Направленные свойства апертурных антенн

Ближняя и дальняя зоны апертурной антенны

В системах связи СВЧ широко используются апертурные антенны (рупорные, параболические и др.), в которых направленное излучение формируется плоской поверхностью (апертурой, или раскрывом антенны). Апертурные антенны могут быть остронаправленными: ширина главного лепестка их диаграммы направленности уменьшается с ростом отношения размера амплитуды к длине волны .

Понятие дальней зоны (зоны излучения) было введено выше применительно к элементарным дипольным излучателям. Его следует уточнить применительно к апертурным антеннам, для которых условие не выполняется.

Рассмотрим антенну с апертурой максимальной протяжённости . Оценим фазовый сдвиг между волнами, приходящими от разных точек антенны в точку наблюдения М, лежащую напротив середины антенны О на расстоянии (см. рис. 2.12). Геометрическая разность хода волн, приходящих из точек А и О равна

.

Ей соответствует фазовый сдвиг

.

Принято считать, что точка М находится в дальней зоне или в зоне Фраунгофера антенны, если выполняется условие

.

Тогда, согласно (2.51) и (2.52), к дальней зоне можно отнести точки, удалённые от антенны на расстояние

.

На меньших расстояниях точка наблюдения находится в ближней зоне, или в зоне Френеля. Волновые поверхности в этой зоне можно приближённо считать плоскими, искажёнными только у краёв антенны. В дальней зоне, как и в случае элементарного излучения, волна имеет характер неоднородной сферической волны.

Рис. 2.12.

Направленные свойства апертурных антенн. Элемент Гюйгенса

Простейшей апертурной антенной диапазона СВЧ является открытый конец волновода. Однако для волновода и такая антенна имеет слабую направленность. Для получения более узких диаграмм направленности сечение открытого конца плавно увеличивают, превращая волновод в рупор. При плавном увеличении сечения также улучшается согласование волновода со свободным пространством. В месте перехода волновода в рупор образуются волны высших типов, но они быстро затухают в горловине рупора. Поэтому структура поля в рупоре подобна структуре поля основной волны в волноводе. На рис. 2.13а изображён пирамидальный рупор, получаемый путём постепенного увеличения обеих размеров прямоугольного волновода. Если в волноводе распространяется волна основного типа , то рупор излучает в открытое пространство волну, линейно поляризованную по электрическому полю с вектором , перпендикулярным длинной стороне рупора.

Направленные свойства апертурной антенны приближенно можно оценить используя метод Гюйгенса-Кирхгофа. В соответствии с ним, поле излучения любой апертурной антенны можно рассчитать путем сложения полей излучения элементарных площадок, на которые разбивается вся излучающая поверхность антенны. Однако, в отличие от линейной антенны, элемент поверхности апертуры не является элементарным излучателем.

Элементарным излучателем апертурных антенн является элемент Гюйгенса. Он представляет собой малую по сравнению с длиной волны излучения плоскую площадку, обтекаемую по всей площади переменными токами – электрическим с поверхностной плотностью и магнитным , перпендикулярными друг другу (рис. 2.13а).

Элемент Гюйгенса можно представить как совокупность электрического и магнитного диполей, образующих прямой крест (рис. 2.13б). Его поле находится суммированием полей этих двух диполей (с учётом того, что оси отсчёта полярных углов и повёрнуты на 90⁰ друг относительно друга).

A) б)

Рис. 2.13.

В плоскости ( ) электрический диполь имеет диаграмму направленности в виде «восьмёрки» , а магнитный излучает равномерно по всем направлениям ( ). При их сложении получается диаграмма направленности в форме кардиоиды

(см. рис. 2.14а).

Аналогично строится диаграмма направленности в плоскости ( ):

.

Рис. 2.14.

Суммарная диаграмма образуется вращением кардиоиды вокруг оси . В итоге получается, что элемент Гюйгенса не излучает только в одном направлении , а максимум излучения приходится на направление .

Расчёт суммарной диаграммы направленности апертурной антенны выходит за рамки настоящего пособия. Характерный вид диаграммы направленности в декартовой системе координат представлен на рис. 2.15.

Рис. 2.15.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Афанасьев, С.А. Электродинамика СВЧ: Лабораторный практикум по курсу «Электродинамика СВЧ» / С.А. Афанасьев, А.П. Гераскин. – Ульяновск: УлГУ, 2007.

[2] Семенцов, Д.И. Основы теории распространения электромагнитных волн / Д.И. Семенцов, С.А. Афанасьев, Д.Г. Санников. – Ульяновск: УлГУ, 2012.

[3] Виноградова, М.Б. Теория волн / М.Б. Виноградова, О.В. Руденко, А.П. Сухоруков. – М.: Наука, 1990.

[4] Баскаков, С.И. Электродинамика и распространение радиоволн / С.И. Баскаков. – М.: Высшая школа, 1992.

[5] Никольский, В.В. Электродинамика и распространение радиоволн: Учеб. пособие для вузов / В.В. Никольский, Т.И. Никольская. – М.: Наука, 1989.

[6] Лебедев, И.В. Техника и приборы СВЧ. Т. I. / И.В. Лебедев. – М.: Высшая школа, 1970.

[7] Григорьев, А.Д. Электродинамика и техника СВЧ / А.Д. Григорьев – М.: Высшая школа, 1990.

[8] Семёнов, А.А. Теория электромагнитных волн / А.А. Семёнов. – М.: Изд-во МГУ, 1968.

[9] Вайнштейн, Л.А. Электромагнитные волны / Л.А. Вайнштейн. – М.: Радио и связь, 1988.

[10] Гольдштейн, Л.Д, Электромагнитные поля и волны / Л.Д. Гольдштейн, Н.В. Зернов. − М.: Советское радио, 1972.