антенналар. Антенны каз. Жартылай толынды вибратор
 Скачать 0.73 Mb.
|
|
1.3. Антенналар Электромагниттік толқындардың сәулелену бағыты радиотехникада, атап айтқанда радиолокацияда, радионавигацияда, байланыста үлкен маңызға ие. Жалпы жағдайда айнымалы ток өтетін металл өткізгіштің кез-келген сегменті қоршаған кеңістікте электромагниттік өріс жасайды. Сол сияқты, электромагниттік өрістегі өткізгіштің кез-келген сегментінде айнымалы электр қозғаушы күш (ЭҚК) индукцияланады. Өткізгіште пайда болатын электромагниттік өрістің энергия деңгейі оның конфигурациясына, өткізгіштің өлшемдік қатынасына және электромагниттік тербелістердің толқын ұзындығына байланысты. Сондықтан ақпаратты тасымалдайтын электромагниттік тербелістерді шығару және қабылдау үшін антенналар деп аталатын арнайы радиотехникалық құрылғылар қолданылады. Егер антенна құрылғысы шығарылған немесе қабылданған толқынның ұзындығынан едәуір үлкен болса, сәулелену бағытын қамтамасыз етуге болады. Теория мен эксперименттік зерттеулер ең қарапайым сәулелену (тең және қабылдау) антеннасын көрсетеді (сурет 1.9, а) шығарылатын толқын ұзындығының жартысына тең электр өткізгіштің сегментінен (тербелмелі тізбектің аналогы) жасауға болады, оның ортасына жоғары жиілікті тербеліс генераторы қосылады. Сәулеленудің толқын ұзындығының жартысына тең өткізгіш сегментінен алынған антеннаны жартылай толқынды вибратор деп атайды. Жартылай толқынды вибратордың әр түрлі бағыттағы электромагниттік тербелістерінің сәулелену қарқындылығы бірдей емес, бұл антенналар үшін өте маңызды. Сәулелену сипаты мен кез-келген антеннаның тиімділігі туралы көрнекі түсінік қуат ағынының тығыздығының кеңістіктегі бағытқа тәуелділігін көрсететін бағытталу диаграммасы (БД) арқылы беріледі. Бағытталу диаграммасының қарапайым түрі қарапайым дипольмен қалыптасады, онда сәулеленудің ең үлкен қарқындылығы өткізгішке перпендикуляр бағытта жүреді; өткізгіштің бойында сәулелену іс жүзінде болмайды. Сәулеленетін өткізгіштің ұзындығының ұлғаюы электромагниттік өрістің айтарлықтай өзгеруіне әкеледі, өйткені әрбір элементар сәулеленгіш (диполь) өзінің сәулелену өрісін жасайды.  Сурет – 1.9. Жартылай толқынды вибратор: а - құрылғы; 6 - бағыт диаграммасы Кеңістіктің кез келген нүктесіндегі сәулеленудің толық электромагниттік өрісі элементар өрістердің суперпозициясымен анықталады. Суретте 1.9, б қатты сызық меридиональды (азимутальды) жазықтықта салынған тігінен орналасқан жартылай толқынды вибратордың бағытталған диаграммасын көрсетеді. Мұндағы үзік сызық элементар дипольдің бағытталу диаграммасын көрсетеді. Тігінен орналасқан жартылай толқынды вибратор үшін көлденең жазықтықтағы бағыт диаграммасы шеңбер түрінде (дөңгелек түбі), ал тік ұзартылған сегіздікте айқын көрінеді. Көлденең жазықтықтағы фокустық диаграмманың ұқсас формасы жер бетіндегі жартылай толқынды вибратордың көп бағытты сәулеленуін көрсетеді. Тар сектордағы сәулеленетін энергияның концентрациясы толқындардың таралу ауқымын күрт арттыруға мүмкіндік береді. Мұны көп вибраторлы антенналардың көмегімен жасауға болады (сурет 1.10).  Сурет 1.10. Антенна толқындық арна Егер сәуле шығаратын 1 вибратор параллель болса, сәл төмен λ/4 басқа жартылай толқынды 2 вибраторды орналастырыңыз (рефлектор), онда сәулелену өрісінің әсерінен айнымалы ток индукцияланады, ол өзінің электромагниттік өрісін (рефлектор шағылдырғыш ретінде әрекет етеді) қоздырады. Бұл электромагниттік өріс сәулеленетін вибратордың электромагниттік өрісімен қосылып, соңғысының бағытын тарылтады. Егер антеннаның радиациялық вибраторының алдында бірнеше көмекші 3 вибраторлар (директорлар) қосымша орналастырылса, онда олардың ұзындығы мен арақашықтығын таңдап, сәулелену бағытындағы бағыт диаграммасын одан әрі тарылтып, оны қарама-қарсы жағынан әлсіретуге болады. Бұл конструкция толқындық антенна, директор антеннасы, Уда-Яга антеннасы деп аталады (оны алғаш рет 1921 жылы жапондық өнертапқыштар С. Уда, Х. Яги) және қабылдағыш теледидар антеннасы ретінде кеңінен қолданылады. Берілген бағытта шығарылатын (қабылданатын) орташа қуаттың барлық бағыттар бойынша шығарылатын (қабылданатын) орташа қуаттан неше есе көп екенін көрсететін бағытталған әрекет коэффициенті (БӘК) сияқты антеннаның маңызды параметрін атап өтеміз. Параметр БӘК және ПӘК көбейтіндісіне тең, антеннаның пайда болуын сипаттайды. Километрлік толқындар диапазонында тіпті бір вибраторлы қабылдағыш-таратқыш антенналардың жалпы өлшемдері соншалықты үлкен, сондықтан оларды техникалық іске асыруда айтарлықтай қиындықтар туындайды. Атап айтқанда, сәулелендіргішті 3...5 км толқын ұзындығымен салыстыруға болатын биіктікке көтеру іс жүзінде мүмкін емес. Бұл мәселенің өте қарапайым шешімі бар екені белгілі болды. Бұл радиотолқын диапазондары үшін жер жеткілікті жақсы өткізгіш болғандықтан, антенналар ретінде жартылай толқынды емес, ширек толқынды жерге тұйықталған вибраторды пайдалануға болады.  