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

Используя это соотношение и таблицы для Cix, находим:

Таким образом, мощность, излучаемая полуволновым вибратором, при амплитуде тока на его входе, равной /о, будет:

откуда непосредственно получается величина сопротивления излу­ чения полуволнового вибратора:

ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ СИММЕТРИЧНОГО ВИБРАТОРА

Рассматривая вопрос о входном сопротивлении симметричного вибратора с длиной его половин, равной /, попытаемся воспользо­ ваться аналогией с двухпроводной разомкнутой линией длиной I.

Если разомкнутая линия не имеет потерь, то сопротивление*на ее входе чисто реактивно. Величина его определяется по известной формуле:

2.)х = / р ctg' ~j~~ /> (2-17)

\

где р — волновое сопротивление двухпроводной-линии; х — длина волны в свободном пространстве.

Как уже отмечалось выше, при образовании вибратора из разомкнутой линии однородность нарушается и погонные парамет­ ры оказываются различными по длине.

Наряду с этим вследствие излучения появляется активная часть входного сопротивления и некоторое добавочное реактивное сопротивление, обусловленное появлением в каждом элементе дли­ ны провода электродвижущих сил, наводимых полями излучаемой радиоволны.

Теоретические расчеты и опыт показывают, что в тех случаях, когда длина симметричного вибратора, не имеющего потерь, близ-

50

ка к половине волны, входное сопротивление имеет величину:

вибратора, рассматриваемого как ра­ зомкнутая на конце однородная линия длиной I;

и— радиус провода вибратора;

/.— длина волны в свободном пространстве.

Если длина симметричного вибратора равна полбвине длины рабочей волны, то.

Znx — 78,1 -f- / 42,5 ом.

Активная часть входного сопротивления равна сопротивлению излучения, рассчитанному выше, а реактивная часть индуктивного характера обусловлена обратной реакцией излученного поля. Та­ ким образом, в отличие от четвертьволновой разомкнутой линии симметричный вибратор при длине, точно равной половине рабочей волны, оказывается не настроенным в резонанс.

Последнее слагаемое в (2.18) аналогично по форме (2.17) и учитывает влияние на реактивную часть входного сопротивления отражений воли от разомкнутых концов вибратора, фаза которых

I

зависит от отношения —.

Для настройки вибратора в резонанс необходимо взять его дли-

требуется для настройки его в резонанс.

Подставляя в (2.19) указанное выражение для /р, получаем:

откуда:

Укорочение вибратора для настройки его в резонанс оказы­ вается тем большим, чем толще вибратор.

Рассмотрение (2.18) позволяет сделать и еще один практически важный вывод. Оказывается, чем больше диаметр вибратора, т. е. чем он «толще», тем медленнее изменяется с частотой реактивная часть входного сопротивления.

Упрощенно можно показать это следующим образом. Посколь­ ку ZBX изменяется при небольших расстройках только за счет третьего слагаемого, обозначим:

Непосредственно видно, что изменение zBX при заданном откло­ нении волны от Х0 тем меньше, чем меньше р„е, т. е. чем больше диаметр вибратора.

При необходимости работы в широком диапазоне' волн для обеспечения стабильности нагрузки передатчика на практике при­ меняют вибраторы увеличенного диаметра в виде конусов, не­ скольких проводов, расположенных по образующим круглого цилиндра и др, [Л.4].

3. Несимметричный вибратор

Несимметричным вибратором называют антенну в виде прямо- ^ го проводника, расположенного перпендикулярно плоской, хорошо проводящей поверхности больших размеров. Такая антенна при передаче возбуждается генератором, присоединяемым между про­ водящей поверхностью и проводником, как показано в верхней части рис. 2-11. При приеме аналогичным образом между проводом и проводящей поверхностью включается вход приемника или фи­ дер, соединяющий антенну с приемником.

52

Рис. 2-11. Несимметричный вибратор:

а - вибратор и его зеркальное изображение; <7 — радиальные токи на проводящей поверхности возле основания вибратора

с в я з ь МЕЖДУ ПОЛЯМИ НЕСИММЕТРИЧНОГО И СИММЕТРИЧНОГО ВИБРАТОРОВ

Можно показать, что ноле, создаваемое несимметричным вибра­ тором над идеально проводящей плоскостью бесконечных разме­ ров, является таким же, как поле симметричного вибратора, обра­ зованного из несимметричного добавлением к нему так называемо­ го «зеркального изображения», представляющего собой по форме точную копию несимметричного вибратора (см. рйс. 2-11).

Рассмотрим, какова связь между полями и параметрами несим­ метричного и соответствующего ему симметричного вибраторов.

Предположим вначале, что в свободном пространстве имеется симметричный вибратор длиной 21 и диаметром 2а.

Пусть такой вибратор возбуждается с помощью двух идентич­ ных последовательно соединенных синфазных генераторов, каж­ дый из которых создает напряжение с частотой ш и амплитудой U.

Под действием напряжения 2U, приложенного к входу, в вибра­ торе возникнет ток, амплитуду которого на входе обозначим / вх.

