В часть 1 настоящего пособия включены лекции, читаемые в рамках тем 24 программы дисциплины Устройства свч и антенны
 Скачать 1.21 Mb.
|
|
амплитудно-фазовом распределении в прямоугольном раскрыве множители системы в главных плоскостях совпадают с множителями линейных систем, имеющих такие же АФР, как ив раскрыве вдоль осей хи у Эта важная особенность разделяющихся АФР дает возможность при решении задачи отыскания ДНА заменить плоский раскрыв двумя линейными системами, одна из которых расположена на оси ха другая – на оси у. При этом результаты, полученные ранее для линейных систем, следует распространить на рассматриваемый случай. Выводы о влиянии волновых размеров, амплитудного и фазового распределения полностью применимы и здесь. Например, при постоянном АФР в раскрыве - и - характер направленности в главных плоскостях соответствует случаю линейной синфазной системы с равномерным амплитудным распределением. Нормированные ДН при этом имеют вид 1 ) ( ) ( 1 1 = Φ x j e x A 1 ) ( ) ( 2 2 = Φ x j e x A в плоскости XOZ: θ λ π θ λ π θ sin ) / ( ] sin ) / sin[( ) ( 1 1 L L F cucm = ; (2.94) в плоскости YOZ: θ λ π θ λ π θ sin ) / ( ] sin ) / sin[( ) ( 2 2 L L F cucm = . (2.95) Ширина ДН и уровень боковых лепестков определяются также по формулам для соответствующих линейных систем. Круглый раскрыв Рис. 2.28 Поместим начало координат в центр раскрыва радиусом рис. 2.28) и зададимся амплитудно- фазовым распределением в полярных координатах точки раскрыва и ). , ( ) , ( ); , ( ) , ( α ρ α ρ Φ = Φ = y x A y x A (2.96) Кроме того, используем соотношения После подстановки этих выражений в (2.72) получим ∫ ∫ ⋅ = − ⋅ + Φ 0 0 2 0 )] cos( sin ) , ( [ ) , ( ) , ( ρ π α ϕ θ ρ α ρ α ρ ρ α ρ ϕ θ d d e A f k j cucm & . (2.97) Формула (2.97) применима для любого АФР. Рассмотрим ее для некоторых частных случаев. На практике нередко используется случай синфазного круглого рас 62 крыва с симметричным относительно центра амплитудным распределением. При этом 0 ) , ( ); ( ) , ( = Φ = α ρ ρ α ρ A A , и выражение (2.97) упрощается ρ α ρ ρ ϕ θ π α ϕ θ ρ ρ d d e A f jk cucm ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ∫ ∫ − ⋅ 2 0 ) cos( sin 0 0 ) ( ) , ( & . (2.98) Используя интегральное представление для функции Бесселя нулевого порядка ∫ − ⋅ = π α ϕ η α π η 2 0 ) cos( 0 2 1 ) ( d e J j (2.99) и учитывая, что θ ρ η sin k = , из (2.98) получим ρ θ ρ ρ ρ π ϕ θ ρ d k J A f cucm ) sin ( ) ( 2 ) , ( 0 0 0 ∫ = & . (2.100) Функция Бесселя табулирована. Из выражения (2.100) видно, что множитель системы не зависит от ϕ , те. обладает осевой симметрией относительно оси z. Кроме того, он оказался вещественной функцией его фаза во всех направлениях равна нулю. Это значит, что раскрыв излучает сферическую волну и фазовый центр совпадает с центром раскрыва. С учетом вышеизложенного формулу (2.100) можно представить в виде) Если принять амплитудное распределение в раскрыве равномерным, те. 1 ) ( = ρ A , то выражение (2.101) еще более упрощается ρ θ ρ ρ π θ ρ d k J f cucm ) sin ( 2 ) ( 0 0 0 ∫ = . (2.102) Интеграл в правой части вычисляется на основании известного в математике соотношения ) ( ) ( 0 1 0 0 0 0 ρ ρ ρ ρ ρ ρ a J a d a J = ∫ , где ) ( 0 1 ρ a J - функция Бесселя первого порядка. Принимая во внимание, что в нашем случае 63 θ sin k a = , из (2.102) получаем ) sin ( sin 2 ) ( 0 1 0 θ ρ θ ρ π θ k J k f cucm = . (2.103) Функция ) ( 1 ψ J (в нашем случае θ ρ λ π ψ sin 2 0 = ) также табулирована. Выражение (2.103) можно привести к виду ) sin ( sin ) sin ( 2 ) ( 0 1 2 0 0 0 1 2 0 θ ρ πρ θ ρ θ ρ πρ θ k k k J f cucm Λ = = , (2.104) где ) sin ( 0 1 θ ρ k Λ - лямбда-функция первого порядка, которая также приводится в справочниках в табулированном виде. Максимальное значение ) ( θ cucm f соответствует максимуму отношения 1 sin ) sin ( 2 0 0 1 = θ ρ θ ρ k k J и равно 0 max ) ( πρ θ = cucm f . Следовательно, нормированный множитель системы выражается формулой ) sin ( sin ) sin ( 2 ) ( 0 1 0 0 1 θ ρ θ ρ θ ρ θ k k k J F cucm Λ = = . (2.105) Его примерный вид представлен на рис. 2.28. 2 4 6 8 10 Ψ 0 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 -0,2 Рис. 2.29 С помощью таблиц лямбда- функции можно легко определить, что уровень боковых лепестков составляет 2 1 ≈ ≈ б б F F Ширина ДН антенны определяется по формуле D o λ θ 58 2 5 , 0 = , где 0 2 ρ = D - диаметр раскрыва. По сравнению с прямоугольной антенной стем же законом АФР уровни боковых лепестков у круглого раскрыва меньше, а ширина ДНА больше (для прямоугольного рас- крыва L o λ θ 51 2 5 , 0 = , % 13 %, 21 2 1 ≈ ≈ б б F F ). С целью снижения уровня боковых лепестков в ДН круглого раскрыва используют спадающее к краям амплитудное распределение. Часто применяется распределение амплитуд токов в виде функции p A ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = 2 0 1 ) ( ρ ρ ρ . (2.106) При этом нормированный множитель системы представляется в виде лямбда-функции (р+1)-го порядка ) sin ( ) ( 0 1 θ ρ θ k F p cucm + Λ = , (2.107) где 1 0 0 1 1 0 1 ) sin ( ) sin ( )! 1 ( 2 ) sin ( + + + + ⋅ + = Λ p p p p k k J p k θ ρ θ ρ θ ρ Лямбда-функции табулированы, поэтому сих помощью можно легко отыскать все параметры диаграммы направленности круглого раскрыва. 2.8.4. КНД синфазного излучающего раскрыва Ранее было показано, что произвольный синфазный раскрыв с геометрической площадью г обладает коэффициентом направленного действия, определяемого выражением эфф S D 2 max 4 λ π = , (2.108) где знакомое из теории приемных антенн понятие эффективной площади антенны S эфф применительно к излучающему раскрыву имеет несколько другой смысл. Это площадь синфазного раскрыва с равномерным амплитудным распределением, которая создает в заданной точке пространства такую же плотность потока мощности, что и реальная антенна с геометрической площадью г и произвольным амплитудным распределением. Отношение S эфф /S г называется коэффициентом использования площади излучающего раскрыва ξ А При равномерном амплитудном распределении - S эфф =S г и А. Таким образом, КИП синфазного излучающего раскрыва показывает, насколько снижается КНД антенны из-за неравномерности амплитудного распределения. Значения S эфф приемной и передающей антенн совпадают, если они определяются по формуле (2.108). В данном разделе рассмотрены основные типы излучающих систем. Их основные радиотехнические параметры при различных видах амплитудного распределения приведены в табл. 2.2. Таблица 2.2 Вид системы Вид АР 2 θ 0,5 F бл1 %, дБ) F бл2 %, дБ) КИП КНД Равномерное L o λ 51 21 (-13,2) 13 (-17,6) 1 λ L 2 Косинусоидальное L o λ 67 7 (-23) 3 (-30,5) 0,81 λ L 62 , 1 Δ=0,33 L o λ 58 10 (-20) 6 (-25) 0,97 Линейная непрерывная Косинус на пьедестале Δ=0,8 L o λ 53 18 (-15) 10 (-20) 0,99 Линейная дискретная Равномерное Nd o λ 51 21 (-13,2) 13 (-17,6) 1 Круглый раскрыв радиус Равномерное 0 2 58 ρ λ o 13 (-17,6) 7 (-23) 1 λ ρ 2 0 40 66 3. ВИБРАТОРНЫЕ И ЩЕЛЕВЫЕ АНТЕННЫ, АНТЕННЫ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ 3 . 