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

Такую же величину будет иметь мощность, излучаемая полу­ волновым вибратором при амплитуде тока на его входе 2/:

(2 /)2 73,1

А. 9 >

2

где 73,1 еш— сопротивление излучения полуволнового вибратора. Приравнивая излучаемые мощности и производя сокращение,

получаем:

Повышение входного сопротивления петлевого вибратора про­ исходит только из-за того, что на входе вибратора протекает ток вдвое меньший, чем суммарный ток обеих ветвей вибратора. Излу­ чающие свойства вибратора в целом при этом практически совер­ шенно не изменяются по сравнению с обычным непетлевым полу­ волновым вибратором.

Петлевой вибратор имеет некоторые дополнительные преиму­ щества. Напряжение на неразрезанной части вибратора распреде­ лено по синусоидальному закону с максимумами на концах и нулем посредине, поэтому средняя точка этого вибратора может быть заземлена (рис. 4-1,6). Таким образом, имеется возможность крепить петлевой вибратор в средней точке на металлической опо­ ре без применения изоляторов. Данная особенность является важ­ ным конструктивным преимуществом петлевого вибратора.

ПИТАНИЕ ПОЛУВОЛНОВОГО ВИБРАТОРА КОАКСИАЛЬНЫМ ФИДЕРОМ

На метровых и более коротких волнах наиболее распространен­ ными являются экранированные фидеры, в частности коаксиаль­ ный фидер.

При непосредственном присоединении полуволнового вибрато­ ра к внешнему и внутреннему проводникам коаксиального фидера возникают токи на внешней оболочке. Кроме этого, амплитуды токов в половинах вибратора оказываются различными, так как возникает так называемая асимметрия питания вибратора.

Для выяснения причин различия токов в половинах вибратора рассмотрим их расположение и потенциалы относительно внешней оболочки.

На рис. 4-2 схематически изображен вибратор, непосредственно присоединенный к коаксиальному фидеру. Легко видеть, что прловины вибратора электрически несимметричны относительно внеш­ ней оболочки фидера.

100

жеиие в сечениях длинной линии, отстоящих на -4-, сдвинуто по

фазе на 180°, то за счет шлейфа напряжение, приложенное к пра­ вой половине вибратора, оказывается равным по величине и проти­ воположным по знаку по отношению к напряжению, приложенному к левой половине.

йБ

Рис. 4-3. Симметрирующее устройство тина „У-колено“

Правая и левая половины вибратора имеют равные по ампли­ туде и противоположные по фазе напряжения относительно внеш­ ней оболочки питающего фидера, т. е. обеспечена электрическая симметрия, в силу которой ток на внешней оболочке не возникает. Симметрия обеспечивается только в узкой полосе частот, так как при отклонении рабочей волны от основной напряжения, подводи­ мые к плечам вибратора, оказываются неодинаковыми по ампли­ туде и не точно противоположными по фазе.

Входное сопротивление «У-колена» в 4 раза меньше, чем сопро­ тивление нагрузки между точками АБ.

Действительно, если входное сопротивление вибратора рав­ но ZBS, то сопротивление нагрузки шлейфа между точкой Б и зем-

Z

лен равно — . Таким же будет сопротивление между внутренним

проводом, присоединенным в точке А к вибратору, и землей. По­

скольку сечения А и Б отстоят на то результирующее сопротив-

Z

ление между точкой А и землей будет

В случае питания уединенного петлевого вибратора включение «У-колена» снижает входное сопротивление до 73 о.и. При этом

102

При простом вибраторе с входным сопротивлением 73 ома необходимо совместно с «У-коленом» применять четвертьволновый трансформатор, повышающий сопротивление в 4 раза.

На метровых волнах шлейф «У-колена» обычно сворачивается в небольшой круг, поэтому устройство не занимает много места и может применяться на волнах длиной 4—5 метров.

«ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВЫЙ СТАКАН»

Симметричность питания полуволнового вибратора можно обеспечить; применяя устройство, называемое «четвертьволновым стаканом».

метром, несколько большим, чем внешняя трубка жесткого коак­ сиального фидера, установленный на конце коаксиального'фидера, как показано на рис. 4-4.

Внешний цилиндр совместно с внешней оболочкой фидера обра­ зует четвертьволновый отрезок коаксиальной линии, закороченный на конце с помощью металлического диска. Как легко убедиться, сравнивая рис. 4-2 и 4-4, этот четвертьволновый короткозамкнутый шлейф сказывается включенным последовательно в цепь тока оболочки, и поскольку сопротивление шлейфа весьма велико, вели­ чина тока оболочки на входе коаксиального фидера практически равна нулю. Правая и левая половины вибратора оказываются в одинаковой степени изолированными от наружной поверхности внешней оболочки коаксиального фидера, и токи в половинах вибратора равны, поскольку / Обол = 0. Следовательно, «четверть­ волновый стакан» обеспечивает симметрию питания вибратора. Применение «четвертьволнового стакана» не изменяет входного сопротивления вибратора. «Четвертьволновый стакан», так же как и «У-колено», обеспечивает симметрирование только в очень узкой

полосе частот, так как при отклонении частоты сопротивление его резко падает. Данное устройство применяется на сантиметровых и дециметровых волнах. На более длинных волнах размеры стака­ на оказываются слишком большими, и он практически не приме­ няется.

