Глава 10

АНТЕННЫ ТИПА «ВОЛНОВОЙ КАНАЛ»

10.1. Общие сведения

Антенна типа «волновой канал», иначе называемая директорной антенной, относится к классу антенн бегу­щей волны. Бегущая волна, распространяющаяся вдоль оси Z антенны (рис. 10.1)_; формируется системой сим­метричных пассивных вибраторов-директоров (1, 2, 3, 4), образующих линию с замедленной волной, замедле­ние которой близко к единице. Бегущая волна возбуж­дается в линии о помощью возбудителя, состоящего из симметричного активного вибратора 0, к которому под­водится питание от генератора, и пассивного симметрич­ного вибратора-рефлектора (—1), отражающего волну в сторону директоров. Все вибраторы параллельны друг другу и расположены в одной плоскости сим­метрично относительно про­дольной оси Z, вдоль кото­рой распространяется волна.

Как и во всякой антенне бегущей волны, ширина диа­граммы направленности сла­бо зависит от длины антен­ны, т. е. от числа директо­ров. Поэтому число директо­ров, как правило, бывает не больше десяти. Для отра­жения волны в сторону директоров достаточно одного рефлектора. Для формирования бегущей волны требу­ется определенная настройка всех вибраторов антенны в зависимости от длины волны и расстояния между виб­раторами. Поэтому антенна типа «волновой канал» является сравнительно узкополосной. Ее полоса пропус­кания составляет несколько процентов.

Длина вибраторов в антенне близка к половине дли­ны волны, что определяет ее рабочий диапазон волн— границу метрового и дециметрового диапазонов. Назна­чением антенны типа «волновой канал» является форми­рование диаграммы направленности шириной в обоих плоскостях не менее 15÷20°. У этих антенн, как у всех антенн бегущей волны, диаграмма направленности в осе­вом направлении формируется продольным, а не попе­речным размером, что определяет их области примене­ния. Антенны типа «волновой канал» нашли широкое применение в качестве приемных телевизионных антенн и антенн радиолокационных станций, где они использу­ются как в качестве самостоятельных антенн, так и эле­ментов решеток и облучателей зеркальных антенн.

Отличительной особенностью антенн типа «волновой канал» является небольшое активное входное сопротив­ление активного вибратора, уменьшенное за счет влия­ния пассивных вибраторов до 20—30 ом, в то время как одиночный полуволновый вибратор имеет активное сопротивление около 73 ом. Это вызывает известные трудности в согласовании антенны со стандартными фи­дерными линиями.

Для успешного формирования бегущей волны и диа­граммы направленности амплитуды токов во всех виб­раторах антенны должны быть примерно одинаковы. Токи в директорах по мере удаления от активного виб­ратора должны запаздывать по фазе на все большую величину по сравнению с фазой тока в активном вибра­торе, в соответствии с запаздыванием фазы волны, бегу­щей вдоль антенны. Для этого входное сопротивление директоров [ЛО 5], должно носить емкостный характер, а» длина их должна быть меньше половины длины вол­ны. Для ослабления поля, излученного антенной в на­правлении, противоположном бегущей волне, ток в реф­лекторе должен опережать по фазе ток в активном виб­раторе. Поэтому входное сопротивление рефлектора должно носить индуктивный характер, а длина рефлек­тора должна быть больше половины длины волны. Под­бор расстояния между директорами, которое обычно составляет (0,15÷0,25)λ, расстояния между рефлекто­ром и активным вибратором, составляющего (0,1 ÷0,35)λ, и соответствующая настройка вибраторов подбором их длины позволяют удовлетворить изложенные выше тре­бования.

