Вибраторные антенны. Конструкции вибраторных антенн: разновидности полуволновых вибраторов; шунтовые вибраторы; не симметричные вибраторы. Способы питания антенн.

Простейшей и наиболее распространенной антенной является полуволновый вибратор.

П ервую конструкцию рис. а) удобно подключать через коаксиальную линию 75 Ом, но он имеет не симметричную конструкцию и плечи будут возбуждаться с разными амплитудами токов, поэтому в этом случае необходимо использовать полуволновый трансформатор.

Подключение:

В торая конструкция рис б) полуволновый симметричный вибратор с шунтовым питанием. Питание здесь осуществляется симметричной линией передачи. Расстояние l выбирается порядка десятых долей длин волн и зависит от волнового сопротивления питающей линии. Снижение L 0,10,3.

Петлевой симметричный полуволновый вибратор:

l= 6 - 8 см: l₁ 6-10 мм; а = 5-20 мм; z_ВХ 292 Ом; длина волны метровый диапазон. Хорошо согласовывается с симметричной линией передачи z_B 300 Ом.

П етлевой симметричный вибратор с шунтовым питанием:

П еремычки увеличивают широкополосность антенны.

 /4-волновый несимметричный вибратор возбуждаемый с помощью проводящего диска.

/4

Иногда используются аналогичные конструкции с размером примерно 3/4, для увеличения КНД. Для согласования применяется дополнительная катушка индуктивности.

Д иаграмма направленности несимметричных вибраторов имеет форму тороида, максимальное излучение которого в поперечном сечении направлено под углом  к горизонту. Для еще большего уменьшения габаритов используют намотку в спираль, например для УКВ диапазона порядка 100 МГц: =3 м, соответственно длина антенны будет составлять 75 см, при конструкции антенны 3 мм.

Несимметричный вибратор с приподнятой точкой питания. Здесь емкостное сопротивление верхней половины вибратора в точках А и В компенсируется последовательно включенным с ним индуктивным сопротивлением нижней половины вибратора. Подбирая диаметры вибратора и величину соотношений l₁ и l₂ можно получить полосу пропускания 10-15%.

Частотно независимые антенны: двухзаходная спираль Архимеда, конструкции частотно не зависимых антенн. Автоматическая отсечка излучающих токов, диаграммы направленности.

Функционирование данного вида антенн основано на принципе электродинамического подобия, утверждающего, что при одновременном изменении длины волны и всех геометрических размеров антенны пропорционально масштабному множителю, характеристики антенны остаются неизменными (ДН, КНД, усиление антенны G, z_ВХ и др.). Рассмотрим в качестве примера антенну в виде двухзаходной спирали Архимеда.

 =а - радиус, -угол; а - скорость развертывания спирали.

Пусть точки Р и Q находятся на равных расстояниях вдоль проводов от входных зажимов a и b. Тогда . Расстояние между проводниками r<<r, то можно считать что Q  р' = r – это разность длин двух проводников спирали, не зависит от числа витков, если спираль намотана равномерно. Периметр витка на котором находится Р равен 2. В случае, если r=/2 =1/, то расстояние Qp'=/2. Если в спирали имеет место бегущая волна токаи ветви в спирали в точках а и b возбуждаются противофазно, то разность фаз тока в точках Р и Р' двухпроводной спиральной линии равна: +2(/2)=2, где первый член - сдвиг фаз в точках а и b, второй член - сдвиг фаз за счет разных расстояний по спирали до точек р и р'. Таким образом, токи в точках р и p' синфазны, и излучение максимально в направлении нормали к плоскости спирали. Синфазными будут также токи в точках диаметрально противоположных относительно центра (точка О). Поскольку такие же рассуждения можно провести относительно любых точек, находящихся на расстоянии r=/2 от центра, то заключаем, что главным образом будут излучать витки, расположенные в пределах кольца, средний периметр которого равен длине волны . Эта область получила название активной области антенны.

Т .О., при изменении длины волны активная область перемещается, сохраняя относительные размеры, вследствие чего основные характеристики антенны остаются неизменными. В большинстве случаев такие антенны используются в сантиметровом диапазоне, ДН антенн широкая. Если ДН широкая, то КНД минимален, входное сопротивление составляет порядка сотен Ом.

При конструировании ряда частотно-независимых антенн важную роль играет принцип самодополнительности, характеризующий свойства бесконечно протяженных антенн, состоящих из металлических проводников произвольной формы и идентичных им по форме щелей магнитных вибраторов.

Т.к. структура антенны под рис. а) бесконечно протяженная, то ее ДН не зависит от частоты, ее входное сопротивление z_ВХ=188,5 =60 Ом (на любой частоте), ограничиваться будет размерами антенны по низкой частоте.

Замечательной особенностью антенны в виде равноугольных логарифмических спиралей под рисунком б) является автоматическая отсечка излучающих токов. Это явление состоит в том, что амплитуды токов, возникающих в спиральных плечах резко уменьшаются на 2 и более порядка после прохождения витка спирали, периметр которого примерно равен длине волны . Остающаяся невозбужденная внешняя часть может быть отброшена и это почти не сказывается на ДН антенны и входном сопротивлении.

Возможны 2 режима возбуждения антенны синфазное и противофазное. Плечи соединяются между собой и подсоединяются к центральной жиле.

Для расчета ДН используются следующие формулы:

;

;

где J_n1(x)- функции Бесселя, причем n=1 - противофазное возбуждение, n=2 -синфазное возбуждение спирали.

а) противофазное возбуждение спирали б) синфазное возбуждение спирали

Полные пространственные диаграммы направленности имеют вид тел вращения вокруг оси z.