Навигация
Широкополосность антенн
85726
знаков
2
таблицы
37
изображений
2.2 Широкополосность антенн
Как известно, одной из важных характеристик антенны является ее полоса пропускания, т. е. полоса частот, в пределах которой обеспечивается передача (прием) без существенных искажений всего спектра частот передаваемого (принимаемого) сигнала.
В основном ширина полосы пропускания антенны определяется зависимостью ее входного сопротивления от частоты. Эта зависимость приводит к изменению величины относительной амплитуды и фазы напряженности излучаемого поля на. различных частотах спектра сигнала, что при приеме вызывает искажения последнего. При питании антенны фидером изменение ее входного сопротивления вызывает рассогласование, т.е. появление отраженных волн в фидере, что приводит к нелинейности фазовой характеристики фидера и к искажению формы передаваемого или принимаемого сигнала. Особенно существенны искажения широкополосных сигналов (телсвидсние, многоканальная радиорелейная телефонная связь).
В идеальном случае в требуемой полосе частот активная составляющая входного сопротивления- Rвх постоянна и реактивная сосывляющая – Xвх равна нулю. Добиться этого в достаточно широкой полосе частотпринципиально невозможно, поэтому устанавливают определенные допуски на изменение Rвх и Xвх зависящие от характера передаваемого или принимаемого сигнала.
Зависимость направленных свойств антенны от частоты также влияет наотносительную величину напряженности поля в точке приема на различных частотах спектра передаваемого сигнала, что также может вызвать искажение этого сигнала. Однако, обычно, в пределах требуемой полосы пропускания направленные свойства антенны изменяются мало.
Диапазоном использования - (рабочим диапазоном) антенны будем называть диапазон частот, в пределах которого антена удовлетворяет определенным техническим требованиям. Ширина рабочего диапазона, а также требования, предъявляемые в нем к антенне, могут быть различными. Например, в случае длинноволновых и средневолновых антенн кпд их в рабочем диапазоне не должен быть ниже определенной величины, должна быть обеспечена возможность передачи заданной мощности, на различных рабочих волнах заданного диапазона должна быть обеспечена необходимая полоса пропускания. В случае коротковолновых антенн направленные свойства во всем рабочем диапазоне должны оставаться приемлемыми, входное сопротивление должно изменяться в допустимых пределах, чтобы можно было переходить с одной рабочей волны на другую без перестройки антенны и т. д.
Допустимые изменения входного сопротивления антенны в заданном диапазоне волн в основном определяются необходимостью обеспечения нормальных условий работы генератора, приемлемого кпд фидера и отсутствия перенапряжений в фидере. Уменьшение зависимости входного сопротивления от частоты одновременно приводит к расширению рабочего диапазона антенны и к расширению её полосы пропускания. В заданном рабочем диапазоне требование к направленным свойствам антенны могут быть различными. В некоторых случаях основным может являться постоянство направления максимального излучения, в других – уровень боковых лепестков, в третьих – ширина главного лепестка др.
С точки зрения рабочего диапазона современные антенны можно разбить на:
а) узкополосные (настроенные), основные параметры, которых (входное сопротивление, ширина диаграммы направленности, КНД и др.) сильно зависят от частоты, вследствие чего эти антенны могут работать без перестройки только в узкой полосе частот (относительная полоса частот составляет менее 10%);
б) широкодиапазонные, работающие без перестройки в широком диапазоне частот (от десяти процентов и выше), причем их основные параметры зависят от частоты, но значительно слабее, чем у настроенных антенн;
в) частотнонезависимые, основные параметры, которых теоретически не зависят от частоты.
Построение частотнонезависимых антенн основано на принципе электродинамического подобия, утверждающего, что при одновременном изменении длины волны и всех геометрических размеров антенны в одинаковом отношении (величина этого отношения называется масштабным множителем) характеристики антенны (диаграмма направленности, входное сопротивление и др.) остаются неизменными.