«СИММЕТРИРУЮЩАЯ ПРИСТАВКА»

Данное устройство, показанное в разрезе на рис. 4-5, представ­ ляет собой металлический четвертьволновый изолятор, состоящий из двух параллельных цилиндрических проводников одинакового диаметра, соединенных с одной стороны с помощью металлической перемычки.

2 1

Половины вибратора присоединены к металлическому изолято­ ру. Питающее напряжение подводится к точкам 1 и 2 с помощью коаксиального фидера, внешняя оболочка которого является одним из проводников четвертьволнового изолятора. Как легко видеть, по расположению и способу присоединения обе половины вибратора совершенно симметричны, поэтому токи в вибраторах одинаковы по амплитуде. На основной волне входное сопротивле­ ние изолятора весьма велико, поэтому сопротивление на входе фидера равно входному сопротивлению вибратора.

При изменении длины волны симметрия питания в данном случае не нарушается, так как она обусловлена геометрической симметрией устройства. Таким образом, симметрирующая при­ ставка в отличие от предыдущих устройств является широкопо­ лосной.

Входное сопротивление изолятора при отклонении волны от ре­ зонансной падает, однако при соответствующем подборе волновых сопротивлений изолятора и вибратора оказывается возможным обеспечить в пределах некоторого диапазона частот малое изме-

104 .

пение входного сопротивления вибратора совместно с симметри­ рующей приставкой. Объясняется это тем, что реактивные части проводимостей вибратора и приставки обратны по знаку и при­ ставка служит для компенсации реактивной части входного сопро­ тивления вибратора.

Симметрирующие приставки применяются на метровых и деци­ метровых волнах, в частности, в телевизионных приемных антен­ нах. Помимо рассмотренных, имеются некоторые другие виды сим­ метрирующих устройств, описание которых можно найти в реко­ мендуемой литературе [Л.2], [Л.4].

2. Полуволновый вибратор (Упассивным рефлектором (директором)

Для повышения направленности в некоторых антеннах приме­ няют не один, а два или несколько полуволновых вибраторов.

Простейшим устройством такого рода является система, состоя­ щая из двух параллельных вибраторов, один из которых соединен с генератором (активный вибратор), второй же не присоединен к генератору (рис. 4-6). Ток во втором, так называемом пассивном,

1 г

d ~ * \

Рис. 4-6. Активный вибратор с пассивным рефлектором

вибраторе наводится полями, создаваемыми активным вибрато­ ром, 1 . е. пассивный вибратор представляет собой как бы прием­ ную антенну, вход которой замкнут накоротко, и вся принимаемая энергия излучается обратно.

Амплитуда и фаза тока в пассивном вибраторе зависят от р ас ­ стояния d, а также от величины и характера реактивной части его внутреннего сопротивления.

Расчет амплитуды и фазы тока в пассивном вибраторе, а также

соображениями по поводу возможных фазовых сдвигов тока в пас­ сивном вибраторе.

105

).

Предположим, что на расстоянии — от активного полуволно­

вого вибратора параллельно ему расположен пассивный вибратор, настроенный в резонанс, т. е. укороченный так, что реактивная часть его внутреннего сопротивления равна нулю. Обозначим дли­ ну пассивного настроенного вибратора /рез.

Пусть начальная фаза тока /д в активном вибраторе равна нулю (рис. 4-7). Непосредственно возле него магнитное поле На совпадает по фазе с током. Поскольку расстояние до пассивного

вибратора равно ■*' , магнитное поле, создаваемое активным вибра­

вания. приобретя фазовый сдвиг, эквивалентный опережению. Реально можно достигнуть таким путем опережения примерно на 120°, при котором пассивный вибратор действует как рефлектор.

При укорочении пассивного вибратора его внутреннее сопротив­ ление имеет емкостный характер, в результате чего ток сдвигается относительно э.д.с. в сторону опережения.

В этом случае поле возрастает в направлении II и уменьшается в противоположном направлении. Укороченный пассивный вибра­ тор увеличивает поле в том направлении, в котором он расположен, вследствие чего называется директором.

На практике расстояние между активным и пассивным вибра­ торами берется порядка (0,1 -~0,25)

Преимуществом пассивного вибратора является то, что к нему не нужно подводить фидер от генератора. За счет применения пас­ сивного рефлектора или директора к.н.д. системы из двух вибра­ торов достигает 4-J--5, вместо 1,64 для одиночного вибратора.

