рк1. 2. слабонаправленное излучение симметричных вибраторов краткая теория симметричного вибратора
Скачать 1.59 Mb.
|
2. СЛАБОНАПРАВЛЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ СИММЕТРИЧНЫХ ВИБРАТОРОВ 2.1. Краткая теория симметричного вибратора Самыми простыми антеннами являются симметричный вибратор (далее СВ) и его разновидности. Они широко используются в различных беспроводных системах телекоммуникации, работающих в КВ и УКВ диапазонах, как самостоятельные антенны, так и в качестве элементов сложных антенных конструкций. СВ (он же диполь) представляет собой конструкцию в виде двух одинаковых металлических проводников. На рис.2.1 показан СВ, состоящий из двух проводников цилиндрической формы, длина каждого из них равна l, радиус – a. Рис.2.1 Конструкция симметричного вибратора В центре между проводниками подключается источник высокочастотного тока (генератор, или передатчик). Каждый проводник носит название «плечо СВ». Также широко используются вибраторы, состоящие из одного плеча, расположенного над металлической поверхностью (пример – кузов автомобиля). Такие антенны носят название «штыревые антенны» или «монопли» (рис.2.2). Плечи СВ обычно изготавливаются из цветных немагнитных металлов: алюминий, латунь, медь. Плечи, кроме цилиндрической формы, могут быть плоскими и биконическими. При подключении источника высокочастотного тока к точкам питания СВ (случай излучения энергии электромагнитной волны) по его плечам начинает течь ток, распределение которого в явной форме выразить невозможно. Рис.2.2 Конструкция монопля Строгое решение основной задачи теории антенн (определение электромагнитного поля в любой точке окружающего антенну пространства, создаваемого токами и зарядами, распределенными по антенне) для СВ связано с большими трудностями. Это вызвано тем, что закон распределения тока (зависимость амплитуды и фазы тока от координаты точки на поверхности антенны) по плечам СВ неизвестен. Существует приближенный метод расчета поля, создаваемого СВ в дальней зоне. В основе этого метода лежит предположение о синусоидальном распределении тока по СВ, основанное на некоторой внешней аналогии между ним и двухпроводной разомкнутой на конце линией без потерь. Действительно, от двухпроводной линии (рис.2.3,а) можно перейти к СВ, если провода линии развернуть под углом 180° друг к другу (рис.2.3,б). Рис.2.3 Аналогия между двухпроводной линией и симметричным вибратором Можно полагать, что при переходе от двухпроводной линии к СВ закон распределения тока не нарушается, т.е. Iz = Iпsink(l - |z|), (2.1) где Iп – амплитуда тока в пучности тока СВ (в общем случае, это величина комплексная) İп = Iпexp(iψ); l – длина плеча СВ; z – расстояние от начала СВ (точки питания) до произвольной точки на вибраторе (текущая координата); k = 2π/λ – волновое число (коэффициент фазы тока в вибраторе). Полагают, что длина волны в СВ λ равна длине волны в свободном пространстве. В действительности данная аналогия является весьма приближённой. Линия и СВ являются колебательными системами с распределенными параметрами, однако они существенно различаются. Во-первых, распределенные параметры линии (индуктивность и емкость) не изменяются по ее длине, распределенные параметры СВ непостоянны по его длине. Во-вторых, линия служит для канализации электромагнитных волн и является практически неизлучающей системой, СВ же волны излучает. В разомкнутой на конце линии ток изменяется по закону стоячей волны только в том случае, если линия выполнена из идеального проводника, т.е. в ней нет потерь энергии. В СВ, выполненном даже из идеального проводника, обязательно есть потери (полезные) на излучение. Поэтому очевидно, что ток в СВ, строго говоря, не может быть распределен по закону стоячей волны. Однако расчет поля СВ по формулам, основанным на синусоидальном распределении тока, дает хорошее совпадение с экспериментальными данными для дальней зоны и тонких СВ. Поэтому для инженерного расчета это приближение в ряде случаев вполне допустимо. 