Види, параметри та принцип роботи антен

189

Житомирський Військовий Інститут

Національного Авіаційного Університету

Реферат

на тему:

Види, параметри та принцип роботи антен

Методи розширення смуги пропускання вібраторних антен

Смугою пропускання антени за вхідним опором називають смугу частот, у межах якої вхідний опір антени змінюється у припустимих межах. Як правило, фідер узгоджують із антеною на середній частоті, при якій реактивний опір дорівнює нулю. Зміна частоти призводить до зміни активної складової та до виникнення реактивної складової вхідного опору. Зазвичай основну роль в узгодженні має зміна реактивної складової вхідного опору. Для настроєних у резонанс смуга пропускання вібраторів має бути пропорційна відношенню

.

До методів розширення смуги пропускання відносять:

1. Зменшення хвильового опору са. Це досягається шляхом збільшення поперечних розмірів вібраторів (радіуса). Плечі таких вібраторів виготовляються у вигляді циліндрів, конусів та пластин. Для зменшення вони виготовляються із окремих провідників (вібратори Надененко та Айзенберга).

2. Збільшення активної складової вхідного опору вібраторів. Для цього використовують вібратори Пістолькорса.

3. Компенсаційний метод. Компенсується реактивна складова вхідного опору.

Для укорочення вібраторів встановлюють додаткові L або C на кінцях або на вході вібраторів залежно від знака реактивної складової.

Такі методи можуть розширити смугу пропускання до 50%.

Спрямовані властивості систем із двох вібраторів

Вхідний опір двовібраторних антен

Одинокий симетричний вібратор має недостатню спрямованість. Для підвищення спрямованості використовують системи однаково орієнтованих вібраторів - решітки вібраторів. ДС будь-якої решітки при відомих струмах у вібраторах визначається за допомогою правила Бонч-Бруєвича.

Розглянемо двовібраторні антени. До таких антен відносяться: система, що складається із двох паралельно розміщених активних вібраторів; система, що складається із активного вібратора та плоского ненастроєного рефлектора; система, що складається із активного та пасивного вібраторів. Між елементами таких систем існує електромагнітний зв'язок. Згідно з методом наведених ЕРС таку систему можна розглядати як систему двох зв'язаних контурів. Вхідний опір двовібраторної антени (рис.7.14) визначається на основі розв'язання алгебраїчних рівнянь Кірхгофа.

Позначимо напруги, що підводяться до вібраторів від джерел змінних ЕРС, через та , а струми на входах відповідно становлять . Рівняння Кірхгофа для такої системи мають вигляд

, (7.15)

де та ? взаємні опори вібраторів;

та ? власні опори вібраторів.

Якщо перше рівняння системи (7.15) поділити на , то вхідний опір першого вібратора буде дорівнювати

, (7.16)

де ? комплексний опір, що вноситься у перший вібратор від другого.

Отже повний комплексний опір вібратора є сумою власного та внесеного опорів

. (7.17)

Внесений опір залежить від АФР у системі із двох вібраторів, від відстані між вібраторами та їх взаємного розташування.

Якщо струми у вібратора однакові , то , тобто у даному випадку взаємний (внесений) опір не залежить від АФР струмів у вібраторах.

Таким чином, наявність вібраторів поруч призводить до взаємного впливу, що змінює вхідний опір. Зміна вхідного опору зумовлює зменшення потужності випромінювання через відбиття частки потужності до генератора. Останнє може привести до так званого ефекту “засліплення” Тому при практичному проектуванні багатовібраторних антен слід враховувати взаємний вплив її елементів один на одного.

Система із двох паралельних активних вібраторів

Будемо вважати вібратори напівхвильовими, що розміщені паралельно на відстані d один від одного (рис. 7.15).

Припустимо, що амплітуди струмів у вібраторах рівні, а фази струмів відрізняються на постійну величину Ф0.

Така антена є системою ідентичних однаково орієнтованих випромінювачів. Для неї, як відомо, справедливе правило Бонч-Бруєвича. Результуюча ДС дорівнює

.

Для напівхвильового вібратора

. (7.18)

Множник системи дорівнює

. (7.19)

Тоді результуюча ДС буде визначатися за виразом

. (7.20)

Із виразу (7.20) випливає, що ДС двовібраторної системи залежить від співвідношення d/л та фазового зсуву між струмами у вібраторах.

Розрахунки показують, що для синфазних (коли Фо=0) та протифазних (коли Фо=р) вібраторів ДС виходить порізаною. Тому використовують систему із фазовими зсувами між струмами у вібраторах р/2. Якщо відстань між вібраторами дорівнює d=л/4, а струм у першому вібраторі відстає від струму в другому вібраторі на р/2, тобто Фо=р/2, то ДС має вигляд, що наведений на рис. 7.16, а, б.

