Класифікація антен

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Аналітичний огляд літературних джерел і патентних матеріалів

Антенна система це сукупність антен і допоміжних пристроїв, що у сукупності дозволяє реалізувати нову функціональну можливість. Так, наприклад, поєднання перископічної приймальної антени з перископічною передавальною антеною забезпечує реалізацію ретрансляційної функції радіорелейного зв'язку. Така сукупність ПА становить основу структури складної ПАС РРЛ.

Класифікація антен можлива:

- за функціональним призначенням. Наприклад, приймальні, передавальні, зв'язкові, телевізійні, радіолокаційні, бортові і т.д.;

- за конструкторсько-технологічними ознаками. Наприклад, рупорні, спіральні, друковані, дзеркальні, щілинні, лінзові, вібраторні і т.д.;

- за електродинамічними або електричними властивостями та параметрами. Тут також можливі різні класифікації. Наприклад, за діапазоном довжин хвиль - антени ДХ, СХ, КХ, УКХ, НВЧ. За відносною шириною смуги пропускання - широкосмугові, надширокосмугові, діапазонні, вузькосмугові, резонансні (ці ознаки окремо можуть відноситися як до вхідних параметрів антен, так і до їх характеристик випромінювання). Антени можуть розрізнятися своїми спрямованими властивостями (спрямовані, слабкоспрямовані, ненаправлені) або по поляризаційній ознаці (антени кругової, еліптичної, лінійної, вертикальної, горизонтальної поляризації). Цей перерахунок можна було б продовжувати, - настільки багатий світ антен.

Класифікація антен проводиться за різними ознаками:

За діапазонним принципом:

антени наддовгих хвиль: л=100 ч10км., f=3-30кГц;

антени довгих хвиль: л=10 ч1км., f=30-300кГц;

антени середніх хвиль: л=1000 ч100м., f=300-3000кГц;

антени коротких хвиль: л=100 ч10м., f=3-30МГц;

антени ультракоротких хвиль: л=10 ч0.1м., f=30-3000МГц;

За типом збудження:

антени біжучих хвиль;

антени стоячих хвиль;

антени поверхневих хвиль (хвилевід з лінзою).

За конструктивним виконанням:

вібраторні антени;

щілині антени;

апертурні антени.

за видом радіотехнічних систем:

антени для радіозв'язку;

антени для радіомовлення;

антени для телебачення;

антени для радіолокації та інші.

За робочою смугою частот:

вузько смугові антени;

широкосмугові антени;

діапазоні антени.

За поляризацією випромінюваного електромагнітного поля:

з лінійною поляризацією;

з коловою (круговою) поляризацією;

з еліптичною поляризацією.

класифікацію антен за звичай проводять по способу формування випромінюваного поля, при цьому виділяють наступні чотири класи антен:

випромінювачі невеликих розмірів l? л для діапазонна частот 10кГц - 1ГГц. До числа антен цього класу відносяться одиночні вібраторні та щілині антени, стрічкові та мікрострічкові антени, рамочні антени, а також частотно-незалежні випромінювачі.

антени біжучої хвилі розмірами від л до 10 л для діапазонна частот 3МГц - 10ГГц. Сюди відносяться спіральні, діелектричні, директорі антени.

антені решітки розмірами від л до 100 л для частот 3Мгц - 30ГГц. Це антени, які складаються із великого числа окремих випромінювачів. Незалежне регулювання фаз ( а іноді амплітуд) кожного збуджуючого елемента антенної решітки забезпечує можливість електричного керування діаграмою спрямованості. Застосовуються лінійні, плоскі, кільцеві, випуклі та конформні (які співпадають з формою об'єкта установки) антені решітки.

апертурні антени розмірами від л до 1000 л для діапазонна частот 100МГц - 100ГГц та вище. Найбільш розповсюджені дзеркальні, рупорні та лінзові апертурні антени. Апертурні антени будуються по оптичним принципам та забезпечують найбільш високу спрямованість випромінювання.

