Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Техническая электродинамика. Антенны, распространение радиоволн. Учебно-методическое пособие
.pdf
Это значение близко к значению волновых стандартных двухпро-
R
водных линий передачи, поэтому согласующее устройство не требуется. На рис. 2.9 показан петлеобразный вибратор Пистолькорса с шунтом, образованным короткозамыкающими перемычками. Подбирая
l
длину шунта
вать
вх
с
и соотношение между диаметрами, можно согласо-
ш
W
в значительной полосе частот.
в
2.3.2. ПИТАНИЕ КОАКСИАЛЬНЫМ КАБЕЛЕМ
Симметричная двухпроводная линия относится к открытым линиям передачи, основными недостатками которых являются подверженность воздействию атмосферных осадков и излучение самой линии
(антенный эффект), возрастающие с ростом частоты. Поэтому в диапазоне УКВ для питания симметричных вибраторов желательно применять экранированные линии в виде коаксиальных кабелей или жестких
коаксиальных линий.
Непосредственное подключение коаксиального кабеля к симметричному
фидеру нарушает симметрию системы.
Как видно из рис. 2.10, часть тока, текущего по внутренней поверхности внешнего проводника коаксиального фидера,
ответвляется в точке
на его внешнюю
a
поверхность. Это приводит к асимметрии
питания плеч вибратора, в результате чего искажается диаграмма направленности
вибратора, а появление тока на внешней
поверхности внешнего проводника фидера приводит к возникновению антенного
эффекта.
Рис. 2.10. Непосредственное
подключение симметричного
вибратора к коаксиальному
кабелю
Влияние антенного эффекта проявляется в том, что у волны, излучаемой горизонтальным вибратором, появляется составляющая с
вертикальной поляризацией. В режиме приема горизонтальный вибратор
начинает принимать радиоволны помех, которые в основном имеют
вертикальную поляризацию.
Для борьбы с асимметрией применяют различные симметрирую-
щие устройства (рис. 2.11).
21
Симметрирующий стакан (рис. 2.11, а). Коаксиальная линия, об-
Z
разованная внешним проводником коаксиального фидера и металлическим цилиндром, имеет длину
4l
. С одного конца (снизу) цилиндр
имеет по всему периметру электрический контакт с внешним проводником фидера, образуя, таким образом, короткозамкнутую линию. При
длине линии
4l
ее входное сопротивление оказывается очень
большим
вх в
tg
Wkl . Подобное симметрирующее устройство об-
разует с фидером последовательную цепь с большим сопротивлением,
что препятствует проникновению в фидер тока, наведенного волной на
внешней поверхности внешнего проводника фидера в режиме приема.
Нетрудно убедиться, что в режиме передачи симметрирующее устройство препятствует возникновению тока на внешней поверхности фидера, устраняя тем самым антенный
эффект и асимметрию питания плеч
вибратора. Симметрирующий стакан – устройство узкополосное, так
как его входное сопротивление зависит от частоты. На частоте, отличной от средней частоты сигнала, входное сопротивление антенны
уменьшается и симметрирующее устройство начинает шунтировать
одно из плеч вибратора, нарушая симметрию его питания.
а
б
л
0,25
а б в
Рис. 2.11. Симметрирующие устройства
0,25
0
0,5
Симметрирующая приставка (рис. 2.11, б) – более широкополос-
ное устройство. Такая приставка выполняется в виде двухпроводной
4l
симметричной линии из металлических трубок длиной
. С одной
стороны она замкнута накоротко, а с другой – подключается параллельно к симметричному вибратору в точках его питания. Коаксиальный
фидер подключается центральным проводником к одному из плеч вибратора, а внешним проводником – ко второму плечу. В точке О потенциал короткозамкнутой линии равен нулю. Поэтому оба плеча оказыва-
22
ются включенными симметрично относительно нулевого потенциала –
х
х
этим устраняются асимметрия питания и антенный эффект.
Параллельное соединение симметричного вибратора и приставки в точках а и в (рис. 2.12) расширяет полосу
пропускания устройства.
