76 УСТРОЙСТВА СВЧ И АНТЕННЫ - Страница 3

Характерные ДН вибратора в меридианальной плоскости показаны на рис. 2.4. Для   максимум излучения ориентирован в направлении, перпендикулярном оси вибратора. При  в диаграммах появляются боковые лепестки, которые возрастают при увеличении длины, ширина главного лепестка ДН уменьшается. При  излучение под углом отсутствует. Вследствие осевой симметрии ДН в экваториальной плоскости равномерна и в полярной системе координат представляет окружность. Фаза поля в дальней зоне,  с  точностью до , не зависит от углов наблюдения, и. таким образом, симметричный вибратор имеет фазовый центр, сов­падающий с центром вибратора.

КНД вибратора в направлении   определяется соотношением , где  - сопротивление излучения вибратора.

График изменения КНД представлен на рис.2.5. Увеличение КНД на участке  связано с уменьшением ширины главного лепес­тка в ДН, а его уменьшение при  объясняется ростом боковых лепестков  и  уменьшением главного лепестка.

 

Структура программы для проведения  практических  занятий по теме «Электрический вибратор» представлена  на рис.1.1. Программа состоит из четырех основных блоков: управляющей  программы,  про­граммы отображения теоретического материала, обучающей и  контро­лирующей программ. Управляющая программа с помощью экранных  меню позволяет выбрать любой из трех разделов:  «Теоретический матери­ал», «Самостоятельная работа», «Контрольная работа».  Изучать эти разделы желательно в том порядке, в котором они перечислены.

В разделе «Теоретический материал» содержатся краткие сведе­ния по теории электрического вибратора. Здесь рассматриваются во­просы, связанные с нахождением распределения тока и заряда по ви­братору, расчетом входного  сопротивления,  векторной  структурой поля излучения вибратора и его направленными свойствами. Теорети­ческий материал поясняется рисунками и графиками. Обращение к те­оретическому материалу осуществляется через меню или  непосредст­венно при решении задачи путем нажатия клавиши «F2».

Раздел «Самостоятельная работа» состоит из трех частей: «Ра­спределение  тока и заряда»,  «Входные характеристики вибратора», «Диаграмма направленности и КНД». Выбор  соответствующего раздела осуществляется с помощью меню. При изучении распределений  тока и заряда  по вибратору на экране ЭВМ отображаются эпюры распределе­ний для различных длин вибраторов с симметричным и смещенным расположением точки питания. На графиках сравниваются синусоидальное распределение тока и распределение, полученное из  решения  инте­грального уравнения Галлена. Последнее распределение  более  точ­ное, хорошо согласуется с экспериментальными данными.  При изуче­нии  этого  вопроса  следует  обратить внимание на поведение тока вблизи точек питания и зависимость распределения тока от диаметра вибратора.  В части  «Входные характеристики вибратора» изучается зависимость входного сопротивления вибратора в полосе частот  при различных диаметрах. Здесь предлагается решить задачу, суть кото­рой заключается в том, чтобы определить резонансную длину  вибра­тора для различных диаметров. При решении задачи следует обратить внимание на эффект укорочения резонансной длины вибратора.  После решения задачи необходимо ответить на несколько вопросов.

Изучение направленных свойств вибратора происходит  в  части «Диаграмма направленности и КНД».  В задаче на эту тему предлага­ется определить длину вибратора, при которой ширина основного ле­пестка ДН примет заданную величину.  При решении  задачи  следует обратить внимание  на график зависимости КНД в направлении, пер­пендикулярном оси вибратора от его длины. Изучить, как влияет на КНД уровень боковых лепестков в ДН вибратора. После решения задачи необходимо ответить на несколько вопросов.

«Контрольная работа» является итогом занятия. При ее выпол­нении необходимо ответить на 10 вопросов, охватывающих все изуча­емые разделы: За десять правильных ответов выставляется отличная оценка. За девять правильных ответов - оценка «хорошо».

