Направленные свойства

Одиночные вибраторы применяют только в том случае, когда требуется ненаправленное или почти ненаправленное излучение. Если необходимо получить однонаправленное излучение или узкие ДН, используют антенны, состоящие из двух или нескольких вибраторов, расположенных на небольшом расстоянии (меньше длины волны) друг от друга. Такие вибраторы заметно влияют друг на друга, поэтому их называют связанными. Взаимодействие связанных вибраторов аналогично взаимодействию связанных колебательных контуров с сосредоточенными постоянными. Поле одного вибратора наводит в другом некоторую ЭДС, что эквивалентно изменению входного сопротивления вибратора. Поле, создаваемое системой вибраторов, является результатом сложения полей, создаваемых отдельными вибраторами, с учетом фаз этих полей, определяемых как разностью хода лучей, так и разностью фаз токов в излучателях. Формула для расчета характеристики направленности в меридиональной плоскости двух параллельных вибраторов 1 и 2, находящихся на расстоянии d друг от друга, питаемых токами и имеет вид:

или

Заметим, что в случае любой вибраторной антенны

Как видно, амплитудная характеристика направленности системы из двух связанных вибраторов определяется двумя множителями. Первый — представляет собой характеристику направленности симметричного вибратора, находящегося в свободном пространстве. Второй — учитывает наличие второго вибратора, он зависит от расстояния d между вибраторами, отношения амплитуд токов в вибраторах q и сдвига фаз токов в вибраторах . Этот множитель называют множителем системы.

4. РАСЧЕТ ТОКА В ПАССИВНЫХ ВИБРАТОРАХ

Пассивные вибраторы широко применяют для создания однонаправленного излучения в качестве рефлекторов и директоров.

Чтобы вибратор играл роль рефлектора или директора, ток в нем должен иметь определенные величину и фазу по отношению к току в активном вибраторе (в идеальном случае при расстоянии между вибраторами d= должны выполняться условия q=1и ).

Величины q и для пассивного вибратора зависят от расстояния между пассивным и активным вибраторами и от величин активного и реактивного сопротивлений пассивного вибратора. Эти величины можно регулировать, изменяя реактивное сопротивление пассивного вибратора.

Заменим два связанных симметричных вибратора, их которых один пассивный с включением в его середину сопротивлением настройки , эквивалентной схемой, изображённой на рисунке:

Здесь - напряжение в пучности напряжения вибратора;

и - токи в пучностях токов вибраторов один и два соответственно;

- взаимное сопротивление вибраторов;

- реактивное сопротивление настройки, включённое в пассивный вибратор и отнесённое к пучности тока;

и -собственные сопротивления.

Решая уравнения Кирхгофа для двух контуров получаем выражение для тока:

Так как

, то

Отсюда модуль отношения токов

А также фаза:

Сопротивления отнесены к пучностям тока. Сопротивление настройки пересчитывается (в случае короткого вибратора) ко входу вибратора 2 по формуле

В случае пассивного вибратора q и взаимозависимы. При изменении сопротивления настройки меняются одновременно обе величины. Поэтому добиться одновременно требуемых значений q и для пассивного вибратора невозможно. Пассивный вибратор обычно настраивают так, чтобы получить максимальный коэффициент защитного действия.

Ток в пассивном рефлекторе должен опережать по фазе ток в активном вибраторе. Анализ показывает, что пассивный вибратор играет роль рефлектора в том случае, когда его полное реактивное сопротивление (собственное плюс сопротивление настройки) имеет индуктивный характер. Этот вывод справедлив, если

Ток в пассивном директоре должен отставать по фазе от тока в активном вибраторе. Из анализа следует, что для работы пассивного вибратора в режиме директора при , его полное реактивное сопротивление должно быть отрицательным, т. е. иметь емкостной характер.

Пассивный вибратор настраивается изменением его длины. Чтобы пассивный вибратор работал в качестве рефлектора, его полная длина должна быть несколько больше (входное сопротивление разомкнутой на конце двухпроводной линии, длина которой больше , имеет индуктивный характер). Чтобы пассивный вибратор работал. в качестве директора, его полная длина должна быть несколько меньше . Необходимое удлинение или укорочение определяется расстоянием между вибраторами и их толщиной.

5.Директорные антенны.

Директорные антенны (антенны типа волновой канал) широко используются в диапазоне дециметровых и метровых волн в качестве направленных антенн осевого излучения.

Антенна состоит из одного активного и нескольких пассивных вибраторов, выполняющих функцию отражения и направления, они соответственно называются рефлекторами и директорами. Настройка вибратора на режим работы директора или рефлектора достигается настройкой его длины, которая должна быть больше резонансной длины (близкой длине волны пополам) для получения рефлектора и наоборот соответственно.