1 Вибратор н ы е антенны Характеристики и параметры линейного симметричного вибратора Симметричным вибратором называется прямолинейный проводили металлический стержень, разделенный на две равные части и питаемый посредине (рис. 3.1). Длина каждого плеча равна l; общая длина вибратора рав- 2l l l A Рис. 3.1 на 2l. Точки АА – клеммы антенны. Расстояние АА мало по сравнению с размерами плеч, поэтому им пренебрегают. Симметричный вибратор обычно является элементом сложных антенн и применяется в радиолокации в диапазоне метровых, дециметровых и сантиметровых волн. В симметричном вибраторе 2l соизмеримо с длиной волны λ, поэтому в отличие от элементарного вибратора (раздел 2.2) распределение тока по его длине неравномерное. Оно рассчитывается с помощью теории длинных линий по методу Шулейкина, который предложил свести плечи вибратора, получив длинную разомкнутую на конце линию, определить распределение тока в ней, а затем развести плечи в прежнее положение (рис. 3.2). В результате амплитуда тока вдоль вибратора распределена по синусоидальному закону и на его концах имеет узлы. В симметричных точках вибратора ток одинаков по величине и направ- AA A A 2l l l A A x А Б В Рис. 3.2 67 лению. Закон распределения тока выражается следующим образом п, (3.1) где п – амплитуда тока в пучности х – координата точки вибратора Известный закон распределения тока позволяет с помощью правила Бонч-Бруевича рассчитать диаграмму направленности симметричного вибратора) где λ π / 2 = k - волновое число. Диаграммы направленности при различной длине вибратора показаны на рис. 3.3. F( θ) 1 x F( θ) 1 x F( θ) x 1 F( θ) x 1 F( θ) x 1 2 = /2 l λ 2 = l λ 2 =1,35 l λ 2 =1,5 l λ 2 Рис. 3.3 Из приведенных ДН видно, что при длине вибратора λ ≤ l 2 боковые лепестки отсутствуют, а максимум диаграммы направленности совпадает с нормалью коси антенны. При λ > l 2 появляются боковые лепестки, уровень которых возрастает по мере увеличения длины вибратора. В магнитной плоскости симметричный вибратор излучает ненаправленно На практике наибольшее применение находят полуволновые вибраторы. Для них 2 4 2 π λ λ π = ⋅ = kl , 0 cos = kl , и выражение (3.2) преобразуется к виду sin ) cos 2 cos( ) ( , sin ) cos 2 cos( 60 ) ( θ θ π θ θ θ π θ = = F f (3.3) Параметры полуволнового вибратора имеют фиксированные значения и равны 64 , 1 ; 78 Одним из важных параметров вибратора является его входное сопротивление, где и - комплексные амплитуды напряжения и тока на клеммах антенны. Входное сопротивление симметричного вибратора имеет комплексный характер вх вх вх I U Z & & & / = вх U& вх I& вх вх вх jX R Z + = & . (3.4) Активная часть входного сопротивления складывается из сопротивления излучения и сопротивления потерь п в проводнике вибратора Σ R 73,1 200 0 2 Ом П Рис. 3.4 п R R R вх + = Σ . (В диапазоне СВЧ пи можно считать Σ ≈ R R вх . Величина сопротивления излучения зависит от относительной длины вибратора. Эта зависимость представляется графиком Баллентайна-Кляцкина рис. 3.4). Для полуволнового вибратора 1 , 73 = = Σ R R вх Ом. Величина реактивного сопротивления зависит от волновых размеров и толщины вибратора и определяется по формулам kl ctg X A вх ⋅ − = ρ 5 , 42 , (3.6) где ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ⋅ = 577 , 0 ln 120 a A π λ ρ - волновое сопротивление антенны, ара- диус провода вибратора. Для полуволнового вибратора 5 , 42 и 0 , 2 / = = = вх X kl ctg kl π Ом. Следовательно, входное сопротивление полуволнового вибратора 5 , 42 1 , 73 j Z вх + = & Ом. (3.7) Так как мнимая часть выражения (3.7) имеет знак " + ", то реактивность носит индуктивный характер. Чтобы согласовать антенну с фидером, необходимо реактивную часть входного сопротивления сделать равной нулю. В соответствии с выражением (3.6) Х вх =0, если 5 , 42 = ⋅ kl ctg A ρ . Подбирая величину l, можно скомпенсировать реактивность Х вх , те. настроить вибратор в резонанс. Для этого его с обеих сторон надо укоротить на величину π λ ρ 2 5 , 42 ⋅ = Δ A . (3.8) Если вибратор укоротить еще больше, то его сопротивление станет емкостным. Система вибраторных излучателей Одиночные вибраторные антенны являются слабонаправленными. Для увеличения КНД и получения диаграммы направленности требуемой формы применяют многовибраторные антенны. Взаимное размещение вибраторов может быть различным (рис. 3.5), но, как правило, они идентичны, одинаково ориентированы и поэтому образуют систему, к которой можно применить a d d б Рис. 3.5 правило перемножения диаграмм направленности, (где - диаграмма направленности одиночного вибратора - ДН многовибраторной антенны. Множитель системы не зависит от угла ориентации плеч вибраторов относительно оси системы z, а определяется только количеством излучателей N, расстоянием между их центрами d, относительной амплитудой Аи фазой Ф тока в каждом вибраторе. В зависимости от соотношения параметров системы ее диаграмма направленности может быть однолепестковой, мно- голепестковой с ориентацией главного максимума вдоль оси системы, перпендикулярно к ней или под любым углом в пределах ) , ( ϕ θ f& o 90 ± относительно нормали. Для того чтобы главный лепесток результирующей ДН антенны был достаточно узким, необходимо совместить направления главных лепестков диаграмм направленности одиночного вибратора и системы (рис. 3.6). В первом случае (см. риса) главный лепесток множителя системы дол- Рис. 3.6 жен быть перпендикулярен ее оси. Это достигается синфазным запитыванием вибраторов. Во втором случае (см. рис. 3.6, б) главный лепесток МС должен быть направлен вдоль ее оси. Это достигается соответствующим подбором волнового расстояния между вибраторами d/ λ и амплитудно-фазового распределения. При равных токах в вибраторах (А) главный максимум множителя системы направлен вдоль ее оси при условии λ π / 2 d = Φ , (3.10) где Ф – фазовый сдвиг токов в соседних вибраторах. Так, при d/ λ =0,2 разность фаз токов должна составлять о, а при d/ λ =0,25 - 90 о На рис. 3.6 множитель системы и диаграмма направленности антенны в целом оказываются постоянными величинами в плоскости, перпендикулярной вибраторам (Н-плоскости), те. антенна в этой плоскости излучает вовсе стороны. Чтобы обеспечить направленность антенны ив этой плоскости, необходимо