Однак, незважаючи на таке різноманіття, всі антени за принципом формування діаграми спрямованості можна розділити на три великих класи:

- лінійні антени,

- апертурні антени,

- антенні решітки.

Розглянемо лінійні антени. До лінійних антен (ЛА) відносять будь-які випромінюючі системи, малих у порівнянні з довжиною хвилі поперечних розмірів, у яких напрямок протікання струму збігається з віссю системи. У найпростішому випадку являють собою тонкий металевий провідник, по якому протікає змінний у часі електричний струм, або вузьку щілину в металевому екрані, між краями якої прикладена змінна напруга. За теоремою еквівалентності електричне поле в щілині еквівалентне магнітному струмові, що тече уздовж щілини. Оскільки поперечні розміри малі, то розподіл струму слабко залежить від геометрії провідника. До лінійних антен відносять не тільки прямолінійні, але також викривлені або вигнуті провідники і щілини, якщо їхні поперечні розміри багато менші довжини хвилі. У більш широкому сенсі до лінійних можна віднести деякі типи антен, поперечні розміри яких можна порівняти з довжиною хвилі (наприклад, стовщені вібраторні, спіральні, діелектричні стрижневі).

Лінійні антени можуть бути антенами стоячих хвиль (АСХ) і антенами біжучих хвиль (АБХ) з різними амплітудно-фазовими розподілами (АФР) уздовж них. В АБХ режим біжучої хвилі реалізується шляхом збудження антени з одного кінця і включенням поглинаючого навантаження на протилежному кінці або за рахунок спадаючого амплітудного розподілу, наприклад унаслідок безперервного випромінювання біжучої хвилі струму. До АСХ відносяться симетричні і несиметричні вібратори, щілинні антени, рамкові антени. До АБХ можна віднести спіральні, діелектричні стрижневі, антени поверхневих хвиль. Відмінною рисою лінійних антен є послідовна схема живлення (збудження) елементів антени і, як наслідок, можливість залежності характеристик випромінювання від довжини антени або від частоти.

Апертурні антени характеризуються тим, що в них можна виділити деяку обмежену поверхню, як правило, плоску, через яку проходить весь потік випромінюваної або прийнятої потужності. Ця поверхня називається апертурою або розкривом, розміри яких звичайно багато більше довжини хвилі. До апертурних антен (АА) відносяться рупорні, дзеркальні, лінзові антени, відкриті кінці хвилеводів. Принципи формування діаграм спрямованості в них подібний оптичному. Відмінною рисою цього класу антен є паралельна схема збудження елементів апертури за допомогою системи незалежних променів і як наслідок, незалежність форми діаграми спрямованості від розмірів апертури або від частоти.

Найбільш розповсюдженим методом розрахунку АА є так називаний апертурний метод. Цим же методом можна провести розрахунок і деякі типи АБХ (спіральні, діелектричні стрижневі, антени поверхневих хвиль), у зв'язку з чим їх іноді відносять до АА. Однак спільність методів розрахунку не може бути достатньою підставою для класифікації антен. Основною відмінною рисою повинна бути схема збудження елементів антени.

Антенні решітки - це системи однотипних випромінювачів, розташованих у просторі по визначеному закону і певним чином збуджуваних. Антенні решітки (АР) можуть бути одномірними (або лінійними) і двовимірними (або поверхневими). Прикладами лінійних решітки є директорна антена і система щілин, прорізаних у стінках хвилеводу. Із сукупності одномірних решіток можна скласти двовимірні решітки. Випромінювачі в решітках можуть розташовуватися на плоских поверхнях або на поверхнях із криволінійної утворюючої. Схема живлення елементів решіток може бути як послідовної, так і паралельною, а також комбінованої. Важливе місце в класі антенних решіток займають фазовані антенні решітки (ФАР) з незалежним регулюванням амплітудно-фазових розподілів на елементах.

