Г С Воробйова - Теорія електромагнітного поля та основи техніки нвч - страница 28

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56 

*4 1

_5 !_ i_

' і Г і   і і
H
Рисунок 4.23 - Структура силових ліній поля прямоку­тного (а) і циліндричного (б) діелектричних резонаторів

 

У більшості НВЧ-пристроїв, які використовують ДР, поблизу границі поділу діелектрик-повітря можуть пере­бувати провідні поверхні, які частково або повністю екра­нують резонатор. Їхня наявність приводить до зміни доб­ротності і власної частоти коливань резонатора. Зменшен­ня добротності обумовлене втратами на провідних стінках. Збурювання металевими поверхнями електромагнітного поля резонатора приводить до зміни власної частоти.Основним фактором, що визначає резонансні власти­вості при використанні матеріалів з великою діелектрич­ною проникністю (e = 40 -100 і більше), є об'ємний резо­нанс у діелектричному зразку. Вплив провідних поверхонь, розміщених поблизу діелектрика, можна розглядати як ма­ле збурювання, тому що електромагнітне поле сконцен­троване переважно в діелектрику.

У діелектричних же резонаторів, виконаних із матеріа­лів з малою проникністю, резонансні явища обумовлені як частковим відбиттям від границі поділу діелектрик - повіт­ря, так і повним відбиттям від провідних поверхонь. Тому аналіз таких резонаторів (вони мають назву хвилевідно-діелектричних) пов'язаний з відшуканням розв'язків рів­нянь Максвелла, які одночасно задовольняють граничні умови на провідній поверхні та імпедансній границі поді­лу. Розв'язок, як правило, отримують різними наближени­ми методами.

У конструктивному відношенні хвилевідно-діелектричний резонатор являє собою хвилевід із діелект­ричною неоднорідністю (у вигляді паралелепіпеда, цилін­дра, сфери). Розміри хвилеводу, діелектричної неоднорід­ності, проникності матеріалу, із якого виконані дані резо­натори, вибирають так, щоб у структурі виникав хвилевід-но-діелектричний резонанс.

Подібні резонатори широко використовуються на практиці. Застосування низькопроникних матеріалів спро­щує вирішення питань перестроювання частоти резонато­ра. Допуски на геометричні розміри менш критичні, що особливо суттєво в міліметровому діапазоні.

Однією із проблем, які виникають при використанні ДР, є забезпечення температурної стабільності їх парамет­рів. Два основні фактори приводять до температурної не­стабільності електричних параметрів: дрейф лінійних роз­мірів резонатора та діелектричної проникності матеріалу.Для створення термостабільних ДР ведуться роботи за такими напрямками:

-    розроблення і застосування діелектричних матеріалів з низьким температурним коефіцієнтом діелектричної проникності TKe та низьким температурним коефіцієнтом

лінійного розширення;

-    застосування складних, багатошарових ДР із матері­алів з протилежними знаками TKe;

-    забезпечення механічної стабілізації за рахунок ви­користання технологічних зазорів між діелектричним ре­зонатором і іншими елементами НВЧ пристрою.

Смугові резонатори. Основою для побудови смугових резонаторів є як симетричні, так і несиметричні СЛ із ді­електричним і повітряним заповненням. Резонатори мо­жуть бути виконані на базі регулярних і нерегулярних СЛ. У випадку застосування нерегулярних СЛ закон зміни хви­льового опору вздовж довжини лінії найчастіше задається зміною ширини струмонесучої смужки. Найбільш широко використовуються резонатори, виконані на основі МСЛ, що дозволяє успішно вирішувати завдання мініатюризації різних НВЧ-пристроїв.

Виходячи із геометрії струмонесучого провідника, роз­різняють такі основні види резонаторів у мікросмуговому виконанні [27]: прямокутні (рис. 4.24 а), круглі (рис. 4.24 б), кільцеві (рис. 4.24 в), еліптичні (рис. 4.24 г).