выполнить два условия 1) λ π / 2 d = Φ ; 2) Φ = / π N , где N – количество вибраторов в системе. Так, если d/ λ =0,25, то Ф=90 о и N=2. Система из двух вибраторов, соответствующих этим условиям, показана на рис. 3.7. Рассмотрим взаимодействие полей в такой системе. Если ток в вибраторе 1 опережает по фазе ток , то электромагнитное поле слева от системы вибраторов (точка В) равно нулю, поскольку поле вибратора 2, проходя расстояние λ/4 в сторону первого вибратора, получает 1 I 2 I 71 λ/4 1 2 B B l E 1 I 1 I Рис. 3.7 дополнительное отставание по фазе на о и оказывается в противофазе с полем вибратора 1. Таким образом, излучение происходит в одну сторону вдоль оси системы в направлении вибратора с отстающим по фазе током. Излучение двух- вибраторной антенны приобретает направленность в одну полусферу, в том числе в плоскости Н. Для получения излучения с такой направленностью необязательно за- питывать оба вибратора. Очень часто используют систему (рис. 3.8), в кото- d 1 Рис. 3.8 рой питание подается на один из вибраторов называемый активным, а второй к генератору не подключается (он называется пассивным. Принцип действия рассматриваемой антенны состоит в следующем. Ток активного вибратора возбуждает в окружающем пространстве электромагнитное поле, которое индуцирует ток 1 I 2 I в пассивном. Поле в любой точке окружающего пространства является суперпозицией полей, возбуждаемых токами в обоих вибраторах. Токи имеют примерно одинаковые распределения, но могут отличаться как повели- чине, таки по фазе. Величина тока зависит от расстояния d/ λ, и прима- лых его величинах (d/ λ=0,1…0,2) 2 I 1 2 I I ≈ . Фазовый сдвиг токов Ф зависит как от относительного расстояния d/ λ, таки от длины пассивного вибратора п. Известно, что полуволновой вибратор имеет индуктивное сопротивление. Для настройки в резонанс активный вибратор укорачивают на некоторую величину. Если пассивный вибратор оставить полуволновым или даже слегка удлинить его (п, то его индуктивный характер вызовет опережение по фазе тока по отношению к току в активном вибраторе . Это значит, что излучение будет происходить в сторону активного вибратора (риса. Пассивный вибратор как бы отталкивает от себя излучение, поэтому он называется рефлектором (отражателем. 72 a 1 2 1 2 AB AB ПВ- рефлектор ПВ- директор Рис. 3.9 Если же пассивный вибратор укоротить по сравнению с активным (см. рис. 3.9 б, то его сопротивление становится емкостным, ток отстает по фазе оттока и излучение 2 I 1 I происходит в сторону пассивного вибратора. В этом случае он называется директором 3.1.3. Входное сопротивление в многовибраторной антенне Как показано выше, входное сопротивление симметричного вибратора имеет комплексный характер ) 5 , 42 ( kl ctg j R jX R Z A вх вх вх вх ⋅ − + = + = ρ , (3.11) где - активная составляющая входного сопротивления, которая складывается из сопротивления излучения п R R R вх + = Σ Σ R и сопротивления потерь п в проводнике вибратора ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ⋅ = 577 , 0 ln 120 a A π λ ρ - волновое сопротивление антенны, а – радиус провода вибратора 2l – длина вибратора. Так как мнимая часть выражения (3.11) имеет знак "+", то реактивность носит индуктивный характер. Чтобы согласовать антенну с фидером, необходимо укоротить вибратор с обеих сторон на величину π λ ρ 2 5 , 42 Если рядом с одним вибратором разместить второй, то образуется система из двух вибраторов, электрически связанных друг с другом через излучаемое ими электромагнитное поле. Каждый из вибраторов действует на другой и как бы вносит в него дополнительное сопротивление, называемое вносимыми имеющее комплексный характер внос внос внос jX R Z + = . (3.12) Если токи в идентичных вибраторах одинаковы ( ), то вносимые сопротивления равны и называются взаимными 2 1 I I & & = 73 21 12 2 1 Z Z Z Z внос внос = = = , (3.13) где - сопротивление, вносимое в первый вибратор - сопротивление, вносимое во второй вибратор Z 12 и Z 21 - взаимные сопротивления для одинаковых вибраторов, по определению, они равны - Z 12 =Z 21 ). 1 внос Z 2 внос Z Если токи в вибраторах разные ( 2 1 I I & & ≠ ), то вибратор с большим током вносит в другой большее сопротивление. Поэтому 12 1 2 вноси внос. (3.14) Обозначим входное сопротивление одиночного вибратора Z 11 (второго Z 22 ), а находящегося в системе - Z 1 (соответственно Z 2 ). В общем случае полное входное сопротивление вибраторов, работающих в системе, определяется выражениями ⎪ ⎪ ⎭ ⎪⎪ ⎬ ⎫ + = + = + = + = 12 2 1 22 2 22 2 12 1 2 11 1 11 1 Z I I Z Z Z Z Z I I Z Z Z Z внос внос & & & & . (3.15) Взаимные сопротивления одинаково ориентированных вибраторов зависят только от их взаимного относительного удаления по глубине (d) или фронту (h). Они рассчитаны и приведены в учебной и справочной литературе либо в виде таблиц, либо в виде графиков. Из выражения (3.15) следует, что для определения полного входного сопротивления вибратора в системе надо знать отношение комплексных амплитуд токов в вибраторах, те. их амплитудно-фазовое распределение Φ Φ − Φ ⋅ = ⋅ = j j e A e I I I I ) ( 1 2 1 2 1 2 & & , где 1 2 1 2 ; Φ − Φ = Φ = I I A . (3.16) С учетом АФР соотношение (3.15) можно записать как ⎪⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⋅ + = ⋅ ⋅ + = Φ Φ 12 22 2 12 11 1 1 Z e A Z Z Z e A Z Z j j . (3.17) Таким образом, если заданы относительные размеры вибраторов 2l/ λ, относительные расстояния между ними d/ λ (h/λ), длина волны λ, амплитуд- но-фазовое распределение токов между ними, то относительно легко определяются их полные входные сопротивления в системе вибраторов. Те же рассуждения применимы и к системе из двух вибраторов, в которой один вибратор активный, а другой пассивный. Если активный вибратор обозначить индексом "1", а пассивный – индексом "2", то входное сопротивление активного вибратора в присутствии пассивного определяется выражением) Ток в пассивном вибраторе образуется за счет наведенной в нем ЭДС полем активного. Если ток в активном вибраторе считается известным, то ток пассивного вибратора определяется выражением 2 I& 1 I& 11 12 1 2 Z Z I I & & − = , а АФР равно 22 21 Тогда полное сопротивление активного вибратора 22 2 12 11 12 22 21 11 1 Z Z Z Z Z Z Z Z − = − = . (3.19) Если антенная система состоит не из двух, а из N вибраторов, то полное входное сопротивление каждого из них может быть получено суммированием собственного и всех вносимых сопротивлений на основе заданного амплитудно-фазового распределения ∑ − = = 1 0 1 N n kn k n Z I I Z & & , (3.20) где n - порядковый номер вибратора, n=0,1,…,N-1; k - номер вибратора, у которого