книги / Основы радиотехники и антенны. Антенны
.pdfИсследуем эту функцию:
I.Для того чтобы определить направления нулевого излуче
ния (ф = ф0) достаточно приравнять нулю множители 81Пфо = 0 и sin | ^ ( ] —cos cp0)J = 0.
Равенство sin ф0 = 0 дает ф0=0, т. е. вдсль провода любой длины,
обтекаемого бегущей волной тока, излучения не происходит. Причи на этого заключается в отсутствии излучения вдоль оси каждого элементарного вибратора, из которых составляется провод.
Второе равенство дает
cos ф0) = &Я
или |
|
cos ф0 = 1 — |
1-----(80) |
где/? = 0; 1; 2; 3;... определяет число нулевых направлений в пре делах одной четверти диаграммы направленности. Имея в виду воз можные значения косинуса (—1 < cos ф0 < 1), убеждаемся, что с удлинением провода (/) увеличивается число боковых лепестков
(k) |
в диаграмме направленности: если / = 1,5Х, то k == 1; при / = |
= |
пХ k = п (рис. 5.25). |
Таким образом, диаграмма направленности длинного провода, обтекаемого бегущей волной тока> содержит большое количество бо ковых лепестков.
2. Направление максимумов лепестков диаграммы направлен' ности примерно определяется из условия
sinj r О —С08фма-М)]= 1 ,
которое |
удовлетворяется |
при |
|
|
|
|
|
|
Т ( 1 ~ COS Фма.<с) = |
(26 + |
•) |
я_ |
|
||
|
2 9 |
|
|||||
|
|
(2* + 1) J |
.2 |
|
№ + 1)1 |
|
|
|
COS фмакс 1 |
о/ |
|
= |
1 ~ |
9 |
|
|
|
21 |
|||||
где k = |
0, 1, 2, 3, |
|
|
|
|
|
|
Максимум основного лепестка диаграммы направленности соот |
|||||||
ветствует /г = 0: |
|
|
|
|
|
|
|
|
cos cpj макс = |
1 |
2i |
• |
|
(8О |
|
Отсюда следует вывод, что направление максимального излу чения провода с бегущей волной тот составляет с проводом угол, который уменьшается сувеличением отношения длины провода к дли- не волны.
3. Согласно диаграммам направленности (рис. 5.25), рассчи танным по уравнению (79), провод, обтекаемый бегущей волной тока, обладает однонаправленным излучением. Это согласуется с тем, что в режиме бегущих волн энергия движется только от генератора к нагрузке. Если же в проводе возникает отраженная волна, как в симметричном вибраторе, то появится такое же излучение в обрат ном направлении и диаграмма направленности станет симметричной относительно прямой, перпендикулярной проводу (ср = 90°, 270°).
Практический вывод: в антеннах с бегущей волной тот не тре буется рефлектор, а в антеннах со стоячей волной однонаправлен ное излучение возможно только при наличии рефлектора.
Принцип действия и свойства ромбических антенн. Возвратимся к схеме ромбической антенны (рис. 5.23). Острый угол ромба уста
навливается равным 2ф1Макс, где ф^акс = arccos (1 — ^) — угол
между первым максимумом излучения провода с бегущей волной тока и его осью [см формулу (81)]. Благодаря этому основные лепестки а1, а2, Д3, а4 диаграммы направленности всех четырех проводов совпа дают по форме и направлению. Значит ромбическая антенна обладает направленным действием, максимум которого совпадает с направле нием большой диагонали ромба.
Как видно из формулы (81), при достаточно большой длине про вода (/ > 4А.) изменение длины волны не меняет существенно угол Ф1макс и направление максимального излучения ромбической антен ны сохраняется постоянным в широком диапазоне волн. Удовлет-
162
воряется и второе условие образования диапазонной антенны: хоро шее согласование фидера и антенны достигается независимостью входного сопротивления антенны ог частоты.
