книги из ГПНТБ / Молодов Б.И. Антенны (учебное пособие)

ванная диаграмма антенны имеет величину 0,707, будет по опреде-

лению равен <*а

При любой длине антенны величина обобщенного аргумента, соответствующего уровню 0,707 нормированной диаграммы, будет иметь одно и то же значение 1,39 (см. рис. 3-12).

Следовательно, для синфазной антенны с непрерывным равно­ мерным распределением при любой длине антенны справедливо соотношение:

Соотношения (3.32) и (3.32а) весьма широко применяются на практике.

Из них видно, что чем больше размеры антенны при заданной

длине волны, тем. уже диаграмма, т. е. тем бол'ьше направленность антенны.

Как показывают расчеты, ширина диаграммы ряда антенн с приблизительно равномерным и синфазным распределением излу­ чателей может быть определена по формуле:

где L — размер антенны в плоскости, в которой определяется ши­ рина диаграммы.

90

По формуле (3.33) производится приближенный расчет шири­ ны диаграммы для таких антенн, как параболические, рупорные и линзовые.

Следует отметить, что ширина диаграммы, определяемая по формулам (3.32) и (3.33), соответствует истинной только на доста­ точно больших расстояниях от антенны. Чем больше размер антен­ ны, тем больше минимальное расстояние от антенны, на котором можно по формулам (3.32) и (3.33) определять ширину диаграм­ мы, а следовательно, линейный размер или ширину основной части «потока» радиоволн, уходящих от направленной антенны.

Это минимальное расстояние необходимо знать и при экспери­ ментальном определении ширины диаграммы направленности, так как измерения, проведенные на недостаточно большом удалении от антенны, дадут значения, не соответствующие истинной ширине диаграммы на больших расстояниях.

МИНИМАЛЬНОЕ УДАЛЕНИЕ ОТ АНТЕННЫ ПРИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ СНЯТИИ ДИАГРАММ

Оценим минимальное расстояние, на котором ширина диаграм­ мы, определенная опытным путем, будет соответствовать реальным физическим условиям, путем следующего качественного рассмот­ рения. Предположим, что синфазная антенна с непрерывным рас­ пределением равноамплитудных излучателей имеет длину L. Каж­ дый из излучателей системы создает сферическую волну и хотя вследствие интерференции основная часть энергии излучается в направлении, перпендикулярном к оси антенны, волны, создава­ емые антенной в целом, на достаточно больших расстояниях будут расходиться в радиальных направлениях в пределах некоторого угла.

Таким образом, ширина «потока» волн, переносящих основную часть энергии, измеренная в плоскости, совпадающей с осью антен­ ны, будет увеличиваться с расстоянием и естественно будет боль­ ше, чем размер антенны.

На рис. 3-13 схематически показаны линейная система длн-

Рис. 3-13. К определению минимального удаления при снятии диаграммы антенны

ной L и угол <ха, в пределах которого на больших расстояниях от антенны переносится основная часть энергии.

91

разовый сдвиг между нолями, создаваемыми отдельными элемен­ тами, может оказаться значительным.

Выразим AR через L и R. Рассматривая треугольник со сто­

лонами ~ . R и /? — А/?, имеем:

'Ткуда:

Поскольку обычно AR R, можно принять:

(3.36)

Для того, чтобы поле в точке Р незначительно отличалось от фифметической суммы полей излучателей синфазной антенны, шобходимо, чтобы отставание по фазе полей крайних излучателей шло достаточно мало.

Примем наибольший допустимый фазовый сдвиг полей в точ

че Р равным 22°,5 или . При этом

О

дтедовательно. допустимая разница в расстояниях будет

Подставляя эту величину AR в (3.36). определим минимальное 'нсстояние до удаленной точки, при котором разница в фазах по

(3.37)

При R - — фазовый сдвиг полей крайних излучателей в точ-

те Р будет 4 '

93

Опыт показывает, что при удалениях от антенны на расстояния

L2 . 2L? экспериментальные диаграммы близки к истинным.

В качестве примера определим RMmi при L ----- 10 м и /. = 10 см. По формуле (3.35) получаем:

Ямин = (100 ~ 200) L = 1000-f- 2000 метров.

/

Таким образом, при больших размерах антенны, минимальные расстояния на которых должны сниматься, диаграммы антенны получаются значительными.

5. Плоская решетка синфазных излучателей

Применяя линейную синфазную систему излучателей, можно повысить направленность только в одной плоскости, совпадающей с осью системы.

Вс многих случаях требуются антенны, имеющие высокую на­ правленность как в вертикальной, так и в горизонтальной пло­ скости.

Для получения узкой диаграммы в обеих главных плоскостях можно применить несколько одинаковых линейных синфазных систем вибраторов, расположив их параллельно в одной плоскости.

Такую систему излучателей называют плоской решеткой син­ фазных вибраторов. Рассмотрим плоскую решетку-из полуволно­ вых вибраторов, состоящую из ti{ горизонтальных рядов, содержа­ щих по п2 вибраторов каждый (рис. 3-15).

X

(п2)

_ J u T l

Рис. 3-15. Плоская решетка полуволновых вибраторов

Будем полагать токи в вибраторах одинаковыми по амплитуде

исинфазными.

Всилу синфазности' питания главное направление излучения будет расположено перпендикулярно плоскости XY, в которой лежат вибраторы, т. е. вдоль оси Z прямоугольной системы коорди­ нат, направленной от читателя. Определим поле и диаграммы направленности решетки в удаленных точках, лежащих в плоско­ стях XZ и YZ.