определяется входное сопротивление. Очевидно, что при настройке вибратора в резонанс на заданной длине волны его укорочение должно рассчитываться с учетом вносимого сопротивления внос A вх X kl ctg X + ⋅ − = ρ 5 , 42 . (3.21) В этом случае необходимо найти такое Δ − = 4 λ l , чтобы Х вх =0. Таким образом, применение системы из активного и пассивного вибраторов позволяет улучшить характеристики направленности вибраторной антенны. Однако полуволновой вибратор с рефлектором или директором все еще слабо направлен. Максимальный коэффициент направленного действия такой системы составляет 6 4 max = D 3.1.4. Директорная антенна. Основные характеристики Директорная антенна, или антенна типа "волновой канал, представляет собой дальнейшее развитие системы "активный вибратор - пассивный вибратор" с целью сужения диаграммы направленности и повышения КНД. Рефлектор Активный вибратор Директоры Рис. 3.10 Антенна применяется в диапазоне волн от 30 см до метров. Ее устройство показано на рис. 3.10. На стреле крепится активный вибратор (обычно петлевой вибратор Пистелькорса) и ряд пассивных вибраторов. Один из них является рефлектором. Установка более одного рефлектора нецелесообразна, так как поле за ним слабое. Рефлектор располагается на расстоянии (0,15…0,25) λ от активного вибратора. Число директоров зависит от требуемых направленных свойств антенны, но обычно не превышает 10…12. Расстояние между ними выбирается в пределах (0,1…0,35) λ. Длина рефлектора обычно составляет (0,48…0,52)λ, а директоров. Директоры возбуждаются волной, распространяющейся вдоль оси, образуя своеобразный "волновой канал. Для более точного поддержания требуемых фазовых соотношений полей от соседних вибраторов часто используются конструкции антенн, в которых размеры директоров уменьшаются по мере удаления от активного вибратора (см. разд. 2). В зависимости от количества директоров в рассмотренных антеннах можно получить коэффициент направленного действия в пределах 10…40. Ориентировочная зависимость ширины диаграммы направленности дирек- торной антенны от ее электрической длины приведена на рис. 3.11. Из рисун- 76 20 O 40 O 80 O 60 O 0 2 4 6 8 10 2 θ 0 , Риска видно, что ширина ДН находится в пределах 50…18 град. С удлинением антенны ширина диаграммы направленности уменьшается все слабее. Это объясняется тем, что амплитуда тока, возбуждаемого в вибраторах, спадает к концу антенны. Поэтому применять очень большое число вибраторов (больше 12 директоров) не имеет смысла. Число вибраторов можно рассчитать, исходя из заданной ширины ДН, по графику, представленному на рис. 3.11, с учетом обычно используемых расстояний между директорами. Сложные директорные антенны Для увеличения КНД и получения специальной формы диаграммы направленности применяют несколько директорных антенн, скомпонованных в определенные системы. Широкое применение нашли многоканальные одноэтажные и двухэтажные антенны (рис. 3.12). Многоканальные одноэтажные антенны при синфазном питании каналов позволяют получить диаграммы направленности, узкие в горизонтальной плоскости и широкие в вертикальной Система из четырех каналов с горизонтально расположенными вибраторами и относительным расстоянием между каналами 3 , 1 / = ′ λ d обеспечивает получение ДН с шириной 10…15 о Рис. 3.12 Диаграмма направленности в вертикальной плоскости определяется тремя множителями множителем системы полуволновых вибраторов , те. диаграммой направленности одного волнового канала с изотропными излучателями множителем системы волновых каналов , если число каналов в этой плоскости больше одного множителем земли, учитывающим зеркальное отражение радиоволн от земли Поэтому в вертикальной плоскости Для учета влияния земли в систему необходимо добавить столько же вертикальных каналов с противофазным питанием. Ориентировочная форма диаграммы направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях приведена на риса и б соответственно. a б θ β =90 o θ β =0 o θ ε =90 o θ ε =0 o Рис. 3.13 К достоинствам директорных антенн относится простота конструкции, простота питания, высокий КПД, небольшой вес. Как недостатки следует отметить относительно большой уровень боковых лепестков, сложность подбора длин вибраторов и расстояний между ними, узкополосность 0 ) 05 , 0 Способы расширения полосы пропускания симметричного вибратора Для настроенного на частоту f 0 полуволнового вибратора относительная полоса пропускания определяется по формуле A вх R f F πρ 4 0 = Δ . (3.22) Из этого выражения следует, что широкую полосу пропускания имеют вибраторные антенны с большим входными малым волновым сопротивлениями. В связи с этим чаще всего используют два метода расширения полосы пропускания вибратора – уменьшение A ρ и увеличение вх R Для рассмотрения способа уменьшения A ρ воспользуемся выражением для волнового сопротивления вибратора ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ⋅ = 577 , 0 ln 120 a A π λ ρ , (3.23) где а – радиус проводника вибратора. Как видно из (3.23), для уменьшения A ρ необходимо увеличивать поперечные размеры вибраторов. С этой целью плечи вибраторов выполняются в виде цилиндров, конусов и пластин (рис. 3.14). 2l а б в Рис. 3.14 Для уменьшения веса и снижения ветровых нагрузок цилиндры и пластины выполняются из отдельных тонких проводов или сеток. Полоса пропускания цилиндрических вибраторов достигает 50%, а плоских – 20…25%. Для расширения полосы пропускания путем увеличения активного входного сопротивления Пистелькорс предложил петлевой вибратор рису которого входное сопротивление в несколько раз больше, чему обычного вибратора. По существу, это активный и пассивный полуволновые вибраторы, соединенные своими концами в узлах тока. Расстояние d между вибраторами очень мало (d=0,02 λ…0,03λ), поэтому их вносимые сопротив- λ/2 d Рис. 3.15 ления почти равны собственным. В результате этого общее входное сопротивление петлевого вибратора R вх пет ≈4 R вх ≈4⋅73,1≈300 Ом. В общем случае при N параллельных вибраторах входное сопротивление определяется как R вх пет ≈ N 2 R вх 3.1.7. Способы питания вибраторных антенн Как известно, антенна соединяется с передатчиком или приемником с помощью линии передачи высокочастотной энергии - фидерной линии (фидера. В качестве фидера используются двухпроводные линии, коаксиальные, круглые и прямоугольные волноводы. Все они могут представляться длинными линиями с распределенными параметрами. Наиболее целесообразным режимом работы фидера является режим бегущей волны, который устанавливается при согласовании входного сопротивления антенны с волновым сопротивлением фидера ρ ф вх Z& Входное