ДС має один максимум, орієнтований у бік до випромінювача 2 із запізненням фази струму, та один нуль, орієнтований у бік до вібратора 1.

ДС системи є несиметричною .

КСД системи дорівнює D=3,5...4. Тому на практиці така система використовується рідко.

Система із активного та пасивного вібраторів

Система із активного та пасивного вібраторів (рис. 7.17) була запропонована В.В. Татариновим у 1925 році. У такій двовібраторній системі напруга живлення підводиться тільки до першого вібратора.

Струм у пасивному вібраторі збуджується полем активного вібратора. Залежно від відстані d між вібраторами та налагодження пасивного вібратора (його довжини, що становить 2?n) характеристики системи будуть різними.

У деяких випадках максимум ДС системи буде спрямованим у бік пасивного вібратора, у деяких випадках - протилежно. Відповідно пасивний вібратор називають директором або рефлектором.

Для знаходження характеристик системи (ДС, вхідного опору, КСД) необхідно насамперед визначити величину струму у пасивному вібраторі.

Система алгебраїчних рівнів Кірхгофа (7.15) для даного випадку набуває вигляд:

. (7.21)

Із другого рівняння маємо співвідношення

 , (7.22)

та

, (7.23)

, (7.24)

де , ? комплексні амплітуди струмів в пасивному та активному вібраторах відповідно;

? комплексний взаємний опір системи;

? комплексний власний опір пасивного вібратора;

? АФР струму в системі (Р-АР, цп?ФР).

У системі, що розглядається, довжина пасивного вібратора хоча і змінюється, але мало відрізняється від довжини активного вібратора. Тому величина R12 та X12 для різних d вибираються із таблиць взаємних опорів для напівхвильових вібраторів, а величина визначається згідно з формулою

. (7.25)

При зміні довжини пасивного вібратора змінюється X22, відповідно змінюється й АФР у системі, тобто величини P та цп.

Відповідно до правила перемноження ДС система буде визначатися за співідношенням

, (7.26)

де ? ДС напівхвильового вібратора;

? множник системи.

Система, що розглядається, можна подати у вигляді лінійної решітки із двох випромінювачів. Відомо, що множник системи для такої антени має вигляд

. (7.27)

Розраховані за формулою (7.27) графіки множника системи для різних електричних відстаней d/л та різної настройки пасивного вібратора наведені на рис. 7.18.

Із аналізу наведених графіків (рис. 7.18) можна сформулювати такі висновки:

при заданій відстані між вібраторами шляхом зміни довжини пасивного вібратора (величини х22 можна домогтися того, щоб він діяв, як директор або, як рефлектор;

при заданій довжині пасивного вібратора досягти такого ж ефекту можна зміною відстані між вібраторами.

Результуюча ДС системи f(и) у площині Н (площині, що перпендикулярна вібраторам) збігається з множником системи

fН(и)=60fсист(и) . (7.28)

Результуюча ДС у площині Е визначається за виразом

(7.29)

Вхідний опір активного вібратора матиме вигляд

. (7.30)

Виділяючи дійсну та уявну частини, набудемо такі співвідношення

, (7.31, а)

. (7.31, б)

Опір не враховує втрати в системі. Налагодження системи в резонанс здійснюється укороченням пасивного вібратора .

КСД системи слід розраховувати за загальною формулою для вібраторних антен

 . (7.32)

Як показують розрахунки, система дозволяє набути значення D=4...6. Необхідна форма ДС досягається шляхом зміни довжини пасивного вібратора та його віддалення від активного вібратора.

Система активний вібратор - плоский ненастроєний екран

Для отримання односторонньої ДС та розширення робочого діапазону частот використовують антену, яка складається із напівхвильового активного вібратора, що розміщується паралельно плоскому екрану на відстані h. Для наближеного розрахунку ДС системи, вважають, що екран нескінченний. Тоді відповідно до методу дзеркальних зображень [ ] дану систему можна замінити системою паралельних вібраторів, що віддалені один від одного на відстань 2h (рис. 7.19).

Для визначення ДС системи скористуємося формулою (7.20). Оскільки кут и відраховується від осі системи і враховуючи, що фо=р, а d=2h, набудемо:

ДС в електричній площині дорівнює співвідношенню

. (7.33)

ДС у магнітній площині дорівнює

. (7.34)

Розрахунки показують, що ДС у площинах Е та Н майже однакові, внаслідок чого КСД системи збільшується до 5...7. Оскільки екран ненастроєний, розширюється робочий діапазон частот. Тому така система широко використовується як первинний опромінювач дзеркальних антен.

