книги / Основы радиотехники и антенны. Антенны
.pdfС увеличением расстояния s между вибраторами напряжение Un, наводимое в пассивном вибраторе при неизменном токе актив ного вибратора, уменьшается по величине и в большей степени отстает по фазе (YI) от тока в активном вибраторе. Это подтверждает ся табл. 6.1, данные которой сняты при токе в активном вибраторе, равном 1а.
На рис. 6.6 показаны диаграммы направленности антенны, со стоящей из активного А и пассивного П вибраторов. Диаграммы, расположенные по вертикали, соответствуют одному значению рас стояния между вибраторами s, а следовательно, и одному значе нию уг, а диаграммы, расположенные по одной горизонтали, сняты при одинаковом значении длины вибратора, т. е. при равных углах у2. Благодаря этому, ориентируясь по параметрам yt, у2, соответствующим положению данной диаграммы, легко определить угол у сдвига фазы тока в пассивном вибраторе относительно гока в активном вибраторе:
У = Yi + Y*
Исследуя эти диаграммы, можно отметить следующее:
1.Если угол у находится в первых двух четвертях, то пассив ный вибратор выполняет роль рефлектора. Если же угол у »асположен в третьей и четвертой четвертях, то тот же вибратор являет ся директором.
Иными словами, ток в рефлекторе опережает по фазе, а ток
вдиректоре отстает по фазе относительно тока в активном вибра торе.
2.Существуют вполне определенные значения y^s), у2 и у, при которых пассивный вибратор наиболее эффективно работает как рефлектор или директор. Например, для получения эффекта рефлектора целесообразно установить:
a) |
s = |
0,15 X (уг = —180°); |
у2 = -40°; |
||
б) |
ч = |
0,2Я (у| = |
—195 ); |
у 2 = |
—40°. |
Пассивный вибратор наиболее успешно работает как директор |
|||||
при |
|
|
|
|
|
b) |
s = |
0, IX (?1 = |
—165°); |
у2 = |
20°; |
г ) |
ч =0,15Х(уг = |
-180°); у2 = |
40° |
Эти частные случаи иллюстрируются векторными диаграмма ми (рис. 6.7). Например, согласно диаграмме рис. 6.7, * ток в актив
ном вибраторе |
/а наводит напряжение U4 в пассивном вибраторе |
|||
с отставанием по фазе на 165° |
Это напряжение вызывает в том же |
|||
вибраторе ток |
/п с опережением по фазе на 20° В результате ток |
|||
/п оказывается |
сдвинутым по |
фазе относительно тока |
/ а на |
угол |
у = у! + у2 = — 165° + 20° = |
—145°, т е. /„ отстает от |
/а на |
145°, |
|
что характерно для директора. |
|
|
3. Отрицательные значения угла у2 для рефлектора и положи тельные значения этого угла для директора служат доказательством
различном расстоянии между ними и различной длине (настройке) пассивного вибратора.
того, что ток в рефлекторе отстает по фазе от наводимого в нем на пряжения, а ток в директоре опережает по фазе напряжение на нем. Следовательно, рефлектор должен иметь характер индуктив ного сопротивленияу а директор — емкостного. Для этого при на строенном в резонанс полуволновом активном вибраторе рефлектор
Рис. 6.7 Векторные диаграммы напряжений и токов в антенне, состоящей из активного и пассивного вибраторов.
должен быть несколько длиннее, а директор несколько короче поло вины длины волны.
4. Входное сопротивление активного вибратора под влиянием пассивного вибратора оказывается, как правило, меньше сопро тивления излучения одиночного полуволнового вибратора (Ri <'
т
< 73,1 ом), Это затрудняет согласование антенны с фидером, в свя зи с чем в качестве активного вибратора директорной антенны часто используют петлевой вибратор с повышенным значением Rv.
