Исследование многоэлементной антенной решетки «волновой канал»
Цель работы – заключается в экспериментальном исследовании многоэлементных антенных решеток «Волновой канал» и в знакомстве с методами расчета характеристик таких антенн.
Общие сведения
Антенна «волновой канал» (ВК), известная также как антенна Уда-Яги (Uda-Yagi), широко используется в различных радиотехнических системах благодаря возможности получения высокой направленности при сравнительно простой и дешевой конструкции [1-3].
Рис. 1. а ) Антенна «волновой канал» коротковолнового диапазона; б) телевизионные антенны «волновой канал» метрового и дециметрового диапазонов.
Рис. 2. Геометрия исследуемой антенны «Волновой канал».
Антенны этого типа используются в широком диапазоне частот, начиная от коротковолнового диапазона (рис.1,а) до печатных вариантов в СВЧ диапазоне. Наиболее широкое применение ВК получили в диапазонах метровых и дециметровых волн, прежде всего для приема телевизионного сигнала (рис.1, б).
Конструктивно антенна состоит из расположенных параллельно друг другу активного и нескольких пассивных вибраторов, размещенных на общей несущей – траверсе (Рис.2.). В ВК мощность от генератора по фидерной линии подводится, как правило, лишь к одному элементу (активному), остальные (пассивные) возбуждаются благодаря сильной взаимной связи.
Пассивные элементы можно разделить на два типа: директоры - расположенные в направлении формирования основного лепестка диаграммы направленности (ДН) антенны и, как правило, один рефлектор (отражатель), расположенный с противоположной стороны от активного элемента. В верхней части ДМВ – диапазона и в СВЧ диапазоне рефлектор может быть выполнен в виде сплошного металлического экрана (рис.2).
Направленное осевое излучение формируется в результате создания амплитудно-фазового распределения в виде бегущей волны, распространяющейся от активного элемента в направлении директоров. На фазовое распределение существенное влияние оказывает размеры и взаимное расположение всех элементов. Выбор числа элементов антенны ВК осуществляется исходя из требуемого коэффициента усиления или ширины главного лепестка. Для больших ВК (при количестве элементов 15-20) дальнейшее наращивание числа элементов нецелесообразно, ввиду существенного замедления роста направленных свойств, обусловленного уменьшением амплитуды токов в дальних директорах.
Активный элемент выполняется в виде разрезного или петлевого вибратора с длиной около 0,5 λ (λ - длина волны в воздухе), длины директоров, как правило, на 5-15 процентов меньше активного. Расстояния между элементами антенны обычно не превосходит 0,35λ.
Для рефлектора, собственное сопротивление которого носит индуктивный характер, длина несколько больше 0,5 λ при этом ток в рефлекторе отстает по фазе от тока в активном вибраторе на 90 градусов. В результате излучение активного вибратора и рефлектора в направлении главного лепестка ДН складывается в фазе, а в обратном направлении в противофазе, что приводит к усилению излучения в направлении главного лепестка (в направлении директоров) и подавлению поля в противоположном направлении (в направлении рефлектора).
Аналогично рефлектору работают директоры, однако из-за емкостного характера их сопротивления (оно определяется их меньшей длиной) фаза тока в них опережает фазу тока в активном элементе.
Вклад каждого вибратора в полное поле излучения ВК определяется амплитудой тока, наведенного на элементе. На рис. 3. приводится распределение амплитуды тока по излучателям для 15-ти элементной антенны. Видно, что наиболее сильно возбуждаются 2 первых директора и активный вибратор.
В результате синфазного сложения полей в осевом направлении антенна имеет довольно узкий лепесток ДН. На рис. 4. приводится диаграмма направленности 15-ти элементной ВК, на рис. 5 ее сечения в Е и Н плоскости.
Рис. 3. Распределение тока на элементах 15-ти элементной ВК.
Рис. 4. Диаграмма направленности 15-ти элементной ВК.
Рис. 5. Сечение диаграммы направленности в Е и Н плоскости 15-ти элементной ВК.