 

EZZZZ

fZZZZ3-n_

а                     б                   в г

Рисунок 4.24 - Основні типи геометрії струмонесучого провідника, який використовується у мікросмугових резо­наторах4.6 Основні відомості про антени

Одним із основних елементів РЕС є антени, які забез­печують приймання і передавання електромагнітних хвиль при організації систем зв'язку на великі відстані.

 

4.6.1 Класифікація й основні характеристики антен

Антени класифікуються за діапазоном радіохвиль, за­стосуванню, спільності окремих характеристик (смуги пропускання, діаграми спрямованості і т.д.) і принципу дії. Найбільш доцільно антени класифікувати за принципом дії, який багато у чому визначає форму, основні характери­стики і застосування антен.

За принципом дії антени можна поділити на три групи:

1)  лінійна антена - випромінювальна система з попе­речними розмірами, значно меншими від довжини хвилі та змінними струмами, які проходять уздовж осі системи. До лінійних антен НВЧ-діапазону відносять вібратори (див. п. 3.5);

2)  антенна решітка - система однотипних випромі­нювачів, розміщених певним чином і збуджуваних одним або декількома когерентними генераторами. Типовими ан­тенними решітками є директорна антена, щілинна антена, поверхневі антени з напівхвильових симетричних ві­браторів та ін.;

3)  апертурна антена - пристрій, у якому потік випро­мінюваної (прийнятої) електромагнітної енергії проходить через деяку поверхню. Розміри цієї поверхні, називають апертурою, або розкриттям, який більший за довжину хвилі. До апертурних антен відносять системи акустичного типу (рупори), оптичного типу (дзеркала та лінзи), антени поверхневої хвилі.

1) Основні параметри і характеристики антен. До них належать:ефективна площа антени Sg характеризує розмір площі, через яку приймальна антена збирає енергію.

Sg = кв S,

де Кв <1 - коефіцієнт використання поверхні розкриття;

S - поверхня розкриття антени;

2) коефіцієнт корисної дії (ККД) являє собою відно­шення випромінюваної потужності до повної потужності підведеної до антени;

3) коефіцієнт спрямованої дії (КСД) - відношення по­тужностей випромінювання спрямованої і неспрямованої антен, які створюють у даному напрямку на тій самій від­стані однакову напруженість поля. КСД показує, який енергетичний виграш дає застосування спрямованої антени порівняно із неспрямованою антеною.

Іноді замість КСД використовують коефіцієнт підси­лення (КП) антени, який дорівнює добутку КСД на ККД (КП=КСДхККД ). Оскільки ККД » 1, то КП » КСД ;

4) вхідний опір антени Z(a є еквівалентною величи­ною, яка визначає узгодження антени із НВЧ-трактом.

= R+jX,

де R = Rn + RS - активний опір антени, який складається із

опору теплових втрат Rn і опору випромінювання RS;

X - реактивний опір антени, який характеризує відбиття хвиль від антени.

За умови R >> X вхідний опір антени приблизно дорі­внює хвильовому опору живильного тракту     » ;

5) робочий діапазон частот антени характеризується інтервалом частот від /max до fmm, у якому значення всіх

параметрів антени не виходять за межі заданих;

діаграма спрямованості (ДС) - це залежність амплі­туди напруженості електричного поля E в точці спосте­реження від напрямку випромінювання антени (кутових координат у полярній системі координат в і j) при по­стійній відстані від антени до точки спостереження.

Зазвичай діаграму спрямованості зображують у вигляді двох графіків у полярній системі координат: у вигляді за­лежності E = f (j) в горизонтальній площині навколо ан­тени і залежності E = f ) у вертикальній площині. На

рис. 4.25 схематично наведена найпоширеніша форма діаг­рами спрямованості - голчаста, яка застосовується на ра­діорелейних лініях, у радіолокації та в радіоуправлінні.


