5.7. Директорные антенны

Очевидно, что простые антенны в виде вибратора с рефлектором или директором, формируя преимущественно однонаправленное излучение, все же не позволяют получать узкие ДН и КНД более нескольких единиц дБ. Существенно большей направленностью обладают директорные антенны или антенны типа «волновой канал» (антенны Уда—Яги), представляющие собой дискретную систему расположенных в одной плоскости параллельных симметричных вибраторов, размеры которых близки к полуволновым. В диапа­зоне частот порядка 100—1000 МГц директорные антенны (ДА) выполняются из металлических стержней или трубок, на более высоких часто­тах — по печатной (полосковой) технологии. Пример широко распространенной конструкции ДА показан на рис. 5.17, на котором обозначено: 1 — рефлектор, — директоры, 3 — активный симметричный вибратор [15].

Активный вибратор 3, например обычный полуволновый с собственным резонансным входным сопротивлением 73 Ом или петлевой вибратор с повышенным резонансным сопротивлением 292 Ом, под­ключается к питающей линии передачи. Пассивный вибратор 1, располагаемый позади активного, играет роль рефлектора, а остальные вибраторы 2, располагаемые впереди активного, называются дирек­торами. Рефлектор и директоры можно непосредственно соединять в центрах с несущим метал­лическим стержнем, который не возбуждается из-за того, что при работе антенны ориентирован перпендикулярно силовым линиям вектора напряженности электрического поля. Для защиты входных цепей прием­ников от грозовых разрядов стержень заземляется. Если в качестве активного вибратора используется обычный СЭВ, то, безусловно, его плечи должны быть изолированы от несущего стержня; в случае петлевого вибратора его можно непосредственно соединять с несущим стержнем в средней точке (нулевого потенциала).

ДА просты по конструкции и удобны в эксплуатации, поэтому нашли широкое применение в качестве приемных телевизионных антенн в метровом и дециметровом диапазонах волн; решетки ДА применяются в радиолокационных системах. В санти­метровом диапазоне они используются в качестве элементов ФАР. Особенно­стью антенн подобного типа является их узкополосность (полоса пропуска­ния не более нескольких процентов).

Рис. 5.17. Директорная антенна и пример ее ДН

Принцип работы ДА заключается в следующем [10, 11]. ЭМП излучения активным вибратора направляется рефлектором и первым директором в сторону остальных директоров, которые при опреде­ленных условиях интенсивно возбуж­даются бегущей вдоль оси антенны ЭМВ, образуя своеобразный волновой канал. Естественно, более удаленные директоры возбуждаются слабее. Вдоль антенны в направлении от рефлектора на директоры распространяется бегущая волна с замедленной фазовой скоростью и коэффициентом замедления р>1. В результате, как и в любой АБВ осевого излучения, направление максимального излучения ДА совпадает с ее осью. За­медляющая структура образуется системой директоров. Типичные электрические длины вибраторов: активного 2l≤λ₀/2, рефлектора 2l > λ₀/2, директоров 2l < λ₀/2. ДА излучает ЭМВ с линейной поляризацией в плоскости, в которой расположены вибраторы.

Пример экспериментально полученной ДН ДА с шестью директорами приведен на рис. 5.17: в плоскости, перпендикулярной осям вибраторов (сплошная линия) и в плоскости вибраторов (пунктирная линия) [10].

С увеличением количества директоров (соответственно, с увеличением полной длины антенны) ширина ДН в обеих плоскостях уменьшается, но не прямо пропорционально длине (рис. 5.18) [10].

Минимальная ширина ДН ДА по уровню половинной мощности составляет 15-20°, что достижимо только при обеспечении оптимальных соотношений между токами в вибраторах. Для этого необходимо, чтобы расстояние между активным вибратором и рефлектором было в пределах (0,15-0,25)λ₀ при длине рефлектора (0,48-0,52)λ₀; расстояние между директорами, первым ди­ректором и активным вибратором составляло бы (0,10-0,30)λ₀; длина дирек­торов равнялась бы (0,48-0,40)λ₀. Количество директоров выбирается не бо­лее 10-15; при этом КНД достигает в среднем 12-15 дБ. Увеличение количества директоров больше указанного не оказывает существенного влияния на ДН, так как наведенные токи в крайних директорах становятся малыми и их вклад в формирование ДН ослабевает. УБЛ ДН директорных антенн довольно высок и может достигать -−(5-3) дБ.

Рис. 5.18. Графики зависимостей ширины ДН и КНД директорной антенны от ее относительной длины

Ширину ДН по половинной мощности в Е- и Н-плоскостях для ДА, содержащей в совокупности N вибраторов, можно оценить в рад. с помощью выражений [17]

, . (5.71)

На входное сопротивление активного вибратора оказывают влияние все пассивные вибраторы за счет чего вход­ное сопротивление Z_вх активного вибратора в виде простого СЭВ снижается до 20-30 Ом. С целью повышения Z_вх используют петлевой вибратор Пистолькорса с повышенным собственным резонансным сопротивлением 292 Ом. Это дает и другие преимущества — несколько большую широкополосность и удобство крепления.

Директорная антенна принципиально узкополосна из-за резкого изменения входного сопротивления Z_вх с часто­той. Установлено, что действие рефлектора на Z_вх более сильное, чем дирек­торов. Поэтому с целью расширения частотного диапазона применяют более широкополосные рефлекторы, например плоские. Реальная полоса частот ДА не превышает 5-15 % [10].

Используя в место одиночных вибраторов турникетные, строят ДА с вращающейся поляризацией, а также с двойной или переключаемой линейной поляризацией.

В диапазоне ВЧ на стационарных приемопередающих радиоцентрах широко применяются вертикальные многовибраторные антенные решетки, например, с синфазным питанием вибраторов (рис. 5.19). КНД такой АР с рефлектором, содержащей p этажей (рядов) из q активных вибраторов, с учетом влияния земли определяется приближенным выражением D≈8pq [10].

Рис. 5.19. Вариант синфазной вибраторной антенной решетки