Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства

В качестве примера на рис. 3.19 показан излучатель в виде продольной

ной линии и одной из кромок щели. Широкое применение щелевые антенны нашли в диапазоне СВЧ в качестве не выступающих бортовых антенн лета-

тельных аппаратов.

3.4. Цилиндрическая и коническая спиральные антенны

Подобные антенны относятся к антеннам бегущей волны. Однозаходная ци-

линдрическая спиральная антенна представляет собой проволочную спираль с постоянным шагом s, выполненную на цилиндрической поверхности ра-

диуса r=а (рис. 3.20, а). Один конец спирали остается свободным, а дру-

Рис. 3.20. Цилиндрическая и коническая спиральные антенны.

гой соединен с внутренним проводником коаксиальной линии. Внешний проводник коаксиальной линии присоединяется к металлическому экрану,

имеющему форму диска или многоугольника, который может быть сплош-

ным или сетчатым. Экран служит для получения однонаправленного излуче-

141

ния и уменьшения токов, наводимых на внешнем проводнике коаксиального фидера. Диаметр экрана выбирается равным (0,7...0,9)λср. Диаметр проводни-

ка спирали обычно на порядок меньше диаметра цилиндрической поверхно-

сти 2а. Число витков N = 4…8. Осевая длина антенны L находится в преде-

лах (0,5...3,0) λmax.

В зависимости от формы ДН и направления максимума излучения раз-

личают три режима: режим бокового или поперечного излучения (2πа<<λ),

режим осевого излучения (2πаλ) и режим наклонного излучения (2πа>>λ).

Наиболее используемым является режим осевого излучения, обеспечиваю-

щий максимальный КНД и круговую поляризацию в направлении максимума ДН. Направление вращения плоскости поляризации совпадает с направлени-

ем намотки спирали. Угол намотки спирали α отсчитывается от нормали к оси антенны и выбирается в пределах 120...200. Осевой режим сохраняется

Максимальный коэффициент перекрытия по частоте, равный двум, получается при α 19о.

Приближенный расчет нормированной ДН цилиндрической спиральной

антенны в плоскости ϕ = 0 можно провести по формулам

от оси антенны.

Формулы получены по теореме о перемножении диаграмм направлен-

ности элемента системы в виде кольцевого излучателя с бегущей со скоро-

стью света волной тока и множителя направленности ЛНС с бегущей вдоль нее замедленной волной, характеризуемой коэффициентом замедления

142

ξ = с/Vф. Формулы (3.42), (3.43) не учитывают отражение от конца спирали,

затухание тока в ней и влияние экрана на характеристики излучения. Для оценки ширины ДН (в градусах) можно пользоваться выражениями

На рис. 3.21 приведены расчетные (сплошная линия) и экспериментальные

Рис.3.21. Теоретические (сплошные) и экспериментальные (пунктир) ДН однозаходной цилиндрической спиральной антенны

(пунктир) ДН для шестивитковой однозаходной цилиндрической спиральной антенны. Поляризационная диаграмма приближенно определяется функцией

а КНД в направлении оси антенны может быть рассчитан по формулам:

Если ξ известно, то для получения максимального КНД надо взять длину антенны, равной

в плоскости ϕ = const, по крайней мере, в пределах главного лепестка ДН,

представляет собой окружность с центром на оси спирали. Для антенны с экраном диаметром 0,9λср фазовый центр расположен от экрана на расстоя-

нии (0,33…0,38) L, т.е. фазовый центр смещен в сторону экрана. Эта законо-

143

мерность присуща и другим типам антенн, например вибраторным или тур-

никетным, если они используются с экраном.

Активная часть входного импеданса спиральной антенны составляет

(60...90) Ом и несколько растет с увеличением kа. Она почти не зависит от числа витков. Это и понятно, так как на входное сопротивление основное

влияние оказывает область антенны, непосредственно примыкающая к ее

входу, т.е. размеры, положение первого витка относительно экрана и его со-

единение с коаксиальной линией. Реактивная часть входного сопротивления невелика и колеблется в пределах ± (10…20) Ом .

C целью еще большего увеличения рабочего диапазона переходят к ко-

ническим спиральным антеннам с постоянным или переменным шагом намотки, которые можно рассматривать как цилиндрические спиральные ан-

тенны с плавно изменяющимся диаметром (см. рис. 3.20,б). В конических спиральных антеннах условия (3.60) существования осевого режима при-

ближённо выполняются для группы из трёх витков, которые называются ак-

тивной областью (зоной) и которые в основном формируют ДН антенны.

При изменении частоты условия (3.41) выполняются уже для другой группы витков, т.е. активная зона перемещается по поверхности антенны. Этим и объясняется большая широкополосность конических спиральных антенн.

Однако они имеют более низкий КНД по сравнению с цилиндрическими спиральными антеннами, в которых в формировании поля излучения участ-

вуют одновременно все витки.

У конической спирали (рис. 3.20,б) длина витка и расстояние между

витками являются переменными. Её параметры: L – осевая длина; amin – ми-

нимальный радиус спирали; amax – максимальный радиус спирали; N – число

витков; α – угол намотки; β – половина угла при вершине конуса. Геометри-

ческие размеры конической спирали определяются по формулам

где λmin – нижняя длина волны рабочего диапазона антенны.

Конические спиральные антенны более широкополосны, но имеют меньший КНД из-за уменьшения числа витков, для которых выполняется условие режима осевого излучения l = λ .

Спиральные антенны в основном применяются в дециметровом и сан-

тиметровом диапазонах длин волн. Имея круговую поляризацию, они ис-

пользуются в радиолокации для получения более контрастного изображения цели на фоне помех, в системах телеметрии и связи с летательными аппара-

тами, положение которых не стабилизировано в пространстве. Спиральные антенны используются также в качестве облучателей зеркальных антенн и элементов решеток.

