Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства

меры антенны определяются максимальной длиной волны и выбираются из

дителя в переходах с коаксиальной ЛП на другие типы линий (волноводные,

полосковые). При возбуждении волны H10 в прямоугольном волноводе по-

средством коаксиально-волноводного перехода реактивная составляющая входного сопротивления возбуждающего штыря должна быть равна нулю со-

гласно равенству

а активная составляющая входного сопротивления штыря должна быть равна волновому сопротивлению коаксиального фидера Wв :

В этих формулах: lэф – эффективная (действующая) высота штыря; Z c –

характеристическое сопротивление волновода для волны основного типа; l2 – расстояние от штыря до торцевой стенки волновода; x0 – положение штыря относительно узкой стенки волновода; X вх – реактивная часть вход-

ного сопротивления штыря, находящегося в свободном пространстве. Гео-

метрическая высота штыря l1 в волноводе приближённо определяется по формуле для штыря в свободном пространстве после подстановки в неё зна-

чения lэф, найденного из (3.6) для штыря в волноводе.

Симметричный вибратор состоит из двух одинаковых по размерам и форме проводников (рис. 3.5), между которыми включается генератор вы-

123

сокой частоты (часто эти проводники называются плечами). Как было пока-

зано в разделе 1.5 закон распределения тока в симметричном вибраторе близок к синусоидальному

На рис. 3.6 показаны зависимости рас-

пределении тока от длины вибратора в предположении, что β≈k, α=0. При расче-

те характеристик направленности такое приближение вполне допустимо, однако при расчете входного импеданса необхо-

димо учитывать потери на излучение, ко-

Рис. 3.6. Распределение тока и заряда торые могут существенно превышать

на вибраторах разной длины

омические потери в проводе. Если потери на излучение не учитывать, то при длине плеча кратной половине длины волны входное сопротивление вибратора

стремится к бесконечности.

Потери на излучение можно характеризовать сопротивлением излучения RΣ,

которое определяется исходя из того, что излученная мощность РΣ равна мощно-

сти Р = RΣ|Imax|2/2, затраченной на излучение. Тогда сопротивление излучения,

отнесенное к пучности тока, равно

Учитывая, что Imax= I0/sinγl, при γ k для напряженности поля в дальней зоне имеем:

124

Отсюда для полуволнового вибратора (2l = λ / 2) действующая длина равна

Для волнового вибратора (2l =λ) действующая длина будет в 2 раза больше.

Для короткого вибратора ( kl <<1) с треугольным распределением тока полу-

чаем lэф =0,5×2l , т.е. эффективная длина короткого вибратора равна половине его геометрической длины.

Для КНД в направлении максимума излучения (θ =900 ) при 2l < 1,25λ

имеем

При 2l < λ2, когда максимум функции распределения тока в пределах виб-

ратора не достигается, сопротивление излучения относят к току на его входе.

Для пересчета сопротивления излучения из одного сечения в другое исполь-

126

Для вибратора длиной 2l ≤ λ / 2 , находящегося в воздушной среде, со-

противление излучения, отнесенное к току в точках питания, можно опреде-

лить по формуле Рюденберга

Входное сопротивление симметричного вибратора рассчитывается по формуле Zвх= – iWвctgγl, где Wв – волновое сопротивление вибратора;

γ = β – iα – постоянная распространения волны тока. При наличии потерь

становятся комплексными величинами, где k – волновое число среды, в кото-

рой расположен диполь, R′Σ – погонное сопротивление потерь на излучение,

W0a – волновое сопротивление диполя без учета потерь, α=R′Σ/2W0a – коэф-

фициент затухания. Обычно α<< k, тогда β k + α2/2k +…

Увеличение β означает, что скорость волны тока вследствие потерь стано-

вится меньше скорости света.