Второй отличительной особенностью «волнового ка­нала», вытекающей из принципа его действия, является значительная сложность настройки антенны, так как на­стройка одного из элементов влияет на работу всех дру­гих, связанных с ним. Сложность настройки возрастает с увеличением числа элементов. Соответственно слож­ным является и теоретический расчет характеристик ан­тенны, в первую очередь токов в вибраторах. Методи­ка расчета антенн типа «волновой канал» наиболее полно была изложена в лекциях Л. Н. Лошакова [Л 1], по материалам которых в основном составлена расчет­ная часть настоящего пособия. В связи с большой сложностью расчетов и сравнительно малой их точ­ностью, для антенн типа «волновой канал» большое зна­чение имеет экспериментальная отработка параметров.

В литературе к настоящему времени имеется боль­шое количество экспериментальных данных по антеннам типа «волновой канал» (по числу вибраторов, неэкви­дистантности их положения, расстоянию между ними) [Л04, Л05, Л2, ЛЗ]. Однако ввиду 'большого количества параметров, влияющих на форму, ширину диаграммы направленности и другие характеристики антенны эти отдельные данные недостаточны для использования их с целью получения достаточно обобщенных результатов. Поэтому мы ограничимся изложением способа расчета антенн достаточно простого даже при большом количе­стве элементов и ссылками на литературу с эксперимен­тальными и некоторыми расчетными данными.

10.2. Определение токов в вибраторах антенны

Для того чтобы рассчитать диаграмму направленно­сти антенны типа «волновой канал», необходимо пред­варительно определить токи во всех вибраторах. В осно­ву расчета токов положен метод наведенных э. д. е., разработанный советскими учеными Д. А. Рож а неким, И. Г. Кляцкиным, А. А. Пистолькорсом и В. В. Татариновым. В. В. Татаринов применил этот метод к расчету антенн с пассивными (направляющими) элементами.

Задача ставится следующим образом: даны геомет­рические размеры антенны (длина, диаметр вибраторов, расстояние между ними, число вибраторов). По этим данным в процессе расчета определяются собственные и взаимные сопротивления (ЛО 5] вибраторов. При вычис­лении токов ib вибраторах их считаем заданными. Для определения токов совместим центр координат с элек­трическим центром активного вибратора и примем сле­дующие (рис. 10.1) обозначения:

dp — расстояние между активным вибратором и реф­лектором;

l— расстояние между активным вибратором и пер­вым директором и между соседними директорами (для упрощения расчета в дальнейшем 'будем считать их оди­наковыми) ;

индексы обозначают: п = 0 — активный вибратор, п = = 1, 2, 3, ... — директоры, п= -1 — рефлектор, N — ко­личество директоров в антенне;

Z_nm = Z_mn — комплексное наведенное сопротивление со стороны т-го вибратора на п-й при равных и син­фазных токах (взаимное сопротивление), являющееся функцией расстояния между этими вибраторами;

Z_nn — собственное сопротивление вибратора;

е_п— э. д. с. питания n-го вибратора; для всех вибра­торов с индексами n≠0 (пассивные вибраторы);

I_m — ток в вибраторе; 2l — длина вибратора.

Для удобства вычисления токов в вибраторах общая задача разбивается на две: решение системы уравнений для антенны без рефлектора и затем, путем использо­вания найденных токов, решение системы уравнений для антенны с рефлектором.

Решение для антенны без рефлектора

При вычислении токов в вибраторах антенны без рефлектора основными допущениями, позволяющими упростить решение, являются:

1. Антенна состоит из вибраторов (активный вибра­тор и директоры), имеющих одинаковую длину 2l, близ­кую к λ/2.

2. Расстояние между вибраторами одинаковое.

Система уравнений, определяющая токи в вибрато­рах антенны без рефлектора, имеет вид

где —комплексная амплитуда тока в пучности т-го вибратора для антенны, имеющей N пассивных директоров.