Сурет 1.11. Ең қарапайым антенналар: а – ширек толқынды вибратор; б – параболалық Мұндай антеннаны ширек толқындық вибратор деп атайды: ол тік сәулелену құрылымды, оның негізі мен жер арасында жоғары жиілікті тербеліс көзі бар (сурет 1.11, а). Бұл жағдайда жерден шағылысқан толқындар жартылай толқынды вибратордың жерге тұйықталмаған ширек толқындық элементі қоздыратын электромагниттік өрісті тудырады. Нәтижесінде жер бетіндегі электромагниттік өріс бір жартылай толқынды вибратор шығарғанмен бірдей болады. Алайда мұндай сәулеленудің қуаты екі есе аз. Толқын ұзындығы бір метрден аз диапазонда электромагниттік тербелістердің жоғары бағытталған сәулеленуін жасау үшін параболалық рефлекторы бар шағылыстыратын антенналар (1888 жылы Г. Герц ойлап тапқан) қолданылады. Шағылыстырғыш антенна эмитенті параболалық айнаның дәл фокусында орналасуы керек. Бұл жағдайда мұндай антенна электромагниттік сәулелену энергиясын оптикалық прожектордың немесе қарапайым электр шамының шағылыстыратын айнасы сияқты кеңістіктің біршама тар секторында шоғырландырады (фокустайды) (сурет. 1.11, б). Соңғы жылдары, әсіресе, арнайы радиотехникалық ақпарат беру жүйелерінде (ең алдымен әскери мақсаттағы) және жылжымалы және спутниктік байланыс жүйелерінде фазалық антенналық торлар (ФАТ; бірінші ФАТ 1937 жылы Г.Т.Фельдман – G.T.Feldman және Г.Б.Фрис – G.B.Fris құрды, АҚШ) кеңінен қолданылады. Мұндай антенналар бір жазықтықта (шаршы немесе тіктөртбұрыш аймағында) белгілі бір жолмен орналасқан, жеке фазалық ығысу құрылғылары (фазалық ауыстырғыштар) жоғары жиілікті тербелістер көзі (сурет 1.12) немесе когерентті (фазалық) энергия көздері жүйесі арқылы параллель түрде берілетін электромагниттік толқындардың жеке элементар сәулелендіргіштерінің жиынтығы (торы) болып табылады. Әрбір жеке сәулелендіргіш жасаған электромагниттік өрістер антеннаға жақын кеңістікте жинақталып, толқынның біртұтас электромагниттік фронтын құрайды. Бұл өріс әдетте тар бағытталған энергия сәулесін, яғни қажетті бағыт диаграммасын білдіреді (сурет 1.12 қараңыз).  Сурет 1.12. Фазалық антенналық тордың құрылымдық схемасы ФАТ маңызды қасиетіне электронды түрде, бірден дерлік, әр сәулелендіргішке жеткізілетін жоғары жиілікті тербелістердің элементар сәулелендіргіш фазаларының белгілі бір мәндерін Ф фазалық ауыстырғыштардың (фазалық ығысу 0°-тан nΔφ° дейін; n – сәулелендіргіш саны; Δφ° – бір фазалық ауыстырғыштың дискретті фазалық ығысуы) көмегімен бір уақытта өзгерту арқылы кеңістіктегі бағыт диаграммасының орнын өзгерту (сканерлеу ағылшын тілінен scan – көру өрісі) мүмкіндігі жатады. Көптеген сәулелендіргіштер болуы мүмкін (олардың саны 10 000-ға жетуі мүмкін) және олар компьютермен басқарылады. Жоғары бағытталған сәулелену диаграммаларын жасау үшін ФАТ қолдану кеңістікті көрудің жоғары жылдамдығын жүзеге асыруға мүмкіндік береді және зымырандар, ұшақтар, кемелер және т. б. сияқты әртүрлі объектілердің кеңістігінде алынған орын туралы ақпараттың көбеюіне ықпал етеді. Қазіргі уақытта ФАТ жылжымалы және спутниктік радиобайланыста интеллектуалды немесе ақылды антенналар (smart-antennas) түрінде жиі қолданылады, бұл сәуленің орналасуын да, әр түрлі секторлардағы сәулелену қуатын да өзгертуге мүмкіндік береді. Смарт-антенна ұялы телефон үшін ең күшті сигналды автоматты түрде табады. Негізінде барлық антенналар қайтымдылық (өзара) қасиетіне ие. Бұл қасиет тарату және қабылдау антенналарын (әсіресе әртүрлі ақпаратты беру жүйелерінде, атап айтқанда ұялы байланыс жүйелерінде кең таралған) радиотолқындарды беру және қабылдау үшін пайдалануға болатындығына байланысты. Бұл ретте антенналардың барлық сипаттамалары мен параметрлері өзгеріссіз қалады. |