Особливості конструкції та спрямованих властивостей директорних антен

З метою звуження ДС та підвищення КСД використовують директорну антену або антену типу “хвильовий канал” (в іноземній літературі - антена Яги або Уда-Яги). Така антена є лінійною дискретною системою, що складається із однаково орієнтованих та розміщених в одній площині одного активного вібратора, рефлектора та декількох директорів (рис. 7.20). Центри вібраторів приєднуються до металевої або діелектричної стріли.

Постановка більш одного рефлектора неефективна, оскільки поле за рефлектором слабке. Рефлектор розміщують на відстані (0,15...0,25)л від активного вібратора. Кількість директорів, зазвичай, не перевищує 10...12. Відстань між ними (0,1...0,35)л. Активний вібратор виготовляють на 3...5% коротшим напівхвильового; директори укорочені на 5...15%, а рефлектор на 2...5% довший напівхвильового. Директори збуджуються хвилею, що розповсюджується впродовж осі, утворюючи своєрідний “хвильовий канал”. Відповідно до цього директорна антена подібна антені біжучої хвилі.

Директорна антена формує ДС практично вісьосиметричної
форми. ШДС залежить від електричної довжини директорної антени, що визначається за відношенням L/л (рис. 7.21).

Збільшення довжини антени призводить спочатку до більш швидкого, а потім до більш повільного звуження ДС. Це пояснюється більш слабким збудженням кожного наступного директора. Для здійснення умови 2и0,5p<15o використовують синфазні антени із директорних антен.

До переваг директорної антени належать: простота та жорсткість конструкції, до недоліків - це вузькосмуговість та складність настройки. Антена використовується на УКХ.

Логоперіодична антена

Логоперіодичні антени належать до частотно незалежних антен. В основу роботи таких антен покладений принцип електродинамічної подібності, тобто при одночасній зміні довжини хвилі та всіх геометричних розмірів, в однаковій пропорції, основні параметри антени (вхідний опір та діаграма спрямованості) залишаються практично незмінними. Характерною особливістю частотно-незалежних антен є те, що одночасно (на заданій хвилі) у роботі приймає участь тільки частина антени. При зміні довжини хвилі робоча область, зберігаючи свої відносні розміри (у долях хвилі), переміщується вздовж антени.

Одна із можливих конструкцій логоперіодичної антени наведена на рис. 7.22.

На рис. 7.22 показана двопровідна лінія, до якої приєднані симетричні вібратори. Довжина вібраторів та відстань між ними збільшуються у міру віддалення від початку антени так, що всі вібратори виявляються подібними, а лінії, що з'єднують їх кінці, утворюють постійний кут б для даної антени.

Коефіцієнт подібності ф (безрозмірний період структури) пов'язує довжину сусідніх вібраторів 2?i?1 та 2?i, а також і відстані цих вібраторів Ri?1 та Ri до вершини кута б співвідношенням

. (7.35)

Розглянемо принцип дії логоперіодичної антени. Оскільки вібратори відрізняються один від одного за довжиною, то всі вони резонують на різних частотах. На деякій частоті fo, яка є резонансною для одного з вібраторів, вхідний опір такого вібратора стає чисто активним і дорівнює близько 73 Ом, а вхідний опір решти вібраторів буде комплексним. При цьому їх реактивні складові будуть тим більшими, чим більше довжина кожного відрізняється від резонансної. Це, в свою чергу, призводить до істотного зменшення струмів у вібраторах, що віддалені від резонансного, і зменшенню, внаслідок цього, їх впливу на сумарне поле випромінювання. Воно буде визначатися, так званою, активною областю антени (резонансним та найближчими до нього двома-трьома вібраторами). Нехай антена збуджується на хвилі, для якої вібратор 3 настроєний у резонанс. При цьому, оскільки довжина вібратора 4 є більшою за резонансну, а довжина вібратора 2 менша резонансної, то наведений, завдяки просторового зв'язку, струм у вібраторі 4 буде випереджати за фазою струм у вібраторі 3, а струм у вібраторі 2 буде відставати від струму у вібраторі 3. Отже, короткий вібратор 2 відіграє роль директора, а більш довгий вібратор 4 - рефлектора. Тому подібні антени випромінюють енергію переважно у межах однієї напівсфери у бік початку антени. Якщо частота генератора зменшиться і стане дорівнювати фfo, то розпочне резонувати наступний, більш довгий вібратор. Збільшення частоти до значення fo/ф викликає резонанс у більш короткому вібраторі.

Страницы: 1, 2