Розглянемо властивості полів, що створюються джерелами в однорідному безмежному середовищі. Нехай у деякому об'ємі знаходяться джерела електричних і магнітних полів з векторами об'ємних щільностей . Вони породжують поля, що описуються електричним і магнітним векторними потенціалами. Потенціали через виражаються за допомогою інтегралів по об'єму, зайнятому джерелами. У декартовій системі координат ці вирази мають вигляд:

(1.1)

де

Поряд з декартовою введемо в розгляд сферичну систему координат, початок якої помістимо в центр випромінюючої системи (рис. 1.1). У сферичній системі координат:

Будемо цікавитися полем в області , для якої можна записати розкладення R у ряд по ступенях відношення виду:

. (1.2)

Рисунок 1.1 Розташування джерела випромінювання

Дальня зона. Розглянемо випадок так званої дальньої зони, коли . Вважаючи в знаменнику, а в показнику швидко осцилюючої експоненти утримуючи перший і другий члени розкладання, одержимо:

(1.3)

де:

Якщо з використанням виразів (1.3) по відомим в електродинаміці формулам знайти і проаналізувати компоненти напруженості полів, то встановимо, що в дальній зоні:

- поле має поперечний характер (Е_r=Н_r =0);

- в околиці будь-якої точки спостереження поле локально має характер плоскої хвилі, тобто, де w - хвильовий опір середовища;

- залежність поля від відстані має вигляд розширюючої сферичної хвилі;

- кутовий розподіл напруженості поля не залежить від r, що випливає з (3), де під знаком інтеграла відсутня залежність від r;

- потік потужності від джерел спрямований виключно в радіальному напрямку.

Оцінимо границю застосовності формули (1.3). Якщо в (1.2) врахувати ще і третій член розкладання, то величина фазових спотворень або різниця фаз між цими наближеннями складе: .

Позначимо максимальний розмір випромінюючої системи через а, тоді максимальна (у напрямку ) різниця фаз буде: .

Приймемо, що максимально припустимі фазові спотворення не повинні перевищувати. Тоді відстань до границі далекої зони складе:

. (1.4)

Ця формула справедлива для випадку прийомної ізотропної (абсолютно ненаправленої) антени, що знаходиться в дальній зоні, розмірами якої можна знехтувати (малі). Якщо замість неї буде антена з максимальним розміром b, то при припустимих фазових спотвореннях замість (1.4) необхідно користуватися формулою:

. (1.5)

Зі збільшенням електричних (хвильових або в довжинах хвиль) розмірів антен границя далекої зони відсувається. Наприклад, з формули (1.4) маємо:

якщо , то ;

якщо , то ;

якщо , то .

Умови (1.4), (1.5) необхідно враховувати при експериментальних дослідженнях характеристик випромінювання антен. Тому дуже вузькі діаграми спрямованості великих, наприклад радіоастрономічних антен, доводиться знімати за допомогою літальних апаратів і навіть з космосу. Дальня зона називається також зоною Фраунгофера.

1.1 Дослідження розроблених діючих зразків багатошарових мікрострічкових антенних решіток

На основі методу СРЧО розроблено тривимірну математичну модель багатошарової металодіелектричної структури скінченних розмірів загального виду з урахуванням втрат у діелектричних шарах. Модель охоплює широкий клас багатошарових смушкових випромінювачів, смушкових пристроїв НВЧ та багатошарових смушкових АР. В рамках цієї моделі метод СРЧО розвинуто для аналізу багатошарових структур із застосуванням нерегулярної дискретної координатної сітки. Модель реалізовано у вигляді універсального комплексу програм для ПЕОМ на мові високого рівня С++ для операційних систем WINDOWS 9х/NT та LINUX/UNIX. Адекватність розробленої моделі підтверджена шляхом порівняння отриманих за її допомогою чисельних даних із відомими даними, що були отримані за допомогою методу інтегральних рівнянь, а також експериментальними дослідженнями розроблених діючих зразків багатошарових смушкових АР.