При длине вибратора
20,5l
с
увеличением рабочей частоты сигнала
реактивная составляющая его входного
a
0,5
0, 25l=
л
в
сопротивления будет иметь индуктив-
ctg
Wkl
ный характер (
вх в
), а сим-
метрирующая приставка – емкостной
tg
характер (
Wkl
вх.ллл
). Поэтому
Рис. 2.12. Параллельное соединение вибратора и корот козамкнутого шлейфа
результирующее реактивное сопротивление устройства уменьшается, а
полоса пропускания соответственно расширяется. Аналогичный результат получается при уменьшении частоты.
U-колено (см. рис. 2.11, в). Подключение петлевого вибратора к ко-
аксиальному фидеру также требует применения симметрирующего
устройства. В качестве симметрирующего устройства широкое распространение получило так называемое U-колено. Как видно из рис. 2.11, в,
центральный проводник отрезка коаксиальной линии длиной l = 0,5
подключается к входным клеммам вибратора. Таким образом, оба плеча
вибратора находятся под одинаковым потенциалом относительно «земли», что обеспечивает симметрию его питания. Петлевой вибратор с
входным сопротивлением 300 Ом может быть представлен системой из
двух равных плеч, соединенных последовательно. Правое плечо вибратора подключено к точке а через U-колено. Как известно
, полуволновая
линия не обладает трансформирующими свойствами. Поэтому в точке а
параллельно соединены два плеча вибратора с сопротивлением 150 Ом
каждый. Таким образом, в точке а входное сопротивление системы оказывается равным 75 Ом, что обеспечивает согласование с фидером, если
у него такое же значение волнового сопротивления.
Для обеспечения симметрии питания симметричного вибратора
коаксиальным фидером также можно использовать U-колено. Однако
потребуется дополнительно согласующее устройство, в качестве которого чаще всего применяется четвертьволновый трансформатор.
23
2.3. НЕСИММЕТРИЧНЫЙ ВИБРАТОР
И СПОСОБЫ ЕГО ПИТАНИЯ
Подобные вертикально расположенные антенны электрически малых размеров широко применяются в диапазонах ДВ и СВ и конструктивно представляют мачту с оттяжками (изолированными от мачты)
для ее поддержания. В качестве несимметричного вибратора рассмотрим штыревую антенну, представленную на рис. 2.13.
Здесь роль второго плеча (противовеса) играет проводящая поверхность (крыша кузова автомобиля
, металлическая кровля здания и т. д.).
Согласно методу зеркальных изображений штырь является одним
из плеч воображаемого симметричного вибратора (рис. 2.14). В случае
идеально проводящей поверхности ()
ввиду полной симметрии
плечи воображаемого вибратора имеют одинаковую длину и форму.
Поэтому у штыревой антенны входное сопротивление, сопротивление
излучения, действующая длина и волновое сопротивление в два раза
меньше, чем у симметричного вибратора.
Рис. 2.13. Штыревая антенна:
1 – штырь; 2 – изолятор; 3 – проводящая
поверхность;
4 – коаксиальный фидер
Рис. 2.14. Зеркальное изображение
несимметричного вибратора
Диаграмма направленности штыревой антенны в плоскости Е составляет «верхнюю» половину ДН симметричного вибратора (рис. 2.15).
В плоскости H диаграмма направленности имеет круговую форму.
Несимметричные вертикальные вибраторы требуют их установки
над экраном. На низких частотах роль экрана играет хорошо проводящая земная поверхность. На СВЧ земная поверхность не является
проводником, поэтому вибраторы
ским экраном (рефлектором) в виде диска, квадрата или иной формы
устанавливаются над металличе-
24
(рис. 2.16, а). Вместо сплошного рефлектора могут использоваться сетча-
90
тые или рефлекторы (противовесы) в
виде радиальных трубок (рис. 2.16, б).
В конструкции вибратора, изображен-
180
ного на рис. 2.16, в, роль рефлектора
играет так называемый четвертьволновой стакан. Во всех случаях экран со-
270
единяется с внешним проводником коаксиального волновода или с оплеткой
коаксиального кабеля.
