рк1. 2. слабонаправленное излучение симметричных вибраторов краткая теория симметричного вибратора

• Название: 2. слабонаправленное излучение симметричных вибраторов краткая теория симметричного вибратора
• Дата: 05.05.2022
• Размер: 1.59 Mb.
• Имя файла: antenn.docx
• Тип: Документы; #512736
• страница: 2 из 4

2.4. Излучение двух связанных симметричных вибраторов
Одиночный СВ обладает слабыми направленными свойствами (D_макс ≈ 3,1), при этом они проявляются только в одной главной плоскости (в плоскости вектора Е), в другой плоскости (плоскость вектора Н) вибратор излучает поле равномерно во всех направлениях.

Для формирования однонаправленного излучения используются системы, состоящие из двух и более СВ. Вибраторы в них располагают на расстояниях менее одной рабочей длины волны, в результате чего возникает их взаимное влияние друг на друга собственными электромагнитными полями. Поэтому такие системы получили название «связанные вибраторы».

Поле одного вибратора наводит в соседнем некоторую ЭДС, что эквивалентно изменению его сопротивления излучения или входного сопротивления.

Поле, создаваемое системой вибраторов, является результатом сложения полей, создаваемых отдельными вибраторами, с учетом фаз этих полей, определяемых как разностью хода лучей, так и разностью фаз токов в излучателях. В результате при определенных условиях формируются однонаправленные ДН.

Далее рассмотрим направленные и электрические свойства двух связанных СВ.

Вибраторы параллельны друг другу, расположены на расстоянии d друг от друга на одной оси, возбуждаются комплексными токами с амплитудами I₁ и I₂ и фазами ψ₁ и ψ₁. Система изображена на рис.2.11 (а – общий вид системы, б – в плоскости вектора Е, в – в плоскости вектора Н).

Необходимо найти зависимость электрического поля, создаваемого системой связанных вибраторов в точке А и находящейся от них на расстоянии r=const, от углов θ в меридиональной плоскости и φ в азимутальной плоскости.

Выведем формулу для расчета ХН двух связанных вибраторов.

Обозначим

, (2.28)

где q – отношение модулей токов ;

ψ – сдвиг фазы тока I₂ по отношению к току I₁.



а) б)



в)
Рис.2.11 Система двух связанных вибраторов

В точку наблюдения А приходят две волны: 1 – создаваемая первым вибратором, 2 – создаваемая вторым вибратором. Ввиду того, что точка А находится на большом расстоянии от вибраторов, а расстояние между ними очень мало (т.е. d << r), можно считать, что пути волн 1 и 2 параллельны друг другу.

Однако первый вибратор находится к точке А ближе, чем второй вибратор, поэтому возникает разность хода лучей между первой и второй волнами, равная Δr = dcosθ в меридиональной плоскости и Δr = dcosφ в азимутальной плоскости.
Рассмотрим случай меридиональной плоскости.

С учетом (2.28), а также наличия разности хода лучей, и того, что
= qexp(-ikdcosθ)exp(iψ), (2.29)
где kdcosθ – сдвиг фаз полей из-за разности хода лучей (пространственный сдвиг фаз),

Е₁ – напряженность поля, создаваемого в точке наблюдения первым вибратором,

Е₂ – напряженность поля, создаваемого в точке наблюдения вторым вибратором,

получим выражение для суммарного поля, создаваемого обоими вибраторами в точке наблюдения, находящейся от вибраторов на расстоянии r

, (2.30)

где




. (2.31)


Поскольку чаще всего интересуются величиной напряженности суммарного поля, а не ее фазой, то, переходя к модулю выражения (2.31), получают выражение для ХН системы двух связанных вибраторов
. (2.32)

В выражении (2.32) первый множитель – ХН одного вибратора, второй множитель – множитель системы. Таким образом:
, (2.33)
. (2.34)
В случае азимутальной (экваториальной) плоскости (напомним, что в этой плоскости СВ не обладает направленными свойствами) выражение для ХН системы двух связанных вибраторов принимает вид
. (2.35)
Анализируя выражения (2.32) и (2.35), видно, что ХН системы двух связанных вибраторов определяется направленными свойствами одного СВ и суммарного действия обоих вибраторов. Основной вклад в ХН системы связанных вибраторов вносит множитель системы.

