Антенно-фидерные устройства. АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА РТ. Антеннофидерные устройства
 Скачать 7.65 Mb.
|
|
Металловоздушные линзы. Металловоздушная линза представляет собой две металлические пластины, между которыми распространяется обычно основная волна ТЕМ, излучаемая примерно точечным облучателем (рис. 130). Для получения в раскрыве синфазного поля применяется уравнивание оптических путей всех лучей. Для этого пластины свертываются по некоторой кривой (риса) или выгибаются горбом, высота которого максимальна в средней части и спадает до нуля у краев пластин (рис. 130, б. В обоих случаях деформация пластин делается такой, чтобы геометрические длины всех лучей от фазового центра излучения до раскрыва были бы одинаковыми. Для уменьшения отражений от изгибов необходимо, чтобы. Их радиусы кривизны были бы больше длины волны. Рисунок 130. Металловоздушные линзы. Щелевые антенны. Щелевой излучатель Щелевой излучатель (антенна) представляет собой узкую щель, прорезанную в металлической поверхности (рис. 131). Если на металлической поверхности существует поперечная к щели составляющая поверхностного тока, то между краями щели возникает переменное напряжение, а вдоль краев щели протекает переменный ток. Наличие на краях щели переменных зарядов создает в ней переменное электрическое поле, силовые линии которого нормальны к краям щели, те. через щель протекает ток смещения, который, естественно, выходит за пределы щели. Следовательно, щель излучает электромагнитную энергию. 159 Рисунок 131. Элементарная щель (аи дополнительный вибратор (б. Щели обычно имеют форму прямоугольника или параллелограмма. В некоторых случаях (для укорочения длины) щели имеют форму гантелей. Если рассматривать полупространства только с одной стороны экрана, тополе щели подобно полю магнитного вибратора. Следовательно, щелевой излучатель создает такое же поле излучения, как и фиктивный магнитный вибратор. В свою очередь, магнитный вибратор подобен электрическому вибратору. А. А. Пистолькорс сформулировал принцип двойственности, согласно которому щель в безграничном плоском экране по полю излучения подобна электрическому вибратору, имеющему форму ленты с размерами щели и находящемуся в свободном пространстве. Такой вибратор называется дополнительным к данной щели. Электрическое поле дополнительного вибратора имеет такую же форму, как и магнитное поле щели, а магнитное поле дополнительного вибратора подобно электрическому полю щели, те. главные плоскости щели и дополнительного вибратора меняются местами рис. Направленные свойства щели одинаковы с направленными свойствами дополнительного вибратора. Амплитуду напряженности электрического поля элементарной щели можно определить по формуле а амплитуду напряженности магнитного поля — по формуле 160 где U — напряжение между краями щели, принимаемое одинаковым по всей длине 1— длина элементарной щели, l«λ;r — расстояние до точки наблюдения λ — длина волны ρ c – волновое сопротивление среды θ — угол между осью щели и направлением на точку наблюдения. Вектор напряженности электрического поля целиком лежит в экваториальной плоскости щели (плоскости, перпендикулярной оси щели, те. плоскости Е,а вектор магнитного поля—в меридиальной, те. плоскости Н. Впрактике используются щели, длина которых сравнима с длиной волны и особенно резонансные щели, длина которых равна половине волны. Поле излучения полуволновой щели подобно полю дополнительного полуволнового вибратора. Напряжение вдоль щели распределено по синусоидальному закону и имеет максимальное значение о в середине щели. Внаправлении максимума излучения поле излучения полуволновой щели Характеристика направленности щели такая же, как и ее дополнительного вибратора. Щель обладает направленностью в меридиальной плоскости, те. плоскости Н. Характеристика направленности в этой плоскости зависит от относительной длины щели. При 1≤0.5λ максимум излучения направлен перпендикулярно коси щели. Вдоль своей оси щель не излучает. При 1=0,5λ характеристикой направленности в плоскости Нявляются две окружности. Щели нарезаются в металлических трубах, наружном проводе коаксиального фидера, в объемных резонаторах, в волноводах и других металлических плоскостях. Следовательно, в реальных условиях щель находится в безграничной проводящей