книги / Основы радиотехники и антенны. Антенны

центром) всего вибратора, а второе означает, что излучаемые волны сферические.

Первые два множителя определяют амплитуду напряженности

Это функция угла 0, т. e. амплитуда напряженности поля сим* метричного вибратора вследствие интерференции полей элементар­ ных участков вибратора изменяется в меридиональной плоскости.

Обратная пропорциональность амплитуды поля Ет и расстояния от вибратора г — еще один признак того, что симметричный вибра­ тор, как и диполь Герца, излучает сферические волны.

Отсутствие в функции направленности угла <р указывает на то, что симметричный вибратор, подобно диполю Герца, не обладает направленными свойствами в экваториальной плоскости.

На рис. 2.3 изображены нормированные диаграммы направ­ ленности симметричного вибратора. Уравнение этих диаграмм F(Q) составлялось делением функции /(0) [см. формулу (12)] на ее максимум fm (0).

Для полуволнового вибратора (/ = Х/2, р = 1, рис. 2.3, а) нор­ мированная и ненормированная функции направленности одина­ ковые, так как /т (0) = f(90°) = 1:

Диаграмма этой функции весьма незначительно отличается от соответствующей диаграммы диполя Герца (пунктирная линия на рис 2.3, а) и потому для симметричных вибраторов, длина которых не превышает Х/2, можно пользоваться более простым выражением: JP(0) = sin 0. В экваториальной плоскости таких вибраторов (0 = = 90°) разность хода лучей от симметричных пар элементарных участков равна нулю, вследствие чего излучение в этой плоскости максимально [^m(0) = 1] и амплитуда

В направлении своей оси все элементарные вибраторы, а следова­ тельно, и полуволновый вибратор не излучают энергии.

Для вибратора длиной I = X (рис. 2.3, б) максимум функции направленности соответствует 0 •= 90° и равен /ш(0) = 2. Поэтому

д) / = 2Х; е) / = 3 X; ж) / = 4 Л; •) /=-5Л,

нормированная функция направленности в данном случае имее!* вид

При таком вибраторе наблюдается значительное усиление направленности по сравнению с / = Х/2, что можно объяснить дву* кратным увеличением числа элементарных вибраторов, каждый из которых обладает некоторыми на­ правленными свойствами в меридио­

нальной плоскости.

При длине вибратора I = 1,25Я (рис. 2.3, в) появляется участок (1/5 часть), на котором ток имеет обрат­ ное направление по сравнению с ос­ новной частью вибратора. В связи с этим результирующее поле вибрато­ ра по мере отклонения от экватор­ иальной плоскости уменьшается бы­ стрее, чем при I = \, и становится равным нулю уже при 0 = 0" Даль­ нейшее приближение к оси вибрато­ ра сопровождается появлением в диа­

виться и в антеннах с синфазными токами, если размеры антенны достаточно велики для получения необходимой разности полей.

При удлинении вибратора до I = 1,5Я (рис. 2.3, г) участок со встречным направлением тока увеличивается до 0,5Я, вследствие чего излучение в экваториальной плоскости еще больше уменьшает­ ся, а дополнительный лепесток диаграммы направленности увели­ чивается по размеру, приближаясь своим максимумом, к оси вибра­ тора.

При I = 2к (рис. 2.3, д) участки со встречным направлением тока равны по длине, поэтому излучение в экваториальной плоскос­ ти полностью исчезает и на каждую полусферу приходится два ле­ пестка диаграммы направленности.

При I = ЗХ (рис. 2.3, е) соотношение между длиной участков вибратора с различным направлением тока такое же, как при / = = 1,5Х, и диаграммы направленности в обоих случаях имеют при­ мерно одинаковый характер.

Если I = 4Х (рис. 2.3, ofc)y то на каждую полусферу приходится четыре лепестка диаграммы направленности, причем в экваториаль­

При / = 5Х (рис. 2.3, з) это равенство не соблюдается и один из лепестков диаграммы направленности находится в экваториальной плоскости; кроме того, на каждую полусферу приходится еще четы­ ре лепестка диаграммы.

Так как в экваториальной плоскости симметричный вибратор ненаправленный, то его пространственную диаграмму получают вращением диаграммы направленности в меридиональной плоскости относительно оси вибратора. На рис. 2.4 изображена пространст­ венная диаграмма направленности симметричного вибратора дли­ ной / = 2Х.

Выводы

1. Симметричный вибратор любой длины не излучает вдоль своей оси, так как его элементарные участки, эквивалентные эле­ ментарным вибраторам, не создают излучения в этом направлении.

2. Увеличение длины вибратора свыше X сопровождается умень­ шением излучения в экваториальной плоскости в результате того, что появляются участки вибратора со встречным направлением тока.

3. При / = 2Х, 4Х, 6А,,... полностью отсутствует излучение в экваториальной плоскости из-за равенства длины участков, имеющих противоположное направление тока.

4. При / = X, 2Х, ЗХ, 4Х, 5Х,... число лепестков диаграммы на­ правленности, приходящихся на каждую полусферу, равно числу длин волн, укладывающихся по длине вибратора.

5. По мере увеличения длины вибратора направление макси­ мума основного лепестка все больше удаляется от экваториальной плоскости и приближается к оси вибратора.