Розроблену математичну модель використано для дослідження електромагнітних полів та електродинамічних характеристик багатошарових випромінювачів із щілинним збудженням в залежності від розмірів смушкових резонаторів, відстані між ними, параметрів і розмірів діелектричних підкладок та розмірів щілини. В результаті обґрунтовано критерії вибору діелектричних проникностей підкладок для створення ефективних широкосмугових смушкових випромінювачів, запропоновано методику синтезу таких випромінювачів, яка враховує фізику процесів, що мають місце у багатошарових смушкових резонаторах, та особливості їх щілинного збудження. Виявлено закономірності впливу крайових ефектів, що пов'язані із скінченними розмірами діелектричних підкладок та екрана, на характеристики узгодження та випромінювання окремих широкосмугових випромінювачів із щілинним збудженням. Встановлено, що ці ефекти впливають сильніше на характеристики випромінювання, аніж на характеристики узгодження. Впливом крайових ефектів на характеристики узгодження можна знехтувати при віддаленні країв підкладок на відстань більшу 0,5? від випромінюючих країв дворезонаторної смушкової антени. Проведена оцінка впливу крайових ефектів на коефіцієнт підсилення, форму головного пелюстка діаграми випромінювання, рівні кросполяризаційного та заднього випромінювань. Встановлено, що цей вплив має місце навіть при відстанях між краями випромінюючих резонаторів та краями підкладок більше 1,5-2?.

Досліджено відомі та запропоновано нові типи симетричного щілинного збудження двополяризаційних багатошарових смушкових антен. Чисельно досліджено характеристики випромінювання на основній поляризації та кросполяризації двополяризаційних смушкових антен з різним розташуванням ортогональних щілин, які збуджують зв'язану дворезонаторну випромінюючу систему. Встановлено, що низький рівень кросполяризаційного випромінювання таких антен може бути досягнуто лише у випадку дотримання симетрії збудження смужкових резонаторів. Розроблено топології двополяризаційних смушкових антен із симетричним щілинним збудженням, які мають рівень кросполяризаційного випромінювання нижчий -30дБ. При цьому досягнуто розв'язка між ортогонально поляризованими каналами більше 30дБ.

Запропоновано принципи побудови та шляхи практичної реалізації ефективних лінійних та плоских широкосмугових двополяризаційних багатошарових смушкових АР із низьким рівнем кросполяризаційного випромінювання. Розроблено і експериментально досліджено макет оптимізованої за допомогою метода СРЧО двополяризаційної багатошарової мікросмужкової антенної підрешітки Ku-діапазону частот (10,9-14,5ГГц). Підтверджено, що в смузі частот 26% (по рівню КСХН<2) рівень кросполяризаційного випромінювання та перехідне згасання між каналами ортогональних поляризацій не перевищує -30 дБ. Розроблено, виготовлено та випробувано діючі зразки чотирьохелементних двополяризаційних АР на основі багатошарових смушкових випромінювачів із щілинним збудженням, які призначені для роботи у якості секторних антен базових станцій систем мобільного зв'язку стандартів GSM-900, GSM-1800 [ ]. За поляризаційною чистотою, розв'язкою каналів з ортогональними поляризаціями (>33дБ) та конструктивно-технічними параметрами розроблені секторні АР переважають існуючі і тому можуть бути рекомендовані для виробництва і широкого застосування

За допомогою розробленої математичної моделі визначено ступінь взаємного впливу багатошарових смушкових випромінювачів із щілинним збудженням. Розраховано частотні залежності комплексної матриці розсіювання для двох та восьмиелементної лінійної АР із незалежним живленням випромінювачів для різних відстаней між ними. Отримано результати, які мають важливе практичне значення при проектуванні високоефективних лінійних та плоских двополяризаційних багатошарових смушкових АР з урахуванням взаємного впливу між елементами. Теоретично на прикладі електродинамічного аналізу восьмиелементної АР доведено можливість створення одно та багатопроменевих скануючих АР на основі багатошарових смушкових випромінювачів із щілинним збудженням. Для цього розраховано діаграми випромінювання та коефіцієнти зв'язку окремих випромінюючих елементів у складі АР. Шляхом об'єднання результатів для різного фазового розподілу збудження випромінювачів отримано характеристики сканування діаграми випромінювання в площині решітки для двох ортогональних поляризацій. Проведено порівняльний аналіз ефективності сканування восьмиелементної АР із відстанями між елементами 0,5 та 0,75. Доведена принципова можливість створення ефективних широкосмугових двополяризаційних смужкових одно- та багатопроменевих АР із сектором сканування ±30 в обох площинах.