106

Примерный вид диаграммы направленности вибратора с пас­ сивным рефлектором в плоскости, перпендикулярной их осям, по­ казан на рис. 4-8. В отличие от диаграммы направленности вибра­ тора с активным рефлектором (см. рис. 3-4), показанной на рисун­ ке пунктиром, при использовании пассивного рефлектора диаграм­ ма не имеет нуля в обратном направлении. Причинами этого являются неравенство амплитуд токов в активном и пассивном вибраторах и несколько большее опережение по фазе тока рефлек­ тора, чем требуется для компенсации пространственного запазды­ вания ею поля в направлении оси системы (180е на рис. 4-8).

199

Рис. 4-8. Примерный вид диаграммы направленности вибратора с пассивным рефлектором:

/ - диаграмма вибратора с пассивным рефлектором: 2 —диаграмма вибратора с активным рефлектором

Диаграмма направленности вибратора с пассивным директо­ ром имеет примерно такую же форму, как на рис. 4-8, только повернута .на 180°, так как максимум излучения при наличии директора лежит в обратном направлении по сравнению со случаем рефлектора. На дециметровых и сантиметровых волнах вибраторы с пассивным рефлектором применяются в качестве облучателей

параболических зеркал.

Пассивные рефлекторы применяются также на метровых и ко­ ротких волнах в директорных антеннах и в некоторых конструк­ циях синфазных антенн, содержащих большое число полуволновых вибраторов.

3. Директорная антенна

Применяя не один, а несколько пассивных полуволновых вибра­ торов, расположенных параллельно одному активному, можно

107

обеспечить направленность значительно большую, чем у вибрато­ ра с одним рефлектором.

Антенна, содержащая активный вибратор, пассивный рефлек­ тор и несколько директоров, называется директорной антенной или «волновым каналом» (рис. 4-9).

Направление

максим альном

излучения

Рис. 4-9. Директорией антенна:

1— активным вибратор: 2 — директоры: 'I— рефлектор

.Пассивный рефлектор берется только один, так как за ним поле антенны мало, и расположение дополнительных пассивных рефлек­ торов практически никакого влияния не оказывает. Расстояние от рефлектора до активного вибратора составляет обычно (0,15-^0,25)'/.. Длина рефлектора, как указывалось выше, должна быть несколько больше резонансной для того, чтобы ток в нем опережал по фазе ток в активном вибраторе с целью компенсации пространственного запаздывания поля рефлектора в главном направлении.

Директоров в антенне может быть несколько, до 8—10, так как поле антенны направляется в сторону расположения директоров. Однако все же поле по мере удаления от активного вибратора уменьшается и увеличение числа директоров сверх 8—10 сравни­ тельно мало влияет на ширину диаграммы.

По причинам, рассмотренным выше, длины директоров выби­ раются меньше резонансных, что обеспечивает некоторое запазды­ вание тока в каждом директоре относительно предыдущего, необ­ ходимое для получения максимального поля вдоль оси директорной антенны. Как известно, линейная система вибраторов будет про­ дольно излучающей, если в каждом из вибраторов, расположенном ближе к удаленной точке па расстояние d по сравнению с преды-

душим, соседним, вибратором, ток будет отставать по фазе на 2т: d

(см. формулу (3.17). При этом опережение по фазе поля рассмат­ риваемого вибратора в удаленной точке, обусловленное размеще­ нием его ближе к удаленной точке на расстояние d. будет скомпен­ сировано начальным сдвигом по фазе его тока в сторону запазды­ вания, и фаза поля в удаленной точке будет такой же, как и для поля предыдущего вибратора.

Ю8

В директорией антенне запаздывания по фазе токов в директо­ рах примерно такие, какие необходимы для продольного излуче­ ния, поэтому максимум диаграммы расположен вдоль оси антенны.

Расстояния между соседними директорами берутся в пределах

(0,1— 0,35) /..

Длины вибраторов директорией антенны и расстояния между ними связаны между собой и рассчитываются для определенной длины волны.

При изменении длины волны изменяются относительные длины вибраторов, а следовательно, н их внутренние сопротивления. Эго приводит к изменению фаз токов в пассивных вибраторах н диа­ граммы направленности антенны.

При отклонении частоты от рабочей значительно изменяется и входное сопротивление антенны. По этим причинам директорная антенна может использоваться только в узкой полосе частот (ши­ рина полосы частот, пропускаемых антенной, составляет несколь­ ко процентов). Направленность директорной антенны сравнительно невысокая. Практически ширина диаграммы одиночных директорных антенн составляет не менее 15-Э200.

Примерный вид диаграммы при Шести директорах показан на рис. 4. 10. Характерным для диаграммы является большой уровень

110 100 НО 60 50 00 3°

200 Что ЗО05Т0 520 550

Рис. 4-10* Диаграмма паирлнлсшюсти директорной антенны с шестью директорами

боковых лепестков. Первые боковые лепестки достигают уров­ ня 0,4 от главного. Это один из недостатков директорной антенны.

Коэффициент направленного действия антенны ' возрастает с числом директоров и может быть приближенно рассчитан по фор­ муле:

D = 7 + А ~

где L — длина директорной антенны.

Основным достоинством антенны является простота конструк­ ции самой директорной антенны и ее фидерной системы.

109