8.6.3Логопериодические антенны
Логопериодические антенны образованы системой проводников с логарифмической периодической структурой. Классическая схема логопериодической антенны показана на рис. 7.10.
Рис. 7.61. Логопериодическая антенна.
Антенна состоит из двух идентичных систем плоских проводников, расположенных в пространстве под углом ψ. Излучателями (вибраторами) в каждой системе служат зубцы переменной длины, у которых размеры RN и rN выбирают из условия
,
где τ и σ – постоянные числа, характеризующие расстояние между вибраторами и их ширину.
Последнее условие объясняют происхождение названия таких антенн – логопериодические. Основные свойства логопериодической антенны не изменяются, если вибраторы и питающие их линии выполнить в виде тонких проводников. Из рис. 7.10 видно, что гребенка вибраторов верхней системы проводников ориентирована в противоположную сторону по отношению к нижней системе. Максимум излучения такой антенны совпадает с направлением оси y, проходящей по биссектрисе угла ψ. Угол ψ может меняться в широких пределах, включая ψ = 0.
Последний случай соответствует параллельному расположению систем проводников, при котором вибраторы верхней системы как бы являются продолжением вибраторов нижней системы, напоминая конструкцию телевизионной антенны «волновой канал».
Логопериодическая антенна отличается широким диапазоном рабочих частот, в котором сохраняется диаграмма направленности и входное сопротивление. Это свойство обусловлено тем, что в отличие от антенны типа «волновой канал», где с питающей линией связаны только одна пара вибраторов, в логопериодических антеннах с питающей линией связаны все вибраторы. Самая низкая рабочая частота логопериодической антенны обусловлена размерами самых длинных «зубцов» - вибраторов, а самая высокая частота размерами самых коротких «зубцов».
При изменении частоты излучаемых (принимаемых) сигналов и интервале между указанными частотами работают те вибраторы, длина которых близка к четверти волны. Таким образом, при изменении рабочей частоты у логопериодических антенн меняется положение зоны излучения вдоль антенны, что учитывается при градуировке и калибровке таких антенн.
В качестве примера измерительной логопериодической антенны можно указать П6-21, обеспечивающую в диапазоне частот 300…2000МГц согласование с 75Ом линией при КСТВ 2.
8.6.4Рамочные антенны
Чтобы обнаружить магнитное поле в ближайшей зоне и отличить его от какой-либо составляющей электрического поля используют рамочные антенны. Поскольку магнитные поля имеют низкие волновые сопротивления, то входное сопротивление рамочной антенны так же должно быть небольшим.
Рамочная антенна, представляющая несколько витков провода в трубе из металла, не имеющего ферромагнитных свойств, но обеспечивающего экранирование от электрического поля, является эффективным средством для связи с магнитным полем.
Принцип действия рамочной антенны рассмотрим на примере взаимодействия прямоугольного витка (рамки) с электромагнитным полем. ЭДС, наводимая в сторонах рамки, параллельных вектору электрического поля (рис. 7.11) описывается формулами:
e1 = E b sin ωt; e2 = E b sin (ωt – ωt1);
где е1 и е2 – ЭДС в первой и второй сторонах рамки; b – длина сторон, параллельных вектору Е; t – время прохождения электрической волны от первой стороны до второй. Выразив время t1 через расстояние между сторонами а, угол поворота φ плоскости рамки относительно направления распространения волны и скорость электромагнитной волны в вакууме с, получим
,
где λ – длина электромагнитной волны в вакууме.
Рис. 7.62. К определению действующей длины (высоты) рамочной антенны.
Результирующая ЭДС в одном витке находится как разность е1 и е2
где етв – амплитуда ЭДС одного витка.
Для рамочной антенны, состоящей из N витков амплитуда етр вычисляется как
Результирующую ЭДС, возникающую рассмотренным выше образом, называют «рамочным эффектом».
В реальных антеннах из-за несиметрии сторон рамки относительно земли, возникает нежелательная ЭДС, имеющая одинаковое направление в сторонах рамки и искажающая характеристики рамочной антенны. Это нежелательное явление называют «антенным эффектом», для его устранения антенну помещают в экран. Последний выполняют в виде металлической трубы с поперечным разрезом в верхней части антенны.
Действующая длина (высота) рамочной антенны вычисляется из соотношения
где S – площадь рамки. Указанная формула справедлива для рамочных антенн и другой формы, например, круглой.