа носит больше обзорный характер, чем  практический. Основной уклон будет идти в сторону объяснения назначения и роли антенны,  а также способах её применения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Антенна в системе приема-передачи  информации. Основные параметры современных антенных комплексов.

• Диаграммой направленности (ДН) антенны по полю часто называют зависимость модуля комплексной амплитуды вектора напряженности Е электрической компоненты электромагнитного поля, создаваемой антенной в дальней зоне, от угловых координат θ и φ точки наблюдения в горизонтальной и вертикальной плоскости, то есть зависимость E(θ,φ).

 

Чаще ДН обозначается символом ƒ(θ,φ). ДН нормируют – все значения   E(θ,φ) делят на максимальное значение и обозначают нормированную ДН символом  F(θ,φ).

 

Диаграмму направленности передающей антенны можно снимать поворачивая её и измеряя напряженность поля в фиксированной точке на частоте передачи. Это измерения дают диаграмму направленности в полярных координатах.

Полярная диаграмма показывает направление , в котором концентрируется энергия антенны.

 

• Если антенна излучает одинаковую мощность во всех направлениях, она называется изотропной или математической моделью, обычно на практике коэффициент усиления (КУ) выражают в децибелах по отношению к эталонному диполю.

Коэффициент усиления (КУ) антенны — отношение мощности на входе эталонной антенны к мощности, подводимой ко входу рассматриваемой антенны при условии, что обе антенны создают в данном направлении на одинаковом расстоянии равные значения напряженности поля или такой же плотности потока мощности .

• Ширина основного лепестка антенны.

Ширина ДН (главного лепестка) определяет степень концентрации излучаемой электромагнитной энергии.

Ширина  ДН – это  угол между  двумя направлениями в пределах главного лепестка, в которых амплитуда напряжённости электромагнитного  поля составляет  уровень 0,707 от  максимального значения (или уровень 0,5 от максимального значения по плотности мощности).

 

 

2.Волноводные антенны

• Классификация волн в волноводах

 

• основу классификации волн в волноводах положены различия в струк-

 

турах силовых линий векторов E и H . Эти различия обусловлены характером поляризации плоских волн, отраженных от стенок волновода (парциальных волн) и образующих суммарное поле. Различают три типа волн (полей) в вол-новодах:

 

 

• поперечно-магнитные волны, обозначаемые символом ТМ (TransversionMagnetic -поперечно-магнитное);

 

 

• поперечно-электрические волны, обозначаемые символом ТЕ, (TransversionElectric - поперечно-электрическое);

 

• поперечно-электромагнитные волны,   обозначаемые символом ТЕМ

(TransversionElectro-Magnetic) или волны типа Т;

 

• смешанные (гибридные) волны.

 

Рассмотрим подробнее волны типа ТМ, ТЕ и Т.

 

 

Волны типа ТМ.Эти волны образуются при сложении плоских волн,от-раженных от стенок, имеющих вертикальную линейную поляризацию. Образо-вание волн типа ТМ иллюстрируется рис.3, где для упрощения рассмотрения показана только одна плоская стенка волновода.

 

 

В вертикально поляризованной волне вектор падающей на стенку волны Ei, вектор отраженной от стенки волны ER лежат в плоскости падения (плос-кости XZ) и имеют проекции на оси X и Z: в падающей волне –Eix, Eiz , в от-раженной волне - ERX , ERZ .

 

X

 

Eix	E i	E R	E RX
H i	Eiz	ERZ
	ϕ i	ϕR	HR

 

Z

 

Стенка волновода

 

Рис.3. Образование волны типа Е

 

Векторы магнитного поля параллельны границе раздела: в падающей волне - Hi, в отраженной волне - HR . Эти векторы перпендикулярны оси вол-новода Z (параллельны оси Y) т.е. имеют составляющие Hiy и H Ry. В волне,

 

равной сумме волн, отраженных от противоположных стенок, векторы поля бу-дут иметь следующие составляющие:

E	= Exxo			+   Ezzo ,	(7)
H	= Hyyo ,				(8)
где Ex = Eix + ERX ;Ez = Eiz + ERZ ; Hy = Hiy + HRy ;
					-единичные векто-

 

ры, направленные вдоль осей X,Y,Z.