В ромбической антенне исключено увеличение напряжения и тока на отдельных участках провода, которое получается в антеннах с использованием стоячей волны тока. Отсюда вытекает дополни тельное преимущество ромбической антенны: можно значительно увеличить мощность излучения по сравнению с другими антеннами. Ромбическая антенна очень проста и удобна в эксплуатации, имеет сравнительно малую высоту (до 50 м), но по направленным свойствам и к.п.д. уступает антеннам СГ, СГД и КГ
Рис. 5.26. Конструктивное выполнение простой ромбической антенны.
Наличие боковых лепестков в диаграмме направленности ан тенны выражено в еще большей мере, чем в диаграмме направлен ности отдельных проводов. На рис. 5.23 видно, что даже основные лепестки (&', Ь \с ' , с") диаграммы направленности отдельных прово дов ромба образуют боковые лепестки в диаграмме направленности всей антенны. На излучение в боковых направлениях бесполезно затрачивается много энергии, поэтому коэффициент направленного действия ромбической антенны обычных размеров не превышает 125—150.
Существенным недостатком ромбической антенны является ее низкий к.п.д., обусловленный тем, что часть энергии, поступающей от генератора, поглощается в сопротивлении нагрузки R и не рас ходуется на излучение.
Низкий к.п.д. описанных ромбических антенн, который не превышает 75—80%, а в среднем равен 60—70% и сравнительно малый коэффициент направленного действия определяют относитель но низкий коэффициент усиления антенны.
Для магистральных |
линий |
связи |
протяженностью 900 км |
|||
Г 3. |
Айзенберг рекомендует |
Ф = 60е, |
/ = 2Х0 |
и Л = 0,5Хо что |
||
соответствует антенне |
п г |
60 л г |
а для |
линии |
протяженностью |
|
FI |
|
|||||
свыше |
1500 км—антенну |
РГ |
1(Ф = 65е, I = 4Х0 и И = %0). |
|||
Обычно простая ромбическая антенна осуществляется таким образом, что каждая сторона ромба образуется двумя проводами, которые расходятся к вершине тупого угла и сходятся у вершины острого (рис. 5.26). Это позволяет компенсировать уменьшение погонной емкости, обусловленное удалением проводов 1—4 и 2—3 друг от друга, и таким образом сохранить постоянным волновое сопротивление антенны по ее длине.
В приемных антеннах поглощающее сопротивление — непро волочное или изготовленное из тонкого провода (безреактивное), а в передающих антеннах — это линия длиной в сотни метров, из готовленная из хромоалюминиевой (фехрали) или стальной («же лезная линия») проволоки. Поглощающая линия располагается на невысоких столбах вдоль большой диагонали ромба. Материал и раз меры поглощающей линии выбираются с учетом того, что в ней теряется до 20—40% мощности, подводимой к антенне.
Ввиду отмеченных недостатков простую ромбическую антенну усовершенствовали. Г 3. Айзенберг предложил схему двойной ром
бической антенны, обозначаемой РГД р ti |
|
||
Эта |
антенна |
(рис. 5.27) состоит из |
двух одинаковых ромбов |
/,2 , 3, |
4 и /',2 ', |
3', 4't которые смещены в горизонтальной плоско |
|
сти (по малой диагонали ромба) на 0,8Х0 |
к0и вкючены параллельно |
||
у входных а—by а'— Ь' и выходных с—d, c'—d' зажимов. Поглощаю щее сопротивление 5 является общим для обоих ромбов. Взаимное расположение ромбов таково, что поля наиболее значительных бо-
164
ковых лепестков оказываются в противофазе и уничтожаются. Это намного увеличивает коэффициент направленного действия антенны.
Дальнейшее принципиальное усовершенствование ромбических антенн было сделано М. С. Нейманом, предложившим использовать в антенне обратную связь (рис. 5.28) для увеличения ее к.п.д. В этой антенне поглощающее сопротивление заменено фидером 5, который соединяет выхода— Ь ромба 1—2 — 3—4 с входом с—d ромба / ' — 2 '—3 ' —4* Благодаря такому соединению поглощается лишь та мощность, которая не использована обоими ромбами для излуче ния. Это составляет 3—5% мощности, подведенной к антенне, и к.п.д. такой антенны достигает 95—97%. Соответственно увеличи вается и коэффициент усиления антенны.
Рис. 5.28. Ромбическая антенна с обратной связью.
