Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства

На УКВ вибраторы обычно возбуждаются посредством коаксиального кабеля, который является несимметричной линией (относительно точки с ну-

левым потенциалом). Токи на оплетке и на внутреннем проводнике имеют одинаковые направления. Поэтому необходимо использовать симметрирую-

щие устройства, которые позволяют запитать симметричную нагрузку по-

средством несимметричной линии, например коаксиальной. Простейшим симметрирующим устройством является полуволновой отрезок коаксиальной линии, включенный в одно из плеч симметричной нагрузки, или так называе-

мое U-колено. Схемы питания линейного и петлеобразного вибраторов по-

средством U-колена показаны на рис. 3.10 и 3.11.

Входное сопротивление U-колена равно сопротивлению двух парал-

лельно включенных сопротивлений Rвх2, равных половине входного сопро-

тивления вибратора, т.е.

Поэтому входное сопротивление U-колена, равное Wв, в четыре раза меньше входного сопротивления вибратора. Именно так возбуждается петлеобразный

131

вибратор с Rвх ≈ 300 Ом посредством 75-омного коаксиального кабеля без применения согласующих устройств. Для возбуждения этим же кабелем ли-

нейного вибратора с Rвх 73 Ом требуется применение согласующих устройств, например четвертьволнового трансформатора. Очевидно, что

U-колено, имеющее фиксированную длину, является узкополосным устрой-

ством.

Более широкополосным является так называемое мостиковое устрой-

ство или симметрирующая приставка (рис.3.12). В этой конструкции к виб-

ратору присоединяются две трубки с перемычкой, образующие четвертьвол-

новый короткозамкнутый шлейф. Через одну из трубок (1) пропускается ко-

аксиальный кабель, оплетка которого с ней соединяется, а внутренний про-

водник кабеля соединяется с другой трубкой (2). Получается симметрирую-

щее устройство. Параллельно включенный короткозамкнутый шлейф ком-

пенсирует реактивную составляющую входного сопротивления вибратора и тем самым расширяет полосу согласования.

В сантиметровом диапазоне длин волн возбуждение симметричных вибраторов часто осуществляется посредством коаксиального волновода, а

не кабеля, который в этом диапазоне имеет большие потери. Схемы питания и симметрирования аналогичны.

Несимметричный вертикальный вибратор широко применяется в диапа-

зонах ДВ и СВ и конструктивно представляет собой мачту с оттяжками (изо-

лированными от мачты) для ее поддержания. Несимметричные вертикальные

Рис. 3.13. Способы возбуждения несимметричных вибраторов.

132

вибраторы требуют их установки над экраном. На низких частотах роль экрана играет хорошо проводящая земная поверхность. На СВЧ земная по-

верхность не является проводником, поэтому вибраторы устанавливаются над металлическим экраном (рефлектором) в виде диска, квадрата или иной формы (рис. 3.13,а). Вместо сплошного рефлектора могут использоваться сетчатые или рефлекторы (противовесы) в виде радиальных трубок (рис. 3.13,б). В конструкции вибратора на рис. 3.13,в роль рефлектора играет так называемый четвертьволновый стакан. Во всех случаях экран соединяется с внешним проводником коаксиального волновода или с оплеткой коаксиаль-

ного кабеля.

Расчет характеристик излучения несимметричных вибраторов может быть проведен по формулам, полученным для симметричных вибраторов,

если предположить размеры экрана бесконечными и использовать метод зер-

кальных изображений. Если экран затем мысленно убрать, то несимметрич-

ный вертикальный вибратор вместе со своим изображением будет представ-

лять симметричный вибратор. Конечность экрана оказывает влияние на ха-

рактеристики вибратора. Входной импеданс слабо зависит от электрических размеров экрана, а характеристики излучения – сильно. Конечность экрана приводит к изрезанности ДН и отклонению максимума излучения от боково-

го направления. Угол максимума излучения определяется по формуле

где d – размер экрана.

Вместо эффективной длины для несимметричных вибраторов вводят эффективную высоту hэф = lэф2. Несимметричные вибраторные антенны,

если их размеры малы, работают в режиме, далеком от резонанса, поэтому их входное сопротивление является комплексным с ёмкостным характером ре-

активной и небольшим значением активной составляющей.

133

На высоких частотах несимметричные вибраторы чаще всего приме-

няются в качестве бортовых антенн различных транспортных средств, вклю-

чая летательные аппараты. С целью уменьшения аэродинамического сопро-

тивления они имеют эллиптическое поперечное сечение и наклонное поло-

жение по отношению к корпусу носителя.

Полуволновой укороченный (настроенный в резонанс) вибратор имеет относительную полосу пропускания по входному сопротивлению

где Wв определяется по формулам (3.19) или (3.20). Как следует из (3.23),

для расширения полосы необходимо увеличивать входное сопротивление

Rвх и уменьшать волновое сопротивление Wв. Необходимо также компенси-

ровать изменение реактивной составляющей X вх при изменении частоты.

Из формул (3.19), (3.20) следует, что для уменьшения Wв надо увеличи-

вать поперечные размеры (радиус) вибратора. С этой целью плечи вибрато-

ров выполняют в виде “ толстых” цилиндров или конусов. Однако с увеличе-

нием радиуса возрастают торцевые емкости. Для их снижения концы вибра-

торов делают коническими или полусферическими, что одновременно улуч-

шает согласование. Плечи вибраторов могут быть также в виде плос-

ких секторов различной формы (рис. 3.14). У вибраторов с пониженным волновым сопротивлением более плавное изменения Rвх с частотой.

