книги / Основы радиотехники и антенны. Антенны

и излучает в обратном направлении значительно слабее, чем в пря­ мом. При соответствующей длине антенны можно полностью исклю­ чить обратный прием. Кроме того, в диаграмме направленности ан­ тенны бегущей волны (рис. 5.31, а) слабо выражены боковые лепест­ ки. Все это позволяет получить сравнительно высокий коэффициент

5. Множитель 2sin(P/isin6) в уравнении (84) указывает на то, что в вертикальной плоскости направление максимального приема образует угол 6маКс с идеально проводящей поверхностью земли (рис. 5.31, б):

^макс Ah ’

где Х0 = (1,25 -т- 1,3)ХМИН. Это соответствует высоте антенны h = = (0,5 -г 1)Х0 (обычно h = 16 м).

отличается диапазонными свойствами. Она не требует согласующих элементов, а ее диаграммма направленности сохраняет свою форму при отношении Ямак<Дмин < 2 -f- 2,5.

В последнее время антенны бегущих волн с развязывающими конденсаторами все больше вытесняются аналогичными антеннами с активными развязывающими сопротивленими (БС). Последние свободны от недостатков, связанных с применением емкостей Ск, так как активные сопротивления не зависят от частоты.

Наряду с отмеченными достоинствами антенна бегущей волны имеет существенный недостаток, не позволяющий использовать ее в качестве передающей — весьма низкий к.п.д. (единицы процен­ тов). Это обусловлено большими потерями в поглощающем сопро­ тивлении и развязывающих элементах.

АНТЕННЫ УЛЬТРАКОРОТКИХ ВОЛН

36. Общие сведения

Ультракороткие волны применяются в радиолокации, для пе­ редачи радиовещательных программ с частотной модуляцией в те­ левидении, для многоканальной радиосвязи и для других целей. Основанием для такого широкого применения диапазона УКВ яв­ ляется возможность осуществления в этом диапазоне широкополос­ ной модуляции, остронаправленного излучения и приема.

Конструкция антенны УКВ зависит от того, в какой части диа­ пазона работает антенна. Конструкция зависит также, для какого вида аппаратуры антенна предназначена. Например, телевизионные передающие антенны должны обеспечивать широкую полосу про­ пускания порядка 6 Мгц и ненаправленное излучение. Для макси­ мальной дальности связи требуется поднять передающую телеви­ зионную антенну на высоту до нескольких сот метров.

Радиовещательные антенны в сганциях с частотной модуляцией также должны быть ненаправленными и иметь хорошую частотную характеристику, но в более узкой полосе, чем телевизионные. И те­ левизионные, и радиовещательные антенны УКВ работают на метро­ вых и дециметровых волнах при горизонтальной поляризации.

Отличительной особенностью радиолокационных антенн являет­ ся то, что форма их диаграмм направленности должна удовлетворять требуемому для поиска цели обзору пространства и требуемой точ­ ности измерения ее координат. Направленные радиолокационные антенны имеют игольчатые, конические, веерные и специальные диаграммы направленности.

Игольчатая диаграмма направленности (рис. 6.1, а) симмет­ рична относительно ее максимума и имеет малую ширину порядка нескольких градусов или долей градуса. Антенны с такой диаграм­ мой применяются для точного определения обеих угловых коор­ динат объекта.

Диаграмма направленности антенны, применяемой для кони­ ческого обзора (рис. 6.1, б), в основе своей игольчатая, но ось этой диаграммы не совпадает с осью вращения антенны. Вследствие

^того ось диаграммы направленности описывает в пространстве конус. Система конического обзора отличается повышенной точ­ ностью определения угловых координат по сравнению с обзором при помощи обычной игольчатой диаграммы направленное!и.

Чтобы увеличить объем пространства, одновременно облучае­ мый антенной, лучше использовать антенну с веерной диаграммой направленности, которая в одной плоскости имеет малую ширину угла, а в другой, перпендикулярной плоскости, — значительно большую (рис. 6.1, в). Веерная диграмма направленности позволяет точно определить только одну угловую координату, а другая угло­ вая координата определяется грубо.

Рис. 6.1 . Диаграммы направленности антенн УКВ:

а — игольчата i; б —коническая; 9 —веерная; г — косеканс-квадратная.