2.2. Направленные характеристики симметричного вибратора СВ является слабонаправленной антенной, при этом обладающей направленными свойствами только в одной плоскости – в плоскости вектора Е (в меридиональной плоскости, проходящей через ось СВ). В плоскости вектора Н (в экваториальной плоскости, перпендикулярной оси СВ) СВ направленными свойствами не обладает. СВ излучает в пространство (или принимает) электромагнитные волны с линейной поляризацией. Ориентация поляризационного вектора Е определяется положением СВ в пространстве относительно подстилающей поверхности. Если СВ расположен вертикально относительно нее, то он формирует волну с вертикальной линейной поляризацией, если горизонтально – с горизонтальной линейной поляризацией, если наклонно – с наклонной линейной поляризацией. При анализе направленных свойств СВ определяют зависимость напряженности электрического поля, создаваемого им в точке М, от угловых координат в соответствующей плоскости. При этом точка М находится в дальней зоне при неизменном расстоянии r от нее до фазового центра СВ (рис.2.4). Напомним, что дальняя зона определяется из условия r >> λр , где λр – рабочая длина волны. Фазовый центр СВ расположен в его середине. Вся геометрическая длина СВ разбивается на элементарные бесконечно малые участки dz, в результате чего можно считать, что в пределах такой длины распределение тока равномерное. По сути, СВ представляется как совокупность бесконечного количества элементарных электрических излучателей, или диполей Герца. Рис.2.4 К определению направленных свойств симметричного вибратора В результате такого подхода напряженность электрического поля, создаваемого СВ в некоторой точке М окружающего его пространства, может быть определена как векторная сумма полей, создаваемых в этой точке всеми бесконечно малыми участками проводников вибратора. Напряженность электрического поля, создаваемую вибратором в точке М, можно найти интегрированием по всем элементам, при этом величина поля и его зависимость от угла θ определяются распределением комплексных амплитуд тока по вибратору и длиной вибратора. Выражение для напряженности электрического поля вибратора в дальней зоне имеет вид E(θ) = i(60I0/r)exp(-jkr)[(cos(klcosθ) – cos(kl))/sinθ]. (2.2) В большинстве случаев интересуются ХН СВ, которая определяется множителем в (2.2), зависящим от угла θ. Таким образом, ХН СВ в плоскости вектора Е имеет вид f(θ) = (cos(klcosθ) – cos(kl))/sinθ. (2.3) ХН СВ в плоскости вектора Н имеет вид f(φ) = 1 – cos(kl), (2.4) что подтверждает – в данной плоскости СВ направленными свойствами не обладает. Нормированная ХН СВ в плоскости Е, определяемая как F(θ)=f(θ)/f(90°), равна . (2.5) Направленные свойства СВ определяются только отношением длины плеча вибратора к длине волны l/λ (относительная длина плеча), т.е видом распределения тока по его плечам. Максимум поля СВ излучает в направлении, перпендикулярном своей оси, это направление называют главным. Однако следует иметь в виду, что это происходит не при любых значениях l/λ. При малых значениях l/λ ДН СВ состоит из двух (главных) лепестков. При увеличении l/λ лепестки сужаются, т.е. при этом происходит увеличение уровня излучения. При дальнейшем увеличении l/λ, после значения l/λ=0,5, в ДН появляются боковые лепестки. Это является следствием того, что на проводниках СВ возникают противофазные участки тока. Дальнейшее увеличение l/λ приводит к еще большему сужению главных лепестков, при одновременном увеличении уровней боковых. При значении l/λ=0,625 СВ обладает максимальным значением КНД, равное 3,2. Дальнейшее увеличение l/λ приводит к уменьшению не только ширины главных лепестков, но их уровней, с одновременным увеличением уровней боковых лепестков. Наконец при значении l/λ=1 излучение в направлениях, перпендикулярных оси СВ, прекращается полностью, и в ДН имеются только четыре боковых лепестка. В результате КНД СВ становится равным нулю. Важное замечание: при любых значениях l/λ СВ вдоль своей оси не излучает. На рис.2.5 показаны ДН СВ в плоскости Е для следующих значений l/λ: 0,25, 0,5, 0,625, 0,75, 1. СВ с l/λ=0,25 называется полуволновым. СВ с l/λ=0,5 называется волновым. Рис.2.5 Диаграммы направленности симметричного вибратора Анализируя зависимость ДН от l/λ,можно прийти к выводу, что КНД СВ сначала