Например, для антенны из трех вибраторов (актив­ный и два директора, N = 2) система уравнений будет

Для упрощения решения системы (10.1) удобно при­нять е₀=1 в, так как форма диаграммы направленности зависит не от величины токов в элементах антенны, а от соотношения между ними. Способ решения системы (10.1) может быть любой. При большом количестве ди­ректоров наиболее удобным является способ последо­вательного решения. При этом способе сначала опреде­ляются токи в антенне, состоящей из одного активного вибратора. Затем с помощью найденного решения определяются токи в антенне, состоящей из активного вибратора и одного директора. Далее по этим токам определяются токи в антенне с двумя директорами и т. д. Расчет ведется с помощью рекуррентной формулы Леонтовича. Она позволяет найти решение системы уравнений для антенны, имеющей N.+1 пассивных ди­ректоров,

если известно решение системы (10.1) для антенны с N директорами, т. е. если известны токи . При этом собственные реактивные сопротивления всех вибраторов принимаются одинаковыми

X₀₀=X₁₁=X_22=…

Рекуррентная формула для тока в m-м вибраторе антенны с N+1 директорами имеет следующий вид:

При развертывании формулы (10.3) появляется слагаемое , которое представляет собой ток в отсутствующем вибраторе, по физическому смыслу равный нулю:

Правило пользования формулами (10.3) — (10.5) за­ключается в следующем. Предположим, что антенна со­стоит только из одного активного вибратора (N = 0). Амплитуда тока в нем будет

Для определения токов в антенне из одного актив­ного вибратора и одного пассивного директора (N+1=1) воспользуемся формулами (10.3) — (10.5). По фор­муле (10.4) находим

Затем для определения токов используем формулу (10.3) с учетом формулы (10.5).

Ток в активном вибраторе определяется формулой

и ток в директоре — формулой

Далее увеличиваем на единицу число директоров и указанным способом с помощью формул (10.3) — (10.5) определяем последовательно токи во всех вибраторах антенны.

Решение для антенны с рефлектором

Для антенны с рефлектором система уравнений, опре­деляющих токи в вибраторах, может быть записана сле­дующим образом.

Для всех вибраторов, кроме рефлектора.

В этих уравнениях I_m — комплексная амплитуда тока в пучности m-го вибратора антенны с рефлектором.

Решения системы уравнений (10.6) определяются че­рез решения системы уравнений (10.1), т. е. через токи антенны без рефлектора, следующим образом:

При этом система уравнений (10.6)'переходит в следующую

Коэффициенты W_m определяются методом последо­вательного решения. Сначала рассчитываются W_m для наименьшего и наибольшего значения т (m = 0 и m=N), а затем по найденным значениям последовательно рас­считываются значения W_m равноудаленные от крайних. Соответственно коэффициенты W_m определяются сле­дующими соотношениями:

и для случая 0<y<N (для неизвестных, равноудален­ных от крайних W₀ и W_N, например, при N=4, W₁ и W₃ и затем W₂) формулами

10.3. Расчет сопротивлений антенны

Расчет собственных сопротивлений вибраторов

Для вибраторов, длина 21 которых близка к λ/2, мож­но принять, что собственное сопротивление определяет­ся формулой

Для прямолинейного тонкого вибратора с круглым поперечным сечением и длиной, близкой к X/2, реактив­ная часть сопротивления

где а — радиус поперечного сечения вибратора; 2∆l=(2l-λ/2)- укорочение или удлинение вибратора по

сравнению с λ/2.

В приведенной формуле нет смысла учитывать по­правки строгой теории, основанной на решении задачи о поле (вибратора как эллипсоида вращения, так как весь метод расчета антенны основан на методе наведен­ных э. д. е., использованном при получении формулы (10.16).

Расчет наведенных сопротивлений

Взаимное сопротивление вибраторов Z_nm антенны определяется по таблицам для полуволновых вибрато­ров, приведенным, например, в [ЛO 4] и [ЛО 5].

Расчет входного сопротивления антенны

Входное сопротивление антенны (активного вибрато­ра, возбуждающего антенну), отнесенное к пучности то­ка, определяется формулами

Одним из условий получения высокого к. б. в. в фи­дере является равенство нулю реактивной части сопро­тивления нагрузки фидера (входного сопротивления виб­ратора) Хвх = 0.