в (j)

7) ширина головної пелюстки. Діаграма спрямованості має кілька напрямків максимального випромінювання (кі­лька пелюсток). Одна з них, яка має найбільшу амплітуду, називається головною. Ширина головної пелюстки визна­чається як кут 2в0 5 або 2 j0 5 при напруженості елект­ричного поля, що становить половину від максимального E

значення (E =   ™x ) (див. рис. 4.25). У спрямованих антен

ширина головної пелюстки знаходиться у межах від де­кількох десятків градусів до декількох хвилин;8) поляризаційна характеристика - це залежність амп­літуди сигналу в приймальній антені із лінійною поляриза­цією від кута повороту цієї антени в площині, перпендику­лярній випромінюванню. Поляризаційна характеристика визначається видом поляризації хвиль (лінійна, колова та еліптична поляризація).

Визначенню основних параметрів і характеристик ру­порних антен присвячена лабораторна робота 3 (див. дода­ток Б).

 

4.6.2 Основні типи антен і їх властивості

Розглянемо основні типи антен.

1 Вібраторні антени належать до найбільш простих типів антен. У НВЧ-діапазоні вони використовуються як збуджувачі антенних пристроїв або як елементи складних пристроїв із дискретними випромінювачами (антенних ре­шіток). Вібратори як антени найчастіше використовуються у довго-, середньо- і короткохвильових частинах радіодіа­пазону.

До найпоширеніших конструкцій вібраторних антен відносять електричні (рис. 4.26 а, б) і магнітні (рис. 4.26 в, г), чверть- (рис. 4.26 а, в) і напівхвильові (рис. 4.26 б, г) вібратори.

Принципи їх роботи і основні властивості повністю відповідають раніше описаним принципам роботи і влас­тивостям елементарних вібраторів. Напів- та чвертьхви-льові електричні вібратори можна розглядати як розімкне-ну лінію передачі із властивим для неї розподілом струмів і напруги. Частотна залежність вхідного опору вібратора має форму резонансної характеристики. Резонансна дов­жина симетричного вібратора дорівнює Я0/2, а несиме­тричного - 10 /4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О

а)V2


х0/б) г)

Рисунок 4.26 - Конструкції вібраторів:

а) - несиметричного електричного;

б) - симетричного електричного;

в) - несиметричного магнітного;

г) - симетричного магнітного

 

Поле випромінювання вібраторів можна знайти, підсу­мувавши поля його окремих елементарних ділянок, які яв­ляють собою елементарні вібратори.

2 Електричний симетричний напівхвильовий вібратор має КСД=1,74, Sg = 0,2112, RS =73,1 Ом. Магнітний на­півхвильовий вібратор має КСД=1,64, Sg = 0,2112.Антенні решітки. Багатовібраторні антени назива­ються антенними решітками. Вібратори в антенній решітці розміщуються певним чином відносно один одного і жив­ляться за заданим законом від загального або когерентних джерел сигналу.


За випромінювачі можуть використовуватися не тільки розглянуті вібратори, але і рупори, діелектричні, спіральні та інші антени. Залежно від розміщення випромінювачів (вібраторів) розрізняють лінійні (одновимірні) і поверхневі (двовимірні) решітки. Поле, що створене решітками, являє собою результат суперпозиції хвиль, збуджуваних кожним випромінювачем окремо.

3 Директорна антена являє собою лінійну решітку на-півхвильових вібраторів. Її конструкція показана на рис. 4.27.

Директорна антена складається із одного активного 3 і декількох пасивних 2 вібраторів. Вібратори кріпляться на металевому стрижні. Така конструкція допустима у зв'язку із тим, що в місці кріплення знаходиться вузол електрич­ного поля, а сам стрижень, що кріпить вібратори, перпен­дикулярний до площини поляризації випромінювачів.

Взаємний вплив вібраторів зменшує вхідний опір анте­ни, тому за активний вібратор вибирають вібратор у вигля­ді петлі, який кріплять у центрі петлі до стрижня. Поряд із активним вібратором на відстані 10 /4 (з протилежного бо­ку відносно напрямку випромінювання) поміщають пасив­ний вібратор, який виконує функцію рефлектора 1.