Примером специальной диаграммы направленности может слу­ жить косеканс-квадратная диаграмма (рис. 6.1, г), которая тре­ буется, в частности, для того чтобы мощность на входе приемника самолетной радиолокационной станции не зависела от наклонной дальности г в пределах заданного угла обзора земной поверхности. При косеканс-квадратной диаграмме направленности плотность потока мощности увеличивается с уменьшением угла 6, отсчиты­ ваемого от горизонта.

Антенны УКВ делятся по расположению в них элементов из­ лучения на линейные и поверхностные. К линейным антеннам УКВ относятся одиночные полуволновые вибраторы (простейшие, пет­ левые) и решетки из этих вибраторов (синфазные антенны). В по­ верхностных антеннах излучение и прием осуществляются боль­ шими поверхностями, по которым протекают токи СВЧ. Здесь име­ ются в виду рупорные, параболические, линзовые и другие антенны.

Существенные различия имеются между антеннами УКВ, возбуждаемыми по чаконам стоячих волн и бегущих чолн. Первые, например, полуволновый вибратор и синфазная антенна, обладают

резонансными свойствами, а вторые (директорные, спиральные, поверхностных волн и волноводно-щелевые) этими свойствами не обладают.

Поверхностные антенны имеют две особенности. В то время как линейные антенны участвуют и в преобразовании тока высо­ кой частоты в электромагнитные волны и в концентрации волн в определенных направлениях, в поверхностных антеннах эти функ­ ции разделены. Первая задача решается облучателем (которым, в частности, может быть линейная антенна), а вторая (формирование диаграммы направленности) выполняется собственно поверхностной антенной; при этом существенную роль играет дифракция воли.

Вторая особенность поверхностных антенн состоит в том, что наиболее типичные из них (с зеркалами и линзами) приближаются к оптическим системам. Световые волны легко формируются в очень узкие пучки, так как линейные размеры оптических систем несоиз­ меримо больше длины волны света (к = 0,4 -г- 0,7 мк), а из всего радиотехнического диапазона только на миллиметровых и санти­ метровых волнах можно создать весьма значительное превышение размеров антенны над длиной волны. Это определяет возможность применения на сантиметровых и миллиметровых волнах оптических методов остронаправленного излучения и приема.

Полуволновый и петлевой вибраторы относятся к слабонаправ­ ленным антеннам, синфазные и все поверхностные антенны — к остронаправленным, а антенны диэлектрические, поверхностных волн, спиральные и «волновой канал» занимают промежуточное положение между ними.

Имеется еще одна характерная черта антенн УКВ: в связи со сравнительно высокой направленностью и большой высотой подвеса эти антенны в большинстве случаев не облучают землю и потому не вызывают потери энергии в ней.

37. Одиночные линейные вибраторы ультракоротких ьолн

Электрические полуволновые вибраторы. В диапазоне УКВ полуволновый вибратор имеет сравнительно малую длину. Обычно такой вибратор изготовляют в форме сплошного или полого метал­ лического цилиндра с диаметром d, достаточно большим, чтобы по­ лучить тупую резонансную кривую и обеспечить широкую полосу пропускания. Вследствие малой длины волны X (большого отноше­ ния d/k) это осуществляется легко.

При использовании полуволнового вибратора в качестве антен­ ны УКВ практический интерес представляет система крепления и питания вибратора. Для уменьшения потерь в антенне и увели­ чения ее механической прочности целесообразно применить метал­ лический изолятор. При питании полуволнового вибратора в пуч­

ности тока его входное сопротивление (Rex = Rz„ = 73,1 ом) значительно меньше, а при питании в пучности напряжения —

значительно больше (RBS — 20л//?еп = 10 -г 14 ком) волнового сопротивления двухпроводной линии (ZB<t>= 300 -г- 650 ом). Поэто­ му питание полуволнового вибратора через двухпроводный фидер без согласующих устройств происходит при высоком коэффициенте стоячей волны kCD.

Коэффициент kCB можно понизить, применив параллельное (шунтовое) включение двухпроводного фидера по схеме рис. 5.5 или петлевой вибратор (рис. 6.2), предложенный А.А. Пистолькорсом в 1936 г.

Рис. 6.2. Петлевой вибратор:

а —схема; б —распределение напряжения и тока в вибраторах В х и В 2.

Петлевой вибратор (шлейф-антенна). Он состоит из двух полу­ волновых вибраторов, включенных параллельно. Такой способ вклю­ чения означает, что заряды (потенциалы) обоих вибраторов в край­ них точках а, b равны, а следовательно, токи в одинаковых вибра­ торах Bt и В2 совпадают по направлению и величине.

