ГЛАВА 14. АНТЕННЫ

14.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

14.1.1. Общие принципы

Любую антенну можно рассматривать как переход от линии передачи к свободному пространству [427, 443, 491, 527, 631, 757], который, с одной стороны, является элементом цепи и обладает активным и реактивным сопротивлением, а с другой стороны, является либо излучателем, либо поглотителем электромагнитных волн.

Назначение антенны как излучателя состоит в возбуждении электромагнитного поля в удаленной точке, и поэтому ее свойства определяются принципами дифракции Фраунгофера. Из обращения теоремы взаимности следует, что при соответствующей формулировке характеристики данной антенны, работающей на прием, будут такими же, как и при работе на передачу. Приемные антенны характеризуются эффективной поверхностью, определяемой соотношением [545, 687]

Можно показать, что принимаемая антенной мощность равна потоку мощности, переносимому плоской волной с соответствующей поляризацией через площадку, равную эффективной поверхности антенны. Другой характеристикой антенны является ее сопротивление излучения, при помощи которого излучаемую или принимаемую антенной мощность можно выразить через ток на входе антенны [754, 756].

Для антенн диапазона сверхвысоких частот важной характеристикой является также направленность излучения. -В связи с этим излучатель может представлять собой более сложное устройство,

нежели, скажем, простой диполь и под термином апертура будет пониматься распределение первичных источников в самом общем смысле [743].

Остронаправленные антенны можно разделить на два класса: синфазные антенны или антенны с боковым излучением и антенны бегущей волны или антенны с продольным излучением. Антенны с боковым излучением позволяют, вообще говоря, получить большее отношение коэффициента направленного действия к максимальному линейному размеру, нежели антенны с продольным излучением. Излучающую апертуру антенны можно сформировать из излучаемых источником сферических волн с помощью линз или зеркал, при этом импедансные характеристики питающего источника не будут зависеть от характеристик излучения антенны. В других случаях поле излучения может создаваться решеткой из элементарных излучателей. Решетка из N элементов, отстоящих друг от друга на расстоянии по которым текут токи одинаковой амплитуды, но с прогрессивной фазовой задержкой будет иметь согласно разд. 13.1.1 множитель решетки

где угол, измеряемой от оси решетки.

Показано [259, 378, 755], что можно создать любую диаграмму направленности с любым усилением и любым уровнем боковых лепестков. Расчет таких антенн с заданной диаграммой направленности представляет собой скорее задачу технического, нежели принципиального характера; при этом обычно используется тот факт, что апертурное распределение и диаграмма направленности по отношению друг к другу являются преобразованиями Фурье [363, 694]. Применяемый при этом метод суммирования [534] основан на том, что апертурное распределение, соответствующее сумме нескольких диаграмм направленности, равно векторной сумме распределений, соответствующих каждой диаграмме. Этот метод применяется как к излучающим апертурам [186, 467, 546], так и к излучающим структурам [215, 277, 485].

В антенных решетках задается распределение амплитуд и фаз токов в элементах. Например, распределение токов можно представлять в виде полиномов [410], что дает удобный метод расчета. Имеется ряд работ [80, 120, 376, 440, 466, 541, 661, 667, 700, 704], в которых даны различные методы анализа антенных решеток, в том числе многоэлементных [516]; много расчетных данных приведено в работах [183, 244, 740].

Более низкий уровень боковых лепестков, нежели в решетке с однородным распределением, имеет решетка, у которой коэффициенты полинома распределены по треугольному закону: Диаграмма направленности такой решетки выражается квадратом правой части уравнения (14.2), в котором надо удвоить масштаб по оси угла; первый боковой лепесток теперь имеет уровень на 26 дб ниже максимума главного лепестка.

Другая решетка с неравномерным распределением описывается полиномом с биноминальными коэффициентами, например для четырехэлементной решетки относительные амплитуды токов будут равны: 1 : 3 : 3 : 1. В решетке из N элементов относительная амплитуда тока в элементе, если считать от любого конца решетки, равна где Когда расстояние между элементами не превосходит диаграмма направленности такой решетки не имеет боковых лепестков, хотя главный лепесток получается широким.

