Дискретные антенны.

Дискретные антенны являются наиболее распространенными при проектировании различных акустических устройств. Если проектируется система поиска или обзора водного пространства, то необходимо применять антенны, имеющие узкие ХН с целью получения высокой разрешающей способности. Эти антенны имеют большие размеры и изготовить их в виде непрерывных технологических трудно и даже невозможно. Поэтому такие антенны изготавливают в виде набора отдельных преобразователей, каждый из которых имеет малые волновые размеры и является ненаправленным. Кроме простоты технологического изготовления они обладают еще и тем преимуществом, что по их поверхности можно легко сформировать заданное амплитудно – фазовое распределение. При этом можно управлять шириной ХН и ее ориентацией в пространстве.

Определим давление, которое создает дискретная антенна в некоторой точке, находящейся в дальнем поле.

Пусть антенна состоит из n элементов и известно, давление , развиваемое элементом с номером q в дальнем поле. Тогда, используя принцип суперпозиции, давление, развиваемое антенной в дальнем поле, можно выразить

Процедура сложения может быть различной в зависимости от выбора точки отсчета расстояния в выражении . Если ведется расчет эквидистантных линейных антенн, у которых преобразователи размещены на равных расстояниях, точкой приведения является центральный элемент. Для антенны в виде поршней или круглых дисков, расположенных по жесткой цилиндрической или сферической поверхности, точкой приведения является центр цилиндра или сферы.

Рассмотрим случай дискретных антенн, составленных из ненаправленных элементов.

Пусть центры ненаправленных элементов расположены в точках, определяемых радиус – вектором . Давление, создаваемое ненаправленным преобразователем с номером q, можно записать в виде

,

Представляет интерес случай, когда положение текущей точки на поверхности антенны определяется радиус вектором . В этом случае расстояние от нее и от начала координат r можно выразить следующим соотношением,

,

и затем, записать аналогичные выражения для давления , но уже для непрерывной и поверхностной антенн соответственно:

В этих выражениях колебательная скорость,

Рассмотрим теперь случай, когда расстояние r в выражении отсчитывается от точки, положение которой в системе координат общей для всех элементов определяется радиусом вектора . Разность хода лучей от элемента с номером q и от начала координат равна , поэтому между и существует связь

1

2

q

O

n

Учитывая, что точка наблюдения находится в дальней зоне от начала координат О и центра элемента номера q, r и – параллельные прямые, определяемые единичным радиус – вектором . Найдем связь между и . ,

где , так как величина радиуса вектора равна 1, можно выразить через скалярное произведение векторов

Складывая давление в точке наблюдения от отдельных преобразователей антенны, пренебрегая в амплитудном сомножителе и заменяя на r, получим

Это выражение показывает, что давление в точке наблюдения зависит от амплитудного распределения по антенне и от фазовых соотношений лучей, приходящих в точку наблюдения.

Вопросы для самопроверки:

1. Напишите каким условиям должны удовлетворять функции Грина для различных граничных условий.

2. Давление развиваемое плоской антенной расположенной в мягком экране.

3. Давление развиваемое линейной непрерывной прозрачной антенной.

Компенсация антенн в заданном направлении.

Компенсация – введение такого фазового распределения, чтобы обеспечить преимущественное излучение (или чувствительность) в заданном направлении. Чтобы получить синфазное сложение колебаний создаваемых всеми элементами антенн в направлении необходимо выполнить условие

Тогда главный максимум будет сориентирован по , т.е. с помощью выделения фазового распределения компенсируется разность хода лучей от разных источников. Путем компенсации антенн можно осуществлять сканирование (поворот) ХН в пространстве электрическим путем без механического поворота антенны.

Компенсированные антенны нашли широкое распространение при проектировании стационарных систем дальнего обнаружения и корабельных гидроакустических комплексов (станций бокового и кругового обзора). Устройства позволяющие реализовать требуемое амплитудно – фазовое распределение на преобразователях антенн, получили название компенсаторов. Основным элементом таких компенсаторов является линия задержки, изготавливаемая с использованием различной элементной базы. Для компенсации антенн в некотором направлении необходимо положить аргумент коэффициента возбуждения:

, что приведет к формулам:

Тогда для дискретной, линейной и поверхностной антенн можно записать соотношения с учетом заданного направления компенсации. Для дискретной антенны давление и нормированной ХН

,

;

Для линейной непрерывной антенны

,

;

Для поверхностной непрерывной антенны

,

.

Эти формулы являются общими при расчете антенн различной конфигурации.