Вследствие геометрической симметрии излучателя структура электромагнитного поля в пространстве вокруг вибратора будет симметричной относительно плоскости, перпендикулярной оси и проходящей точно посредине между двумя половинами вибратора.

Линии электрического поля, схематически изображенные на рис. 2-11, в месте пересечения ими плоскости симметрии будут во всех точках перпендикулярны к ней, следовательно, на всей этой плоскости Е( — 0.

53

Предположим теперь, что в плоскости симметрии помещен бес­ конечно большой тонкий экран из хорошо проводящего материала, присоединенный к средней точке между генераторами.

На обеих сторонах экрана возникнут переменные заряды, при­ чем знаки зарядов на верхней бтороне экрана и на нижней будут противоположны, так как векторы электрического поля в совпада­ ющих точках на верхней и нижней поверхностях экрана в любой момент времени направлены относительно него в противополож­ ные стороны, как легко видеть на рис. 2-11.

Вследствие различной плотности зарядов в разных точках экрана и изменения плотности их во времени на нижней и верхней сторонах экрана будут протекать радиальные поверхностные токи/р, равные по величине, но противоположно направленные по разные стороны экрана.

При достаточно высокой проводимости материала экрана эти токи практически не приведут к появлению тангенциальных со­ ставляющих Е на поверхности экрана, поэтому изменение наклона линий электрического поля в результате введения плоского прово­ дящего экрана не произойдет, и поле по обе стороны его останется таким же. как при отсутствии экрана, т. е. в свободном простран­ стве.

Не изменится и величина тока генераторов, а следовательно, и ток на входе вибратора, так как суммарный радиально расходя­ щийся ток по обе стороны экрана одинаков и противоположно направлен.

Поскольку хорошо проводящий экран полностью разобщает верхнюю и нижнюю части пространства, отключение нижнего гене­ ратора и нижней части вибратора не изменяет полей и токов в верхней его половине и можно полагать все нижнее полупростран­ ство заполненным проводником.

Оставшаяся половина симметричного вибратора, как Легко • видеть, представляет собой рассматриваемый нами несимметрич­ ный вибратор.

Таким образом, но величине и распределению в пространстве поле несимметричного вибратора длиной /, расположенного над плоской бесконечной хорошо проводящей поверхностью, равно полю, создаваемому соответствующим симметричным вибратором длиной 21, в котором ток на входе равен току несимметричного вибратора. Необходимо отметить, что поле, создававшееся в верх­ ней части полупространства нижней половиной симметричного вибратора, при несимметричном вибраторе создается радиальны- / ми поверхностными токахри, протекающими по проводящей пло­ скости.

Суммарный поверхностный ток, протекающий в месте присоеди­ нения генератора к проводящей поверхности и представляющий собой сумму радиальных токов, равен току на входе несимметрич­ ного вибратора.

54

Рассмотрим случай, когда длина несимметричного вибратора

равна — . 4

Как было показано выше, поле такого вибратора над проводя­ щей плоскостью совпадает по величине и структуре с полем сим­ метричного полуволнового вибратора и в соответствии с (2.9) будет:

В точках, расположенных ниже проводящей поверхности, поле всюду равно нулю.

Характеристика направленности несимметричного вибратора

длиной / = — ;

( 2 - 2 3 )

На коротких, средних и длинных волнах проводимость земной поверхности велика, и диаграммы несимметричных вибраторов, широко используемых на этих волнах в качестве приемных и пере­ дающих антенн, можно рассчитывать, полагая землю плоской и идеально проводящей, как это было.принято выше.

Так, например, диаграмма вертикальной несимметричной антен­

ны длиной/— и менее практически может быть рассчитана по

формуле, аналогичной (2.10а):

На метровых, дециметровых и сантиметровых волнах несим­ метричные вибраторы обычно располагаются над металлическими поверхностями.

Если эти поверхности плоские и размеры их велики по сравне­ нию с длиной волны (2—3 а и более), то в пространстве над плос­ костью, совпадающей с реально существующей проводящей по-

55

верхностыо поле практически такое же, как и в случае ее бесконеч­ ной протяженности. Однако за счет дифракции имеется поле и в точках, лежащих ниже плоскости, над которой расположен вибра­ тор.

Расчет этого поля является весьма трудной задачей, решенной только для некоторых простейших форм экрана.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ НЕСИММЕТРИЧНОГО ВИБРАТОРА

Ограничимся случаем, когда длина вибратора / = -^. Опреде­

лим коэффициент направленного действия несимметричного вибра­ тора.

Для симметричного полуволнового вибратора, как известно. D=1.64.

Так как несимметричный вибратор создает поле только по одну сторону от проводящей поверхности, то по сравнению с симметрич­ ным вибратором, создающим такое же поле, он излучает вдвое меньшую мощность.

Если для симметричного вибратора

D— ~^г~ — 1.64,

Гг

где Pv — мощность, излучаемая симметричным вибратором, то в силу указанных обстоятельств для несимметричного вибратора

и поскольку максимальные поля обоих вибраторов одинаковы, получаем: '

Dнес

Сопротивление излучения несимметричного вибратора соответ­ ственно вдвое меньше, чем для симметричного:

где рое имеет такую же величину, как и для симметричного вибра­ тора.