сопротивление вибраторной антенны является комплексным. Его можно сделать чисто активным, регулируя длину 2l активного вибратора. Однако величина не всегда совпадает с волновым сопротивлением фидера ф, поэтому для их выравнивания применяют согласующие устройства. вх R Для двухпроводной линии самым распространенным является дельта- трансформатор (рис. 3.16). Он представляет собой устройство из двух расхо- l 1 l 2 2 = /2 l λ ρ ф Рис. 3.16 дящихся проводов, включенное между сплошным вибратором (без зазора между плечами) и фидером. Поскольку полуволновый вибратор можно представить в виде развернутого в стороны отрезка длинной линии, разомкнутой на одном конце и короткозамкнутой на другой, то его входное сопротивление зависит от положения точек подключения фидера. Таким образом, регулируется величиной l 1 . В свою очередь, волновое сопротивление фидера тоже изменяется при изменении расстояния l 2 . Подбором этих величин можно добиться равенства = ρ ф вх R вх R На сверхвысоких частотах питание вибраторов осуществляется в основном коаксиальным фидером. Однако непосредственное подсоединение плеч вибратора к такому фидеру создает несимметричность питания рис. 3.17). К одной клемме антенны подключается центральная жила, а к другой - наружная оболочка (оплетка) коаксиального кабеля. Ток, который течет по центральной жиле, целиком поступает в правое плечо. В левое плечо поступает часть общего тока, поскольку другая часть ответвляется на на- 2 = /2 l λ АА а Рис. 3.17 ружную поверхность оболочки фидера. В результате амплитуды токов в симметричных точках плеч вибратора оказываются различными. Вследствие асимметрии токов происходит искажение диаграммы направленности. Кроме того, из-за наличия тока на внешнем проводнике коаксиальной линии возникают паразитные излучения. Для обеспечения симметрии распределения тока применяются различные симметрирующие устройства, которые либо запирают вход тока на наружную поверхность фидера, либо компенсируют этот ток, либо вообще исключают оболочку фидера из цепи питания вибратора. Рассмотрим некоторые типы симметрирующих устройств. Четвертьволновый симметрирующий стакан. Это цилиндр, радиус ко- λ/4 а б кз кз Рис. 3.18 торого больше радиуса оболочки рис. 3.18). Внешняя поверхность фидера и внутренняя стакана представляют собой коаксиальную линию. Эта линия имеет длину 4 λ = cm l и короткозамкнута на конце. Входное сопротивление стакана ∞ = cm вх Z . Входное сопротивление между точками "аи "б" оказы- λ/2 λ/4 а б Рис. 3.19 вается очень большими ток немо- жет ответвляться на наружную оболочку фидера, что и обеспечивает симметрию питания Щелевое симметрирующее устройство (рис. 3.19). Внешний проводник коаксиального фидера разрезается на конце с двух сторон щелями длиной λ/4. В результате образуется короткозамкнутый четвертьволновый отрезок двухпроводной линии. Обладая большим входным сопротивлением, он не позволяет токам ответвляться на внешнюю оболочку фидера. Поскольку сопротивление между точками "аи "б" велико, то плечи вибратора на частоте излучения электрически развязаны, несмотря на гальваническую связь между ними. Края щелей обычно делают расширяющимися, чтобы обеспечивалось согласование волнового сопротивления фидера с входным сопротивлением вибратора. а б Рис. 3.20 колено (рис. 3.20). Это изогнутый коаксиальный фидер длиной λ/2, к внутреннему проводу которого подсоединяются плечи вибратора. Внешняя оболочка фидера для питания плеч не используется и заземляется. Напряжения и токи в точках "аи "б" равны по величине и противоположны по фазе, что и требуется для симметричного питания антенны. Кроме симметрирования колено уменьшает входное сопротивление вибратора в 4 раза. В связи с этим его удобно применять для питания петлевого вибратора Пистелькорса, входное сопротивление которого составляет 300 Ом, стандартным фидером с ф Ом. 3 . 2 Щелевые антенны Типы щелевых антенн. Особенности их конструкции Щелевая антенна представляет собой узкую щель, прорезанную в металлической поверхности экрана, оболочке резонатора или волновода. Ширина щели d<< λ, длина обычно близка к половине волны. Щели прорезаются так, чтобы они пересекали линии поверхностного тока, текущего по внутренней стенке волновода или резонатора (рис. 3.21). Возможны различные положения щелей (см. рис. 3.21): поперечная (1), продольная (2), наклонная (3), и разнообразные их формы прямолинейные, уголковые, гантельные, крестообразные (рис. 3.22). Высокочастотный поверхностный ток, пересекая щель, индуцирует по ее краям переменные заряды (напряжение, а на обратной (наружной) стороне поверхности возбуждаются токи. Электрическое поле в щели и токи на поверхности являются источниками излучения и формируют в пространстве 1 2 2 Рис. 3.21 Рис. 3.22 электромагнитное поле. Простейшими типами щелевых антенн являются экраны конечных размеров со щелью, резонаторно-щелевые и волноводно-щелевые антенны. Возбуждение полуволновых щелей в экранах осуществляется в метровом диапазоне с помощью симметричной двухпроводной линии, а а в дециметровом – с помощью коаксиальной линии передачи. При этом внешний проводник присоединяется к одной кромке щели, а внутренний – к другой. Для согласования линии передачи с антенной точку питания смещают от середины щели к ее краю. Такая антенна может излучать в обе полусферы. В сантиметровом диапазоне и прилегающей к нему части дециметрового диапазона применяют резонаторные и волноводно-щелевые антенны см. рис. 3.21, 3.22). В коаксиальных волноводах возбуждаются только поперечные или наклонные щели, в прямоугольных возможны различные варианты размещения щелей (см. рис. 3.21). Ширина щели оказывает влияние на активную и реактивную части входного сопротивления. Обе составляющие возрастают с увеличением ширины щели. Поэтому для компенсации Х вх надо уменьшать длину щели (укорачивать ее. Рост R вх приводит к расширению полосы пропускания щелевой антенны. Обычно ширина щели d выбирается в диапазоне (0,03…0,15) λ. Для дополнительного расширения полосы пропускания применяют гантельные щели и специальные конструкции возбуждающих устройств. Помимо диапазонности на выбор ширины щели влияет условие обеспечения электрической прочности. Концентрация электрических зарядов на кромках щели приводит к местным перенапряжениям и возникновению электрического пробоя. Напряжение между кромками щели в пучности щ щ max ⋅d , (3.24) где щ max - напряженность электрического поля в пучности. Принимая щ пр (напряженность пробоя, для сухого воздуха E пр =30кВ/м), находим щ пр) На практике выбирают зап, где зап - коэффициент запаса. Щели более сложной формы, чем прямоугольные, можно рассматривать как комбинации простых. Они используются для получения электромагнитных волн с требуемыми поляризационными свойствами. Например, крестообразная щель позволяет получить антенну с эллиптической и круговой поляризацией. Направление вращения зависит от направления смещения щели от оси широкой стенки волновода. Щелевые антенны отличаются простотой конструкции, высокой надежностью и отсутствием выступающих частей, что позволяет использовать их в летательных аппаратах и наземных антенных системах в качестве самостоятельных антенн, облучателей сложных антенных систем и элементов антенных решеток. 