Во всех частотнонезависимых антеннах на данной длине волны в излучении участвует только часть антенны (активная область). При изменении длины волны эта область без изменения своих относительных размеров (размеров в долях волны) перемещается вдоль антенны.
Спиральные антенны относятся к широкодиапазонным и даже к частотно-независимым антеннам (квазичастотно-независимым).
2.3 Фазовые скорости волн тока, вдоль провода регулярной цилиндрической спирали
Для расчета характеристик и параметров сппрпльной антенны необходимо знание фазовой скорости волны тока, распространяющейся вдоль провода спирали. Только зная эту величину, можно производить расчёт характеристик направленности, коэффициента направленного действия, фазовых характеристик, поляризационных характеристик входного сопротивления спиральных антенн.
Чтобы иметь возможность производить расчет перечисленных характеристик и параметров спиральной антенны в широком интервале частот, необходимо установить зависимость фазовых скоростей волн тока,распространяющихся вдоль провода спирали, от геометрии спирали и частоты возбуждающего спираль напряжения.
Методам нахождения фазовой скорости волны тока, распространяющейся вдоль провода спирали, и установлению зависимостей этой скорости от геометрии спирали и частоты посвящено большое количество работ. Первая попытка решения этой задачи принадлежит Поклингтону, который еще в 1897 году, решив задачу об определении фазовой скорости электромагнитной волны, распространяющейся вдоль прямого провода и вдоль кольца, пытался рассмотреть вопрос о распространении электромагнитных волн вдоль спирали. Это удалось ему сделать для ряда частных случаев. Он показал, что при распространении электромагнитных волн вдоль спирали фазовая скорость этих волн может быть больше или равна скорости этих волн в свободном пространстве. Случай, когда фазовая скорость может быть меньше скорости распространения электромагнитных волн в свободном пространстве, им установлен не был. Ввиду отсутствия в то время применений спирали работа представляла чисто математический интерес.
Если не считать отдельных работ в этом направлении, связанных с распространением электромагнитных волн в катушках, интерес к вопросу о распространении электромагнитных волн в спирали снова возник в конце 40-х годов в связи с широким применением спиралей в качестве замедляющих структур, фидерных линий и в качестве антенн эллиптической поляризации.
Наиболее общий метод нахождения фазовых скоростей волн тока, распространяющихся вдоль регулярной бесконечной цилиндрической спирали, предложен в работе С.Х.Когана. Однако получение численных значений фазовых скоростей по формуле Когана и установление зависимостей фазовых скоростей от геометрии спирали и частоты требуют громоздкой расчётной работы. Поэтому естественны дальнейшие попытки со стороны других авторов или предложить новые, более простые методы расчёта фазовых скоростей волн тока, распространяющихся вдоль провода спирали, или же упростить расчетную часть метода С. X. Когана.
Упрощенный метод расчета фазовой скорости предложил Л.А. Вайнштейном. Метод основа на наложении граничных условий не на суммарное поле спирали, представляющее собой в общем случае бесконечную сумму гармоник, а на отдельные гармоники поля, причем граничные условия не учитывали периодичности структуры спирали. Аналогичный метод применялся ранее Ф.Олендорфом, Д. Н. Лошаковым и Е. Б. Ольдероге для симметричного типа колебаний, а также К.Шульманом и М.Хиги, Р.Филлипсом и Г.Малиным для несимметричных волн. Этот метод доведен до стройной приближенной теории спиральной линии передачи. Недостатком метода, обусловливающим его простоту, является неучет поля гармоник более низшего и всех высших типов при нахождении поля заданной гармоники. Этот недостаток приводит к не вполне точным численным значениям фазовой скорости, и для получения правильных качественных результатов к необходимости искусственного сшивания решений, полученных для различных типов волн.