56 .

У*реальных несимметричных антенн, применяемых на коротких и средних волнах, коэффициент полезного действия сильно сни­ жается за счет потерь в земле, в которой протекают радиальные гоки, сходящиеся к «земляному» зажиму генератора (см.

рис. 2-11,6).

Для некоторых несимметричных антенн коэффициент полезного действия имеет величину около 0,2 -Д-'0,3.

4. Простые широкополосные антенны

Рассматривая симметричный и. несимметричный вибраторы, обычно полагают, что длина половины вибратора приблизительно равна четверти волны. Точно так же при оценке возможностей рас­ ширения полосы пропускания вибратора путем увеличения его диаметра предполагалось, что отклонение длины волны от резо­ нансной .невелико. Однако на практике, в некоторых станциях УКВ радиосвязи, необходимо изменять рабочую длину волны в‘ 2—3 ра­ за, т. е. отношение максимальной длины рабочей волны >-макс к ми­ нимальной Д1И„ в пределах непрерывно перекрываемого диапазона иногда составляет 2—3 и более. В этих случаях говорят, что используется 2—3-кратный диапазон частот (волн).

В этих условиях необходимо применять специально сконструи­ рованные широкополосные или диапазонные антенны, обеспечива­ ющие достаточно.хорошее согласование фидера с антенной во всем рабочем диапазоне частот.

Величина полосы частот, в пределах которой может быть использована антенна, является важной характеристикой ее свойств.

ленным требованиям, устанавливаемым исходя из особенностей и назначения конкретного радиотехнического устройства. Упро­ щенно можно считать, что в пределах рабочего диапазона условия согласования и направленность антенны должны быть практиче­ ски постоянны.

до 50%;

в) диапазонные — для которых отношение максимальной дли­ ны рабочей волны к минимальной больше, чем 1,5.

При создании широкополосных вибраторных антенн, по конст­ рукции во многих отношениях аналогичных симметричному или несимметричному вибратору, основной трудностью является полу­ чение хорошего согласования в фидере во всем рабочем диапазоне волн. Для этого необходимо сконструировать антенну таким обра­

57

зом, чтобы ее входное сопротивление мало изменялось с частртой и было равно волновому сопротивлению фидерной линии.

Вибраторы из цилиндрических' проводников не могут исполь­ зоваться для работы в широком диапазоне частот вследствие боль­ ших изменений величины входного сопротивления при отклонениях частоты от резонансной больше, чем на 5-р10%.

Исследования показали, что широкополосной антенной являет­ ся несимметричный конический вибратор, представляющий собой металлический конус, расположенный над проводящей плоскостью

Рис. 2-12. Несимметричный конический вибратор:

а --схема вибратора, 1— конический вибратор, 2— коаксиальный фидер; б - эквивалентная схема

шиной конуса и проводящей поверхностью, к которым присоедине­ ны внутренний и внешний проводники коаксиального фидера, мало изменяется с частотой при изменении ее в широких пределах.

В отличие от цилиндрического вибратора конический вибратор над металлической поверхностью представляет собой участок одно­ родной линии с постоянным по длине волновым сопротивлением. Погонная емкость вдоль этой линии остается постоянной за счет равномерного изменения диаметра конического проводника.

При бесконечной длине конуса входное сопротивление конической линии, как всякой однородной длинной линии, равно ее волно­ вому сопротивлению.

Теоретическое рассмотрение показывает, что волновое сопро­ тивление конической однородной линии определяется только вели­ чиной угла конуса

и от частоты не зависит.

58

В отличие от цилиндрических волн в обычном коаксиальном фидере, в конической линии распространяется сферическая волна. Если конус бесконечен, то на пути распространения волны неодно­

линии (рис. 2-12, б).

Если на граничной поверхности S, где сферические волны кони­ ческой линии переходят в волны свободного пространства, отно­ шение поперечных компонент векторов Е и Н для внутренней и внешней волн равно 120к, т. е. величине волнового сопротивления для волн, распространяющихся в свободном пространстве, то отра­ женная волна в конической линии отсутствует.

Приблизительно такие условия существуют в конических антен­ нах, имеющих угол ф = 30° и длину L>0,2XMaKC, где Хмакс — мак­ симальная длина волны рабочего диапазона антенны.

На рис. 2-13 приведена экспериментальная зависимость коэф-

Рис. 2-13. Коэффициент стоячей волны и диаграммы направленности конического вибратора (ф =30°):

а —экспериментальная зависимость КСВ от отношения L/),; б— экспериментальные диаграммы направленности

фициента стоячей волны в коаксиальном фидере с волновым сопро­ тивлением рф=50 ом, присоединенном к входу несимметричной конической антенны с углом конуса 6=30°.

В пределах почти семикратного диапазона волн КСВ в фидере изменяется в такой антенне незначительно, так как сферические волны, распространяющиеся вдоль конической линии, излучаются

59