5.10. Контрольные вопросы

1. Приведите примеры использования метода зеркальных изображений в электростатике и покажите, что при правильном выборе знака заряда-изображения на всей плоскости Sавтоматически удовлетворяется граничное условие.

2. Какова связь между моментами диполей Герца, размещенных над проводящей плоскостью, и моментами их зеркальных изображений для вертикальных и горизонтальных диполей?

3. Покажите, что характеристики направленности антенны и ее зеркального изображения в случае вертикальной поляризации связаны соотношением , причем. Поясните эту связь рисунком.

4. Покажите, что характеристики направленности антенны и ее зеркального изображения в случае горизонтальной поляризации связаны соотношением , причем. Поясните эту связь рисунком.

5. Покажите, что если антенна 1 создает в дальней зоне поле с круговой поляризацией, то антенна 2 (изображение) также создает поле, поляризованное по кругу, но с противоположным направлением вращения.

6. Постройте на качественном уровне диаграмму направленности вертикального диполя Герца, поднятого над проводящей поверхностью.

7. То же для вертикального полуволнового электрического вибратора.

8. То же для горизонтального диполя Герца.

9. То же  для горизонтального полуволнового электрического вибратора.

10. То же для горизонтальной щелевой антенны.

11. То же для вертикальной щелевой антенны.

12. Допустим, представлены аналитические выражения для интерференционных множителей. Как различить, какой из них относится к случаю вертикальной, а какой горизонтальной поляризации?

13. Запишите выражения для интерференционных множителей в случае вертикальной и горизонтальной поляризаций. Выведите формулы для углов, соответствующих нулям и экстремумам этих множителей.

14. Как зависит число лепестков интерференционного множителя от высоты подъема антенны и от рабочей длины волны?

15. Как нужно ориентировать открытый конец волновода относительно проводящей поверхности, чтобы он создавал поле вертикальной (горизонтальной) поляризации?

16. Как нужно понимать рекомендацию о нормировании снятых диаграмм направленности? Что конкретно нужно сделать с экспериментальными результатами?

5.11. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

1. Формулировку цели работу и краткие теоретические сведения.

2. Структурную схему экспериментальной установки.

3. Сведения о частоте, длине волны и высотах подъема излучателя.

4. Расчет длины волны в свободном пространстве.

5. Измеренные ДН излучателя идля 3 высот подъема.

6. Расчетные ДН для вертикальной и горизонтальной поляризации излучаемого поля, построенные на одном графике с экспериментальными зависимостями.

8. Выводы.

6. Исследование многоэлементной антенной решетки «волновой канал»

Цели работы – экспериментальное исследование многоэлементных антенных решеток «волновой канал» и знакомство с методами расчета характеристик таких антенн

6.1. Общие сведения

Антенна «волновой канал» (ВК), известная также как антенна Уда–Яги (Uda–Yagi), широко используется в различных радиотехнических системах благодаря возможности получения высокой направленности при сравнительно простой и дешевой конструкции [8]–[10].

Антенны этого типа используются во многих частотных диапазонах, начиная от коротковолнового (рис. 6.1, а) до печатных вариантов в СВЧ-диапазоне. Наиболее широкое применение ВК получили в диапазонах метровых и дециметровых волн для приема телевизионного сигнала (рис. 6.1,б).

Конструктивно антенна состоит из расположенных параллельно друг другу активного и нескольких пассивных вибраторов, размещенных на общей несущей – траверсе (рис. 6.2). В ВК мощность от генератора по фидерной линии подводится, как правило, лишь к одному элементу (активному), остальные (пассивные) возбуждаются благодаря сильной взаимной электромагнитной связи.

а б Рис. 6.1

Пассивные элементы можно разделить на два типа: 1) директоры, расположенные в направлении формирования основного лепестка диаграммы направленности (ДН) антенны; 2) как правило, один рефлектор (отражатель), расположенный с противоположной стороны от активного элемента. В верхней части ДМВ-диапазона и в СВЧ-диапазоне рефлектор может быть выполнен в виде сплошного металлического экрана (рис. 6.2).

Рис. 6.2

Активный элемент выполняется в виде разрезного или петлевого вибратора с длиной около 0,5 λ (λ – длина волны в воздухе), длины директоров, как правило, на 5–15 % меньше активного. Расстояние между элементами антенны обычно не превосходит 0,35λ.

Для рефлектора, собственное сопротивление которого носит индуктивный характер, длина несколько больше 0,5 λ. При этом ток в рефлекторе опережает по фазе ток в активном вибраторе на 90. В результате излучения активного вибратора и рефлектора в направлении главного лепестка ДН складывается в фазе, а в обратном направлении – в противофазе, что приводит к усилению излучения в направлении главного лепестка (в направлении директоров) и подавлению поля в противоположном направлении (в направлении рефлектора).

Аналогично рефлектору работают директоры, однако из-за емкостного характера их сопротивления (оно определяется их меньшей длиной) фаза тока в них отстает по фаз от тока в активном элементе.

Направленное осевое излучение формируется в результате создания амплитудно-фазового распределения в виде бегущей волны, распространяющейся от активного элемента в направлении директоров. На фазовое распределение существенное влияние оказывают размеры и взаимное расположение всех элементов. Выбор числа элементов антенны ВК осуществляется исходя из требуемого коэффициента усиления или ширины главного лепестка. Для больших ВК (при количестве элементов 15–20) дальнейшее наращивание числа элементов нецелесообразно, ввиду существенного замедления роста направленных свойств, обусловленного уменьшением амплитуды токов в дальних директорах.

Рис. 6.3 Рис. 6.4

Рис. 6.5

Вклад каждого вибратора в полное поле излучения ВК определяется амплитудой тока, наведенного на элементе. На рис. 6.3 приводится распределение амплитуды тока по излучателям для 15-элементной антенны. Видно, что наиболее сильно возбуждаются два первых директора и активный вибратор.

В результате синфазного сложения полей в осевом направлении антенна имеет довольно узкий лепесток ДН. На рис. 6.4 приводится диаграмма направленности 15-элементной ВК, на рис. 6.5 ее сечения в Е-иН-плоскостях.