Симметричный щелевой вибратор

Лекция 6. Симметричный щелевой вибратор.

6.1 Питание вибраторных антенн.

6.2 Сопротивление излучения вибратора.

6.3 Коэффициент направленного действия вибратора.

6.4Конструкции вибраторных антенн.

6.5 Симметрирование полуволнового вибратора при запитке его коаксиалом.

6. 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

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

;

6.1 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».

6.2 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.

6.3 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.

Действительно, интегрируя функцию по всей длине вибратора и отнеся этот интеграл к , получим

Следовательно, под можно понимать длину гипотетического вибратора с равномерным распределением тока, который в направлении максимального излучения создает ту же напряженность поля, что и реальная антенна.

Например, для полуволнового вибратора его полной длины , а для очень короткого вибратора - половину его полной длины .

6.4 Конструкции вибраторных антенн.

а) Простейшей и наиболее распространенной антенной является полуволновой вибратор. При подключении двух проводной линии к полуволновому вибратору КСВ ко входу равна . Поэтому требуется настройка линии на бегущую волну.

б) вибратор с шунтовым питанием настройка достигается путем подбора размеров и . В точке узел напряжения и это дает возможность крепить вибратор к опоре без изолятора.