Для повышения направленности обычно увеличивают общую длину антенны. Расстояние между активным вибратором и рефлектором обычно берётся равным . Первый директор отстоит от активного вибратора на . Такое же расстояние выбирается между директорами. Иногда для расширения рабочих частот первый директор устанавливается на малом расстоянии . Длина активного вибратора выбирается из условия компенсации реактивной составляющей входного сопротивления (с учётом наведённых сопротивлений). Длина рефлекторов и директоров отличается от длины активного вибратора примерно на в сторону удлинения и укорочения соответственно. Чем толще вибратор, тем большее его укорочение или удлинение требуется для получения заданного сопротивления настройки . При заданном требуемую длину плеча вибратора можно найти по приближенной формуле:

где а— радиус поперечного сечения вибратора; 42,5 Ом—собственное реактивное сопротивление полуволнового вибратора (по методу наведенных ЭДС). Как правило, настройка антенны (подбор длин вибраторов) производится экспериментально.

Для уменьшения боковых лепестков длины директоров уменьшают по мере их удаления от активного вибратора. В качестве активного вибратора обычно применяют петлевой вибратор. Это связано с согласованием активного вибратора с пассивными. Просто если взять обычный полуволновой вибратор, его входное сопротивление в составе антенны уменьшается до 20 Ом, а у петлевого вибратора оно остаётся достаточно большим порядка 400 Ом, что удобно для согласования. Кроме того, у петлевого вибратора есть точка нулевого потенциала, что удобно для крепления его к металлическому стержню. Недостатком директорных антенн является их относительная узкополосность рабочих частот, это можно чуть-чуть исправить увеличением числа директоров в её составе, или усугубить уменьшением её длины.

6. ПИТАНИЕ ПРОСТЫХ ВИБРАТОРНЫХ АНТЕНН

Несимметричные вибраторы питаются с помощью несимметричных (коаксиальных) кабелей и жестких коаксиальных линий. При этом оболочка кабеля или линии присоединяется к проводящей поверхности («земля»), а внутренний провод — 'к вибратору.

При непосредственном присоединении коаксиального кабеля к симметричному вибратору (рисунок а) ток , текущий по внутренней поверхности экрана, в точке присоединения плеча вибратора (точка Ь) разветвляется на два тока: (течет по левому плечу вибратора) и (течет по внешней поверхности оболочки 'кабеля). Ток в виде тока смещения замыкается на плечо вибратора, соединенное с внутренним 'проводом кабеля. Ток , текущий по центральному проводнику кабеля, полностью переходит в правое плечо.вибратора. Так как =- то

Таким образом, плечи вибратора возбуждаются неодинаковыми по амплитуде и по фазе токами, что искажает диаграмму направленности. Кроме того, ток создает потери в оболочке кабеля; теряется также энергия поля, создаваемого током , так как это поле и поле вибратора имеют взаимно перпендикулярную поляризацию. Поэтому присоединение коаксиального кабеля к симметричному вибратору должно осуществляться только с помощью специальных симметрирующих устройств, один из основных типов которых является U-колено.

рисунок а

На рисунке ниже изображена схема симметрирующего устройства, называемого U-коленом. Коаксиальный кабель, идущий от генератора (основной кабель), присоединяется в точке с к отрезку коаксиального кабеля, имеющего форму буквы U. Расстояние bс должно отличаться от расстояния cda на Л/2 (Л — длина волны в кабеле). В частности, точка с может совпадать с точкой b, в этом случае длина U-колена равна Л/2.

Так как в длинной линии фаза тока или напряжения меняется на обратную через каждую половину длины волны, то токи в точках а и b оказываются в противофазе. Напряжение между этими точками Uab=Ua—U ь, где Ub=—Ua и плечи вибратора возбуждаются токами, одинаковыми по амплитуде и по фазе.

Для предотвращения ответвления токов, текущих по внутренней поверхности экрана кабеля на наружную поверхность этого экрана, внешние оболочки вблизи концов U-колена соединяются накоротко.

Симметрирующее устройство типа U-колена может работать только в узкой полосе частот.

7. Расчётная часть.

Дано:

-относительное расстояние между вибраторами

мм -диаметры вибраторов

Рассчитать:

Длину 2l пассивного вибратора и диаметр петлевого, диаграмму направленности в плоскостях E и H, коэффициент защитного действия и КНД.

Расчет:

Вначале рассчитывается антенна-прототип, в которой петлевой вибратор заменён полуволновым вибратором с собственным сопротивлением =73 Ом. При одинаковых с исходной антенной параметрах пассивного вибратора и расстояния d, антенна-прототип имеет те же направленные свойства (ДН и КНД), отличаясь лишь величиной входного сопротивления.

Длина пассивного вибратора определяется из следующей формулы:

Компоненты взаимного сопротивления определяются:

Найдём модуль q и фазу отношения токов

, где Ом, так как

q =0.645

Расчёт диаграммы направленности:

Нормированная диаграмма направленности в плоскости E в полярных координатах имеет вид:

В плоскости H:

Действие рефлектора или директора оценивается коэффициентом защитного действия , равным отношению напряжённости поля, излучаемого в главном направлении, к напряжённости поля, излучаемого в обратном направлении.