Форма диаграммы направленности антенны типа «волновой канал» зависит от числа вибраторов в антенне и, в частности, от числа директоров. Увеличение числа директоров способствует уси лению направленного действия антенны. Установленная выше фор мула коэффициента направленного действия атенны бегущей волны
оптимальных размеров справедлива и в данном случае: |
|
0 = / ^ , |
(91) |
где /А — общая длина антенны (от рефлектора до крайнего дирек тора);
kx = 5-ь 10 — коэффициент, зависящий от числа директоров. Чем больше директоров в антенне, тем труднее обеспечить наи более выгодные фазовые сдвиги между токами в вибраторах и гем меньше kx. Обычно число директоров в антенне не превышает 10.
При этом ширина диаграммы направленности 2ср' « 20 -ь 40°. Так как каждый дополнительный вибратор в антенне изменяет
характер ее поля, то оптимальные размеры антенны с несколькими директорами (см. рис. 6.5) отличаются от указанных оптимальных размеров антенны с двумя вибраторами.
Антенны директорного типа применяются в диапазоне метро вых и дециметровых волн. Преимущество этих антенн заключается в простоте схемы питания и конструкции и в малых габаритах. К не достаткам антенн директорного типа относится трудность подбора размеров вибраторов и расстояния между ними. Директорные ан тенны узкополосные вследствие того, что направленность таких ан тенн в большой мере .определяется фазовыми соотношениями, за висящими от частоты.
39. Диэлектрические антенны
Диэлектрические антенны представляют собой один или не сколько конусообразных стержней, изготовленных из диэлектрика с малыми потерями. В качестве такого диэлектрика широко приме няют полистирол, имеющий относительную диэлектрическую про ницаемость е = 2,5 и угол потерь 10"2 -ъ 5• 10_3.
Стержень 1 (рис. 6.8) возбуждается штырем 2, являющимся продолжением внутреннего провода коаксиальной линии «3 питаю щей антенны. Наружный провод фидера соединяется с металличес ким патроном 4Укоторый отражает волны, возбуждаемые штырем, и этим обеспечивает их распространение только по другую сторону штыря. В некоторых конструкциях одну половину стержня срезают, а другую помещают на металлическое основание, которым по методу
зеркальных изображений восполняется недостающая половина' стержня.
Известно, что в диэлектрическом стержне соответствующего сечения распространяются электромагнитные волны, которые по структуре полей можно отнести к волнам типа НЕп . Электрическое поле волны НЕп преимущественно поперечное. Значит во всем объе ме стержня имеются поперечные токи смещения. Как и токи проводи мости, они способны вызвать излучение волн. Если добиться пол ного излучения электромагнитной энергии с поверхности стержня (чтобы от его открытого конца энергия не отражалась), то имеющие ся в стержне поперечные токи смещения образуют антенну бегущей
волны с осевым излучением. Последняя отличается от рассмотрен ной в § 35 непрерывным (вместо дискретного) расположением эле ментарных излучателей.
Функцию направленности такой антенны в меридиональной плоскости /(ср) получаем из уравнения (83), обозначив в его числи
теле длину стержня N lx = |
/ а и подставив в знаменатель 1г = |
/А/М, |
||
где N-+oo — число |
элементарных излучателей, а /^ О — расстоя |
|||
ние между ними: |
|
|
|
|
sinEJlh. |
(k3 — cos ф) |
sin —^ (k3 — cos ср) |
|
|
/((p) = coscp------ |
- t----------------- |
|
= cos Ф— ш---------------- |
. |
|
sin -y- (ka— cos <p) |
sin —~ (fe3 —cos ?) |
|
|
|
Л |
|
NK |
|
Теперь заменяем в знаменателе синус весьма малого угла са-
nlA
мим углом -JJJ- (k3—cos ф) и, разделив все выражение на постоян
ный множитель N, переходим к нормированной функции направ ленности антенны:
• |
/С |
|
sin --2 (k3— COS Ср) |
|
|
F (Ф) = cos ф - |
----------------- . |
(92) |
-1* (*8_ C0S(f) |
|
Здесь |
ф — угол |
между |
данным направлением |
и осью |
/г3 = civ = |
стержня; |
|
|
|
к/кст— коэффициент замедления волны в стержне. |
||||
Этот |
коэффициент |
зависит |
от отношения диаметра |
стержня |
d к длине волны к (рис. 6.9). Действительно, если d/k велико, то электромагнитные поля преимущественно концентрируются внут ри стержня и распространяются в нем как в диэлектрическом вол новоде с фазовой скоростью, примерно равной скорости распростра нения в неограниченной среде с диэлектрической проницаемостью
е данного стержня (у = с/У е). По мере уменьшения d/k все большая часть энергии переносится вне стержня, интенсивней становится излучение энергии во внешнюю среду, фазовая скорость возрастает и при d/k < 0,2 ч- 0,25 становится равной скорости света.