растет, достигая максимума при l/λ=0,625, а затем падает до нуля при l/λ=1. Важное замечание: СВ обладает направленными свойствами даже при очень малых значениях l/λ, однако при этом его излучение слабое (КНД равно 1,5). На рис.2.6 показан график зависимости КНД СВ от l/λ. Рис.2.6 График зависимости КНД вибратора от l/λ Основные выводы: – СВ обладает направленными свойствами только в плоскости вектора Е; – СВ не обладает направленными свойствами в плоскости вектора Н; – вдоль своей оси СВ не излучает; – СВ излучает линейно поляризованные волны; – главные лепестки ДН СВ направлены перпендикулярно его оси; – направленные свойства СВ зависят от величины l/λ; – минимальное значение КНД СВ имеет при значении l/λ близких к нулю; – максимальное значение КНД СВ имеет при значении l/λ=0,625; – излучение СВ в главных направлениях пропадает при значении l/λ=1. 2.3. Электрические характеристики симметричного вибратора В параграфе 2.1 было указано, что для расчета поля, создаваемого СВ в пространстве, была проведена аналогия между ним и двухпроводной разомкнутой на конце линией без потерь. В этом случае можно принять, что закон распределения тока по плечам СВ имеет вид (2.1). Но при этом нельзя говорить, что этот закон удовлетворяет условию полного совпадения вида распределения тока по СВ и разомкнутой на конце линией без потерь. Однако часто с достаточной для инженерных целей точностью входное сопротивление рассчитывается, исходя из приближенных законов распределения тока по СВ. Рассмотрим такой приближенный (инженерный) метод расчета входного сопротивления. Предположив, что ток вдоль проводников СВ распределен по закону синуса, найдем входное сопротивление вибратора, у которого l/λ=0,5 (рис.2.7). В этом случае ток в точках питания оказывается равным нулю и очевидно, что Zвх = U0/I0=∞. Рис.2.7 Распределения тока по плечам симметричного вибратора В действительности же ток в точках питания никогда не бывает равен нулю (его величина обязательно конечна), а следовательно, входное сопротивление СВ никогда не бывает бесконечно велико. Физически это совершенно ясно. Ведь закон синуса (стоячая волна) справедлив в линиях только при отсутствии потерь. СВ же в принципе является системой с потерями на излучение. Следовательно, при расчете входного сопротивления лучше проводить аналогию между СВ и разомкнутой на конце линией с потерями. Известно, что ток в такой линии распределен по закону гиперболического синуса Iz = IПshγ (l - |z|), (2.6) где γ = α + iβ – комплексный коэффициент распространения; α – коэффициент затухания; β – коэффициент фазы. Из рис.2.7 видно, что существенная разница в распределении тока по законам кругового и гиперболического синусов получается только на сравнительно близких расстояниях от узла тока. Поэтому при расчете входных сопротивлений СВ с относительными длинами l/λ ≤ 0,35...0,4 и 0,6...0,65 ≤ l/λ ≤ 0,85...0,9, т.е. таких, у которых узел тока находится от точек питания вибратора не ближе, чем на расстоянии (0,1...0,15) l/λ, исходят из синусоидального распределения тока. При расчете входного сопротивления СВ с относительными длинами, лежащими в пределах 0,35 ≤ l/λ ≤ 0,65, следует исходить из распределения тока по закону гиперболического синуса. СВ в первом случае носит название «короткий вибратор», во втором случае – «длинный вибратор». Волновое сопротивление симметричного вибратора По аналогии с волновым сопротивлением длинной линии вводится понятие волнового сопротивления СВ. Как известно, из теории длинных линий, волновое сопротивление двухпроводной линии без потерь определяется выражением W = , (2.7) где L1 – распределенная индуктивность линии (индуктивность, приходящаяся на единицу длины линии), Гн/м; C1 – распределенная емкость линии, Ф/м. Так как c=1/ , где с – скорость света, м/с, то W =1/ , Ом. Волновое сопротивление СВ (а также других линейных антенн, т.