Недостаток ромбической антенны, предложенной М. С. Нейма ном, заключается в ограничении ее диапазонных свойств, связан ном с необходимостью изменения длины фидера обратной связи при переходе с одной волны на другую. Путь тока по замкнутому конту ру должен быть равен или кратен длине волны; следовательно, при данном значениии А длина линии 5 должна быть вполне определен ной. При использовании кратных волн для дневной и ночной связи необходимые фазовые соотношения получаются без изменения длины фидера обратной связи.
Волновое сопротивление одинарной ромбической антенны 600— 700 ом, в связи с чем между генератором и входом такой антенны включается открытая двухпроводная линия с волновым сопротив лением г вф = 600 ом без согласующих элементов. Волновое сопро тивление двойной ромбической антенны 300—350 ом и потому в ка честве главного фидера антенн РГД используется четырехпроводный 300-омный фидер. В ромбической антенне Неймана применяются экспоненциальные фидеры.
Диапазон рабочих волы для антенн РГ и РГД широкий: от Амин= - (0,6 -г- 0,8Я0 до ХМакс = (1,5 -т- 2)Х0. Дальнейшее расширение диапазона не рекомендуется, так как оно приводит к значительному изменению электрической длины сторон ромба, а следовательно, и коэффициента усиления антенны.
35. Антенна бегущей волны
Принцип действия. Для приема коротких волн, как правило, используются диапазонные антенны, в том числе горизонтальный симметричный вибратор, относящийся к слабонаправленным антен нам, ромбические антенны РГ и РГД и антенны бегущей волны, об ладающие значительной направленностью.
Рис. 5.29. Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы ан тенны бегущей волны и ориентация волны относительно антен ны (в).
Антенна бегущей волны (рис. 5.29, а) состоит из двухпровод ной линии А В, CD, которая в начале соединяется с входом прием ника, а в конце замкнута на активное сопротивление, равное вол новому сопротивлению линии R = ZB и N симметричных вибра торов, подключенных к двухпроводной линии на равном расстоянии
/j через конденсаторы Ск. Половина длины одного вибратора равна
112.Антенна расположена горизонтально на высоте h над землей. Одиночная антенна бегущей волны такого вида обозначается
БЕ тупу* Л, где БЕ означает «Бегущая емкостная». Антенны бегущей if11\
волны с емкостной связью, в которых для усиления направленности используются два параллельно включенных полотна, обозначаются
БЕ2 -j^ .^ h . Здесь h, I и /х выражены в метрах, а Ск — в пикофарадах.
Электромагнитные волны, пересекая симметричные вибраторы 1; 2; 3;...; N, возбуждают в них соответственно э.д.с. эи э2, э3,..., эм- Поэтому в эквивалентной схеме антенны (см. рис. 5.29, б) вибра торы заменены источниками э.д.с. э1у э2, эг,...уэм с входными сопро тивлениями Zвх1, ZIJX2,..., ZBxN (между al t bi f a2b2i---t aNbM)- Каждый источник э.д.с. вызывает в линии одну бегущую волну напряжения и тока в направлении к сопротивлению /?, а другую — в направле нии к приемнику. Так как R = Z B то первая волна полностью по глощается в нагрузке и не имеет влияния на э.д.с. З а, поступающую в приемник.
Расстояние между проводами линии значительно меньше длины волны. В связи с этим э.д.с., индуктируемые непосредственно в сим метричных сечениях линии (например, в dxx и dx2), равны по вели чине и по фазе, и так как они направлены навстречу друг другу, то линия не участвует в создании э.д.с. на входе приемника. Роль ли нии заключается лишь в том, чтобы подвести э.д.с. от всех вибра торов к приемнику, поэтому линия и называется собирательной.
Антенна бегущей волны имеет остронаправленное действие. Процесс появления э.д.с. Эа на входе приемника можно представить состоящим из возбуждения э.д.с. в вибраторах и распространения этих э.д.с. по собирательной линии в виде бегущих волн от вибра торов до входных зажимов приемника.