У4

Пусть поле, создаваемое одиночным вибратором в удаленной точке, лежащей в плоскости XZ, имеет величину Е0. Поле, созда­ ваемое однТш горизонтальным рядом в этой плоскости, будет в п2

плоскости, каждый ряд можно рассматривать как ненаправленный излучатель, создающий поле п2 Е0.

Ряды, число которых в нашем случае п\, образуют линейную синфазную систему, схематически показанную на рис. 3-16. На этом рисунке показан вид плоской решетки сбоку.

Рис. 3-16. К расчету поля решетки

В соответствии с (3.11) с учетом изменения обозначения угла получаем выражение для результирующего поля решетки в пло­ скости XZ:

95

Рассмотрим поле и диаграмму решетки в плоскости YZ. Будем обозначать угол между осью Z и направлением на удаленную том

ку в этой плоскости через а.

Поле одного полуволнового вибратора в этой плоскости с уче­ том того, что угол а отсчитывается от нормали к вибратору, нмее- в удаленных точках величину:

cos ( - 2 si" “

COS a

Множитель системы для горизонтального ряда будет:

следовательно, в соответствии с общей формулой для поля линей­ ной прямофазной системы (3.11) получаем для поля любого и горизонтальных рядов вибраторов в плоскости YZ выражение:

Поскольку все ряды решетки расположены относительно уда­ ленных точек, лежащих в плоскости YZ, одинаково, поля их совпа­ дают по фазе, и результирующее поле решетки будет:

Нормированная диаграмма в плоскости YZ.:

96

При большой длине антенны L,ss« 2</2 направленность одиноч­ ного вибратора практически не играет роли, так как в пределах главного и нескольких боковых лепестков можно без существенной ошибки считать:

Ширина диаграммы в этом случае определяется по формуле:

того, что расстояния от всех излучателей и начальные фазы токов во всех вибраторах одинаковы. Заметим, что независимо от рас­ пределения амплитуд токов в излучателях плоской синфазной решетки и формы контура, ограничивающего участок плоскости, на котором расположены излучатели, главный максимум диаграм­ мы всегда направлен вдоль нормали к плоской синфазной решетке.

Эти выражения легко получаются путем предельного перехода, рассмотренного при выводе формулы (3.29).

В дальнейшем при рассмотрении излучения через отверстия путем сравнения с плоской решеткой мы приближенно оцепим направленность ряда антенн сантиметровых волн.

Г л а в а 4

ВИБРАТОРНЫЕ АНТЕННЫ МЕТРОВЫХ И ДЕЦИМЕТРОВЫХ ВОЛН

Полуволновый вибратор, поле и диаграмма которого были рас­ смотрены в главе 2 , находит широкое применение на коротких, метровых, дециметровых и частично сантиметровых волнах.

Применяются как отдельные полуволновые вибраторы, так н системы из нескольких вибраторов, в зависимости от требований в отношении направленности антенны.

Следует отметить, что при выборе типа антенны учитываются не только направленные свойства, но и ряд других ее особенностей, таких, как простота антенны по конструкции и в эксплуатации, достаточно высокий к.п.д., полоса частот, в которой может приме­ няться антенна, допустимая излучаемая мощность, и некоторые другие.

Рассматривая вибраторные антенны, мы будем оценивать их направленные свойства и характеризовать другие их особенности в той мере, в которой позволяют уровень изложения и объем дан­ ного пособия. Будут рассматриваться передающие антенны, однако каждая из них в силу обратимости может быть применена и для целей приема.

1. Симметричный полуволновый вибратор

Полуволновый вибратор представляет собой прямой стержень

или трубку длиной около из хорошо проводящего материала

(латуни, дюралюминия, стали).

Диаметр стержня выбирается часто из соображений механиче­

98

В этом случае он состоит из двух половин, в разрыве между которыми к каждой половине вибратора присоединен провод фиде­ ра (рис. 4-1, а).

При таком способе питания вибратора в фидерной линии воз*, пикают значительные отражения, так как входное сопротивление вибратора имеет величину приблизительно 70 ом, в то время как волновое сопротивление воздушных двухпроводных линий имеет величину 300 и более ом. Для согласования фидера с антенной требуется соответствующее согласующее устройство, фидерный шлейф или трансформатор, введение которого усложняет систему.

Рис. 4-1. Полуволновый вибратор, питаемый двухпроводным фидером:

и—симметричный полуволновый вибратор:

опетлеобразный вибратор Пистолькореа

Для повышения входного сопротивления может быть применен петлевой (петлеобразный) вибратор Пистолькореа. схематически показанный на рис. 4-1,6.

Вибратор состоит из двух близко расположенных параллель-

ных металлических трубок одинакового диаметра длиной около X

соединенных между собой на концах.

Токи в обоих полуволновых вибраторах одинаковы по величине 1 и совпадают по фазе в силу того, что потенциалы на их концах одинаковы.

Диаграмма направленности петлевого вибратора такая же, как у обычного полуволнового вибратора. Поле петлевого вибратора

петлевого вибратора активную часть входного сопротивления, т. е. сопротивление излучения.

Пусть амплитуда тока на входе петлевого вибратора будет /, тогда излучаемую мощность можно определить по формуле:

р

Иы~ ~ 2 Г -