1.2 Загальні відомості про мікросмужкові антени

Поява мікрострічкових антенних пристроїв викликана потребою в легких, тонких, конформних та дешевих антенних пристроях, які можна розміщувати на рухомих об'єктах та літальних апаратах, не порушуючи їх аеродинамічні якості. Нині створено та запатентовано велику кількість мікрострічкових одноелементних антен та антенних решіток. Є технічна можливість створювати антени з лінійною та круговою поляризацією, а також двох частотні антени. Мікрострічковим антенним пристроєм є плоский діелектрик незначної товщини з нанесеним з обох боків тонким мідним покриттям. На одній стороні діелектричного листа виготовлені випромінюючий елемент, ланцюги живлення, управління і узгодження. Інша металева сторона слугує екраном.

Відомо що антени, які працюють в мікрохвильовому діапазоні мають товщину діелектрика 0,003-0,08л₀, де л₀ - довжина хвилі, м₀ - відносна магнітна проникність, ?₀ - відносна діелектрична проникність діелектрика. У якості діелектрика застосовуються діелектричні матеріали з низькими втратами (тефлон, поліетилен, політетрафтороетилен). При цьому товщина антенного пристрою може змінюватись в межах від 0,794 до 3,175 мм.

Характерною особливістю більшості мікрострічкових антенних пристроїв є невелика ширина смуги частот, що не перевищує 2,5 %, і лише в деяких зразків досягає 5-7 %. Ця обставина в значній мірі обмежує їх використання. Проте такі переваги як легкість, конформність та мала товщина змушують миритися з невеликою шириною смуги частот та застосовувати ці антени на ракетах, супутниках та інших літальних апаратах.

Основними перевагами мікросмушкових антен є:

- простота конструкції, малі об'єми, маса, вартість;

- висока точність виготовлення, унаслідок чого досягається хороша відтворюваність характеристик антен;

- можливість створення не виступаючих і мало виступаючих конструкцій антен для літальних апаратів, зокрема конструкцій, що не змінюють їхніх характеристик міцності.

До недоліків таких антен можна віднести малу електричну міцність, трудність конструювання пристроїв, що перестроюються та зміни параметрів друкованих елементів.

Основними елементами, що створюють мікрострічкову антену, є випромінювач (антена) та пристрій збудження. У якості лінії передачі використовуються смушкові лінії. Тип смушкової лінії визначає конструктивне виконання інших елементів антени. У низькочастотній частині робочого діапазону збудження здійснюється за допомогою коаксіальної лінії або хвилевідної лінії.

Широке застосування знайшли друковані випромінювачі резонаторного типу, які побудовані на базі несиметричної смушкової лінії. Іншим типом мікрострічкових антен у друкованому виконанні є вібратори різної конфігурації та щілини, що прорізані в металевій стінці смушкової лінії передачі симетричного типу. Різновидом цих антен є плоскі стрічкові спіралі та криволінійні випромінювачі.

Смушкова лінія. Збудження випромінювача проводиться смутковою лінією передачі. Для лінії передачі ця система є плоским, заповненим резонатором з втратами, які обумовлені випромінюванням. Відстань l приблизно дорівнює л₀, де л₀ - довжина хвилі в діелектрику. На краях резонатора складові поля, що є нормальними до провідної підкладки, протифазні. Складові поля, що паралельні провідній підкладці, складаючись у фазі, утворюють поле випромінювання лінійної поляризації. Напрямок максимального випромінювання розташовано по нормалі до площини підкладки. Розмір b випромінювача може бути різним.

Для отримання поля кругової поляризації необхідні дві пари випромінюючих щілин, що розташовані перпендикулярно одна одній та які збуджуються із зсувом по фазі 90°. Для цього вибирають прямокутний випромінювач, що збуджується за допомогою смушкового провідника. Одна сторона стрічкового провідника випромінювача більша на ?, а інша менше на цю ж величину, що забезпечує зсув по фазі 90°. Величина ? підбирається експериментально. Збудження здійснюється смушковою лінією.