Допустим, что фазовая скорость электромагнитных волн оди накова как в собирательной линии, так и вне ее. Если при этом усло вии электромагнитная волна П приходит (см. рис. 5.29, в) со сто роны сопротивления R и направлена вдоль линии (ср = 0°), то сна чала э.д.е. (эм) будет индуктироваться в вибраторе N. Когда же э.д.с. эм будет передана по линии к вибратору N — 1, то в этом виб раторе будет индуктироваться дополнительная э.д.с. эм- \ , обуслов ленная электромагнитными волнами, которые распространяются независимо от линии. Теперь от вибратора N — 1 по линии передает ся удвоенная э.д.с. 2э. Когда эта э.д.с. достигнет вибратора N — 2, то на его зажимах появится э.д.с. 3э, поскольку электромагнитные волны, идущие от передатчика, пересекают в этот момент вибратор N — 2. Таким образом, каждый вибратор антенны усиливает волну напряжения, бегущую от нагрузки к приемнику, и амплитуда э.д.с. на входе приемника Эт получается в N раз больше амплитуды э.д.с. Э1т, подводимой от одного вибратора.
Если же электромагнитная волна приходит с противополож ного направления (ф = 180°), то она индуктирует э.д.с. ^ с опере жением по фазе относительно э2 на р/ь относительно э3 на 2р1Х и т. д.; кроме того, волна тока в линии пройдет от эхдо приемника путь 1Ъ от э2 — больший путь 2/lf от э3 —- расстояние 31г и т. д., что в рав ной мере увеличит отставание по фазе. В результате между э.д.с. на входе приемника от соседних вибраторов существует сдвиг по фазе на 2р/ь за счет которого эти э.д.с. суммируются неполностью. Все это показывает, что антенна бегущей волны обладает направлен ностью.
Диаграммы направленности. В реальных условиях электро магнитные волны распространяются в воздухе со скоростью с и имеют длину волны к = с//, а волны э.д.с. и тока распространяются в линии с несколько меньшей скоростью v и длиной волны Ал = = v/f. Причина этого заключается в том, что длина каждого вибра тора 1Хне превышает А /4 и в его входном сопротивлении содержится составляющая емкостного характера, за счет которой возрастает погоннвя емкость собирательной линии и уменьшается скорость v по сравнению со скоростью с. Отношение k3 = civ = к1кл называет ся коэффициентом замедления.
В направлении угла ф электромагнитная волна проходит к каж дому последующему вибратору 1; 2; 3;...; N путь, меньший на 1Хсоэф, что соответствует опережению по фазе э.д.с. эм относительно э ^ \
на угол ^ lx cos ф. С другой стороны, волна э.д.с. и тока поступает
к приемнику от вибратора N с отставанием по фазе относительно
э.д.с. и тока от вибратора N — 1 на угол т— Следовательно, между
э.д.с. на клеммах приемника от соседних вибраторов имеется сдвиг по фазе
|
2яU |
2я , |
|
11, = |
Т Г ~ |
Т /хС03(Р = |
|
= |
— C0S4>) = X i (^3—cos<p). |
(82) |
|
Чтобы определить |
множитель решетки /р (ф), выражающий |
||
интерференцию полей N ненаправленных вибраторов, |
можно при |
||
менить векторную диаграмму, аналогичную использованной при исследовании многовибраторных антенн со стоячей волной тока. В обоих случаях амплитуды э.д.с. (поля) ЭЬп от каждого вибратора одинаковы, а фазы их отличаются на угол ф от одного вибратора к другому. Следовательно, результирующая э.д.с. антенны бегущей волны
sin щ
Э ,= Э 1т
sin
а множитель решетки
s in - ^ - s i n E ^ ( * a-Coscp)
SinT |
sin ^ y i(fe a — cos-p) |
Умножив этот коэффициент на функцию направленности одного вибратора /х(<р), получим уравнение диаграммы направленности всей антенны Дф) в горизонтальной плоскости. Имея в виду, что длина вибратора / < Х/2, положим /,(ф) = , как для диполя Герца. Тогда
cm nNli (k*—cos cp)
/ (Ф) = f1(Ф) f р (Ф> = cos ф |
(83) |
sin -Д |
(£3 — cos Ф) |
К |
|
Рис. 5.30. Векторная диаграмма сложения полей (э.д.с.) решетки вибраторов с равными амплитудами токов.