λ 4
λ 4
Противовес
а б в
Рис. 2.15. Диаграмма
направленности штыревой
антенны в плоскости E
Металлический
изолятор
λ 4
0
λ 4
λ 4
Рис. 2.16. Способы возбуждения несимметричных вибраторов
На проводящих плоскостях могут быть установлены четвертьволновые петлеобразные вибраторы, в частности, с использованием шунта
(рис. 2.17, а). Вибраторы с шунтом обладают расширенной полосой
пропускаемых частот. Другая схема вибратора четвертьволновой длины показана на рис. 2.17, б.
Здесь емкостное реактивное сопротивление верхней половины
вибратора в точках питания а и б (рис. 2.17, б)
компенсируется последовательно включенным с ним индуктивным сопротивлением нижней
половины вибратора. Выбором диаметра вибратора и соотношения
25
l
длин
l
и
можно добиться 10…15 %-й полосы пропускаемых антен-
1
2
ной частот при КСВ в фидере, близком к единице.
l
2
λ 4
l
ш
а б
Рис. 2.17. Несимметричные вибраторы с расширенной полосой частот
a
верхней частей вибратора (рис. 2.17, б)
λ 4
Изменением формы нижней и
a
b
l
1
можно прийти к так называемой дискоконусной антенне, показанной на
рис. 2.18.
b
Эта антенна состоит из конуса и
диска, между которыми с помощью
коаксиального кабеля прикладывается питающее напряжение. Конус присоединяется к внешней оболочке кабеля, а диск к центральному проводнику
c
. Антенна оказывается диапазон-
ной.
Рис. 2.18. Дискоконусная
антенна
На высоких частотах несимметричные вибраторы чаще всего применяются в качестве бортовых антенн
различных транспортных средств, включая летательные аппараты.
Широкое распространение несимметричные вибраторы получили в
26
качестве антенн портативных радиостанций гражданской связи диапа-
зона 27 МГц (Си-Би). На низких частотах они применяются в качестве
радиопередающих антенн диапазонов ДВ и СВ.
ЗАДАЧИ
1. Определить КПД вибратора, если сопротивление излучения
45 Ом, сопротивление потерь 10 Ом, волновое сопротивление фидера
50 Ом, КСВ 1,1.
2.
Используя график КНД (рис. 2.5) определить КУ вибратора с
длиной плеча: а)
Определить КНД полуволнового вибратора, установленного над
3.
экраном на расстоянии: а)
4.
Показать распределение тока по вибратору с длиной плеча:
а)
5.
Записать выражение для расчета ДН вибратора в Е и Н плоско-
; б)
0, 25l
0,5l
стях с длиной плеча: а)
6.
Мощность излучения симметричного вибратора длиной
; б)
0, 25l
4
; б)
; в)
l
0,75l
; б)
; в)
0,5l
2
34
; в)
l
; г)
; в)
0, 25l
.
0,75l
.
.
.
0,5l
34
равна 5 кВт. Ток на входе антенны составляет 3,78 А. Определить сопротивление излучения, отнесенное к току в максимуме.
Определить длину симметричного вибратора, если его волновое
7.
800W
сопротивление
8.
Определить входное сопротивление симметричного вибратора
длиной
20,96l
в
м, выполненного из провода диаметром
если длина волны
Активная часть входного сопротивления симметричного волно-
9.
вого вибратора
частота генератора 75f
10.
Определить величину и характер реактивной составляющей
Ом и диаметр
1
м.
3, 2R
вх
кОм. Определить диаметр вибратора, если
МГц.
210a
мм.
220a
мм,
входного сопротивления симметричного вибратора, имеющего длину
23мl
и волновое сопротивление
МГЦ.
75f
400W
в
Ом. Частота генератора
27
3. ЗЕРКАЛЬНО-ПАРАБОЛИЧЕСКИЕ
АНТЕННЫ
Зеркальными антеннами называют антенны, формирующие ДН путем отражения электромагнитных волн от металлического зеркала (рефлектора) определенного профиля. Первичным источником электромагнитных волн служит какая-либо слабонаправленная антенна, называемая облучателем. Зеркало (одно или несколько) и облучатель являются осесимметричными зеркалами. Антенны с параболическими зеркалами называют зеркальными параболическими антеннами (ЗПА
Принцип действия ЗПА основан на известном из оптики свойстве
параболических зеркал – преобразовывать в плоский сферический
фронт падающие на них (из точки фокуса) волны. По направленности,
эффективности, простоте конструкции зеркальные антенны являются
лучшими среди остронаправленных антенн СВЧ-диапазона.