е. антенн, длина которых значительно превосходит размеры поперечного сечения) можно рассчитать по этой формуле. Однако распределенная емкость по длине вибратора непостоянна. Поэтому в данном случае под C1 подразумевается усредненная величина, равная отношению полной статической емкости антенны СА к ее длине 2l. Одним из наиболее распространенных приближенных методов расчета полной статической емкости является метод Хоу, или метод усредненных потенциалов. Выражение для волнового сопротивления СВ из провода цилиндрической формы, определенного по методу Хоу, имеет вид WА = 120(ln(l/a) - 1), (2.8) где l – длина плеча вибратора; а – радиус провода. Следует иметь в виду, что расчет волнового сопротивления СВ методом Хоу дает приемлемую точность для вибраторов, коротких по сравнению с длиной волны. Точность этого метода снижается по мере удлинения вибратора. Сопротивление излучения симметричного вибратора Мощность электромагнитной волны, излучаемой СВ, можно определить, как и для элементарного вибратора, методом вектора Пойнтинга. В соответствии с данным методом, СВ окружается сферой, радиус которой r много больше λ, вследствие чего поверхность сферы находится в дальней зоне поля вибратора. Центр СВ совпадает с центром сферы, его ось лежит на оси оz прямоугольной системы координат. В общем виде выражение для мощности излучения имеет вид , (2.9) где RΣП – сопротивление излучения, пересчитанное к пучности тока. Величина RΣП определяется характером распределения электромагнитного поля в дальней зоне, т.е. ДН рассматриваемого СВ. Выражение для сопротивления излучения СВ имеет вид R п = 30[2( + ln2kl - Ci2kl) + cos2kl ( + lnkl + Ci4kl - 2Ci2kl) + + sin2kl (Si4kl - 2Si2kl)], (2.10) гдеτ = 0,5772...– постоянная Эйлера; Six = –интегральный синус; Cix = –интегральный косинус. Таким образом, сопротивление излучения СВ зависит только от величины отношения l/λ. Результаты расчетов по этой формуле хорошо совпадают с экспериментальными данными. Это объясняется тем, что сопротивление излучения определяется полем в дальней зоне, которое мало зависит от толщины вибратора. В литературе приводятся таблицы и графики R П как функции отношения l/λ (рис.2.8). Осциллирующий характер зависимости объясняется тем, что интерференционная картина поля в дальней зоне меняется при изменении l/λ. При значениях l/λ, не превышающих 0,1, расчет сопротивления излучения можно проводить по формуле R П= 20 (kl)4. (2.11) Рассчитав или определив по графику сопротивление излучения, можно определить КНД СВ по формуле D = (120/R П)(1 – coskl)2.(2.12) Рис.2.8 График зависимости сопротивления излучения симметричного вибратора от его относительной длины Расчеты для некоторых значений относительной длины СВ дают следующие результаты: l/λ =0,25 RΣП=73,1 Ом D=1,64; l/λ=0,5 RΣП=199 Ом D=2,4; l/λ=0,625 RΣП=110 Ом D=3,1. Для сравнения КНД элементарного электрического излучателя имеет D=1,5. КНД любой вибраторной антенны можно рассчитать по формуле , (2.13) где R пол – полное сопротивление излучения антенны. Действующая длина СВ определяется по формуле . (2.14) Входное сопротивление симметричного вибратора СВ является нагрузкой для генератора (передатчика), при этом часть подводимой от него мощности вибратором излучается. Другая часть мощности теряется в самом вибраторе (нагревание проводов), в изоляторах и в окружающих вибратор предметах. Излученной мощности соответствует активное сопротивление излучения. Мощности потерь соответствует активное сопротивление потерь. Кроме излученного, есть колеблющееся вблизи СВ и связанное с ним электромагнитное поле, которому соответствует реактивная мощность. Эта мощность то отдается генератором, переходя в ближнее поле, то возвращается к нему обратно. Реактивной мощности в большинстве случаев соответствует реактивное сопротивление СВ. Таким образом, генератор нагружен на комплексное сопротивление, которое называется входным сопротивлением СВ и равно отношению напряжения на его зажимах (точки питания) к току в точках питания , (2.15) где Rвх – активная составляющая входного сопротивления СВ; Хвх– реактивная составляющая входного сопротивления СВ. Величина и характер входного сопротивления определяют режим работы подключенного к генератору СВ. Для создания режима работы, близкого к идеальному, требуется, чтобы выходное сопротивление генератора, волновое сопротивление питающего СВ коаксиального кабеля (фидера) и входное сопротивление самого СВ были как можно близки друг к другу. При этом реактивная составляющая входного сопротивления СВ должна стремиться к нулю. При таких условиях в питающем фидере значения КСВ и КБВ будут стремиться к единице, а модуль коэффициента отражения |Г| будет стремиться к нулю, т.