Вибраторырасположены горизонтально, и каждый из них не обладает направленностью в вертикальной плоскости. Следователь ноуфункция направленности антенны в этой плоскости содержит только два множителя, один из которых учитывает интерференцию волн отдельных вибраторов, а другой — влияние земли на из лучение антенны:
|
• |
nNL |
,, |
... |
|
|
|
sin |
— Л-1 |
(&8 — |
cos о) |
/г sin 6 |
(84) |
|
m |
|
|
2 sin |
||
|
sin |
(kQ— cos Ь) |
|
|
||
|
|
К |
|
|
|
|
Исследуем функции направленности f(ф) и /(б). |
|
|||||
1. |
Множитель соэф указывает на то, что каждый отдельно взятый |
|||||
вибратор имееет тупой максимум приема (излучения) вдоль оси ан |
||||||
тенны бегущей волны (ф = |
0). Если бы множитель решетки /р(ф) дал |
|||||
максимум также при ср = 0 то такой случай соответствовал бы осе |
|||||||
вому приему (излучению), который наиболее желателен. |
|
|
|
||||
2. |
Из рис. 5.30, а видно, |
что результирующая э.д.с. Эт макси |
|||||
мальна, |
когда э.д.с. |
Э1т,Эмт крайних вибраторов (1-го |
и N-го) |
||||
имеют сдвиг по фазе, |
равный л (или любому нечетному |
числу |
л), |
||||
т. е. когда векторы |
их направлены в противоположные |
стороны. |
|||||
Поскольку каждый последующий вектор э.д.с. отклонен |
на |
угол |
|||||
2тс/ |
|
|
|
вектора, то можно за |
|||
ф = —j 1 (k3 — coscp) относительно данного |
|||||||
писать |
условие максимального |
излучения |
антенны так: |
фЛ'—л |
|||
или |
|
|
|
|
|
|
|
X |
( k 3—cos ср)= я. |
(85) |
2лlt N |
|
|
Произведение Nlx = /д — длина антенны [точнее, расстояние между крайними вибраторами равно (N — 1)/J. Назовем коэффи циент k3 = k3оп-м при котором антенна производит в осевом на правлении (ф = 0) прием (излучение) с максимальным коэффициен том направленного действия, оптимальным коэффициентом замед ления. Подставив в выражение (85) = /д, ф = 0 и k3 = йзопт, находим
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
д а |
откуда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ь |
= |
1 |
|
|
|
|
(87) |
|
|
|
^3 опт |
|
1 |
|
|
|
|
||
Если |
бы |
в линии не было замедления |
волны |
(v = c. а |
/^= 1), |
||||||
то в |
осевом |
направлении |
(ф = 0) |
угол |
ф |
был |
бы |
равен нулю |
|||
[ |
2^1 |
|
2л/д |
|
|
"1 |
|
|
|
|
|
ф = — |
(А3—cos ф) = |
(1 — 1) = 0 и все векторы на диаграмме |
|||||||||
рис. 5.30, а |
совпали бы по |
направлению. Тогда |
Эт^Ы Э 1т т. е. |
||||||||
подтверждается сделанный |
ранее |
вывод, |
что при v = c |
э. д. с. |
|||||||
антенны, |
соответствующая ссевому направлению, в N раз |
больше, |
|||||||||
чем |
э. д. |
с. |
одного вибратора |
[множитель |
решетки |
/ р(ф) = Л^]. |
|||||
Вреальных условиях существует замедление волны в линии,
иесли оно подобрано неправильно, то в осевом направлении прием (излучение) ослабляется, а при некотором критическом значении k3 = k3Кр даже полностью исчезает. Согласно векторной диаграмме (рис. 5.30, б) это имеет место при сдвиге по фазе между э.д.с. край них вибраторов на 2я (четное число я), т. е. при А^ф =* 2л. Подста вив сюда выражение (82)
Ф = |
~ cos ф) = ~ш (/гз “Р ~ ^ |
имеем
Л/ 2^ а
N - W T ( k 3Kp- l ) = 2 n