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

(рис. 2-14, а). Она состоит из конуса и диска, между которыми при­ соединяются проводники коаксиального фидера.

Рис. 2-14. Диско-конический излучатель:

По принципу действия эта антенна аналогична несимметричной конической антенне.

Вместо плоской поверхности больших размеров у несимметрич­ ной конической антенны (см. рис. 2-12), в диско-конической антенне используется плоский металлический диск диаметром не меньше 0,175 >'макСКонус присоединяется к внешней оболочке коаксиаль­ ного фидера, а диск — к центральному проводнику.

60

Г л а в а 3

НАПРАВЛЕННЫЕ СВОЙСТВА СИСТЕМ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

Применение направленных антенн, как уже отмечалось выше, дает ряд преимуществ при-излучении и приеме радиоволн.

Использование направленной передающей антенны позволяет без уменьшения напряженности поля в месте приема в g раз уменьшить мощность передатчика. Применение направленной приемной антенны обеспечивает возможность простым путем опре­ делять направление прихода радиоволн, позволяет увеличить мощ­ ность сигнала на входе приемника, уменьшить влияние помех, приходящих к месту приема, и т. д.

Вследствие этого вопрос о создании антенн, обладающих высо­ кой направленностью, является одним из главных в технике антенн.

Существующие направленные антенны можно разделить на две группы:.

1) антенны, состоящие из большого количества соответству­ ющим образом возбуждаемых, относительно слабо направленных излучателей;

2) антенны, содержащие рефлекторы, линзы или другие устрой­ ства, обеспечивающие концентрацию энергии излучаемых радио­ волн в пределах небольшого телесного угла.

Обычно направленные свойства антенны рассматриваются для случая излучения, однако в силу обратимости такими же будут диаграммы антенн и для приема.

В этой главе будут рассматриваться только системы, состоящие из многих излучателей, однако анализ свойств таких систем позво­ ляет установить ряд соотношений, применимых также для рефлек­ торных, рупорных и ряда других антенн.

Переходя к рассмотрению систем излучателей, отметим прежде всего, что направленное излучение с помощью таких систем дости­ гается путем использования явления интерференции когерентных колебаний (радиоволн), излучаемых каждым из элементов си­ стемы.

62

Поле такой системы максимально в одном из направлений, где фазы полей каждого из излучателей совпадают, и значительно меньше или даже равно нулю во всех других направлениях, где сумма полей излучателей в любой момент времени мала или близ­ ка к нулю.

Методы, применяемые при определении результирующего поля системы излучателей, по сути дела аналогичны методам анализа свойств дифракционной решетки, рассматриваемым в курсе физи­ ки, однако при суммировании полей необходимо учитывать вектор,- ный характер рассматриваемого электромагнитного поля, т. е. в общем случае находить векторную сумму полей отдельных вибра­ торов.

Мы будем рассматривать, как правило, системы из идентичных одинаково ориентированных излучателей, когда в удаленных точ­ ках векторы полей параллельны (коллинеарны) и величины полей в рассматриваемых точках суммируются алгебраически.

1. Поле и диаграмма направленности двух одинаковых излучателей

Простейшую систему, в которой направленность излучения обусловлена интерференцией полей, представляют собой два оди­ наковых излучателя, не обладающих направленностью в рассмат­ риваемой плоскости, например, два параллельных полуволновых вибратора, расположенных на расстоянии d (рис. 3-1, а).

Будем рассматривать поле этих вибраторов в плоскости, про­ ходящей через их середины и перпендикулярной осям. Пусть эта плоскость является плоскостью г = 0 прямоугольной системы коор­ динат, и вибраторы расположены на оси X симметрично относи­ тельно начала координат.

Предположим также, что токи в обоих вибраторах одинаковы по амплитуде и совпадают по фазе. Такую систему излучателей называют синфазной.

Если точка Р, в которой определяется суммарное поле вибрато­ ров, находится в дальней зоне (т. е. Р)§> d и R >/.), то поля, созда­ ваемые каждым из вибраторов порознь в точке Р, одинаковы по амплитуде и имеют величину

где R - т- расстояние до точки Р;

/0 — амплитуда тока в вибраторах.

В рассматриваемой плоскости, перпендикулярной осям вибра­ торов, каждый из вибраторов, как известно, не обладает направ­ ленностью, поэтому на расстоянии R в любом направлении ампли­ туды поля вибраторов 1 и 2 будут одинаковы.