3.2.2. Одиночная щель. Принцип двойственности Пистелькорса Рассмотрим характеристики и параметры так называемой идеальной щелевой антенны, те. одиночной щели, прорезанной в идеально проводящем плоском экране. Расчет поля такой антенны с помощью уравнений электродинамики представляет значительные трудности. Он существенно облегчается, если воспользоваться принципом двойственности, сформулированным Пистелькорсом в 1944 году. Этот принцип основан на известной из теории электромагнитного поля перестановочной двойственности уравнений Максвелла. Для щели эти уравнения имеют вид щ щ щ щ H i E rot E i H rot r r r r 0 0 , ωμ ωε − = = ; (3.26) приграничных условиях на экране - 0 , 0 ≠ = э э H E τ τ ; на щели - 0 , 0 = ≠ щ щ H E τ τ , (3.27) где - касательные составляющие поля. τ τ H E , Если экран убрать, а щель заменить идеальным плоским вибратором таких же размеров, как щель (рис. 3.23), и с таким же распределением тока, как распределение напряжения вдоль щели (эквивалентным вибратором, вырезанным из экрана для получения щели, тополе, излучаемое им, также бу- y x z ϕ θ ∏ → E щ H щ U 0 a y z ϕ θ ∏ → E H I 0 x б Рис. 3.23 дет удовлетворять уравнениям Максвелла B B B B H i E rot E i H rot r r r r 0 0 , ωμ ωε − = = , (3.28) но уже при других граничных условиях на месте экрана - 0 , 0 = ≠ τ τ H E ; на вибраторе - 0 , 0 ≠ = B B H E τ τ . (3.29) Сравнивая граничные условия щели (3.27) и эквивалентного вибратора (3.29), можно убедиться, что структуры электрического поля вблизи щели и магнитного поля вблизи вибратора совпадают. Граничные условия для эквивалентного вибратора получаются из граничных условий для щели путем перестановки Е ↔Н. С учетом вышеизложенного для полного поля во всем пространстве можно записать , , 2 1 B щ B щ E C H H C E r r r r = = (3.30) где Си С – постоянные коэффициенты. На практике обычно используют полуволновые щели. При этом независимо от способа возбуждения амплитуда электрического поля в щели максимальна в центре и спадает к краям, те. соответствует закону распределения тока в полуволновом вибраторе. Для узкой щели (тонкого вибратора) граничные условия, а значит, и постоянные коэффициенты можно выразить через напряжение в центре щели U 0 и ток в центре вибратора I 0 (см. рис. 3.23): щ 0 = = , откуда 0 0 1 2 I U C = . (3.31) Тогда первое выражение в (3.31) перепишется в виде щ r 0 0 2 = . (3.32) Таким образом, принцип двойственности применительно к щелевым антеннам формулируется так электрическое поле щелевой антенны с точностью до постоянного множителя совпадает с магнитным полем дополнительного вибратора таких же размеров, как щель, и с таким же амплитудным распределением. Это означает, что ЭМП щели и эквивалентного вибратора отличаются между собой только поворотом на 90 ° соответствующих векторов ищи щ H r B H r Применяя принцип двойственности, можно записать для диаграмм направленности , ) ( ) ( ; ) ( ) ( H B E щ E B H щ F F F F θ θ θ θ = = (3.33) где E щ H щ F F ) ( , ) ( θ θ - нормированные ДН щели в плоскостях Ни Е соответственно- соответствующие нормированные ДН полуволнового вибратора. При отсчете угла θ от нормали к плоскости щели диаграмма направленности полуволновой щели запишется в соответствии с равенством (3.33) в виде 1 ) ( , cos ) sin 2 cos( ) ( = = E щ H щ F F θ θ θ π θ (3.34) Изображения ДН щели с двухсторонним излучением в плоскостях Ни Е представлены на риса и 3.24, б соответственно. В реальных конструкциях щели прорезаются в прямоугольных и цилиндрических экранах конечных размеров. На поверхности экрана возбуждаются токи, которые искажают расчетную диаграмму направленности. Раз- б Рис. 3.24 меры экрана существенно влияют на форму ДН, и их подбором можно корректировать диаграмму в обеих плоскостях. Входное сопротивление щели, также как и вибратора, носит комплексный характер и зависит от ее размеров (длины 2l и ширины d). Величины щ вх и щ вх подсчитаны для разных значений l/ λ и приводятся в виде графиков в справочной и учебной литературе. Реактивная составляющая щели носит емкостной характер. Настройка щели тем не менее производится также ее укорочением. Величина укорочения подсчитывается по формуле ( ) d l A π λ π λ ρ 2 ln 225 , 0 2 5 , 42 2 = ⋅ = Δ . (3.35) Как следует из (3.35), более широкие щели укорачиваются на большую величину. Входное сопротивление щели связано со входным сопротивлением дополняющего ее вибратора. Эту связь удобнее выражать через комплексную входную проводимость щели 2 ) 60 ( π в вх щ вх Z Y = . (3.36) Таким образом, входная проводимость щели определяется выражением 2 kl ctg j R Y A вх щ вх ⋅ − + = ρ π ] , (3.37) где ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ⋅ = 577 , 0 4 ln 120 d A π λ ρ - волновое сопротивление щели. Комплексная входная проводимость полуволновой щели 87 0012 , 0 002 , 0 ) 60 ( 5 , 42 1 , 73 ) 60 ( 2 2 j j Z Y в вх щ вх + = + = = π π сим. (3.38) 3.2.3. Волноводно-щелевые антенны Одиночная щель имеет слабовыраженные направленные свойства. Для получения узких диаграмм направленности и увеличения КНД применяют многощелевые антенны. Наиболее важным типом таких антенн являются волноводно-щелевые антенны, представляющие собой систему полуволновых щелей, прорезанных в стенке волновода. Чаще всего используются прямоугольные волноводы с волной Н. На рис. 3.25 показаны линии поверхностных токов этой волны. λ В /2 λ В /2 Рис. 3.25 По особенностям возбуждения различают две основных группы волноводно- щелевых антенн резонансные и нерезонансные. Резонансные - антенны, у которых расстояния между щелями и их расположение обеспечивают синфазность возбуждения щелей (рис. 3.26). a в б λ В λ В λ В /2 λ В /2 Рис. 3.26 При поперечных щелях на широкой стенке (см. риса) или продольных щелях на узкой стенке (см. рис. 3.26, б) расстояние между соседними щелями равно длине волны в волноводе в. Указанный способ питания щелей получил название способа, так как в этом случае разность фаз токов в соседних щелях равна 2 π. Другим