Іншим типом є дискретні випромінювачі у вигляді друкованих вібраторів та щілин. Джерелом випромінювання в цьому випадку є струм на стрічковому провіднику випромінювача. Щілинні антени є прямим аналогом хвилевідно - щілинних антен. Вони використовуються як випромінюючі елементи антенних решіток зі скануванням. За допомогою таких випромінювачів створюються антенні системи з будь-якими напрямленими характеристиками.

У друкованому виконанні можна побудувати майже всі елементи фідерного тракту, які використовуються для коаксіальних і хвилевідних ліній передач. Для мікросмушкових антен у якості основної фідерної лінії найчастіше використовується коаксіальна або хвилевідна лінії, яка підключена через елементи з'єднання.

Спосіб живлення є важливим при конструюванні мікросмушкових антен. Збудження антен здійснюється за допомогою коаксіального або мікросмушкового фідера.

Коаксіальний фідер підводиться перпендикулярно до резонатора, центральний провідник через отвір у підкладці припаюється до верхньої смужки, зовнішній провідник з'єднується з екраном (заземленою нижньою пластиною). Узгодження фідера й випромінювача досягається добором відстані точки живлення від бічної сторони випромінювача. Зрозуміло, що за наявності узгодження досягається найбільша ефективність випромінювання. Для створення антенних решіток зручніше використовувати у якості фідерів мікросмушкові лінії. В одно точковій схемі живлення мікросмушкова лінія підводиться до відповідної точки збудження за допомогою вузького врізання, виконаного вздовж осі випромінювання або однієї з діагоналей

У разі використання двохточкових засобів живлення, точки контакту вибирають на боках випромінювача або його діагоналях на рівній відстані від центра. Серед засобів живлення прямокутних мікросмушкових випромінювачів важливим є підведення мікросмушкової лінії до одного з кутів. Для випадку, коли довжина резонатора дорівнює, а його ширина - , отримують хвилю, лінійно поляризовану таким чином, що вектор електричного поля направлений вздовж більш довгої осі випромінювача. При різниці довжин сумісних сторін випромінювача 10-15% випромінювання має еліптичну поляризацію.

Для квадратного випромінювача напрямок вектора поляризації збігається з напрямком діагоналі, проведеної через кут, до якого підведемо живлення. Такий самий випромінювач, але з'єднаний із реактивним навантаженням, дозволяє змінювати поляризацію від лінійної до еліптичної без зміни розмірів квадрата. Реактивним навантаженням може бути вузький шлейф, підключений до однієї зі сторін випромінювача.

1.2.1 Особливості розрахунку антени резонаторного типу з лінійною поляризацією

Поле лінійної поляризації формується за рахунок випромінювання двох щілин, що утворюють стінки резонатора. Резонатор представляє собою напівхвильовий відрізок несиметричної смушкової лінії. Антени такого типу використовуються у якості приймальних.

При розрахунку антени передбачається, що розмір h задовольняє умові , де л - робоча довжина хвилі. Передбачається також, що розподіл поля у випромінюючій щілині відповідає розподілу поля хвилі типа Т в перерізі регулярної лінії. Щілина розглядається як лінійний випромінювач, подібно до вузької щілини в провідному екрані. Таким чином, аналіз антени резонаторного типу зводиться до аналізу звичайної щілинної антени. Поле у випромінюючій щілині антени має вигляд . Це поле визначає магнітний струм еквівалентного лінійного випромінювача як - одиничні вектори системи координат.

1.2.2 Особливості розрахунку антенних решіток з елементами резонаторного типу

Антенні решітки з випромінюючими елементами резонаторного типу будуються у вигляді лінійок випромінювачів та сукупності цих лінійок. При побудові лінійних антенних решіток вважають, що випромінювачі розташовані на однакових відстанях d один від одного та збуджуються синфазна або з постійною і малою різницею фаз. Аналіз таких решіток проводиться як аналіз синфазних решіток з подальшим визначенням нахилу головної пелюстки ДС, у разі необхідності. Таке збудження передбачає для лінійних решіток одну лінію передачі. Можливо також збудження елементів решітки при рівності електричних довжин ліній передачі.