Рис. 6.9. Зависимость фазовой скорости электромаг нитных волн в диэлектрическом стержне от его диа метра, отнесенного к длине волны.
Соответственно изменяется и волновое сопротивление стержня. Погонная емкость диэлектрика больше, чем воздуха. Следователь
но, |
волновое сопротивление диэлектрика меньше, чем воздуха. |
Так |
как с уменьшением dfk увеличивается количество энергии, пе |
реносимой вне стержня, то его волновое сопротивление ZDа возрас |
|
тает |
и, когда d/k становится меньше 0,29, Z BA оказывается весьма |
близким к волновому сопротивлению свободного воздушного про странства.
Этим объясняется целесообразность применения конусообраз ных стержней в качестве диэлектрических антенн. Возле патрона стержень должен иметь максимальный диаметр dMакс, величина которого удовлетворяет условиям возбуждения нужной волны НЕп :
dмакс ~ |
0,565 \ |
(93) |
|
Затем диаметр d постепенно уменьшают до величины dm „, при которой излучатель почти полностью согласован с внешней средой:
d мин |
0,35 А.’ |
(94) |
|
-J- |
Зная dMaKс |
и dUHH определяем средний диаметр d — (dMaKC+ |
после |
чего из рис. 6.9 находим и/с и обратную величину |
fe3 = c/v. Эта величина fe3 должна совпадать или быть близкой к оп тимальному коэффициенту замедления /г30пт, при котором получает ся максимальный коэффициент направленного действия антенны. Как известно (см. § 35), для антенны бегущей волны с осевым излу чением
К опт = 1 + 2/7
Таким образом выявилось, какой должна быть длина стержня. Материал диэлектрического стержня должен отличаться малыми потерями на УКВ (tg6 ^1 0 ~ 2 10"3) и тогда коэффициент полез-
Lf 7 1 |
) |
Рис. 6.10. Четырехстержневая антенна.
ного действия антенны близок к 100%, а коэффициенты направлен ного действия D и усиления G примерно равны.
Если к тому же размеры стержня оптимальные, то из сказанного выше
D « G « ( 7 -г 8) -у- |
(90) |
При /а > 10Х целесообразно перейти к конструкции многостержневой антенны (рис. 6 10), в которой все стержни возбуждаются синфазно. Функция направленности такой антенны отличается от (92) множителем решетки, учитывающим наличие р стержней с ин тервалом а один от другого в плоскости исследуемой диаграммы,
т. е.
inj^y^ (k3 — coscf)j |
sin ( ^ |
a sin |
) |
/ (ф) = sin ф |
|
|
(95) |
^ ( A 3 — C u S v ) |
Sill I -y |
Sin Ф |
1 |
A
40. Спиральные антенны
Спиральная антенна представляет собой свернутый в спираль провод /, который питается через коаксиальный фидер 2 (рис. 6.11, а). Внутренний провод фидера соединяется со спиралью, а внешняя оболочка фидера — с металлическим диском 3.
Свойства спиральной антенны в значительной мере опреде ляются формой и размерами спирали. По форме спираль может быть не только цилиндрической, как на рис. 6.11, но и конической, плос-
Рис. 6.11. Спиральная антенна.