3.5. Диэлектрические стержневые антенны

Конструкции диэлектрической стержневой антенны схематически пока-

резок регулярного (цилиндрического) или нерегулярного (конического) ди-

электрических волноводов. Волны в диэлектрическом волноводе являются гибридными, т.е. имеют обе продольные составляющие электромагнитного поля. Основной является волна HE11. Она не имеет критической длины вол-

ны, а структура её поля в поперечном сечении близка к структуре поля вол-

ны H11 круглого волновода. По этим причинам подобные конструкции полу-

чили широкое применение в антенной технике.

145

Фазовая скорость волны, распространяющейся вдоль стержня, лежит в

пределах cε <Vф <c, где с – скорость света в вакууме, ε – относительная

диэлектрическая проницаемость материала стержня. Расчетные зависимости

мощности переносится поверхностной волной вне диэлектрического стерж-

ня, а в случае толстого стержня (а/λ>>1) основная часть мощности перено-

сится внутри стержня. В последнем случае потери будут больше.

Приближенный расчет нормированной ДН диэлектрической стержневой

антенны в плоскостях Е (ϕ=0) и Н (ϕ=π/ 2 ) можно выполнить по формулам

уровень боковых лепестков, а также затухание в нём, вызванное излучением и тепловыми потерями. Поэтому совпадение теоретических и эксперимен-

тальных ДН возможно только в области главного лепестка. Учет потерь в ди-

электрике приводит к исчезновению нулей в ДН.

Для получения максимального КНД диаметр 2а и длина L цилиндри-

ческого стержня (вне волноводной секции) должны иметь оптимальные раз-

меры

Необходимая величина ξ опт при заданном значении ε обеспечивается соот-

ветствующим выбором радиуса стержня. Очевидно, что это можно выпол-

нить на фиксированной длине волны. Обычно в качестве неё берётся средняя длина волны рабочего диапазона. Из условия существования в круглом вол-

новоде волны основного типа находим λ ср 3а.

При оптимальной длине диэлектрического стержня КНД антенны

где tgδ – тангенс угла потерь в диэлектрике, λ – длина волны генератора (м).

Потери характеризуют также коэффициентом полезного действия антенны.

КПД антенны, согласованной с фидером, определяется по формуле

ность, поступающая на вход антенны, α1 = α ä − погонный коэффициент за-

тухания в дБм, L – длина диэлектрического стержня.

147

При оценке потерь используют иногда среднее значение КПД, равное 0,85.

Для уменьшения излучения от стыка с волноводом и отражения от конца стержня, ему придают коническую форму. При этом наибольший диа-

метр выбирают равным внутреннему диаметру волновода, а наименьший выбирают так, чтобы средний по длине антенны коэффициент замедления был близок к оптимальному, т.е.

Оптимальные размеры конического стержня могут находиться по формулам

Амплитудные ДН конической стержневой антенны рассчитываются по формулам (3.49) и (3.50) при условии замены конического стержня эквива-

лентным цилиндрическим стержнем.

Применение в возбуждающем устройстве конического рупора увели-

чивает эффективность возбуждения поверхностной волны и снижает уровень боковых лепестков. Поляризация поля излучения стержневой диэлектриче-

ской антенны определяется поляризацией возбуждающего устройства. По-

добные антенны находят применение в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн.

3.6. Директорные антенны

Директорные антенны или антенны типа «волновой канал» представ-

ляют собой дискретную систему расположенных в одной плоскости парал-

лельных симметричных вибраторов, размеры которых близки к полуволно-

вым. В диапазоне 100...1000 Мгц выполняются из жестких трубок, а на более высоких частотах по печатной технологии. Один из вибраторов, обычно пет-

леобразный, подсоединяется к фидерной линии и является активным, а дру-

гие – пассивными. Пассивный вибратор, располагаемый позади активного,

играет роль рефлектора, а остальные, располагаемые впереди активного,

148

называются директорами (рис. 3.24). Центры вибраторов можно крепить непосредственно к металлическому стержню, который не возбуждается из-за того, что силовые линии электрического поля перпендикулярны ему. Для за-

щиты входных цепей приемников от грозовых разрядов стержень заземляется.

Принцип работы антенны заключается в следующем. Элек-

тромагнитное поле, излучаемое активным вибратором, направля-

ректором в сторону остальных директоров, которые при определенных усло-

виях посредством электромагнитной связи возбуждаются, образуя своеоб-

разный волновой канал. Естественно, более удаленные директоры возбужда-

ются слабее. Вдоль антенны распространяется бегущая волна с замедленной фазовой скоростью и коэффициентом замедления ξ > 1. Поэтому максимум излучения совпадает с осевым направлением. Замедляющая структура обра-

зуется системой директоров. Размеры вибраторов: активного 2l λ / 2 , ре-

флектора 2l > λ / 2, директоров 2l < λ / 2 . Размеры пассивных вибраторов и их положения должны быть подобраны такими, чтобы обеспечить вдоль ре-

шетки вибраторов бегущую волну в режиме осевого излучения. Поляризация поля излучения линейная. Плоскость поляризации совпадает с плоскостью, в

которой лежат вибраторы.

По своим свойствам директорные антенны относятся к антеннам бегу-

щей волны. Они просты по конструкции и удобны в эксплуатации, поэтому нашли широкое применение в качестве приемных телевизионных антенн коллективного пользования в метровом и дециметровом диапазонах длин волн. Решётки таких антенн применяются в радиолокационных системах. В

сантиметровом диапазоне длин волн они используются в качестве элементов ФАР. КНД одноканальных директорных антенн не превышает двадцати.

149