плоскости, а в металлической поверхности характеристики направленности полуволновой конечных размеров. На свойство щели в плоскости оказывают влияние размеры и форма экранов, в которых она находится, и ширина щели. При увеличении ширины щели ее резонансная длина уменьшается, а активная составляющая входного сопротивления несколько увеличивается. Проводимость излучения однонаправленной щели 161 где R изл — сопротивление излучения симметричного вибратора такой же длины, как и щель, и имеющего радиус, в четыре раза меньший ширины щели. Рисунок 132. Влияние размеров экрана на форму характеристики направленности полуволновой щели в плоскости Е. Характеристика направленности полуволновой щели в плоскости Е при различных размерах экрана показана на рис. 132. Из рисунка видно, что экран конечных размеров значительно изменяет характеристику направленности. Это объясняется тем, что на металлическом экране вблизи щели возникают значительные токи, поле излучения которых усиливает поле излучения щели в одних направлениях и ослабляет а других. Аналогично влияет на характеристику направленности Продольной щели в плоскости Е и цилиндрический экран. При больших размерах диаметра цилиндра (>0,2λ) характеристика близка к рис. б, а при малых (<0.1λ) характеристикой является окружность, те. тонкий цилиндрический экран не влияет на форму характеристики. Спиральная антенна Круговая поляризация возникает в случае, когда проводник антенны уложен в виде цилиндрической спирали, а длина витка составляет 1λ. С учетом коэффициента укорочения диаметр витка получается равным 0,31λ . Еще одно условие состоит в том, чтобы витков было не менее трех чем больше витков, тем правильнее круговая поляризация. Простая проволочная обмотка с указанными параметрами излучает по двум направлениям вдоль ее 162 продольной оси. При наличии диска—отражателя излучение становится однонаправленными, следовательно, усиливается. Рисунок 133. Схема спирального направленного излучателя. Схема спиральной антенны свыше указанными параметрами приведена на рис. 133, витки обмотки показаны в упрощенном виде. Диаметр обмотки D=0.31λ, приведенный к частоте, рассчитывается по приближенной формуле Для длины окружности витка имеем Следующий важныйпараметр спиральной антенны — угол подъема спирали, по которому находят ее междувитковое расстояние (шаг) S. Допустимы углы подъема от 6° до 24°, но чаще других используют угол 14°, при котором достигаются наиболее благоприятные свойства антенны. Он рассчитывается по формуле Диаметр отражателя может быть малым, но должен превышать 0,5λ: только при этом условии входное сопротивление системы перестает от него зависеть. Обратное излучение подавляется тем сильнее, чем больше площадь отражателя. Разумная средняя величина диаметра отражателя равна удвоенному диаметру спирали (2D=0,62λ). Наряду с дисковым отражателями используют квадратные металлические поверхности. В диапазоне ДМВ почти всегда применяются компактные плоские диски, нона УКВ отражателями часто служат более легкие устройства, требующие меньших 163 затрат (рис. 134). Оптимальное расстояние между отражателем и началом спирали составляет 0,13λ (около S/2) и рассчитывается по формуле Входное сопротивление рассчитывается по приближенной формуле Вход антенны несимметричен, и потому она питается по коаксиальному кабелю. Слабая зависимость входного сопротивления спиральной антенны от частоты позволяет отнести ее к широкополосным излучателям. При шаге витков S=0,24λ величина КСВ не превышает 1,35 в пределах частотной области 1:1,6. Усиление и сфокусированность луча спиральной антенны зависят от количества витков n, длины нитка U и шага витков S. Усиление приблизительно пропорционально количеству витков спирали n. Оценка усиления приводится к изотропному излучателю круговой поляризации где G — численное выражение усиления. Усиление в логарифмических единицах В определяется по формуле Краус вывел также формулу для расчета ширины главного лепестка диаграммы направленности по половинной мощности 164 Рисунок 134. Упрощенный отражатель для спиральной антенны. Эта формула выполняется также только при углах подъема и количестве витков n больше трех. Поляризация спиральной антенны считается круговой, хотя в действительности она является эллиптической. Однако отношение большой оси эллипса к малой очень близко к единице, а при большом количестве витков оси можно считать одинаковыми. Отношение осей r A описывается следующим выражением Схема согласования входа спиральной антенны с коаксиальным кабелем посредством четвертьволнового трансформатора показана на рис. 135. Рисунок 135. Лучшим материалом для изготовления спирали служит алюминиевая проволока диаметром мм. Она легко режется и принимает нужную форму. Витки укладывают на подходящем деревянном каркасе. Металлическую мачту следует крепить только на тыльной стороне 165 отражателя, хотя при этом возникаетсильный дифферент на нос.