способом питания является способ. Расстояние между щелями в этом случае выбирается равным в, что обеспечивает разность фаз π (см. рис. 3.26, в. Дополнительный фазовый сдвиг π в соседних щелях достигается их размещением на широкой стенке волновода в шахматном порядке. Из рис. 3.25 видно, что поперечная составляющая поверхностного тока меняет свое направление при переходе средней линии широкой стенки волновода. Данный способ питания антенны удобен тем, что он обеспечивает синфазность при меньшем расстоянии между щелями, что важно для обеспечения единственности главного лепестка диаграммы направленности. Главный максимум ДН резонансных антенн перпендикулярен оси волновода. Резонансные антенны обычно работают в режиме стоячей волны, для обеспечения которого в конце волновода устанавливается короткозамыкаю- щий поршень (рис. 3.27). Положение поршня регулируется так, чтобы щель находилась в пучности той составляющей тока, которой она возбуждается. от р P 0 L Рис. 3.27 Пучности поперечного тока проводимости удалены от короткозамкнутого конца волновода на расстояния 4 ) 1 2 ( b n L λ − = , (где n=1,2,… Очевидно, что при изменении частоты сигнала положение пучностей вдоль волновода меняется. При этом нарушается не только режим оптимального питания щелей, но и условие их синфазности, что ведет к искажению ДН антенны. Кроме того, синфазные волноводно-щелевые антенны являются резонансными как по размерам щелей, таки по расстоянию между ними. Требуется тщательное согласование каждой щели на резонансной частоте, так как в случае рассогласования отражения от каждой щели в волноводе складываются в фазе, и КСВ в питающем волноводе резко возрастает. Недостатком резонансных антенн является также их узкополосность: режим хорошего согласования и синфазность возбуждения сохраняются в полосе частот, не превышающей несколько процентов. Несинфазное питание щелей осуществляется при условиях, когда расстояние между их серединами больше или меньше, чем Вили В. При этом фазовый сдвиг между соседними щелями составит 89 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = Φ 1 щ, (3.40) где щ расстояние между серединами соседних щелей. Нерезонансные антенны позволяют реализовать электрическое качание луча путем изменения величины фазового сдвига Ф за счет варьирования частоты питания антенны. Возбуждение щелей обычно осуществляется бегущей волной. Для этого на конце волновода устанавливают согласованную поглощающую нагрузку (рис. 3.28). Нерезонансные антенны более диапазон- пр Рис. 3.28 ные, чем резонансные у них меньше КСВ и поэтому лучше согласование генератора и антенны в заданном диапазоне частот. Диаграмма направленности многощелевой антенны может быть рассчитана на основе применения правила Бонч-Бруевича: ) ( ) ( ) ( 0 θ θ θ cucm f f f ⋅ = , где ) ( 0 θ f - диаграмма направленности одиночной щели ) ( θ cucm f - множитель системы. ДН одиночной щели можно принять такой же, как у полуволнового вибратора θ θ π θ cos sin 2 cos ) ( 0 ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = H F . В основном диаграмма направленности в плоскости, проходящей через продольную ось волновода перпендикулярно его широким стенкам (рис. 3.26), определяется множителем решетки, который при равномерном амплитудном распределении рассчитывается по известной формуле 2 sin 2 sin ) ( ψ ψ θ N N F H cucm = , (3.41) где α θ λ λ π α θ ψ − = − = sin 2 2 sin B kd , d – расстояние между щелями α - фазовый сдвиг между ними θ - угол, отсчитываемый от нормали к щели N - количество щелей. ДН антенны в плоскости, перпендикулярной оси волновода, определяется диаграммой одиночной щели в этой плоскости. Максимальный коэффициент направленного действия волноводно- щелевой антенны в инженерной практике определяют по приближенной формуле) где N – число щелей. 3 . 3 Антенны бегущей волны Устройство и принцип действия антенн бегущей волны К антеннам бегущей (поверхностной) волны (АБВ) относятся антенны, в излучающей системе которых распространяется замедленная ( ) электромагнитная волна. Теоретические принципы функционирования таких систем были рассмотрены в п. 2.7.3. В конструктивном отношении любая АБВ состоит из возбудителя 1 и направителя 2 (рис. с v ≤ ф 3.29). направление излучения 2 Р 0 Рис. 3.29 В качестве возбудителя, предназначенного для преобразования волны, распространяющейся в питающем антенну фидере, в замедленную волну на- правителя, используются различные слабонаправленные излучатели (вибраторные, щелевые, волноводно- рупорные. Направителями АБВ являются разнообразные замедляющие системы. Они обладают тем общим свойством, что фазовая скорость распространения электромагнитной волны ф в направителе равна, а чаще – меньше скорости света с. Отношение с/v ф называется коэффициентом замедления - К з (см. п. 2.7.3). Известно, что если ЭМВ выходит из направителя под углом к его оси, то она, благодаря разнице скоростей распространения, как бы прижимается к границе замедляющей среды и распространяется вдоль ее поверхности. Поэтому АБВ часто называют антенной поверхностной волны. Такая антенна обладает односторонней направленностью, совпадающей с продольной осью открытого конца направителя. Замедление фазовой скорости в направителе может быть получено двумя способами 1) заполнение направителя диэлектриком, у которого диэлектрическая и магнитная проницаемости ε и μ обеспечивают меньшую скорость волны, чем в свободном пространстве, на основании известной зависимости ф (3.43) 2) увеличение геометрической длины пути, проходимого электромагнитной волной по границе раздела направителя и свободного пространства. В соответствии с этими основными способами замедления различают два основных типа АБВ: с гладкой замедляющей структурой (риса с периодической замедляющей структурой (см. рис. 3.30, б, в. Р 0 Р Σ ε μ , 0 0 ε μ , Р 0 Р Σ ε μ , 0 0 c Р 0 Р Σ ε μ , 0 0 а б в Рис. 3.30 В первом случае замедление ЭМВ создается диэлектриком, у которого 0 ε ε > и 0 μ μ > . Во втором случае диэлектрик отсутствует, но набор металлических пластин, штырьков или дисков удлиняет путь поверхностного тока, и скорость переноса электромагнитной энергии над замедляющей поверхностью с оказывается больше, чем на самой поверхности (ф. Кроме того, антенны бегущей волны классифицируются по разнообразным геометрическим формам направителей, которые, однако, не меняют принципа замедления волны. Спиральные антенны Направителями спиральных антенн являются проволочные цилиндрические спирали, возбуждаемые с помощью коаксиальных линий передач рис. 3.31). Один конец спирали свободен, а другой соединен с внутренним проводником