Если небольшие боковые лепестки допустимы, то выгоднее использовать распределение по биноминальному закону более высокой степени с отброшенными малыми крайними коэффициентами. Например [5], решетка из восьми диполей при обычном биноминальном распределении имеет ширину диаграммы направленности 31° и КНД 4,8 по сравнению с 17,5° и 8,0 для равномерного распределения; если же взять восемь центральных членов в биноминальном распределении для то получится ширина диаграммы направленности 23°, усиление 6,7 и боковые лепестки с уровнем, не превосходящим 27 дб.

В некоторых случаях необходимы антенны, у которых уровень всех боковых лепестков одинаков; у таких антенн положение нулей диаграммы направленности на оси переменной выражается [746] полиномом Чебышева Относительная амплитуда боковых лепестков является функцией х; имеется теория таких многоэлементных антенн [17, 114, 295, 608, 611]. Уровень боковых лепестков можно также уменьшить, если элементы решетки размещать на неодинаковых расстояниях друг от друга [603, 682, 684].

В обычной антенной решетке с продольным излучением фаза изменяется линейно вдоль длины решетки со скоростью 360° на длину волны.

На рис. 14.1, а показана диаграмма направленности решетки длиной которая состоит из одинаковых изотропных излучателей, расположенных достаточно близко друг к другу, так что решетку можно рассматривать как непрерывное распределение тока. Так как диаграмма направленности построена в функции то нули будут находиться в равноотстоящих точках, когда и т. д. Диаграмму направленности антенны с продольным излучением можно рассматривать как результат смещения на диаграммы направленности эквивалентной решетки с боковым излучением за счет линейного набега фазы. Часть диаграммы направленности, соответствующая мнимым углам, для которых не имеет значения при рассмотрении действительной диаграммы излучения и она соответствует ближнему полю, т. е. реактивной составляющей полного сопротивления излучения

антенны. Сравнение [184] различных линейных распределений фазы показало, что оптимальное значение КНД получается при таком сдвиге фаз между элементами, при котором на всей длине решетки возникнет дополнительный сдвиг в 169°. При этом, как видно на рис. половина главного лепестка оказывается в области мнимых углов. Ширина главного лепестка реальной диаграммы направленности будет вдвое меньше, поскольку в области действительных углов, в которой находится лишь половина главного лепестка полной диаграммы.

Рис. 14. 1. Диаграммы направленности антенн с продольным излучением. Части диаграмм, расположенные левее и правее не показаны. Длина антенны равна угол отсчитывается от нормали к решетке; а — обычная решетка; б - с добавочным фазовым набегом порядка в — две диаграммы направленности, взаимно компенсирующие боковые лепестки; г - результирующая диаграмма направленности. (См. [172].)

Недостатком такого фазирования является то, что при этом возрастает уровень боковых лепестков, например уровень первого бокового лепестка возрастает с —6,6 до —4,8 дб, а также то, что возрастает реактивная составляющая полного сопротивления антенны из-за сильного излучения частью главного лепестка в область мнимых углов. Полный ток, потребляемый такой решеткой, будет в 1,57 раз больше тока, потребляемого обычной решеткой, создающей такую же напряженность поля; при этом соответственно возрастают омические потери. Для уменьшения уровня боковых лепестков Говард [172] предложил складывать две диаграммы направленности, как показано на рис. 14.1, в. Амплитуды складываемых диаграмм направленности зависят от длины решетки и от углового положения боковых лепестков, которые необходимо полностью компенсировать.

На рис. 14.1, г показана результирующая диаграмма направленности, которая получается при отношении амплитуд складываемых распределений 114/100. Уменьшение относительного уровня боковых лепестков достигается ценой увеличения тока на входе антенны в 5,4 раза.