Поэтому бывает выгоднее воспользоваться деревянной мачтой и установить на ней антенну с опорой в центре тяжести. Спиральная антенна показана на рис. 136. В ней использован проволочный отражатель, напоминающий паутину. Разработчик в первую очередь добивался острой направленности антенны. Рисунок 136. Приемные антенны спутникового телевидения. Непосредственный прием сигналов спутникового телевидения во многом отличается от приема сигналов телевидения наземного. Во — первых, высокая несущая частота (12 ГГц) и слабая напряженность поля вынуждают обращаться к антеннам, построенным на иных принципах во-вторых, сигнал частотой 12 ГГц необходимо усилить в антенне, а затем преобразовать на более низкую частоту. Установка для приема спутникового телевидения состоит из зеркала антенны с механическим или электрическим приводом системы питания с линейным или круговым поляризатором и конвертером спутникового тюнера с системой позиционирования и телевизором. Передачи со спутников принимаются на значительных территориях. Каждый из спутников транслирует множество программ, обеспечивая таким образом • своевременность информации • более широкие возможности развлечений 166 • более широкий выбор программ. Слабый линейно или по кругу поляризованный сигнал принимается высокочувствительной антенной, потом определяется тип поляризации, и сигнал деполяризуется. Затем он усиливается и преобразуется в первую промежуточную частоту (МГц, после чего вновь усиливается. Преобразователь обозначается как LNB (Low noise block converter — малошумящий блок конвертора), если в нем объединены поляризатор и конвертер, и LNC (Low noise block converter — малошумящий конвертер. По коаксиальному кабелю сигнал первой промежуточной частоты подается на спутниковый телевизионный тюнер, преобразующий его в форму, пригодную для любого стандартного телевизора. Неподвижная антенна способна работать с единственным спутником, на который она нацелена. Устройство привода служит для дистанционной ориентации антенны на спутники в разных участках небосвода. Поляризатор механического или магнитно исполнения позволяет выбирать тип поляризации. Набор расширения дает возможность принимать сигналы двух спутников, размещенных водном и том же направлении. Частоты спутниковых программ занимают интервал от 10,95 до 12,75 ГГц. Полосы смежных частотных каналов частично перекрываются. Во избежание взаимных помех их излучения поляризуются по-разному. Применяется линейная горизонтальная вертикальная поляризатора в области 1,7—12,5 ГГц — право- или левонаправленная круговая. Антенны Выражение хорошая антенна — лучший усилитель особенно справедливо для спутниковых приемных антенн. Что антенна не примет — уже не усилишь, не преобразуешь и не покажешь на экране. Антенна должна усилить слабый сигнал плотностью всего около —110 дБВт/м 2 и одновременно выделить его из помех за счет направленности. Обратите внимание недостаточное усиление антенны невозможно компенсировать высокой чувствительностью усилителей. Для приема сигналов со спутниковых устройств важны следующие свойства антенны • высокое усиление • малые амплитуды боковых лепестков • низкий уровень собственных шумов 167 • низкий уровень перекрестной поляризации. Усиление Здесь требуется усиление не менее 35 дБ, что соответствует решетке из 200 директорных антенн или 4000 вибраторов. Такое усиление реализуется только посредством зеркальной антенны с однородным покрытием апертурой оно будет расти с увеличением площади зеркала и убывать с квадратом длины волны излучения. Спутниковые приемные антенны диаметром дом изготавливают в виде вращающихся осесимметричных параболических антенн с центральным питанием. На рис. 137 демонстрируется параболическая