2.3. Линейные электрические вибраторы

Антенну в ви­де прямолинейного проводника тока с длиной соизмеримой с длиной волны и много большей его поперечного размера называют линейным электрическим вибратором. Различают симметричные и несимметричные вибра­торы, в зависимости от спосо­ба питания.

Экспериментально установлено, что при малом диаметре вибратора по сравнению с его длиной, ток распределяется по синусоидальному закону вдоль его длины с узлами на концах, т.е. вдоль длины вибратора устанавливается стоячая волна.

Найдем распределение тока для вибраторов разной длины.

Симметричный вибратор длиной 21 расположим вдоль оси Z (рис. 2.10). Запишем выражение для тока вибратора, считая, что возбуждающий генератор расположен в начале координат.

Здесь I_m0 — амплитуда тока в точках питания.

Графики распределения тока на симметричном вибраторе при разной его длине показаны на рис. 2.11.

Рис. 2.11

Рис. 2.10

Найдем выражение для поля в даль­ней зоне по формуле (2.11), считая, что вибратор состоит из элементарных электрических вибраторов Герца:

Нормируя диаграмму направленности (по полю), получим:

Из (2.16) следует, что вдоль оси (при θ = 0; π) вибратор не излучает. Диаграмма напра­вленности вибратора является телом вращения вокруг оси Z. Направление максимумов излучения главных и боковых лепестков зависят от длины вибратора.

К основным характеристикам вибратора относится его сопротивление излучения . Для расчета используют заранее рассчитанные графики (рис. 2.12) или таблицы, с учетом того, что сопротивление излучения определяют в пучности тока ( т.е.

= _П.

Определим эффективную длину симметричного вибрато­ра, для чего сравним поле Е_т в дальней зоне в направлении максимального излучения, созданное рассматриваемым виб­ратором длиной 2l, с по­лем воображаемого вибратора Герца длиной Рис. 2.12 I_эф при условии I_от = I_mГерца. Получим:

для волнового вибратора с длиной 2l = λ, необходимо принимать I_mГерца = I_mп.

Важным параметром симметричного вибратора является также его вход­ное сопротивление , поскольку его необходимо знать при согласовании питающей линии передачи. Приведем окончательное соотношение для расчета без вывода:

где ; ;

R — радиус виб­ратора.

Зависимость актив­ной (R_A) и реактивной (X_A) частей входного сопротивления симмет­ричного вибратора от его относительной длины построенные на основании (2.18), при­ведены на рис. 2.13. В нижней части этого ри­сунка показано, какого типа входное сопротив­ление создает рассмат­риваемый вибратор при различных значениях его относительной длины .

К

Рис. 2.13

ак следует из приведенных на рис. 2.13 графиков для практического использования целесообразно применять полу­волновой и волновой резонансные вибраторы, у которых реактивная часть входного сопротивления равна нулю, а диаграммы напра­вленности не имеет боковых ле­пестков, поскольку отсутствуют про­тивофазные участки распреде­ления тока вдоль вибратора. КНД этих вибраторов составляет соответственно D­_λ/2 = 1,64; D _λ = 2,4.

Из графика на рис. 2.12 видно, что сопротивление излучения _П полуволнового вибратора составляет 73,1 Ом, а волнового - 200 Ом. Входное сопротивление полуволнового вибратора равно R_A = _П = 73,1 Ом, а для волнового вибратора входное сопротивление необходимо определять по формуле , (X_A ≈ 0). Величину Z₀ требуется рассчитывать для каждого конкретного случая отдельно, поскольку волновое сопротивление вибратора зависит от его диаметра.

Н

Рис. 2.12

есимметричные вибраторы, используемые на практике, размещают­ся вертикально относительно какой-либо проводящей поверхности или относительно поверхности Земли. При этом использу­ется только половина вибратора. Если поверх­ность имеет высокую проводимость, то при определе­нии параметров несимметричного вибратора можно воспользовать­ся методом зеркальных изображений. В этом случае необходимо за­менить отражающую поверхность зеркальным изображением ре­ально существующей части вибратора. Для выполнения граничных условий на проводящей поверхности в соответствии с уравнениями Максвелла (для Е и Н электрического и магнитного полей) распределение тока у виртуальной части вибратора должно быть синфазным с реальным вибратором. При этом условии несимметричный и симметричный вибраторы будут эквивалентны. Расп­ределение тока показано на рис. 2.14.

Рис. 2.14

Расчет поля для несимметричного вибратора производят по формуле (2.15), однако поле реально существует только в верхнем полупрост­ранстве

Несимметричный вибратор над проводящей поверхностью длиной l создает такое же поле , как и сим­метричный длиной 2l. При этом ток в пучности вибраторов одинаковый, а несимметричный вибратор излучает в полупространство половину мощности. Поэтому его сопротивление в два раза меньше сопро­тивления излучения _П и соответственно в два раза больший КНД. Входное сопротивление несимметричного вибратора длиной l равно половине входного сопротивления сим­метричного длиной 2l.