Классическими представителями зеркальных антенн служат параболические антенны, которые могут выполняться в виде
вращения, параболического цилиндра, ограниченного параллельными
проводящими плоскостями (рис. 3.1).
Параболоид вращения возбуждается слабонаправленным облучателем (например, рупором), помещенным в фокусе, и преобразовывает
сферический фронт волны в плоский. Параболический цилиндр возбуждается линейной антенной, помещенной на фокальной линии, как и
в предыдущем случае, имеет место преобразование цилиндрического
фронта волны в плоский. В
свойства радиоволн. Геометрические свойства параболы таковы, что
лучи, направляемые из фокуса и отражаемые от параболы, становятся
параллельными оси параболы, так что длина пути от фокуса до параболы и затем до линии раскрыва, проходящей через края параболы,
одинакова для любого угла
параболической антенны образуется синфазная поверхность и излучение антенны оказывается остронаправленным.
этих антеннах используются оптические
(рис. 3.2). Таким образом, в раскрыве
28
параболоида
).
F
F
x
z
x
f
f
y
а б в
Рис. 3.1. Виды параболических антенн:
а – параболоид вращения; б – параболический цилиндр; в – сегментно-
параболическая антенна
В декартовой системе координат параболоид вращения определяется уравнением (начало координат совпадает с вершиной парабо-
лоида)
22
4
yfz , а в сфериче-
ской системе координат (начало
координат совпадает с фокусом параболоида) – уравнением
2
,
где
1cos
– фокальное расстояние
(расстояние от вершины зеркала до
фокуса);
– угол между осью зер-
кала и направлением из фокуса в
произвольную точку на поверхности зеркала;
куса до произвольной точки на поверхности зеркала.
– расстояние из фо-
Рис. 3.2. Профиль
параболической антенны
29
Различают длиннофокусные и короткофокусные параболические
f
антенны. В длиннофокусной антенне фокус находится вне антенны
(/4)fD
з
, где
D
– диаметр зеркала, и угол раскрыва
з
2
, под
max
которым края зеркала видны из фокуса, удовлетворяет условию
2
max
.
В короткофокусной антенне фокус находится внутри антенны
/4fD
и
з
2
max
и фокус лежит в плоскости раскрыва. В режиме передачи
2
max
. Граничным является случай
fD
з
/4
, когда
используются близкофокусные ЗПА, что связано с минимизацией потерь, обусловленных затеканием энергии за края зеркала. Длиннофокусные ЗПА используются в режиме приема.
Диаметр раскрыва
фокусное расстояние
D
, полный угол раскрыва зеркала
з
связаны между собой соотношением
2
и его
max
4tg( /2)Df
з max
. (3.1)
КОЭФФИЦИЕНТЫ УСИЛЕНИЯ И НАПРАВЛЕННОГО
ДЕЙСТВИЯ ПАРАБОЛИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ
Коэффициент направленного действия зеркальной антенны можно
рассчитать по формуле
рез
4
2
, (3.2)
геом
где
– результирующий, или полный, КИПР, учитывающий
рез
DS
уменьшение КНД из-за действия ряда факторов: переливания части
излученной облучателем энергии через края зеркала, вызывающего
увеличение УБЛ ДН зеркальной антенны в задних квадрантах (дальние
боковые лепестки); ошибки в фазовом распределении на раскрыве; затенения части поверхности раскрыва облучателем и элементами его
крепления; кроссполяризации излучаемого
2
– площадь раскрыва;
Здесь
4( /2)SD
геом з
– апертурный КИПР зеркала;
a
поля и др.
.
рез
– множитель, определяемый
1
12345
a
...
переливанием части энергии через края зеркала (коэффициент пере-
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]