Реактивная часть входного сопротивления вибрато­ра состоит из собственного и наведенного сопротивле­ний Хвх = Хоо + Хнаведенное

Если при' расчете оказывается, что Х_вх≠0, то это означает, что ранее принятое собственное реактивное сопротивление активного вибратора Х₀₀= Х₁₁= .. равное реактивному сопротивлению директоров, не компенсирует наведенное реактивное сопротивление и не обеспечивает получения чисто активного входного сопро­тивления антенны.

Поэтому при определении укорочения активного виб­ратора для выполнения условия Хвх=0 необходимо исходить из другого собственного реактивного сопро­тивления Х'₀₀ определяемого равенством

Х’₀₀ = -Хнаведенное =Хоо –Х_вх

при выполнении которого происходит взаимная компен­сация наведенного и собственного реактивного сопро­тивлений в активном вибраторе. С учетом этого равенства и формулы (10.16) необходимое укорочение актив­ного вибратора определяется соотношением

10.4. Расчет диаграммы направленности антенны

Антенны типа «волновой канал» в метровом диапазо­не волн часто располагают на высоте нескольких длин волн над землей или опорной поверхностью, являющи­мися экраном. Влияние экрана на излученное антенной поле в этом случае часто используется для формирова­ния в вертикальной плоскости диаграммы направленно­сти заданной формы.

В общем случае для антенны, состоящей из несколь­ких вибраторов, с учетом влияния земли, диаграмма на­правленности антенны определяется формулой

Где F₁(θ,φ)—множитель, определяющий диаграмму одного вибратора; F₂(θ,φ) - множитель антенны (ре­шетки); F₃(θ,φ) —множитель земли; θ и φ — угол места и азимут (рис. 10.1).

Множитель, определяющий диаграмму одного вибратора

Этот множитель определяется формулой диаграммы направленности полуволнового вибратора:

в горизонтальной плоскости

в вертикальной плоскости, перпендикулярной к оси виб­ратора,

Множитель антенны

Формула для множителя антенны выводится для антенны, состоящей из точечных излучателей с извест­ной фазой и величиной тока. Положение точечных из­лучателей совпадает с электрическими центрами виб­раторов, составляющих антенну типа «волновой канал».

Формула выводится для точки, расстояние которой от начала координат велико п-о сравнению с размерами антенны. Окончательное выражение имеет вид

множитель антенны ненормирован и одинаков как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. А — постоянный коэффициент.

Множитель земли

Земля влияет на диаграмму направленности антен­ны только в вертикальной плоскости. В том случае, ког­да плоскость расположения вибраторов (рис. 10.1) параллельна земной поверхности, антенна создает гори­зонтально поляризованное поле, наиболее часто исполь­зуемое в ультракоротковолновом диапазоне при связи с учетом влияния земли.

Для горизонтально поляризованного поля модуль коэффициента отражения от земли близок к единице, а фаза к 180° тем точнее, чем меньше угол 0. Если при­нять это равенство точным, то множитель земли в вер­тикальной плоскости имеет вид

где H — высота антенны над землей. ,

Обычно при расчете множителя земли подбирают высоту антенны над землей такой, чтобы нижний лепе­сток множителя земли был направлен под заданным углом к горизонтальной плоскости.

Коэффициент направленного действия

Коэффициент направленного действия антенны типа «волновой канал» без учета влияния экрана определя­ется как и у антенны бегущей волны [ЛO 4] следующей приближенной формулой:

где L — длина антенны от рефлектора до последнего ди­ректора; К₁ — коэффициент, зависящий от длины антен­ны, лежащий в пределах 4—10 и определяемый по гра­фику рис. 10.2.

Коэффициент K₁ увеличивается с уменьшением дли­ны антенн, так как при этом увеличивается влияние множителя вибратора на общую диаграмму направленности антенны. Влияние экрана при достаточно больших его размерах и малых потерях увеличивает коэффициент направленного действия антенны приблизительно в два раза.