Оскільки рефлектор підсилює поле в напрямку актив­ного вібратора і послаблює його у зворотному напрямку, застосування декількох рефлекторів не має сенсу, оскільки всі рефлектори, які йдуть за першим, будуть збуджуватися дуже слабко. Ефект концентрації електромагнітної енергії в напрямку випромінювання підсилюється зі збільшенням кількості директорів. Однак на практиці застосовується не більше 5-7 директорів. Це пояснюється малим збільшен­ням КСД при подальшому збільшенні кількості вібраторів і подовженою антени. Коефіцієнт спрямованої дії антени невисокий і може бути визначений за наближеною форму­лою

КСД » KJa / я0, де la - загальна довжина антени;

Ka »(5-7) - коефіцієнт, який залежить від довжини антени

(убуває зі збільшенням довжини).

Директорні антени застосовуються у метровому та дециметровому діапазонах хвиль. Їхня робоча смуга час­тот становить (5-15)%, діаграма спрямованості має ширину (15-40)° і залежить від кількості вібраторів і якості налаш­тування.

4 Хвилевідно-щілинні антени, використовують як ви­промінювачі. Вони мають кілька щілинних вібраторів, прорізаних у хвилеводі (рис. 4.28). Принцип роботи відпо­відає раніше розглянутому елементарному щілинному віб­ратору. Щілина, як і вібратори антени, має резонансні вла­стивості. Резонансна довжина щілини 21 приблизно дорів­нює Aq/2. Прорізана у хвилеводі щілина, як правило, має

односпрямоване випромінювання. Вона може бути прорі­зана в широкій та вузькій стінках хвилеводу. При цьому поздовжня щілина в широкій та вузькій стінках еквівален­тна паралельно включеному в лінію резистору, поперечна щілина в широкій стінці - послідовно вбудованому резис­тору.

Опір щілини залежить від місця розміщення у хвиле­воді. У тих випадках, коли необхідно забезпечити узгод­ження антени із трактом, міняють місце розміщення щіли­ни або повертають її.


Досягти синфазного збудження антени можна двома способами: вибором відстані між сусідніми щілинами, що дорівнює Л (див. рис. 4.28), або вибором відстані, що до­рівнює Л /2.

При цьому додатковий зсув фаз на ж можна реалізува­ти за рахунок неідентичного розміщення щілин. Синфазні антени зазвичай працюють у режимі стоячої хвилі, для за­безпечення якого наприкінці антени встановлюють корот-козамикаючий поршень. Відстань між поршнем і остан­ньою щілиною повинна бути такою, щоб щілини перебу­вали в пучності стоячої хвилі у хвилеводі. Синфазні бага-тощільові антени є резонансними (вузькосмуговими).

Кращі діапазонні властивості мають нерезонансні ан­тени, у яких щілини розміщені на відстанях, небагато більших або менших за Л. У зв'язку з тим що у хвилеводі має місце біжуча хвиля, до нього підключають наванта­ження (поглинач) для усунення відбиття від короткозам-кненого кінця антени. Хвилевідно-щілинні антени застосо­вуються в сантиметровому і дециметровому діапазонах хвиль.

За приклад наведемо параметри хвилевідно-щілинної антени, яка використовує хвилевід перерізом 7,2 мм х 3,4 мм і працює на частоті 36 ГГц: довжина -2,6 м, 432 похилі щілини, смуга пропускання 12%, ширина головної пелюстки 14°.

5 Рупорні антени. Відкритий кінець хвилеводу можна розглядати як найпростішу антену НВЧ, але такі випромі­нювачі є слабоспрямованими. Крім того, відкритий кінець хвилеводу відбиває помітну частину НВЧ енергії, не ви­промінюючи її у вільний простір. Розширення хвилеводу, яке утворює рупор, поліпшує спрямованість і зменшує від­биття.

Якщо хвилевід розширений з одного із боків, утворю­ється секторний E - або H -рупор (рис. 4.29). Рупор, роз­ширений з обох площин, називається пірамідальним.

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56 


Похожие статьи

Г С Воробйова - Теорія електромагнітного поля та основи техніки нвч