пазону коротких волн, называется вибратором Надененко. Сокращенно эта

134

антенна обозначается как ВГД l a – вибратор горизонтальный диапазонный, h

где l – длина плеча, a – радиус плеч вибратора, h – высота его подвеса. как

ВГ l – вибратор горизонтальный. Все значения берутся в метрах. h

Рис. 3.15. Вибратор Надененко

Обычный вибратор, выполненный из сплошного проводника, обозна-

чается

Наибольшее распространение получили полуволновые ( 2l = λ / 2 )

симметричные вибраторы. Собственная (резонансная) длина волны такого вибратора, определяемая из условия обращения в нуль реактивной составля-

ющей его входного сопротивления, без учета эффекта укорочения равна

Волновые сопротивления полуволновых горизонтальных вибраторов могут быть найдены по формулам:

для антенны ВГ

Рис. 3.16. Входной импеданс симметричной биконической антенны при противофазном возбуждении плеч.

К вибраторам с более высоким значением входного сопротивления от-

носятся петлеобразные вибраторы. Ветвей может быть несколько. Для пет-

леобразного вибратора из N ветвей имеет место соотношение

где Rвх1 – входное сопротивление одной ветви в виде линейного вибратора.

посредством включенного параллельно четвертьволнового короткозамкнуто-

го шлейфа, который также называется шунтом. Некоторые конструкции симметричных вибраторов с шунтовым питанием уже были рассмотрены.

На рис. 3.17,а показана конструкция несимметричного петлеобразного вибратора с шунтом. Один конец вибратора замкнут на экран. Шунт приво-

дит к увеличению эквивалентной толщины вибратора, что дает уменьшение wв и расширение частотного диапазона. Несимметричный вибратор с при-

поднятой точкой питания изображен на рис.3.17,б. Ёмкостная реактивная часть входного сопротивления антенны в точках а и b (разомкнутый на

137

3.3. Щелевые антенны

Щелевая антенна представляет собой отверстие, прорезанное в метал-

лической поверхности и возбуждаемое каким либо источником. Источник

создает на кромках щели переменное напряжение. Если щель узкая, то

напряжение вдоль нее имеет синусоидальное распределение, которое на

концах щели должно обращаться в нуль. Обычно используются узкие щели с размерами d / λ = 0,03...0,05 и 2l / λ ≤ 0,5, где d - ширина щели, 2l – ее

длина. Переменное электрическое поле щели является источником электро-

магнитных колебаний.

Щель, излучающая в обе стороны, называется двусторонней. Обычно применяются односторонние щели. Для формирования однонаправленного излучения щель выполняется в одной из стенок волновода или объемного ре-

антенн основывается на использовании принципа двойственности, который постулирует взаимозаменяемость электрического и магнитного полей и поз-

воляет по известным характеристикам электрического вибратора находить соответствующие характеристики магнитного вибратора (щели) при их оди-

наковых электрических размерах и конфигурациях. В соответствии с этим принципом выполняют взаимные замены

Ie« – Im, w « –1/ w, E« H.

В случае тонкой линейной двусторонней щели длиной 2l , прорезанной в бесконечно протяженном плоском экране, можно записать

Eϕ = -wHθ ,

где U щ – напряжение на щели.

Сопоставляя (3.7) с (3.34) замечаем, что обе антенны, вибраторная и щелевая,

имеют одинаковые ДН, только плоскости поляризации у них развернуты на угол 900 друг относительно друга, поскольку в первом случае присутствует

компонента поля Eθ , во втором Eϕ .

Для щелевой антенны вместо входного импеданса вводят входную проводимость Yщ . Выражение для нее найдем, приравняв компоненты

напряженности электрических полей вибратора Eθ и щели Eϕ . Получим

связь

При выполнении этого соотношения будут равны и мощности излучения, из равенства которых следует

I max2 R∑ max = U щ2 G ∑ щ .

Учтя (3.54), перепишем

G ∑ щ = 4 R ∑ max W 2 .

(3.36)

139

Обобщив эту запись на полную мощность, получим связь комплексной входной проводимости щелевой антенны и входного импеданса электриче-

ского вибратора

Для односторонней щели проводимость будет в два раза меньше, так как для полупространства в два раза будет меньше полная мощность.

Эквивалентное волновое сопротивление полуволнового щелевого виб-

ратора в свободном пространстве определяется по формуле

Укорочение полуволновой щели, необходимое для настройки ее в резонанс,

равно

Входное сопротивление щелевого вибратора рассчитывается по формуле

где R∑ ≈ 73 Ом – сопротивление излучения вибраторного аналога щели.

Наибольшее применение нашла прямолинейная полуволновая щелевая антенна. На УКВ ее возбуждение осуществляется при помощи двухпровод-

ной линии, подключенной к противоположным кромкам щели. На более вы-

соких частотах возбуждение может осуществляться коаксиальным кабелем,

оплетка и центральная жила которого также подсоединяются к противопо-

ложным кромкам щели, или посредством полосковой линии. С целью согла-

сования точку возбуждения смещают из центра щели, где ее входное сопро-

тивление велико и может достигать значения порядка 1 кОм. На СВЧ щель прорезают в стенке объемного резонатора, который возбуждается каким-

либо способом для получения нужной структуры поля, а его поле возбуждает щель. Распределение напряжения вдоль щели в этом случае может быть от-

личным от синусоидального.

140