Множитель системы зависит от:

– расстояния между вибраторами d;

– отношения амплитуд токов в вибраторах q, т.е. от величины амплитуд токов, их возбуждающих;

– фазового сдвига ψ, т.е. от разности фаз между токами, возбуждающих вибраторы.
Решение задачи формирования однонаправленного излучения системы связанных вибраторов сводится к тому, чтобы на заданной частоте выбрать такие значения d,q,ψ, при которых была бы получена ХН с максимумом в главном направлении и минимумом в заднем.

Следует отметить, что можно выбирать и устанавливать различные значения d,q,ψ, получая разнообразные ХН. Однако существует только одна единственная комбинация, при которой получаемая ХН удовлетворяет поставленной задачи.

При относительном расстоянии d/λ=0,25, отношении амплитуд токов в вибраторах q=1,фазовом сдвиге между токами ψ=90⁰ формируется ДН вида «кардиоида» (рис.2.12).

Важное замечание: система связанных вибраторов, в отличие от одиночного СВ, обладает направленными свойствами в обеих плоскостях, при этом ДН в меридиональной плоскости несколько уже, чем в азимутальной.

Из ДН следует, что максимум поля излучается системой связанных вибраторов в главном направлении (θ = 0⁰), в заднем направлении (θ=180⁰) излучение отсутствует. При этом величина напряженности поля в главном направлении удваивается по сравнению с полем одиночного вибратора, возбуждаемого током, одинаковым с текущим по одному из связанных вибраторов.


Рис.2.12 Диаграмма направленности в виде кардиоиды

Сложение полей происходит в сторону вибратора, фаза тока которого отстает от фазы тока в соседнем вибраторе. Такой вибратор называется директором.

Таким образом, директор – вибратор, ослабляющий излучение в направлении на другой вибратор и усиливающий излучение в противоположном направлении (рис.2.13, а).

Вычитание полей происходит в сторону вибратора, фаза тока которого опережает фазу тока в соседнем вибраторе. Такой вибратор называется рефлектором.

Таким образом, рефлектор – вибратор, усиливающий излучение в направлении на другой вибратор и ослабляющий излучение в обратном направлении (рис.2.13, б).

В идеальном случае директор должен работать в режиме: q=1, ψ=-90⁰, d/λ=0,25.

В идеальном случае рефлектор должен работать в режиме: q=1, ψ=+90⁰, d/λ=0,25.

Важное замечание: в обоих случаях напряженность поля увеличивается в направлении отставания фазы возбуждающего тока. Получить однонаправленное излучение можно и при расстояниях между вибраторами, отличных от d/λ=0,25.

Условием отсутствия излучения в направлении θ = 180⁰ является ψ + kd = 180°. Для его выполнения необходимо, чтобы при d/λ < 0,25 угол сдвига фаз ψ должен быть больше 90°. Хотя ДН при этом оказывается однонаправленной и максимум излучения лежит в направлении θ = 0°, напряженность поля в этом направлении не удваивается.


Рис.2.13 Свойства рефлектора и директора

Чем ближе друг к другу расположены вибраторы, тем меньшая напряженность поля получается в направлении максимального излучения (считая, что при изменении d величина тока в вибраторах постоянна).

В рассмотренном выше случае оба вибратора являются активными, т.е. к ним обоим подводится питание. Однако возбуждение каждого из двух связанных вибраторов токами, сдвинутыми по фазе, усложняет систему питания.

Поэтому в большинстве случаев вибраторы, выполняющие роль рефлекторов или директоров, не содержат источников питания (генераторов), т.е. являются пассивными. Они возбуждаются электромагнитным полем активного (питаемого) вибратора.

В случае пассивных вибраторов не удается осуществить режим, обеспечивающий полное рефлекторное или директорное действие, так как не удается получить совместно q = 1 и ψ = 90°. Поэтому невозможно получить удвоение поля в главном направлении и нулевое излучение – в обратном.