антенна диаметром 1,8 мс усилением 45 дБ, углом раскрыва 1°, ослаблением боковых лепестков более дБ и КПД 70%. Боковые лепестки При диаметре зеркала менее муже нельзя пренебрегать тем, что облучатель сего арматурой дают тень. Она и порождает боковые лепестки. В какой-то степени помогает применение несимметричных параболических антенн с внеосевым питанием (офсетных антенн. При меньшем затенении улучшается КПД поверхности. Недостаточно жесткие допуски па форму отражателя также способствуют увеличению боковых лепестков. Несмотря наряд конструктивных недостатков и трудностей реализации, зеркала со смещенным питанием становятся все более популярными в классе антенн диаметром от 50 до см. Рисунок 137. 168 Шумы Зеркальные антенны с малыми потерями принимают шумы главным образом от небосвода ив гораздо меньшей степени — со стороны земной поверхности. На частоте 12 ГГц температура небосвода составляет К (градусов Кельвина, в горизонтальном направлении антенна воспринимает около 100 Ка боковые лепестки чувствуют температуру среды порядка 290 К. Суммирование всех составляющих температурили шумов, принимаемых в главном луче и боковых лепестках, дает оценку шумовой температуры антенны. Ее величина зависит от частоты и при рабочем угле возвышения З составляет от 30 до 80 Кв зависимости от размеров антенны. Шумовые характеристики приемного устройства существенно зависят от качества предусилителя. В настоящее время их строят на полевых транзисторах 113 арсенида галлия. Коэффициент шумов определяется системой питания. Его типичные значения лежат в пределах 1,6—2 дБ при усилении 50 дБ. Перекрестная поляризация Возможность различить тип поляризации определяется, в первую очередь, кросс-поляризацией антенны, качеством поляризатора и поляризационного фильтра, иногда применяемого в антеннах. Ослабление перекрестной поляризации у зеркала со смещением составляет более 27 дБ, а развязка по поляризации в системе питания достигает более 45 дБ. Типы антенн Различают два типа антенн зеркальные и панельные. Зеркальные антенны Чаще всего эффективная поверхность зеркальной антенны является фрагментом параболоида. Тип антенны определяется ориентацией плоскости сечения. Антенны центрального возбуждения • параболическая антенна питается в точке первичного фокуса • антенна по схеме Кассегрена питается в фокусе вторичного зеркала перед первичным фокусом 169 • антенна по схеме Грегори питается в фокусе вторичного зеркала позади первичного фокуса. Антенны со смещенным возбуждением • офсетные антенны выполняются в форме сечения параболоида под углом к его осин. не будучи осесимметричными, имеют ширину меньше высоты • антенна со смещенным питанием в первичном фокусе • антенна по схеме Кассегрена со смещением питается в фокусе вторичного вогнутого зеркала перед первичным фокусом • антенна по схеме Грегори со смещением питается в фокусе вторичного вогнутого зеркала позади первичного фокуса. Панельные антенны Наряду с параболическими применяются антенны еще одного типа, называемые планарными (панельными) и состоящие из множества маленьких отдельных антенн, которые включены в общую схему с помощью сети блоков-объединителей в сочетании с малошумящим конвертером. Для приема сигналов со спутников DBS большой мощности достаточно располагать небольшой антенной. Панельные антенны левокруговой поляризации обеспечивают прием сигналов со спутников TV-Sat 2, Olympus и Tele-X О1ушрп и ТеIе-Х на большей части Центральной Европы. При габаритах х см такая антенна прекрасно вписывается в пространство жилого автофургона. Она характеризуется усилением 30 дБ, коэффициентом шумов конвертера от 1,4 до 1,7 дБ и усилением за счет усилителя 50 дБ. Антенные решетки В любительской практике даже в крупных антенных группах предпочитают применять простейшие вибраторные ряды. Иначе говоря, почти всегда несколько этажей решетки строят, размещая однотипные волноводные вибраторы друг над другом. Независимо от числа этажей горизонтальный угол раскрыва подобной антенной решетки определяется только свойствами вибраторного ряда. Волноводные вибраторы питаются в максимуме напряжения (рис. 138), поэтому их входное сопротивление весьма велико и определяется степенью утолщения. 