кой или иметь вид ломаной линии. Цилиндрическая спиральная антенна характеризуется следующими геометрическими размерами:
а — радиус спирали, s — шаг спирали,
/с — длина одного витка спирали, р — число витков спирали,
1а — длина |
спирали по ее оси; |
а — угол |
подъема спирали. |
Как видно из схемы антенны и изображения развернутого вит |
ка спирали (рис. 6.11, б), между размерами антенны имеются сле дующие зависимости:
|
lA = ps, s = /csina, tg a = -2^ . |
|
На |
практике |
спиральная антенна применяется как антенна |
с осевым |
излучением, работающая в режиме бегущих волн. Такой |
|
режим возможен |
потому, что ток высокой частоты, проходя по |
|
спирали |
вызывает |
излучение электромагнитных волн. Чем интен |
сивнее излучение, |
тем больше затухает волна тока в спирали, тем |
меньше отражается она от его конца, а это и требуется для полу чения режима бегущих волн в антенне. Что касается осевого излу чения, то оно происходит при определенных размерах спирали (рис. 6.12).
Волна тока распространяется вдоль провода спирали со ско
ростью v < |
с} т. е. |
с |
замедлением k3 = |
c/v. Эта |
волна проходит |
||||||||||
|
|
|
|
|
один виток (от сечения |
1 |
к сече |
||||||||
|
|
|
|
|
нию 5) за время tx = |
IJv. Ток спи |
|||||||||
|
|
|
|
|
рали |
возбуждает |
электромагнит |
||||||||
|
|
|
|
|
ные |
волны, |
которые |
распростра |
|||||||
|
|
|
|
|
няются |
в воздухе |
со |
скоростью с |
|||||||
|
|
|
|
|
и длиной |
волны X = сТ. Если |
бы |
||||||||
|
|
|
|
|
все витки сливались, то достаточно |
||||||||||
|
|
|
|
|
было |
установить |
время |
tx = |
IJv |
||||||
|
I j У Ч |
|
\ |
|
равным |
|
периоду |
колебаний |
Т = |
||||||
|
|
|
= У с, т. е. |
IJv = |
Ус, чтобы поля |
||||||||||
|
|
|
|
|
любой пары противоположных эле |
||||||||||
|
|
|
г |
|
ментов (/—3, 2—4) |
спирали |
сов |
||||||||
|
|
|
|
падали |
по фазе и полностью скла- |
||||||||||
o' |
-4- |
|
- |
~ ь дывались |
в |
точках |
оси |
О'О", ко |
|||||||
ф: |
|
|
о1 |
|
равноудалена |
|
от |
контура |
|||||||
|
--Q | |
|
|
ф=1С |
торая |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
витка. Это |
объясняется |
тем, |
что |
|||||||
|
|
|
I |
|
в пределах одного витка амплиту |
||||||||||
|
|
|
|
да тока |
|
практически |
одинаковая, |
||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
а различие в фазе на угол ф = л, |
||||||||||
|
|
|
|
|
имеющееся |
в |
диаметрально |
про |
|||||||
|
|
|
|
|
тивоположных сечениях витка ()— |
||||||||||
|
|
|
|
|
3, 2—4), компенсируется обрат |
||||||||||
|
|
|
|
|
ным направлением токов в них. |
||||||||||
Рис. 6.12. |
Виток |
спиральной |
|
В случае |
же |
цилиндрической |
|||||||||
спирали с шагом |
s |
условие |
мак |
||||||||||||
|
|
антенны. |
|
|
симального |
осевого |
излучения |
||||||||
за |
время |
прохождения |
тока |
формулируется |
несколько иначе: |
||||||||||
по витку |
tx = |
IJv электромагнитная |
волна должна пройти в воздухе расстояние большее, чем длина волны, на шаг s:
In |
X+ |
s |
, |
с |
X-ps |
/Лл*ч |
— = —■— ; соответственно |
&3 = —= |
-J— . |
(96) |
|||
V |
с |
’ |
|
v |
/ с |
v ' |
При таком коэффициенте замедления токи в любых двух се чениях, расположенных под углом 90° (например, в 1—2, 2—3, 3—4, 4—5), вызывают на оси О'О" поля, которые сдвинуты по фазе на 90° и поляризованы под углом 90° В результате сложения этих линейно-поляризованных волн получаются волны с круговой поля ризацией. Отсюда следует вывод: выражение (96) является одновре менно условием получения осевого излучения и волн с круговой поляризацией.