 

3. РЕШЕТКИ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

 

3.1. Теорема о перемножении диаграмм направленности

 

Рассмотрим антенную решетку, состоящую из  идентичных, оди­наково ориентированных излучателей (рис.3.1). На рис.3.1 приняты следующие обозначения:  - комплексная амплитуда тока на входе -го излучателя; - радиус-вектор, определяющий положение -го излучателя в прос­транстве;

;

- декартовы

координаты  -го   излу-

чателя;    -

орты  декартовой  систе-

мы  координат; - орт,

определяющий направле-              .  .  .

ние на точку наблюдения;

,  -   углы  сферичес-

кой   системы   координат;

-  угол между вектора-                                Рис. 3.1

ми и .

Обозначим   ненормированные  характеристики направленности излучателей  в  решетке.   Эти функции  определяют  поле  в дальней зоне в  локальной  системе  координат, связанной с -м излу­чателем, при  единичном токе на его входе и токах на остальных входах,  равных нулю.

На основании принципа суперпозиции электрическое поле даль­ней зоны можно записать в виде

,                       (3.1)

где - волновое число;     - расстояние до точки наблюдения;

.

Скалярное произведение  есть проекция вектора   на единичный вектор  , а будучи умноженным на волновое число , определяет фазовый сдвиг между лучами, приходящими в точку наблюдения из начала координат и точки расположения -го  излучателя.

Поскольку излучатели идентичны, то , следовательно

(3.2)

где.                                                     (3.3)

Функция  определяет векторную структуру поля для рассматриваемой системы излучателей, она совпадает с векторной структурой поля элемента решетки. Функция  скалярная, зависит от комплексных амплитуд токов на входах элементов решетки и от расположения центров излучателей. Эту функцию называют множителем направленности или множителем решетки. Ее можно тpaктовать как характеристику направленности решетки изотропных излучателей. Формула (3.2) является математическим выражением теоремы о перемножении диаграмм: в системе идентичных излучателей результирующее поле пропорционально произведению векторной характеристики направленности одного элемента решетки на множитель направленности.

Характеристика направленности элемента решетки обычно является медленно меняющейся функцией. B этом случае основные направленные свойства решетки, в частности такие параметры, как КНД, ширина главного лепестка, определяются множителем направленности .

Обычно антенная решетка служит для формирования узкого луча в некотором заданном направлении . Это может быть обеспечено, если поля всех излучателей в требуемом направлении складывается синфазно. Антенная решетка, работающая по такому принципу называется фазированной (ФАР). Очевидно, что фазирование будет выполняться на всех частотах, если

(3.4)

где - единичный вектор направления фазирования, определяемого углами .

В рассматриваемом случае напряженность поля будет максимальной в направлении  и определится соотношением

(3.5)

т.е. поле получается в результате алгебраической суммы полей  от­дельных излучателей, поскольку разность фаз полей, возникающая за счет расположения излучателей  в  различных  точках  пространства, скомпенсирована специальным выбором фазового  распределения (3.4). Оги­бающая комплексных амплитуд , характеризует  амп­литудное распределение поля в раскрыве решетки (апертуре) и опре­деляет такие параметры решетки, как КНД, ширина диаграммы направ­ленности, уровень боковых лепестков.

 

3.2. Множитель направленности линейной антенной решетки

с равноамплитудным линейно-фазовым распределением

В линейной антенной решётке все излучатели расположены на одной прямой. Будем в дальнейшем рассматривать случай, когда расстояния между элементами антенны одинаковы и равны (рис. 3.2). Такая решётка называется эквидистантной.

Пусть токи излучателей

такой решетки имеют одинако-

вую амплитуду,   а   фазовый

сдвиг соседних излучателей от-      1        2 …            …

личается на величину .

Следовательно, ток -го из-

лучателя можно записать в виде                           Рис. 3.2

=.                                     (3.6)



 
рельефа на дне океана