коаксиального фидера, внешний проводник которого подключен к экрану, ослабляющему обратное излучение. Рис. 3.31 Спиральные антенны характеризуются следующими параметрами L - осевая длина спирали 2r – диаметр h – шаг намотки N – число витков l – длина витка. В зависимости от отношения длины витка l к длине волны тока пр, бегущей по проводу, (пр) различают режимы работы антенны, которые принято обозначать буквой Т с индексом - Т п (п указывает число длин волн тока, укладывающихся вдоль длины витка l). Если пр (режим Т, то антенна излучает максимально в направлении нормали коси спирали (см. риса. При пр (режим Т) антенна излучает максимально вдоль оси спирали (рис. 3.32, б. Это режим осевого излучения. При пр (режим Т) диаграмма направленности принима- а б в Рис. 3.32 ет воронкообразную форму (см. рис. 3.32, в. Рассмотрим более подробно режим Т 1 В этом случае длина одного витка l равна длине волны тока пр (вдоль витка укладывается один период колебаний, поэтому диаметр спирали 2r определяется формулой π λ / 2 np r = . Шаг спирали h выбирается так, чтобы электромагнитная волна с длиной λ, распространяясь вдоль оси спирали, оказывалась синфазной с волной тока в спирали или чуть опережала ее. При этом v ф ≈с и К з ≈1. Антенна излучает максимум энергии вдоль оси спирали. Обычно количество ее витков N не превышает 7 - 8. Поскольку коэффициент замедления близок к единице, то КНД и ширину главного лепестка ДН спиральной антенны можно оценить с помощью соотношений (2.72), (2.73). Обычно ширина диаграммы направленности составляет примерно 30…40 град. Несмотря на конструктивную простоту спиральной антенны, строгое теоретическое рассмотрение ее достаточно сложно. Существует ряд эмпирических формул, позволяющих связать ее конструктивные и радиотехнические характеристики. Так, ширина ДН по половинной мощности определяется выражением λ λ θ Nh l 52 2 o 5 , 0 = , (3.44) коэффициент направленного действия составляет λ λ h N l D ⋅ ⋅ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅ = 2 max 5 , 7 , (3.45) а входное сопротивлением) Спиральные антенны обладают такими характерными особенностями, как круговая поляризация и диапазонность. Свойство круговой поляризации можно пояснить на примере одного плоского витка спирали (рис. 3.33). Выделим в витке 4 элемента (1, 2, 3, 4). y x z 1 2 3 Рис. 3.33 Если учесть, что в проводе распространяется бегущая волна тока и длина витка пр, то мгновенные направления тока в элементах будут такими, как показано стрелками. Составляющие Е х и Е у поля имеют одинаковую амплитуду и сдвинуты по фазе на π/2. Если рассматривать направление вектора E r через моменты, соответствующие сдвигу, то видно, что вектор вращается. Это означает, что поле, распространяющееся вдоль оси z, имеет круговую поляризацию. Направление вращения E r определяется направлением намотки витков спирали правая или левая. Принцип взаимности обуславливает, что такая антенна будет принимать волну стем же направлением вращения плоскости поляризации, что ив режиме передачи. Таким образом, спиральная антенна обладает поляризационной селекцией. Если необходимо принимать поле с любым направлением вращения плоскости поляризации, то применяют две спирали встречной намотки. Диапазонность спиральной антенны объясняется тем, что при варьировании частоты сигнала изменение пр почти пропорционально изменению λ , поэтому отношение пр (а значит, и с/v ф ) изменяется слабо в довольно широком диапазоне частот. Коэффициент перекрытия f max /f min обычной спирали близок к 1,7. Несколько лучшей диапазонностью обладают конические и многозаходные спиральные антенны, для которых К п =2…3. Диэлектрические стержневые антенны Направителем рассматриваемой антенны является стержень (обычно круглого или прямоугольного поперечного сечения, выполненный из высококачественного диэлектрика (рис. 3.34). Возбуждение стержня осуществляется отрезком металлического волновода, имеющим туже форму, что и стержень. Коэффициент замедления электромагнитной волны К з в направи- теле определяется материалом диэлектрика (относительной диэлектрической проницаемостью ε ) и его относительным поперечным размером d/ λ . Пример- Рис. 3.34 1 1 2 2 3 4 0,5 К з Рис. 3.35 ный вид зависимости К з от ε и d/ λ представлен на рис. 3.35. Анализ показывает, что для ε =2…5 замедление, близкое к оптимальному, можно получить при d/ λ = 0,3…0,5. Продольный размер стержня L составляет несколько длин волн в свободном пространстве. Для расчета ДН антенна рассматривается как линейная непрерывная система излучателей, представляющих собой бесконечно тонкие диски. Множитель системы определяется выражением λ θ β π λ θ β π θ / ) cos ( ] / ) cos ( sin[ ) ( − − = L L f cucm . (3.47) Что касается диаграммы направленности одиночного излучателя (диска диаметром d), то он в Е- и Н-плоскостях имеет вид θ λ θ π λ θ π θ λ θ π λ θ π θ cos / ] sin [ ) / ] sin ([ ) ( ; / ] sin [ ) / ] sin ([ ) ( 1 0 1 0 L L J f L L J f H E = = . (3.48) Диэлектрические антенны достаточно просты и удобны, но имеют заметные потери, снижающие коэффициент усиления антенны на (20…30)%. У таких антенн высок уровень бокового излучения, достигающий (30…40)% от главного лепестка по мощности. Для уменьшения уровня боковых лепестков стержням часто придают коническую форму. Плавное снижение поперечных размеров стержня увеличивает фазовую скорость волны в нем, постепенно приближая ее к скорости света в свободном пространстве. При этом уменьшаются отражения от конца антенны. Диэлектрические стержневые антенны бегущей волны используются как самостоятельные приемопередающие антенны, а также в качестве элементов антенных решеток. 3.3.4. Импедансные антенны К импедансным относятся такие антенны поверхностных волн, в которых применяются замедляющие структуры, основанные на реактивном поверхностном сопротивлении (импедансе) направителя. Обычно они используются в сантиметровом и дециметровом диапазонах. Наиболее характерные их типы - антенна с плоским направителем в виде слоя диэлектрика на металлической пластине и антенна с плоским ребристым металлическим напра- вителем (см. рис. 3.30, б. Возбуждение импедансных антенн может осуществляться с помощью отрезков волноводов, рупоров, вибраторов и других слабонаправленных излучателей. Импедансная антенна с плоским диэлектрическим направителем (рис. 3.36) состоит из металлической пластины и расположенным на ней слоем идеального диэлектрика толщиной h. Электромагнитная волна, излученная рупором, частично распространяется над слоем диэлектрика (в воздухе) со скоростью с, частично – в диэлектрике. Совместное 96 ε 0 ε Р 0 c |