6. Влияние экрана на электромагнитное поле вибратора

Метод зеркальных изображений. Приведенные рассуждения относились к диполю Герца и симметричному вибратору, располо­ женным в неограниченном свободном пространстве. Теперь нужно выявить влияние проводящего экрана на их излучение. Сначала рассмотрим точечный заряд А. Его электрическое поле в свободном пространстве во всех направлениях радиальное. Если же вблизи находится идеально проводящая плоскость РР' (рис. 2.5), то форма электрических силовых линий меняется: они образуют прямой угол, с плоскостью РР', как этого требуют граничные условия. Такую же конфигурацию, как известно, имеет электростатическое поле* двух равных и противоположных по знаку зарядов А и А' Следо­

вательно, действие идеально проводящей поверхности РР' на поле

Это положение относится и к токам вибраторов (рис. 2.6). По­ ложительным зарядам А, С, Е соответствуют отрицательные заряды А", С , Е' в их зеркальных изображениях, а отрицательным зарядам

ьщс. 2.5 Электрическое поле заряда А, располо жеииого над идеально проводящей плоскостью ЯР'

ном и мнимом изображениях вертикального вибратора совпадают по направлению и противоположны по направлению при горизон­ тальном расположении вибратора. Если же вибратор наклонный, то вертикальные составляющие тока /„ направлены в одну и ту же сторону, а горизонтальные составляющие / г противоположны.

Физическаясущность метода зеркального изображения за­ ключается в том, что электромагнитные волны вибратора, падаю­ щие на поверхность экрана, возбуждают в нем токи, под действием которых появляется отраженная волна, эквивалентная волне от зеркального изображения вибратора. Например, волны горизон­ тального вибратора А (рис. 2.7, а) попадают в точку М двумя лу­ чами: прямым ADM и отраженным АВМ, причем в точке В угол падения 0 равен углу отражения. Кроме того, так как проводимость экрана предполагается идеальной, а поляризация волны горизон­ тальной, то модуль коэффициента отражения р = 1, а аргумент его ф ••= 180° Иначе говоря, в момент отражения поля амплитуда

напряженности остается неизменной, а фаза изменяется на обрат­ ную. Такая же волна создается мнимым вибратором А' изменение фазы падающей волны за время ее движения по пути А В учитывает­ ся равным по длине лучом А'В, а поворот фазы в точке В на 180° учитывается противофазой тока в А' по сравнению с током в А.

При вертикальном расположении вибратора (рис. 2.7, б) ска­ занное остается в силе, за исключением того, что фаза волны в мо­ мент отражения от экрана не меняется. Это согласуется с одинако­ вым направлением токов в действительном и мнимом вибраторах, а также с тем, что при идеальной проводимости отражающей по­ верхности и вертикальной поляризации волны коэффициент отра­ жения имеет модуль р = 1 и аргумент ф = 0.

:.i

4

Рис. 2.6. Направление токов в вибраторе и его зер­ кальном изображении при различном расположе­ нии вибратора относительно поверхности Земли.

Заметим, что в случае вертикального вибратора высота его h над экраном и расстояние г до точки М отсчитываются от фазового центра (середины) вибратора. Так как г > А, то при любом распо­ ложении вибратора лучи действительного А и мнимого А' вибра­ торов можно считать параллельными.

Теперь рассмотрим влияние идеально проводящего экрана на направленные свойства симметричного вибратора в вертикальной плоскости, имея в виду, что для горизонтального вибратора эта плоскость экваториальная, а для вертикального — меридиональ­ ная. Данный вопрос представляет большой интерес еще и потому, что позволяет выявить, как взаимодействуют (интерферируют) два (действительный и мнимый) ненаправленных и направленных вибра­ тора (одиночный вибратор, ненаправленный в экваториальной плос­ кости и направленный в меридиональной плоскости).

Влияние горизонтального экрана на излучение горизонталь­ ного вибратора. При горизонтальном расположении вибратора (рис. 2.7, а) между волнами вибратора А и его зеркального изобра­ жения А' имеется сдвиг по фазе, обусловленный противоположным направлением токов в Л и Л', а также разностью хода лучей от Л.

б)

Рис. 2.8. Диаграммы направленности горизонтального виб-

а) Л=Х/4; 6) h = l / 2;

и А' Если обозначить расстояние ОМ = г, то расстояние от виб­ ратора А до точки М равно

гг = AM = ОМ — ОЕ = г — Asin6,

а расстояние от зеркального изображения вибратора А' до М г3 = А'М = ОМ + A' F = г + Asin6.

Здесь б — угол наклона луча (угол места), который является дополнительным к зенитному углу 0.

Одиночный горизонтальный вибратор не обладает направлен­ ными свойствами в вертикальной плоскости, но так как разность

Рис. 2.7 К расчету диаграмм направленности горизон­ тального (а) и вертикального (б) вибраторов с учетом влияния экрана

хода волн от вибратора и его зеркального изображения г2 — гг = = г + /isin6 — г + Asin6 = 2Л sin б зависит от угла б, то система в целом создает направленное излучение.

Например, если высота подвеса вибратора А = Х/4 (рис. 2.8, а), то в направлении б - 90° противофазность полей, вызванная про­ тивоположным направлением токов в действительном и мнимом виб­ раторах, полностью компенсируется разностью хода волн 2Asin6 = = 2А = 2Х/4 = Х/2. По мере приближения к экрану разность хода волн от действительного и мнимого вибраторов уменьшается и когда угол наклона становится равным б = 0,180°, разность хода волн исчезает и сохраняется противофазность полей, обусловлен­ ная противоположным направлением токов в вибраторах. Таким образом, диаграмма направленности имеет один лепесток с макси­