10.5. О расчете питания активного вибратора

Питание активного вибратора может осуществляться по последовательной (рис. 10.3, а) и параллельной (рис. 10.3,6) схемам. Так как входное сопротивление вибратора в антенне «волновой канал» мало и состав­ляет 20—30 ом, а волновое сопротивление стандартных фидеров лежит в пределах от 30 до 300 ом в зависимо­сти от типа фидера, то в обеих схемах необходимо со­гласование этих сопротивлений.

В последовательной схеме необходимо применение специальных согласующих устройств типа четвертьвол­нового или экспоненциального трансформаторов. Креп­ление активного вибратора к стреле 5 (см. рис. 10.1 и рис. 10.3) в этой схеме возможно только с помощью опорного элемента, выполненного из изолятора. В этом — недостаток последовательной схемы.

В параллельной схеме не требуется специальных сог­ласующих устройств, так как в ней подключение фидера производится не в пучности тока, а к точкам вибратора с входным сопротивлением, соответствующим выполнению условия согласования. Расчет положения точки подключения k производится по формуле [ЛO 4]

где ρ_ф — волновое сопротивление фидера; ρ_в — волновое сопротивление вибратора; R_BX — входное сопротивление вибратора, рассчитанное по формуле (10.18).

Длина согласующего участка l₂ выбирается из конст­руктивных соображений

Вторым преимуществом параллельной схемы питания является возможность крепления неразрезанного актив­ного вибратора к стреле без изолятора в 'средней точке, так как в ней напряжение равно нулю.

Часто для увеличения входного сопротивления в ка­честве активного вибратора используют шлейф-вибратор (рис. 10.3,в), который также крепится к стреле без изо­лятора в средней точке. Расчет токов в вибраторах в случае активного шлейф-вибратора существенно услож­няется по сравнению с расчетом, изложенным в § 10.2 для случая одиночного активного вибратора.

Если в качестве фидера используется не симметрич­ная, а коаксиальная линия, то во всех схемах питания необходимо применение симметрирующих устройств типа четвертьволнового стакана или U-колена.

10.6. Порядок расчета антенны

Целью расчета является подбор расстояний между элементами антенны и определение собственных сопро­тивлений элементов для получения заданной диаграммы направленности. Обычно стремятся достигнуть макси­мального отношения величины излучения в прямом на­правлении (θ = 0) к величине излучения в обратном на­правлении (θ=180°). Расчет целесообразно вести в сле­дующем порядке.

1. Задаемся числом директоров и расстоянием между ними.

2. Задаемся собственными сопротивлениями активно­го вибратора и директоров:

рекомендуется брать Х_пп в пределах Х_пп =— (10÷120) ом.

3. Определяем по таблицам взаимные сопротивления Zmn=Znm

4. Рассчитываем токи в вибраторах без учета реф­лектора пo формулам (10.3) — (10.5).

5. Определяем с помощью формулы (10.24) отноше­ние амплитуды поля, излучаемого вперед (θ=0), к ам­плитуде поля, излучаемого назад (θ=180°).

6. Задаемся другими значениями собственных реак­тивных сопротивлений вибраторов в указанных в п. 2 пределах, меняя их примерно на 10—15 ом, и произво­дим расчеты, указанные в п.п. 4 и 5, считая взаимные сопротивления неизменными. На основании полученных расчетов строим график Е_т(0)/Е_т (180°) как функцию Х_пп и останавливаемся на том значении Х_пп, при кото­ром отношение Е_т(0)/Е_т (180°) максимально.

7. Переходим к расчету антенны с рефлектором при выбранном значении Х_пп. Задаемся собственным реак­тивным сопротивлением рефлектора X_-1,-1>0 в преде­лах (10÷100) ом, причем его полное сопротивление

и его расстоянием от активного вибратора.

8. Определяем взаимные сопротивления рефлектора и других вибраторов антенны Z_-1,n.

9. С помощью формул (10.9) и (10.10) находим ко­эффициенты Wo и W_N.