Мощности излучения вибраторов В1 и В2 соответственно равны

Pzi = (Rn + Я12) 7п.

Рта = ( R 22 "Ь Р ц ) И

где Ru , Rl2 — собственные сопротивления излучения вибраторов; Rn, R 2i — сопротивления излучения, вносимые из одного виб­

ратора в другой; /п — действующее значение тока в пучности, к которому

отнесены указанные сопротивления.

Обычно расстояние между вибраторами составляет малую долю от длины волны и поэтому вносимые сопротивления можно считать равными собственным:

Rl\ — R 12 — ^12 “ Rl\'

Отсюда мощность излучения всего петлевого вибратора равна

Pz = Ри1+ Ря2 = 47?u /„,

а сопротивление излучения антенны в четыре раза больше, чем у одиночного полуволнового вибратора:

/?s = ^ f = 4/?u = 4-73,1=292,4 ом.

Это позволяет получить удовлетворительное согласование с двухпроводным фидером, включенным в пучность тока. Наша промышленность выпускает двухпроводный ленточный фидер КАТВ, имеющий ZB(j, = 300 ом, который не требует согласующих устройств для питания петлевого вибратора.

В диапазоне УКВ коаксиальный фидер имеет преимущества перед двухпроводным, в силу которых при большой длине питающей линии предпочтительнее применять схемы с коаксиальным фидером. Коаксиальный фидер с волновым сопротивлением ZBф = 75 ом легко согласуется с обычным полуволновым вибратором, но так как коак­ сиальный фидер несимметричный, то необходимо принять меры к сохранению симметрии в полуволновом вибраторе. Если же этого не сделать, то в половине вибратора, присоединенной к внутреннему проводу фидера, пройдет больший ток, чем в другой половине, за счет некоторого тока, ответвляющегося с внутренней поверхности внешнего провода фидера на его наружную поверхность. Под влия­ нием тока, протекающего по наружной оболочке фидера, возникает антенный эффект и искажается диаграмма направленности устрой­ ства.

Для симметрирования можно использовать схемы с применени­ ем четвертьволнового стакана (рис. 6.3, а) или U-колена (рис. 6.3, б). В первой схеме на коаксиальную линию надевают металлический стакан / = V4, дно которого соединяется с внешним заземленным проводом фидера. При этом получается четвертьволновая короткозамкнутая линия, входное сопротивление которой между точками а — b очень велико. В результате точка Ъ оказывается изолирован­ ной от заземленного стакана, и ток, проходящий внутри фидера, на его внешнюю оболочку не ответвляется.

Во второй схеме внутренний провод коаксиальной линии через {/-колено разветвляется к обеим половинам симметричного вибрато­ ра, причем длина пути тока к одной половине вибратора на Х/2 боль­ ше, чем к другой. Этим достигается противоположная полярность потенциалов в точках а, b вибратора и полная симметрия выходного напряжения относительно земли. Одновременно происходит транс­ формация сопротивлений, которая, в частности, зависит от раз­ мера V Рассмотрим два примера применения схемы с (/-коленом в приемных телевизионных антеннах (рис. 6.4, а).

няющаяся между этими вибраторами в пространстве. Тогда каж­ дый вибратор усиливает волну по мере ее движения в главном на­ правлении, т. е. директорная антенна представляет собой решетку линейных электрических вибраторов, возбуждаемых по принципу антенн бегущих волн.

Поле, в котором находятся пассивные вибраторы, сложное: оно состоит из поля излучения и поля индукции. сИи поля к тому же усложняются взаимодействием активного и пассивного вибраторов. Существенно и то, чю ток в пассивном вибраторе всегда меньше тока в активном.

Рис. 6.5. Антенна типа «волновой канал».

Диаграмма направленности антенны, состоящей из активного и пассивного вибраторов, зависит от угла сдвига фазы у тока в пас­ сивном вибраторе относительно тока в активном. Этот угол равен сумме углов сдвига фазы напряжения, наводимого в пассивном вибраторе, относительно тока в активном вибраторе (ух) и сдвига фазы тока в пассивном вибраторе относительно напряжения, наводимо­ го в этом вибраторе (у2):

V = ?1 + V2-

Угол у, зависит от расстояния между вибраторами s, а уго^ у2 определяется длиной пассивного вибратора, т. е. степенью откло­ нения его от резонанса.