е. установится режим, близкий к режиму бегущей волны. Обычно в СВ потери малы, поэтому можно полагать, что Rвх R o, где R o – сопротивление излучения вибратора, отнесенное к току в точках его питания. Далее приведем вывод формул для расчета активной и реактивной составляющих входного сопротивления СВ. Случай «короткого» СВ Выразив мощность, излучаемую вибратором, через амплитуды тока в пучности (IП) и в точках питания (Iо), получим и . (2.16) Так как левые части этих выражений равны между собой, то I2ПR П =I02R 0. Тогда получим . (2.17) Подставляя вместо I0 выражение I0=IПsinkl, получим формулу для расчета активной составляющей входного сопротивления вибратора (без учета потерь в нем) . (2.18) Величину R П для вибратора заданной длины можно просто найти из таблиц или графиков. При расчете реактивной составляющей входного сопротивления пользуются формулой входного сопротивления разомкнутой на конце двухпроводной линии без потерь, заменяя в ней волновое сопротивление линии волновым сопротивлением антенны, тогда Xвх= -iWActgkl. (2.19) Таким образом, формула для расчета полного входного сопротивления короткого СВ имеет вид . (2.20) Следует указать, что точность расчетов по (2.20) повышается при уменьшении размеров поперечного сечения вибратора. Случай «длинного» СВ В этом случае входное сопротивление рассчитывается аналогично входному сопротивлению двухпроводной разомкнутой на конце линии, обладающей потерями , (2.21) где WA – волновое сопротивление вибратора; l– длина плеча вибратора; β – коэффициент фазы волны в вибраторе; α – коэффициент ослабления. По аналогии с длинными линиями, пренебрегая потерями в проводах вибратора, коэффициент ослабления можно рассчитать по формуле = R 1/WA, (2.22) где R 1 – активное сопротивление излучения, приходящееся на единицу длины вибратора. Приближенно полагая, что сопротивление излучения R п распределено равномерно по всей длине вибратора, для расчета R 1 получим формулу . (2.23) Данная формула позволяет, зная сопротивление излучения, отнесенное к пучности тока, найти распределенное сопротивление излучения. Следовательно, коэффициент ослабления рассчитывается как . (2.24) Коэффициент фазы волныв вибраторе β несколько отличается от коэффициента фазы волны в свободном пространстве k, так как фазовая скорость волны в линии с потерями, а, следовательно, и в вибраторе, несколько меньше скорости света. Поэтому β=ω/υ > k=ω/с, где υ – фазовая скорость в вибраторе. Чем меньше волновое сопротивление вибратора (чем толще вибратор), тем меньше фазовая скорость волны. Из (2.21) видно, что как активная, так и реактивная составляющие входного сопротивления СВ, в общем случае, зависят не только от его длины, но и от его диаметра. Результаты расчета входного сопротивления «длинных» вибраторов позволяют построить зависимости его активной и реактивной составляющих от их относительной длины и волнового сопротивления. На рис.2.9, а приведены графики для активной составляющей входного сопротивления СВ, на рис.2.9, б – для реактивной составляющей. а) б) Рис.2.9 Графики входного сопротивления симметричного вибратора Графики получены при условии, что коэффициент фазы β в вибраторе равен коэффициенту фазы в свободном пространстве k. Рассмотрим график для активной составляющей входного сопротивления СВ. Из кривых видно, что при увеличении l/λ активная составляющая входного сопротивления постепенно растет и достигает при l/λ=0,5 максимума, величина которого тем больше, чем больше WA, т.е. чем тоньше вибратор. При дальнейшем увеличении l/λ Rвх постепенно уменьшается и достигает минимума при l/λ=0,75. Затем Rвх снова начинает увеличиваться и достигает нового максимума при l/λ=1 (на рисунке этот максимум не показан). Максимумы Rвх повторяются при всех отношениях l/λ, кратных 0,5. Минимумы Rвх получаются при значениях относительной длины вибратора, равной нечетному числу λ/4. В случае полуволнового вибратора Rвх= 73,1 Ом. Рассмотрим график для реактивной составляющей входного сопротивления. Реактивная составляющая входного сопротивления СВ изменяется периодически, проходя через нуль при l/λ = 0,25; 0,5; 0,75; 1 и т.