Найбільша спрямованість решітки досягається, коли всі амплітуди рівні: Тоді КСД решітки D=N. Це випадок однорідного збудження лінійних решіток.

Способи збудження елементів решітки. При синфазному збудженні резонаторних елементів, для уникнення появи вторинних головних пелюсток в ДС, відстань між елементами решітки не повинна перевищувати. Резонансне збудження решітки характеризується тим, що основне випромінювання напрямлене по нормалі до площини решітки. Основний недолік такого збудження це погане узгодження решітки з лінією передачі.

Вказаного недоліку позбавлені антенні решітки із збудженням елементів «поза резонансом» в режимі біжучої хвилі. При великій кількості елементів відбиття від кожного з них «в середньому» компенсуються, що забезпечує хороше узгодження антенних решіток. Недоліком такого збудження є відхилення напрямку основного випромінювання від нормалі до площини решітки, яке змінюється із зміною частоти. Проте при малій різниці зсуву фаз між сусідніми елементами «поблизу резонансу» це відхилення мале.

1.2.3 Особливості розрахунку вібраторних антен в мікросмушковому виконанні

Вібраторні антени та їх різновиди широко застосовуються у якості випромінювачів в антенній техніці. Особливо широко використовуються вони як випромінюючі елементи в антенних рішітках. Смушковим вібратором є стрічковий провідник на тонкому діелектричному шарі. При використанні у складі антенних решіток мікросмушковий вібратор зазвичай розташовується над плоским провідним екраном.

Коефіцієнт підсилення двовимірної решітки приблизно в більший за коефіцієнт підсилення поодинокого випромінювача.

Мікросмушкові антени та антенні решітки на їх основі мають суттєві переваги - вагогабаритні параметри, інтегрування їх у загальні схеми, побудова фідерних і керуючих ланок, але шумові параметри таких антен значно гірші за параметри хвилевідних антен.

Лінія передачі може підводитися до мікросмужкового вібратору як перпендикулярно стрічковому провіднику вібратора, так і в площині провідника. У першому випадку звичайно використовується коаксіальна лінія із симетричним пристроєм, як і у випадку дротового вібратора. У другому найбільш широке застосування знаходить збудження за допомогою симетричної смушкової лінії. Іноді збудження здійснюється за допомогою двохпровідної смушкової лінії. Як правило, смушкові лінії, поєднані із входом вібратора, далі за допомогою переходів з'єднуються з лініями передачі (смушковими або коаксіальними), а також з хвилеводами, які більш зручні в конструктивному відношенні й мають кращі характеристики.

Антенні решітки із друкованими вібраторними елементами. Вібраторні випромінювачі в друкованому виконанні як елементи ФАР з успіхом застосовуються в режимах прийому й передачі. Основною моделлю дослідження великих плоских ґрат є нескінченна решітка з випромінювачами, що збуджуються струмом з однаковою амплітудою та фазою, яка лінійно змінюється. Така модель дає задовільні результати для вібраторних решіток над плоским екраном уже при числі вібраторних елементів 10Ч10. Аналіз вібраторною антенної решітки складається в аналізі залежності вхідних опорів від кута сканування. Знаючи ці опори, вплив останніх на неузгодженість у фідерній системі антенної решітки можна мінімізувати.

Друковані вібратори в періодичній антенній решітці розміщуються в її вузлах, як правило, над провідним екраном. Друковані вібратори в складі антенної решітки можуть бути об'єднані у квадрорупольні елементи. Змінюючи з'єднання вібраторів у квадроруполі, можна суттєво міняти характеристики антенної решітки. Звичайно друковані вібратори передбачаються резонансними й мають відповідний розмір.

