Классификация антенн (стр. 3 )

расстояние

мало

Влияние находящихся неподалеку вибраторов, а также земли сказывается в том, что сопротивление излучения, а также входное сопротивление вибратора будут отличаться от соответствующих сопротивлений одиночного вибратора так же, как сопротивление контура, связанного с другими контурами, отличается от сопротивления одиночного контура. Изменяется также и диаграмма направленности.

Комплексные сопротивления системы вибраторов.

Рассмотрим систему, состоящую из связанных между собой излучателей. Для них можно записать следующую систему уравнений:

,

,

.

Здесь - комплексные напряжения и токи на зажимах , и вибраторов.

- собственные сопротивления на зажимах , и т. д. вибраторов.

- взаимное сопротивление между и вибраторами; - взаимное сопротивление между и вибраторами и т. д.

Взяв отношение в первом из равенств , получим значение эквивалентного входного сопротивления на зажимах вибратора:

Подобные же выражения получаются и для других вибраторов. Полное комплексное сопротивление можно представить в виде суммы собственного сопротивления и сопротивления , вносимого остальными вибраторами в первый

,

где

; ;

При равенстве токов вносимое сопротивление становится равным взаимному.

Например, при , а при .

Таким образом, взаимным сопротивлением двух вибраторов можно назвать сопротивление, которое вносится вибратором в (или наоборот), в случае, когда токи обоих вибраторов одинаковы по фазе и по амплитуде.

Из системы уравнений видно, что при заданных напряжениях на зажимах вибраторов и известных значениях собственных и взаимных сопротивлений могут быть определены все токи вибраторов. Если же токи вибраторов определены или заданы заранее, тогда с помощью выражений могут быть найдены полные комплексные сопротивления вибратора.

Взаимные сопротивления параллельных полуволновых вибраторов.

Не приводя всех математических выводов, проделанных и , приведем графики для активной и реактивной составляющих взаимного сопротивления линейных (тонких) полуволновых вибраторов с одинаковыми токами, расположенных параллельно друг другу на расстоянии .

Рис.27. Два параллельных полуволновых вибраторов, расположенных на одном уровне.

Рис. 28. Кривая активной составляющей Рис. 29. Кривая реактивная составляющей

взаимного сопротивления двух полу - взаимного сопротивления двух полу -

волновых вибраторов в зависимости волновых вибраторов в зависимости

от отношения . от отношения .

Как видно из рис. 28, активное взаимное сопротивление принимает и положительные, и отрицательные значения. Случай отрицательного значения обозначает, что под влиянием электромагнитного поля, создаваемого током соседнего вибратора, в рассматриваемом вибраторе при неизменном токе происходит уменьшение мощности излучения и соответственно сопротивления излучения.

При сближении вибраторов взаимное активное сопротивление стремится к пределу Ом, который представляет собой сопротивление излучения полуволнового вибратора от собственного тока или просто собственное сопротивление излучения.

Как видно из рис.29, собственное реактивное сопротивление вибратора общей длиной

Ом

Таким образом, значение собственного сопротивления симметричного вибратора общей длиной

Ом

а взаимное сопротивление двух полуволновых вибраторов, расположенных, как показано на рис. 27, , где оба слагаемых определяются их графиков рис. 28 и рис. 29.

При расчете сложных многовибраторных антенн возникает необходимость определения взаимных сопротивлений параллельных вибраторов, сдвинутых относительно друг друга, как показано на рис. 30.

Рис.30. Два параллельных полуволновых вибратора, расположенных на одном уровне.

Симметричный щелевой вибратор.

На основании принципа двойственности по аналогии с элементарной щелью поле, создаваемое симметричной щелью, можно найти, если известно поле, создаваемое симметричным электрическим вибратором, имеющим одинаковую форму и размеры со щелью.

Если в симметричном электрическом вибраторе ток изменяется по синусоидальному закону, то в щелевом

Поэтому в формулах для поля симметричного электрического вибратора заменим на , и учтем, то, что ампер электрического тока создает такое же электрическое поле как вольт напряжения в щели.

Из принципа двойственности и из данной формулы видно, что щелевой вибратор обладает направленными свойствами в своей меридиальной плоскости.

Диаграмма направленности щелевого вибратора зависит от и совпадает с диаграммой направленности симметричного вибратора.

Вдоль оси щелевой вибратор не излучает. Максимум диаграммы направленности наблюдается вдоль нормали к оси щели.

При в экваториальной плоскости щель не обладает направленными свойствами.

 

 

,

где - сопротивление излучения симметричного вибратора.

- проводимость излучения щели

-  комплексная величина.

-  комплексная проводимость щели.

Щель обладает резонансными свойствами. Щель излучает в одну сторону. Проводимость излучения односторонней щели определяется по формуле

;

Питание вибраторных антенн.

Для питания антенн в диапазоне ультракоротких волн открытые линии из-за антенного эффекта обычно не используются, а большей частью для этой цели применяется экранированный, в частности коак­сиальный фидер.