д. При l/λ<0,25 Хвх имеет емкостный характер, при 0,25<l/λ<0,5 – индуктивный. Можно сказать, что вблизи значений l/λ=(2n + 1)/4, где n = 0, 1, 2..., СВ ведет себя подобно последовательному колебательному контуру (резонанс напряжения), а вблизи значений l/λ=n/2 – подобно параллельному колебательному контуру (резонанс токов). В первом случае вибратор питается в пучности тока, а во втором – в узле тока. Наибольшую длину волны, при которой вибратор оказывается настроенным в резонанс с питающим его генератором (Хвх=0), называют собственной длиной волны антенны. Формулы для входного сопротивления СВ показывают, что его собственная длина волны λ0=4l. В действительности, из-за того, что фазовая скорость распространения в вибраторе несколько меньше скорости света (β > k), его резонансные длины оказываются несколько меньшими. При этом, чем толще вибратор, тем меньше фазовая скорость и тем короче его резонансная длина. В частности, при l/λ = 0,25 и радиусе проводников СВ, стремящихся к нулю, его реактивная составляющая входного сопротивления Хвх = +i42,5 Ом. Как было сказано выше, при создании наилучшего режима работы СВ на рабочей частоте стремятся получить реактивную составляющую его входного сопротивления, близкую к нулю. С учетом уменьшения фазовой скорости в СВ, его длину плеча делают несколько короче, чем λ/4 или λ/2. При этом величина укорочения тем больше, чем толще вибратор. Активная составляющая входного сопротивления СВ при питании в пучности тока (последовательный резонанс) равна Rвх = R 0 = R П. При определении входного сопротивления длинного СВ, питаемого вблизи узла тока, полагая, что l<<1 (что соответствует действительности), можно воспользоваться следующими приближенными формулами: , (2.25) . (2.26) Приближенными формулами для расчета входного сопротивления СВ можно пользоваться, если 0,35 ≤ l/λ ≤ 0,65. Следует отметить, что при увеличении волнового сопротивления СВ закон распределения тока по нему становится ближе к синусоидальному. Как видно из графиков на рис.2.9, при уменьшении волнового сопротивления СВ уменьшается зависимость его активного и реактивного входных сопротивлений от частоты. Таким образом, СВ с малыми значениями волнового сопротивления обладают лучшими диапазонными свойствами, чем СВ с большим волновым сопротивлением. Исходя из формулы (2.8), следует, что чем толще СВ, тем более диапазонным он является. По аналогии с обычным колебательным контуром можно сказать, что при уменьшении волнового сопротивления WA уменьшается добротность СВ, под которой понимается отношение связанной с ним реактивной энергии к активной (излученной и теряемой) энергии. Добротность вибратора определяется выражением QA= A(WA/Rвх), (2.27) где А – коэффициент пропорциональности. Следует иметь в виду, что при уменьшении WA путем увеличения размеров поперечного сечения СВ увеличивается распределенная по его плечам емкость C1. Реальные зависимости Rвх и Хвх от относительной длины плеча СВ различной толщины приведены на рис.2.10. Основные выводы: – СВ характеризуется входным сопротивлением, которое является комплексной величиной; – входное сопротивлением СВ состоит из активной и реактивной составляющих; – активная составляющая входного сопротивления СВ характеризует активную энергию, излучаемую вибратором в пространство; – реактивная составляющая входного сопротивления СВ характеризует реактивную энергию, колеблющуюся возле вибратора и не излучаемую в пространство; – СВ характеризуется сопротивлением излучения; при малых потерях в проводниках СВ сопротивление излучения приблизительно равно его активной составляющей входного сопротивления; Рис.2.10 Графики входного сопротивления симметричного вибратора с различной толщиной его проводников – СВ характеризуется волновым сопротивлением, которое зависит от его поперечных размеров; – значение входного сопротивления СВ (активная и реактивная составляющие) зависит от относительной длины вибратора и его поперечных размеров. |