При расчете погонного сопротивления потерь R′Σ исходим из того, что

излученная мощность равна мощности, теряемой волной тока на излучение

Полагая, что R′Σ равномерно распределено вдоль провода, имеем:

С учетом этого получаем следующее выражение для входного импеданса ди-

поля

127

При небольших потерях, что обычно имеет место, это выражение можно привести к виду:

При расчете волнового сопротивления коротких вибраторов ( 2l ≤λ/2) обычно используют формулу

Для длинных вибраторов волновое сопротивление рассчитывают по формуле

Зависимость входного импеданса симметричных вибраторов с различ-

ными радиусами от электрической длины их плеч приведены на рис. 3.4. Эти результаты показывают, что частотная зависимость Zвх уменьшается при увели-

чении поперечных размеров вибраторов.

При этом резонансные частоты, на кото-

рых Хвх= 0 смещаются вниз по диапазону,

т.е. резонансы наступают не строго при

2l = m λ2 , а раньше из-за так называе-

мого эффекта укорочения вибратора.

Рис. 3.4. Входной импеданс симмет-

ричного электрического вибратора. Укорочение плеча симметричного вибра-

тора, необходимое для его настройки в резонанс, рассчитывается по формуле

где ξ = β/k – коэффициент укорочения

волны в вибраторе, который можно найти

Рис. 3.5 Коэффициент укорочения из графика рис. 3.5. В случае полуволно-

волны в симметричном вибраторе.

128

нансных вибраторов длиной 2l = mλ, m = 1,2,3,..., без учета эффекта укороче-

ния Rвх ≈Wв2 RΣП .

Настройку вибраторов в резонанс можно осуществлять посредством включения реактивных элементов. На низких частотах – это удлиняющая индуктивность и укорачивающая емкость. На СВЧ – это последовательные и параллельные шлейфы. Необходимо знать, что элементы настройки не влия-

ют на вид распределения тока, поэтому характеристики излучения остаются неизменными. Существенное влияние на распределение тока и характери-

стики излучения оказывает место включения в антенну нагрузки (генератора или приемника), исключая случай полуволнового вибратора.

3.2. Конструкции вибраторных антенн и способы их возбуждения

На УКВ и СВЧ вибраторы выполняются из трубок или стержней. Рас-

смотрим симметричный полуволновой вибратор, как наиболее распростра-

ненный. Самая простая схема его возбуждения при помощи симметричной двухпроводной линии с противофазными токами в проводниках (рис. 3.6).

129

Из-за большой разницы между Rвх и W0л в линии устанавливается режим с КСВ 5…7. Поэтому требуется согласование или настройка на режим бегу-

щей волны.

Более широкополосной является схема с шунтовым питанием (рис. 3.7). Подбирая размеры L и l шунта удается в линии получить без дополни-

тельных элементов настройки режим, близкий к режиму бегущей волны.

Преимущество такой схемы еще и в том, что в середине вибратора образует-

ся узел напряжения, что дает возможность крепить вибратор к опоре без изо-

ляторов.

Для повышения Rвх вибратор делают петлеобразным. Он получил

названия вибратора Пистолькорса (рис. 3.8). Расстояние между параллель-

ными проводниками по сравнению с λ мало и токи в них оказываются синфазными (за счет длины вибратора, равной λ2 , и смене направления тока на противоположное во второй ветви) с максимумами в центре. ДН сов-

падает с ДН линейного вибратора. Входное сопротивление Rвх2 однопетле-

вого вибратора связано с входным сопротивлением Rвх1 линейного вибрато-

ра соотношением Rвх2 = 4Rвх1 » 4×73= 292, Ом. Это значение близко к значению волновых сопротивлений стандартных двухпроводных ЛП, поэтому согла-

сующие устройства не требуются. На рис. 3.9 показан петлеобразный вибра-

тор Пистолькорса с шунтом, образованным короткозамыкающими перемыч-

ками. Подбирая длину шунта lШ и соотношения между диаметрами, можно согласовать Rвх с Wв в значительной полосе частот.

130