При дослідженні впливу вхідного опору вібратора на коефіцієнт відбиття, який визначає режим у лінії передачі, варто розрізняти поводження активної R та реактивної X складового опору. Як показують дослідження вібраторних решіток, ці складові мають різні залежності від кута сканування. Тому збіжність ряду при обчисленні величин R та X вимагає роздільного розгляду. При відсутності головних додаткових пелюстків у ДС решітки для обчислення активної складової R можна обмежиться одним членом ряду, що відповідає номеру m = 0, n = 0. Обчислення реактивної складової X вимагає обліку великої кількості членів цього ряду. Детальний аналіз величин R, X залежить від конкретних розмірів антенної решітки. Однак у багатьох випадках немає необхідності знати дійсне значення повного вхідного опору Z, тому що елементи решітки погоджені відносно певного кута сканування, звичайно нормального до площини решітки. У цьому випадку становлять інтерес зміни вхідного опору при зміні кута сканування, що зменшує об'єм обчислювальної роботи.

Система двох зв'язаних вібраторів, що утворюють квадрупольний елемент решітки, збуджується напругою U₀ генератора, який приєднаний до її середини. В залежності від номера (m,n) квадрупольного елемента напруга збудження змінюється за законом. Застосовуючи розкладання та коефіцієнти Фур'є для i = 1,2 власні й взаємні опори Z_uv вібраторів, що утворюють квадруполь, можна для u,v = 1,2 визначити.

1.3 Інші друковані випромінюючі системи

антена мікрострічковий мікросмужковий випромінюючий

Серед нерозглянутих друкованих антен слід відзначити спіральні, а також антени інших типів, обумовлені способом збудження. Так, практичне застосування знаходять вібраторні решітки із синфазним збудженням. З'єднання вібраторів у квадроруполі дозволяє формувати синфазні розкриви, ефективна площа яких практично відповідає геометричній площі розкриву. Тому, становлячи різні по площі розкриви, можна міняти ширину променя антени, спрямованого по нормалі до її поверхні. Іншим способом синфазного збудження вібраторів є їх послідовне з'єднання з лінією передачі, подібно збудженню системи випромінювачів резонаторного типу. Послідовне збудження є досить вузькосмуговим.

В друкованих випромінюючих системах, виконаних у вигляді антен біжучої хвилі, використовують принципи, застосовані при побудові антен у довгохвильовому діапазоні. Випромінююча структура представляє зиґзаґоподібний (хвилеподібний) стрічковий провідник, по якому поширюється хвиля струму, що біжить. Провідник розташований над провідним екраном, що може бути замінений резонатором.

Також знаходять застосування щілинні антени, збуджені смушковою лінією передачі. Щілинні антени застосовуються в тому ж діапазоні частот, що й хвилевідно - щілинні антени. На відміну від останніх щілинні антени володіють тою перевагою, що лінія передачі практично не має дисперсію. Тому частотна залежність характеристик щілинних антен менша, чим у хвилевідно - щілинних. Недоліком щілинних антен є підвищені вимоги до смушкової лінії передачі для антен великої довжини та необхідність експериментального відпрацювання її розмірів.

Щілинні випромінювачі антени прорізаються на зовнішньому провіднику симетричної смушкової лінії. Наявність щілин викликає появу в лінії передачі хвиль вищих типів, для придушення яких використаються комбінації штифтів. Довжина щілини обчислюється за формулою і уточнюється експериментально. Зв'язок щілини з смушковою лінією передачі регулюється зсувом щілини щодо центрального провідника лінії.

Щілинна антена, збуджувана смушковою лінією, зручна для частотного сканування. Для збільшення різниці фаз між сусідніми щілинами зі зміною частоти в смушковій лінії можна розташувати пристрої, що збільшують її електричну довжину, зокрема, використати центральний зиґзаґоподібний провідник смушкової лінії. Електрична довжина між щілинами може становити кілька довжин хвиль. Таким чином, можна одержати ширококутне сканування. У трьохсантиметровому діапазоні довжин хвиль отриманий кут сканування до 60° при зміні частоти на 5 %.

Размещено на Allbest.ru