Б.Я. Мойжесом при решении задачи для симметричной волны были применены усредненные граничные условия, учитывающие периодичность спирали, что привело к некоторой численной поправке в имеющихся результатах. Применение в последующем метода Б. Я. Мойжеса к расчёту фазовой скорости несимметричных волн, произведенное Н.Н.Смирновым также привело к некоторой поправке в результатах, полученных, методам анизотропно-проводящего цилиндра, хотя применение метода к указанным случаям нельзя считать вполне обоснованным, так как распределение поля вдоль спирали при несимметричных волнах не соответствует исходному, принятому Б.Я. Мойжесом при нахождении усредненных граничных условий.
Другой метод упрощения задачи вычисления фазовых скород вспирали предполагает строгую постановку задачи и решение ее в общем, виде до получения дисперсионного уравнения и последующее упрощения уравнения, используя физические предпосылки. Такими предпосылками является наличие в спирали так называемого «пространственного резонанса». Это явление заключается в том, что при некоторых условиях суммарное поле спирали в основном определяется одной из его гармоник (что собственно делает возможным применение к спирали и отмеченных выше методов). Выделение в дисперсионном уравнении членов, соответствующих резонируемым гармоникам, впервые было произведено Фаулсром, причем нерезонансные члены отбрасывались. Приближенное суммирование нерезонансных членов для спиралей с малыми углами намотки произведено Н.Н.Смирновым. При этом за основу бралось дисперсионное уравнение, полученное С.X. Коганом. Аналогичным методом уравнение С. X. Когана упрощено для спиралей с произвольным углом намотки в работе О.А.Юрцева Упрощение расчетной части метода С. X. Когана предложено также в работе А. Н. Казарина. Расчет фазовых скоростей волн тока, распространяющихся вдоль провода спирали, доведен в этой работе до простой расчетной формулы или простых графических операций, вполне приемлемых для инженеров-практиков. Результаты расчетов хорошо совпадают с экспериментальными данными, хотя некоторые соображения, положенные в основу упрощения, нельзя считать строго обоснованными.
Рассмотренный метод, предполагающий строгую постановку задачи в самом начале приводит к более точным качественным и количественным конечным результатам.
Другая математическая модель поля излучения, основана на представлении спиральной антенны в виде равномерной линейной решётки из п-излучателей, где в качестве излучателя принимается виток спирали. Фазо- вые соотношения в такой решётке определяются геометрией спирали (шагом или углом намотки и относительным радиусом витка спирали). Данная модель позволяет лишь качественно оценить направленные свойства спиральной антенны с существенным приближением и практически не отражает поляризационную структуру электромагнитного излучения антенны.
Похожие работы
... формулы: ширина диаграммы направленности , (5) коэффициент направленного действия , (6) входное сопротивление , (7) 2.4. Итак, цилиндрические и конические спиральные антенны широкополосные с осевым излучением волн круговой поляризации. Направленность цилиндрических спиралей средняя, а конических — ниже ...
... на значении рабочей частоты и длине антенной решетки, которые являются, исходными данными для расчета вычисляем параметры одиночной спиральной антенны и ее ДН. После этого используя значения угла сканирования и уровня боковых лепестков, вычисляется количество излучателей решетки, расстояние между ними, а также ДН множителя решетки. После этого вычисляется ДН линейной антенной решетки. Расчет ...
... конусной части линии, должно быть: (7) [л.3.стр159] где: -волновое сопротивление конусной части перехода -волновое сопротивление подводящего фидера 75 Ом -волновое сопротивление спиральной антенны Ом По известному волновому сопротивлению можно определить отношение диаметров элементов коаксиального тракта: lg ( Ом ) (8) Для коаксиального устройства с воздушным заполнением и Ом ...
... могут поддерживать либо волны Е, либо волны Н, либо те и другие, отличающихся конструктивным выполнением и формой поверхности. Антенны с плоскими и_цилиндрическими непрерывными замедляющими структурами называют антеннами поверхностных волн. Примерами антенн с замедленной фазовой скоростью являются: диэлектрические стержневые антенны, спиральные антенны, антенны «волновой канал», различные виды ...
0 комментариев