2.5. Электрические характеристики двух связанных симметричных вибраторов
Так как вибраторы расположены близко друг от друга, то они действуют друг на друга собственными электромагнитными полями, что приводит к изменению входного сопротивления (сопротивления излучения) каждого вибратора.

Полное входное сопротивление каждого из двух связанных вибраторов (Z₁ и Z₂) состоит из двух частей: собственного сопротивления (Z₁₁ и Z₂₂),т.е. сопротивления, которым обладает данный вибратор в свободном пространстве, и сопротивления, наведенного электромагнитным полем второго вибратора (Z₁₂^нав и Z₂₁^нав):
Z₁= Z₁₁ + Z₁₂^нав,

Z₂= Z₂₂ + Z₂₁^нав. (2.36)
Таким образом, необходимо рассчитать значения наведенных сопротивлений, чтобы получить значения полных сопротивлений обоих вибраторов.

Эквивалентная электрическая схема двух связанных вибраторов приведена на рис.2.14 (оба вибратора активные).

Рис.2.14 Эквивалентная электрическая схема двух связанных вибраторов

Активная часть сопротивлений характеризует излученную мощность, реактивная часть – электромагнитное поле, колеблющееся вблизи вибратора.

Для того чтобы определить сопротивление, наведенное на первый вибратор вторым, нужно знать закон распределения тока в первом вибраторе, его комплексную амплитуду в пучности и тангенциальную составляющую напряженности электрического поля, создаваемого вторым вибратором у поверхности первого.

Наведенное сопротивление состоит из активной и реактивной составляющих. Активная составляющая R₁₂^нав характеризует активную мощность, излучаемую первым вибратором под действием поля второго. Реактивная составляющая X₁₂^нав характеризует мощность электромагнитного поля, связанного с вибратором, возникающего также под действием поля второго вибратора.

Наведенное сопротивление рассчитать значительно проще в частном случае, когда связанные вибраторы имеют одинаковую длину, оси их параллельны и токи в них имеют одинаковую величину и фазу.

Очевидно, что в этом случае сопротивление, наведенное первым вибратором на второй, равно сопротивлению, наведенному вторым вибратором на первый. В этом случае наведенное сопротивление называется взаимным и обозначается как Z₁₂ (оно также состоит из активной и реактивной составляющих – R₁₂ и X₁₂).

При известном взаимном сопротивлении двух вибраторов весьма просто рассчитать наведенное сопротивление, если задано соотношение токов в вибраторах. Взаимное сопротивление является функцией величин l/λ, d/λ и h/λ, т.е. определяется исключительно геометрическими размерами системы.

Активную и реактивную составляющие взаимного сопротивления можно найти с помощью графиков, на них отображаются зависимости R₁₂ и X₁₂ от l/λ, d/λ и h/λ (на рис.2.15,а показан пример такого графика для случая h=0, гдеh– расстояние между осями вибраторов (рис.2.15,б)).




б)


а)
Рис.2.15 Графики для нахождения взаимных сопротивлений связанных вибраторов

Обе составляющие взаимного сопротивления в зависимости от относительного расстояния между вибраторами d/λ принимают как положительные, так и отрицательные значе­ния и при некоторых значениях d/λ проходят через нуль. R₁₂ отрицательно в тех случаях, когда под действием поля второго вибратора мощность поля, излучаемого первым вибратором, уменьшается (при неизменном токе в первом вибраторе).

Такой ход кривых взаимных сопротивлений объясняется изменением фазы наведенной ЭДС при изменении расстояния между вибраторами.

Если фаза наведенной ЭДС равна или противоположна фазе текущего по вибратору тока, то взаимное сопротивление является чисто активным.

Если фаза наведенной ЭДС отличается от фазы текущего по вибратору тока на π/2, то взаимное сопротивление является чисто реактивным.

Метод наведенных ЭДС может быть применен также для определения собственного сопротивления излучения вибратора.

Чаще всего возбуждение связанных вибраторов производится по схеме «один – активный вибратор» «второй – пассивный вибратор». Это значительно упрощает систему питания вибраторов.