Непосредственное присоединение коаксиального несимметричного фидера к симметричной антенне нарушает симметрию токов в ней и приводит к появлению тока на наружной поверхности экрана фидера. При непосредственном соединении, как показано на рис. 31, выходное напряжение фидера возникает не только меж­ду входными зажимами симметричного вибратора, но и между одним из зажимов вибратора (правым на рисунке) и оболочкой фидера. Напряже­ние между зажимами вибратора вызывает в нем симметричные токи, замыкающиеся с одной половины на другую, как показано сплош­ными линиями на рисунке. Напряжение между правой половиной вибратора и экраном кабеля вызывает дополнительный ток, замыкаю­щийся с этой половины вибратора на оболочку фидера, как показано пунктирными линиями. Появление тока снаружи экрана приводит к излучению фидера. Кроме того, нарушается симметрия токов в по­ловинах вибратора. Все это заметно искажает диаграмму направлен­ности антенны, что считается недопустимым.

Поэтому для соединения коаксиального фидера с симметричной антенной применяются специальные переходные устройства, назы­ваемые также симметрирующими устройствами. Основная задача, которую они выполняют, заключается в обеспечении электрической симметрии каждой половины антенны относительно оболочки фидера.

На практике применяется довольно большое количество подобных переходных устройств. Наиболее распространенные из них рассмат­риваются ниже.

а) «U-колено». Схема симметрирующего устройства типа «U-ко­лено» показана на рис. 32. Центральный провод коаксиального фидера присоединяется к зажиму А левой половины вибратора. От этой точки напряжение к зажиму Б правой половины вибратора по­дается через участок кабеля длиной , где — длина волны в кабе­ле. Фаза напряжения на участке длиной изменяет свой знак на обратный. Поэтому к зажимам вибратора подводится требуемое про­тивофазное напряжение. Оболочки всех отрезков кабелей соединены между собой и заземлены. При указанной схеме питания обе половины вибратора совершенно симметричны относительно оболочки кабеля.

U-колено является трансформатором сопротивления по той при­чине, что входное сопротивление нагрузки общего фидера (Ф) между точками A3 в четыре раза меньше, чем входное сопротивление вибра­тора на зажимах АБ.

Схема U-колено может быть использована также для перехода с коаксиального кабеля на симметричный двухпроводный фидер, открытый или экранированный.

К недостаткам рассмотренного переходного устройства относит­ся то, что оно может применяться только при работе на одной волне или, точнее, в узкой полосе частот, так как геометрические размеры устройства связаны определенным образом с длиной волны.

б) «Четвертьволновый стакан». Переходное устройство типа «чет­вертьволновый стакан» показано на рис. 33. Металлический цилиндр («стакан») длиной в четверть волны охватывает с небольшим зазором внешнюю оболочку кабеля и припаян с нижней стороны к этой оболочке. Верхняя часть цилиндра не соединена с оболочкой и может быть закрыта диэлектрической шайбой. Внутренняя поверхность ука­занного цилиндра и наружная поверхность кабеля образуют четвертьволновую линию, короткозамкнутую на конце, входное сопротивление которой (на зажимах 2-3) при достаточно большом волновом сопро­тивлении этой линии будет очень велико.

Таким образом, зажим 1 антенны изолирован от наружной оболоч­ки кабеля непосредственно, а зажим 2 изолирован от оболочки (от точки 3) большим входным сопротивлением отрезка четвертьволновой линии. Следовательно, обе половины вибратора оказываются пример­но в одинаковых условиях относительно оболочки кабеля и симметрия вибратора не нарушается.

Сопротивление нагрузки для фидера (в точках 1-2) при точной настройке стакана остается примерно равным входному сопротивле­нию самой симметричной антенны.

Рассмотренное переходное устройство так же, как и «U-колено», является весьма узкополосным.

г) Симметрирующая щель. На рис. 34 показано переходное устройство в виде отрезка коаксиального фидера с двумя продольны­ми щелями. Длина каждой щели равна четверти длины волны (). Одна половина симметричного вибратора (левая на рисунке) присоеди­няется непосредственно к наружной оболочке кабеля; другая поло­вина (правая) присоединяется одновременно к центральной жиле и к оболочке кабеля. При таком соединении каждая половина вибратора оказывается совершенно симметричной относительно оболочки кабеля вследствие чего не нарушается симметрия токов в половинах вибра­тора. А вследствие того, что длина расщепленного участка оболочки составляет четверть волны, входные зажимы симметричного вибратора изолированы от сплошной оболочки фидера.

В рассмотренном переходном устройстве симметричное возбужде­ние сохраняется не только на резонансной волне но и при изменении длины волны. В последнем случае, однако, ухудшается согласование между коаксиальным фидером и вибратором. Тем не менее указанное переходное устройство является более ши­рокополосным, чем «U-колено» или «четвертьволновый стакан».

Сопротивление излучения вибратора.