170 Рисунок 138. Четырехэлементная антенная решетка. Высокое входное сопротивление волнового вибратора благоприятно сказывается на возможностях согласования в составе антенной решетки, так как при параллельном включении нескольких волновых вибраторов входное сопротивление часто имеет величину, допускающую прямое подключение фидера. Недостаток же состоит в том, что необходимо тщательно изолировать клеммы питания, находящиеся в максимуме напряжения. Поэтому, вопреки советам некоторых авторов, не рекомендуется выполнять механическое крепление вибратора вблизи клемм питания размещение там даже высококачественных изоляторов может привести к заметным потерям в сырую погоду. Минимум напряжения волнового вибратора удален от его концов приблизительно на четверть длины волны, поэтому иногда эти точки используются для крепления элементов антенны в цельнометаллическом исполнении. Однако этот минимум не так глубок, как у полуволнового, и определенное напряжение возникает даже в тех точках, где теоретически должны находится узлы напряжения. Поэтому металлическими креплениями элементов лучше не пользоваться, а в местах минимального напряжения применять деревянные детали с пропиткой. Питание антенных решеток На рис. 139 показана антенная решетка, которая состоит из четырех этажей (четырех параллельных вибраторов) с парой коллинеарных синхронно возбуждаемых полуволновых элементов (волновых вибраторов) на каждом из них. Диаметр элемента мм, рабочая длина волны равна м, так что отношение длины волны к диаметру составляет мм / мм. 171 Рисунок 139. При параллельном включении четырех волновых вибраторов с входным сопротивлением каждого по 1100 Ом входное сопротивление на клеммах Х составляет 1100/4=275 Ом. Таким образом, к зажимам Х (равно как и к Х, Х, Х) может быть подключена двухпроводная линия произвольной длины с волновым сопротивлением Ом при незначительном КСВ. Для питания такой решетки по коаксиальному кабелю требуется, как обычно, полуволновый шлейф. Сего помощью выполняется требуемое преобразование сопротивления в пропорции 4:1, а также симметрирование. Если бы величина сопротивления на входе питания не допускала прямого соединения с фидером, пришлось бы подключить соответствующее согласующее устройство. Недостаток такой схемы питания решетки заключается в неодновременности возбуждения ее этажей. Этаж на максимальном удалении от клемм питания получает энергию возбуждения позднее остальных, а это приводит к изменению угла возвышения главного луча решетки, иона косит к тому же сужается частотная полоса диапазона. Электрически рациональное питание той же решетки показано на рис. 140. Неперекрещивающаяся линия, которая связывает второй и третий этажи, имеет длину λ/2. Поскольку фидер подключен к геометрической середине этой линии, ее можно рассматривать как параллельное включение двух четвертьволновых трансформаторов. В точках Аи В импеданс составляет по Ом как следствие параллельного включения двух элементов. Если на клеммах ХХ входное сопротивление должно составлять Ом, каждый четвертьволновый трансформатор осуществляет преобразование с 550 до 172 Ом. Для волнового сопротивления линии связи А—В по формуле находим Рисунок 140. Однако механическое изготовление трубчатой линии связи с волновым сопротивлением Ом представляет определенные трудности, так как необходимо значительное расстояние между параллельными трубками. А промежутки Аи В между клеммами питания вибраторов оказываются недопустимо большими. В этом случае волновое сопротивление линии А—В можно было бы определить по исключительно геометрическим данными согласовать входное сопротивление ХХ с волновым сопротивлением фидера с помощью шлейфа. На практике условия согласования более благоприятны, так как почти всегда используется настроенный рефлектор, с помощью которого, подбирал положение рефлектора, можно установить входное сопротивление каждого этажа на определенное значение. На рис. 141 представлено особенно рациональное решение проблемы возбуждения без применения четвертьволновых трансформаторов. Вместо них на отрезках ХХ—А и ХХ—В используются полуволновые линии. Волновое сопротивление этих линий некритично в широких пределах, так как они являются настроенными линиями электрической длины λ/2. Здесь применяются линия из параллельных проводов с воздушной изоляцией или плоский УКВ кабель, причем при расчете длины необходимо учитывать соответствующий коэффициент укорочения. |