Пассивные вибраторы широко применяются для создания однонаправленного излучения в качестве рефлекторов и директоров. Напомним: чтобы вибратор играл роль рефлектора или директора, ток в нем должен иметь определенные величину и фазу по отношению к току в активном вибраторе (в идеальном случае при расстоянии между вибраторами d/λ = 0,25 должны выполняться условия q = 1 и Ψ = ±90⁰).

Величины q и ψ для пассивного вибратора зависят от расстояния между пассивным и активным вибраторами и от величин активного и реактивного сопротивлений пассивного вибратора. Эти величины можно регулировать, изменяя реактивное сопротивление пассивного вибратора.

На рис.2.16 приведена эквивалентная электрическая схема двух связанных вибраторов, один из которых активный, другой – пассивный.

Рис.2.16 Эквивалентная электрическая схема двух связанных вибраторов

Как видно из схемы, ко входу пассивного вибратора подключено сопротивление настройки Х_н. Величины q и ψ для пассивного вибратора зависят от расстояния между ним и активным вибратором и от величин его активного и реактивного сопротивлений. Изменять и, тем самым, регулировать значенияq и ψ, можно, изменяя величину Х_н. При этом величины q и Ψвзаимозависимы, т.е. при изменении Х_н меняются одновременно обе эти величины. Поэтому добиться одновременно нужных значений q и Ψ для пассивного вибратора невозможно.

Выражения для расчета q и Ψ имеют вид:
, (2.37)
. (2.38)
Пассивный вибратор обычно настраивают так, чтобы получить максимальный коэффициент защитного действия. Получаемые при этом величины q и Ψ отличаются от соответствующих величин в идеальном случае (q = 1, Ψ = 90⁰), и поэтому максимальное защитное действие обычно получается не больше 10...20.

Ток в пассивном рефлекторе должен опережать по фазе ток в активном вибраторе. Пассивный вибратор будет играть роль рефлектора в том случае, когда его полное реактивное сопротивление (собственное плюс сопротивление настройки) имеет индуктивный характер. Этот вывод справедлив, если 0,1λ d 0,25λ.

Для получения оптимального рефлекторного действия расстояние между рефлектором и активным вибратором следует брать примерно (0,15...0,25)λ, а реактивное положительное сопротивление рефлектора должно быть равным приблизительно 10...50 Ом.

Ток в пассивном директоре должен отставать по фазе от тока в активном вибраторе. Для работы пассивного вибратора в режиме директора при 0,1λ d 0,25λ его полное реактивное сопротивление должно быть отрицательным, т.е. должно иметь емкостный характер.

При работе в низкочастотных диапазонах (декаметровые волны) пассивные вибраторы обычно настраивают, включая в середине вибратора настроечное реактивное сопротивление в виде отрезка короткозамкнутой двухпроводной линии, длину которой можно регулировать передвижным короткозамыкателем.

В высокочастотных диапазонах (метровые и дециметровые волны) настроечное сопротивление обычно не применяется. Пассивный вибратор настраивается изменением его длины. Чтобы пассивный вибратор работал в качестве рефлектора, его полная длина должна быть несколько больше λ/2 и его входное сопротивление должно иметь индуктивный характер.

Чтобы пассивный вибратор работал в режиме директора, его полная длина должна быть несколько меньше λ/2 и его входное сопротивление должно иметь емкостной характер. Величина необходимого удлинения или укорочения определяется расстоянием между вибраторами и их толщиной.
Основные выводы:

– система двух связанных вибраторов позволяет формировать однонаправленное излучение, причем в обеих главных плоскостях;

– направленные свойства двух связанных вибраторов зависят от расстояния между вибраторами и параметрами их возбуждения;

– вибраторы действуют друг на друга собственными электромагнитными полями, поэтому кроме их собственного сопротивления у них появляются наведенные сопротивления;

– вибратор, в направление которого происходит увеличение излучаемого поля, называется директором;

– вибратор, который ограничивает излучение в свою сторону, называется рефлектором;

– ток в директоре должен отставать по фазе от тока в соседнем вибраторе;

– ток в рефлекторе должен опережать по фазе ток в соседнем вибраторе;

– активным называется вибратор, к которому подводится питание от отдельного источника;

– пассивным называется вибратор, который не имеет собственного источника питания и возбуждается за счет поля соседнего вибратора.