Волна, описываемая выражениями (7), (8), имеющая поперечные по от-

ношению к оси волновода Z составляющие векторов E и H и продольную со-

ставляющую вектора E , называется поперечно-магнитной волной (полем типа ТМ). Эта волна называется также волной (полем) типа Е. Таким названием под-

черкивается наличие у вектора E продольной и поперечной составляющих. В общем случае при произвольной форме поперечного сечения волновода вектор

E в волне типа Е имеет проекцию на ось волновода Z -Ez  и поперечную к оси

Z составляющую - E⊥ , а вектор H  имеет только поперечную по отношению к

оси волновода Z составляющую - H⊥.     Для такой волны векторы E и H		удоб-
но записать в виде:
E	= E⊥ + Ez ,

 

H

= H⊥,

 

 

 

Волны типа ТЕ. Эти волны образуются при сложении плоских волн, от-раженных от стенок, имеющих горизонтальную линейную поляризацию. Об-разование волн типа ТЕ иллюстрируется рис. 4, где для упрощения рассмотре-ния показана только одна плоская стенка волновода.

 

X

 

Нix	Н i	Н R	НRX
Е i+	Нiz	НRZ	+  ЕR
	ϕ i	ϕR

 

Z

 

Стенка волновода

 

Рис. 4. Образование волны типа Н

 

В горизонтально поляризованной волне вектор падающий на стенку вол-ны Hi, вектор отраженной от стенки волны HR лежат в плоскости падения (плоскости XZ) и имеют проекции на оси X и Z: в падающей волне - Hix , Hiz , в отраженной волне - HRX , HRZ . Векторы электрического поля параллельны границе раздела: в падающей волне - Ei , в отраженной волне - ER . Эти векто-

 

ры перпендикулярны оси волновода Z (параллельны оси Y) т.е имеют состав-ляющие Eiy и ERy . В волне, равной сумме волн, отраженных от противополож-

 

ных стенок, векторы поля будут иметь следующие составляющие:

H	= Hxxo	+ Hzzo ,	(11)
E	= Eyyo ,		(12)

 

где Hx = Hix + HRX , Hy = Hiy + HRy .

 

 

Волна, описываемая выражениями (11), (12), имеющая поперечные по от-

 

 

ношению к оси волновода Z составляющие векторов E и H и продольную со-

ставляющую вектора H , называется поперечно электрической волной (полем типа ТЕ). Эта волна называется также волной (полем) типа Н. Таким названием

подчеркивается наличие у вектора H продольной и поперечной составляющих. В общем случае при произвольной форме поперечного сечения волновода век-

 

 

 

тор H в волне типа Н имеет проекцию на ось волновода Z - Hz			и поперечную
к оси Z составляющую - H⊥, а вектор E имеет только поперечную по отноше-
нию к оси волновода Z составляющую - E⊥ . Для такой волны векторы E и H
удобно записать в виде:
E	= E⊥ ,
H	= H⊥	+ Hz ,.

 

 

Волны типа Т.Волны этого типа имеют векторы E и H ,перпендикулярные оси волновода Z. Эти волны не распространяются путем многократных отражений от стенок волновода, а представляют собой плоскую волну, распространяющуюся вдоль оси волновода. Для волн типа Т справедливы соотношения: E = E⊥ , H = H⊥, θ=0, Vф =Vэ = с, λв = λ .

• Волна H10

Выражения для векторов поля и критической длины волны находятся путем решения уравнений Максвелла.

 

 

λкр=		2		.
	m
		2		n  2
		+
	a		b

 

Из выражений (21) следует, что составляющие векторов поля E и H вдоль сторон волновода a и b меняются по закону синуса или косинуса, причем на стороне a укладывается m полупериодов, на стороне b – n полупериодов. В соответствии с этим поля в прямоугольном волноводе обозначаются символами Emn и Hmn. Символы m и n не могут одновременно  принимать  нулевые  значения,  так  как  при  этом  все составляющие  векторов  E иH  становятся  равными  нулю.

В прямоугольных волноводах обычно a ≤ b. В этом случае, как следует из (22), максимальная критическая длина волны соответствует значениям m=1, n=0и равна2a.Следовательно,основной волной в прямоугольном волноводеявляется волна Н10. Критические длины волн в прямоугольном волноводе для полей типа Е и Н обозначаются символами λemn и λhmn . Таким образом, для

основной волны λh10 =2а. Ближайшая к основной является волна Н20, ее критическая длина волны λh20 =а. В волноводе будет распространяться только волна Н10, если выполняется условие ее единственности λh20<λ<λh10 или

а <λ< 2a. (23)

•  →

 

Структура силовых линий векторов Eи H волны Н10 показана на рис. 7

в трех проекциях. 

 

Вектор E имеет проекцию только на ось Y – Ey , а вектор H - проекции на оси:

X,Z - Hx  и Hz . Силовые линии вектора E  соединяют между собой широкие