Очевидно также, что в силу параллельности вибраторов векто­ ры напряженности электрического поля в любой удаленной точке

63

£ot~Jj ( om вибратора 1)

S)

Рис. 3-1. Система из двух синфазных вибраторов и ее диаграмма направленности:

а — расположение двух вибраторов в плоскости Л’У; 6 —векторная сумма целей синфазных вибраторов

I* удаленной точке; в — диаграмма направленности двух синфазных вибраторов

будут параллельны, т. е. будут лежать вдоль одной прямой, и, опре­ деляя суммарное поле, можно суммировать комплексные амплиту­ ды полей так, как это делается при суммировании напряжений и токов в электрических цепях.

Рассмотрим поле,- создаваемое вибраторами 1 и 2 в точке Р, лежащей в направлении,'определяемом углом о.

Для простоты будем вести отсчет фаз относительно начала координат, иными словами, будем считать, что при расположении какого-либо из наших вибраторов в начале координат, фаза поля в удаленной точке, создаваемого им при этом расположении, равна нулю.

64

Аналогично для поля вибратора 2 в точке Р получаем:

Такой же результат можно получить, суммируя комплексные амплитуды в выражении (3.2) как векторы (рис. 3-1,6). ,

Диаграмма направленности синфазной системы из двух излу­

такой же угол относительно поля Ео, создаваемого при расположе­ нии вибратора в начале координат (в центре системы).

Фазовый сдвиг между Ег и Е2 при <р = 0 получается равным ж, и. поскольку поля одинаковы по амплитуде, суммарное поле равно нулю. Для направления <р=180° фазовые соотношения аналогич­ ны, и суммарное иоле также равно нулю.

Таким образом, вследствие интерференции суммарное излуче­ ние двух одинаковых вибраторов оказывается направленным не­ смотря на то, что каждый из излучателей в отдельности в рассмат­ риваемой плоскости не обладает направленностью.

В принципе, следовательно, имеется возможность повышения направленности путем использования двух или более соответству­ ющим образом возбуждаемых излучателей. В дальнейшем, пере­ ходя к более сложным системам вибраторов, мы рассмотрим основные свойства таких систем из слабонаправленных излуча­ телей.

E o i^ f o m %идратара 2]

Е а ( о т SubpamopalJ

5)

Рис. 3-2. Система из двух вибраторов, один из которых расположен в начале координат:

а -• расположение вибраторов: о— векторная диаграмма

В этом случае фазы поля в удаленной точке удобно отсчиты­ вать относительно поля Е\ первого вибратора.

и суммарное поле можно представить в виде:

В этом выражении поле по амплитуде такое же, как и в преды­ дущем случае, однако за счет переноса начала координат фаза поля в удаленной точке оказывается зависящей от угла у.

Поскольку нас интересует только диаграмма направленности антенны, то зависимость фазы поля антенны от угла в дальнейшем рассматриваться не будет, а фазовый множитель результирующего поля будет отбрасываться. Возвращаясь к рассмотрению направ­ ленных свойств системы из двух вибраторов, следует отметить, что характер диаграммы такой системы зависит от расстояния между

.вибраторами и сдвига фаз между их токами.

Рассмотрим для иллюстрации этого некоторые примеры.

нуты по фазе на 180°.

66

В удаленной точке аналогично (3.4):

Рис. 3-3. Диаграмма направленности системы из двух вибраторов, питаемых со сдвигом фаз на 180° при с/=Х/2

В направлении ? = 90° поле равно нулю вследствие сдвига фаз токов в вибраторах на 180°, так как точки, лежащие в этом направ­ лении, находятся на одинаковом расстоянии от обоих, вибраторов, и разность фаз между полями Е\ и £ 2 обусловлена только началь­ ным сдвигом фаз между токами.

Поле рассматриваемой системы максимально в направлениях ? “ 0 и 180° В точках, лежащих в этих направлениях, расстояния

v При cp=180° £(180°) — 2 £ 0 и при ф -0 £ (0)-—0.

Нормированная диаграмма системы определяется формулой:

Рис, 3-4. Диаграмма направленности системы из двух вибраторов, питаемых со сдвигом фазы 90° при d=A/4

Как видно на диаграмме, система вибраторов излучает основ­ ную энергию в левую часть пространства. Вибратор 2, расположен-

изображенные пунктиров, соответствуют случаю синфазного пита­ ния вибраторов.

Г)9