Сопротивление излучения является одним из основных параметров проволочной антенны. Сопротивление излучения это коэффициент, связывающий мощность излучения антенны и квадратом действующего значения тока.

Для расчета сопротивления излучения используют два метода:

1) метод интегрирования вектора Пойтинга

2) метод наводимых ЭДС.

В обоих случаях сопротивление излучения определяется по формуле

где - действующее значение тока, к которому относится сопротивление . Однако способ определения мощности излучения антенны несколько отличается в каждом из упомянутых методов.

Рассмотрим сущность метода интегрирования вектора Пойтинга и его применение для расчета симметричного вибратора. Идея метода заключается в следующем. Предполагается, что рассматриваемая антенна расположена в свободном неограниченном пространстве. Антенна мысленно окружается замкнутой поверхностью (обычно сферой большого радиуса), и определяется поток мощности электромагнитных волн, проходящих через указанную сферу во внешнее пространство. Так как предполагается, что потери в пространстве, окружающем антенну, отсутствуют, поток мощности является мощностью излучения антенны:

Здесь - численное значение вектора Пойтинга, определяющее собой мощность, проходящую через единичную площадку, касательную к поверхности сферы; для свободного пространства

где - действующее значение напряженности электрического поля на площадке.

Таким образом, произведение определяет поток мощности через элементарную площадку , а интеграл в формуле определяет всю мощность излучения антенны.

Подставляя в , получаем

Рассчитаем рассмотренным методом сопротивление излучения тонкого симметричного вибратора с синусоидальным распределением тока. Действующее значение напряженности поля, создаваемого таким вибратором, можно определить с помощью выражения

Учитывая, что в сферических координатах

,

получаем

Для симметричного вибратора не зависит от . Поэтому сопротивление излучения, отнесенное к току в пучности,

Интеграл в правой части равенства не выражается через элементарные функции. Произведя интегрирование, можно для получить следующее выражение:

где - интегральный синус от аргумента ; - интегральный косинус от аргумента ; - постоянная Эйлера.

Рис. 35. Сопротивление излучения тонкого симметричного вибратора, отнесенное к току в пучности, в зависимости от .

Как видно из рисунка, при увеличении отношения в начале сопротивление излучения вибратора возрастает. Это объясняется тем, что пока приблизительно меньше , ток по всей длине вибратора остается синфазным (т. е. имеет одно направление вдоль провода) и с увеличением длины провода так же, как и в случае элементарного электрического диполя, мощность излучения и соответственно сопротивление излучения увеличивается. Когда длина вибратора становится больше, чем , на вибраторе появляются участки с током противоположной фазы, что при том же токе в пучности приводит к уменьшению мощности и сопротивлению излучения. Так можно объяснить ход кривой в пределах . При дальнейшем увеличении отношения кривая имеет колебательный характер с максимальными значениями при четном числе и минимальными при нечетном числе полуволн, укладывающихся по длине вибратора.

Необходимо особо отметить два значения сопротивления излучения: Ом для тонкого полуволнового вибратора и Ом для волнового .

Помимо сопротивления излучения у симметричного вибратора различают еще входное сопротивление

Активная составляющая входного сопротивления может быть определена

Значение реактивной составляющей входного сопротивления симметричного вибратора может быть определено

Рис. 36. Кривые активной и реактивной составляющих входного сопротивления тонких вибраторов в зависимости от .

Как показывает строгая теория и опыт, у тонкого вибратора, общая длина которого точно равняется половине длины волны,

Ом

т. е. входное сопротивление, кроме активной, имеет еще индуктивную составляющую. По мере увеличения толщины вибратора длиной эта реактивная составляющая уменьшается по величине, в то время как активная составляющая изменяется незначительно.

Анализ этих графиков показывает что:

1) При изменение в пределах входное сопротивление имеет два резонансных участка.

При - последовательный резонанс

При - параллельный резонанс

При - имеет отрицательный характер.

При утолщении проводника (возрастает ) резонансное значение уменьшается, особенно для параллельного резонанса.

2) Чем толще вибратор, тем слабее выражена частотная зависимость входного сопротивления вибратора, т. е. полоса частот расширяется, добротность уменьшается.

Коэффициент направленного действия вибратора.

При известной величине мощности излучения легко может быть определен коэффициент направленного действия симметричного вибратора, т. е. отношение величины вектора Пойтинга в данном направлении к средней величине вектора Пойтинга на поверхности полной сферы, охватывающий вибратор (при одинаковых расстояниях в обоих случаях).

Понятие коэффициента направленного действия диполя ввел советский ученый в 1929 г.

Коэффициент направленного действия в максимальном направлении поля излучения

в направлении

Подставив в выражение для формулу и , получим расчетную формулу

Обратим внимание на три характеристичные цифры

По известным значениям коэффициента направленного действия и сопротивлению излучения можно найти действующую длину вибратора, приведенную к входному току

Действующая длина вибратора определяется равновеликой площадью входного тока.