10. С помощью формул (10.11) —(10.13) находим ко­эффициенты W_m (т= 1, 2, 3, ..., N— 1) путем последо­вательного .расчета 'коэффициентов W_x и W_N-i, W₂ и W_N_2 и Т. д.

11. Находим ток в [рефлекторе по формуле (10.14).

12. П,ри помощи формулы (10.7) находим токи в остальных вибраторах.

13. Проверяем отношение Е_т(0)/Е_т (180°).

14. Находим оптимальное значение X-i,-i по макси­муму отношения Е_т(0)/Е_т (180°).

15. Для определения расстояния между вибратора­ми, при которых отношение Е_т(0)/Е_т (180°) достигает максимума, рекомендуется проделать вышеприведенный расчет (по пл. 2—14) для нескольких значений расстоя­ний между 'вибраторами (как между директорами и активным вибратором, так и между активным вибрато­ром и рефлектором). Сравнивая полученные значения Е_т(0)/Е_т (180°) для разных расстояний, останавлива­емся на тех расстояниях, при которых Е_т(0)/Е_т (180°) максимально.

16. Остановившись на оптимальном варианте антен­ны, рассчитываем диаграмму направленности по фор­мулам (10.21) —(10.25).

17. Рассчитываем к. н. д. антенны по формуле (10.26).

18. Рассчитываем входное сопротивление антенны по формуле (10.17).

19. По формуле (10.16) находим длину директоров и рефлекторов.

20. По формуле (10.20) находим длину активного вибратора.

21. Далее рассчитываем питание активного вибрато­ра (последовательного или параллельного) и фидер (к. п. д., согласование с антенной), а также проверяем антенну и фидер на пропускаемую мощность.

10.7. Замечания о конструкции антенны

Антенна типа «волновой канал» отличается просто­той конструкции. Все вибраторы крепятся к продольной стреле 5 (см. рис. 10.1), совпадающей с осью Z. Стрела и вибраторы обычно изготовляются из дюралюминиевых, латунных или медных трубок, покрытых краской или лаком для защиты от коррозии. Даже при таком покры-

тии потери в вибраторах малы и к. п. д. антенны близок к единице. Благодаря тому, что в средней точке всех пассивных вибраторов напряжение равно нулю, вибра­торы просто привариваются к стреле в этой точке. Стре­ла не влияет на работу вибраторов, так как она ориен­тирована перпендикулярно вектору напряженности элек­трического поля, создаваемого вибраторами.

Активный вибратор при последовательной схеме пи­тания крепится к стреле с помощью опорного элемента, выполненного из изолятора. При параллельной схеме его крепление аналогично креплению пассивных вибра­торов.

В том случае, если антенна располагается на опре­деленной высоте над землей или опорной поверхностью в метровом диапазоне, стрела крепится к опорной мач­те, выполняемой, как правило, из металлической трубы. Мачта, как и стрела, не влияет на поле антенны, так как она перпендикулярна плоскости расположения ви­браторов, т. е. к вектору напряженности электрического поля.

Если высота мачты превышает 2—3 м. и по условиям работы требуется применение расчалок, то их крепление к мачте осуществляется примерно на ²/з высоты мачты от земли. Так как расчалки неперпендикулярны векто­ру напряженности электрического поля, и наводимые в них токи искажают диаграмму направленности, то для уменьшения этих токов рекомендуется расчленять рас­чалки изоляторами на участки длиной меньше чем Я/8.

Варианты конструктивного выполнения антенн «вол­новой канал» представлены на рис. 10.4,а, б.

Литература

1. Ардабьевский А. И., Воропаева В. Г., Грине- в а К. И. Пособие по расчету антенн сверхвысоких частот. Обо- ролгиз, 1957.

2. К о ч е р ж е в с к и й Г. Н. Антенно-фидерные устройства. Изд-во «Связь», 1968.

3. Шу б ар и н Ю. В. Антенны сверхвысоких частот. Изд. Харь­ковского Государственного университета, 1960.