Техническая электродинамика Черенков (Кривець)

Рисунок 4.18 – Диаграммы направленности антенной решетки из двух симметричных вибраторов

петлевой вибратор

рефлектор

Рисунок 4.19 – Директорная антенна

Недостаток директорной антенны – ограниченность ее рабочего диапазона частот. Ширина рабочего диапазона составляет примерно 5…15 % от основной частоты. Чем больше директоров содержит антенна, тем уже ее рабочая полоса частот.

В качестве активного вибратора в директорной антенне применяется как обычный симметричный вибратор, так и так называемый петлевой вибратор, предложенный А.А. Пистолькорсом. Схематично такой вибратор изображен на рис. 4.20.

нитное поле. Параболическая поверхность обладает тем свойством, что лучи, отраженные от зеркала, «идут» параллельно его оптической оси и длина лучей, идущих из фокуса до апертуры одинакова для всех лучей.

Следовательно, к апертуре лучи приходят с одинаковыми фазами и сферический фронт волны облучателя преобразуется в плоский. Это и обуславливает высокую направленность параболической антенны (широкая ДН облучателя преобразуется в узкую ДН антенны).

Облучатель в точке F должен излучать волны, близкие к сферическим. Облучатель выбирается так, чтобы главный лепесток его ДН был ориентирован в направлении зеркала. При этом ширина лепестка должна быть такой, чтобы напряженность поля на краях зеркала была на 10 дБ меньше напряженности поля у его вершины. Желательно иметь малые размеры облучателя, чтобы уменьшить его экранирующее действие (теневой эффект) на поле, излучаемое зеркалом. Диапазонные свойства параболической антенны в основном зависят от облучателя, поэтому от него требуется широкая полоса пропускания частот. В качестве облучателя в основном используются директорные, рупорные и

спиральные антенны.

ДН параболической антенны зависит от конструкции облучателя, его ДН и радиуса раскрыва зеркала. Сечение ДН плоскостью, проходящей через оптическую ось, имеет вид, представленный на рис. 4.11.

Ширина главного лепестка ДН зеркальной антенны существенно зависит от радиуса раскрыва зеркала. При выполнении условия оптимального облучения зеркала ширина главного лепестка ДН может быть определена по следующей формуле:

где R0 – радиус раскрыва зеркала.

Коэффициент направленного действия параболической антенны в направлении главного лепестка определяется следующей формулой:

где S – площадь раскрыва; λ – длина волны; ν – коэффициент использования поверхности (КИП) апертуры.

Величина КИП определяет уменьшение КНД за счет различных факторов: переливание части излученной облучателем энергии через края зеркала, вызывающего увеличение уровня боковых лепестков ДН зеркальной антенны в задних квадрантах (дальние боковые лепестки); ошибки в фазовом распределении на раскрыве за счет неточности изготовления поверхности зеркала; затенение части поверхности зеркала облучателем и системой его крепления и др. Как правило, КИП параболической антенны составляет 0,5 … 0,6, достигая в лучших случаях 0,75.

Современные параболические антенны для космической связи имеют большие радиусы раскрывов, вплоть до нескольких десятков метров. КНД таких антенн достигает сотни тысяч единиц, а ширина ДН нескольких минут.

Этот факт называется явлением двойного лучепреломления. В теории распространения волн в ионосфере одну из этих волн называю обыкновенной волной, другую необыкновенной.

Отметим, что коэффициенты Френеля, определяемые формулами (5.11) … (5.14), в большинстве практически важных случаев можно использовать при расчетах коэффициентов отражения (преломления) от поверхности Земли.

5.2. Явление полного прохождения волны через границу двух сред

Выясним условия, при которых падающая волна проходит во вторую среду, не отражаясь от границы раздела. Очевидно, что для этого необходимо,

формул (5.11), (5.13) и (5.15) видно, что это невозможно, если хотя бы одна из сред имеет потери.

Рассмотрим среды без потерь. В этом случае волновые числа и волновые сопротивления обеих сред являются действительными величинами.

1. Рассмотрим вначале случай параллельно поляризованной волны. Из

условия & = 0 и формулы (5.13) следует, что должно выполняться следующее

R||

равенство:

Zc2 cos ϕ = Zc1 cos θ .

Из последнего условия (с учетом формулы (5.15)) можно получить соотношение для угла падения ϕ , при котором волна не отражается от границы раздела. Это соотношение имеет следующий вид:

определяется следующей формулой:

определение. Критическим углом будем называть угол падения, определяемый из следующего соотношения:

Подставим (5.20) в (5.15), тогда окажется, что преломленная волна идет вдоль границы раздела сред ( θ = π2 ). Подставляя значение θ = π2 в формулы

(5.11) и (5.13) видим, что при ϕ = ϕкр коэффициенты отражения R|| и R равны единице. Пусть теперь ϕ > ϕкр . В этом случае величина, стоящая под радикалом

в формуле (5.15) становится отрицательной. Отсюда следует, что cos θ в формулах (5.11) … (5.15) является чисто мнимой величиной. Для дальнейшего нам удобно его записать в следующем виде:

Подставляя формулу (5.21) в соотношения (5.11) и (5.13) видим, что модули коэффициентов отражения для обеих поляризаций равны единице.

Из проведенного анализа следует, что амплитуда волны любой поляризации, отраженной от границы раздела двух идеальных диэлектриков, равна амплитуде падающей волны при выполнении следующих условий:

5.4.Структура электромагнитного поля при полном внутреннем отражении

Рассмотрим свойства электромагнитного поля вблизи границы раздела при полном внутреннем отражении. При этом ограничимся только случаем нормальной поляризации. Случай параллельной поляризации рассматривается аналогично.

Как было показано в разд. 5.3, модуль коэффициента отражения при полном внутреннем отражении равен единице. Отсюда следует, что в этом случае можно записать, что

где Ψ – некоторое действительное число.

Подставим (5.24) в (5.2), сложим (5.1) и (5.2), умножим полученную сумму на exp(iωt ) и вычислим реальную часть полученного произведения.

Тогда получим следующее выражение: