Тому на всіх частотах, що дорівнюють

, (7.36)

де fi ? резонансна частота i-го вібратора.

ДС антени практично не змінюється.

Оскільки, при відображенні за логарифмічною шкалою, резонансні частоти повторюються через однакові інтервали, що дорівнюють

, (7.37)

то антени і набули назву логоперіодичних. На резонансних частотах f1, f2,…,fn електричні параметри антени практично зберігаються незмінними. Всередині інтервалів f1?f2, f2?f3, … , fn?1?fn ДС та вхідний опір дещо змінюються.

ДС логарифмічної антени визначається кількістю вібраторів активної зони та амплітудними (фазовими) співвідношеннями струмів у вібраторах. У свою чергу, кількість вібраторів активної зони і співвідношення струмів в них залежить від геометричних параметрів антени ф та б.

Найдовша хвиля робочого діапазону визначається максимально припустимими розмірами антени, довжиною вібратора, що резонує на найдовшій хвилі, довжина якою дорівнює 2?макс=лмакс/2.

Найкоротша хвиля робочого діапазону обмежується можливою точністю побудови вібратора поблизу точок збудження (?мін=лмін/4). Граничні частоти робочого діапазону повинні вибиратися так, щоб за вібратором, що резонує на лмакс, було б розміщено один-два більш
довгих вібраторів (рефлекторів), а перед вібратором, що резонує на лмін (ближче до точок живлення), два-три більш коротких вібраторів (директорів).

Практично, за допомогою логоперіодичних антен можна набути ДС, яка мало змінюється у головних площинах і коефіцієнт біжучої хвилі Кб у фідері (з відповідним хвильовим опором) не нижчий за 0,6...0,7. Оскільки у випромінюванні одночасно приймає мала кількість вібраторів, то ДС отримується достатньо широкою. Типова ДС логоперіодичної антени у двох головних площинах наведена на рис. 7.23.

Збільшення ф (до значення не більше 0,95) при незмінному б призводить до звуження ДС, оскільки при цьому збільшується кількість вібраторів, що входять в активну (робочу) область антени.

У розглянутій антені вібратори були розміщені в одній площині. На практиці знаходять застосування також і просторові логоперіо-дичні антени. Конструкція такої антени наведена на рис. 7.24. У такій антені провідники фідера розміщені під деяким гострим кутом г один до одного, а плечі вібраторів, що приєднані до провідників фідера, знаходяться у різних площинах.

При цьому діапазонні властивості антени зберігаються практично незмінними, а максимум випромінювання у площині Н виявляється орієнтованим вздовж бісектриси кута г в сторону точок живлення. ДС у площині Е (площина, що проходить через бісектрису кута г та паралельна осям вібратора) приблизно така ж як і в плоскій антені. ДС у площині Н (площина YOZ) суттєво залежить від кута г і при правильному його виборі може стати вужчою, ніж у площині Е. ШДС у площині Н залежить також від кута б: чим менший цей кут (чим довша активна частина антени), тим більш гострою буде ДС.

Логоперіодичні антени використовуються для КХ та УКХ зв'язку, часто використовують як опромінювач дзеркальної антени.

Перевагою логоперіодичних антен над директорними є їх широкодіапазонність.

Логоперіодична антена може працювати у дуже широкому діапазоні частот (коефіцієнт перекриття частотного діапазону дорівнює S=10 та більше).

Типи щілинних випромінювачів

Щілинні випромінювачі являють собою вузькі щілини, що прорізані у стінці хвилеводу, резонатора, коаксіального кабелю та на смужковій лінії (рис. 7.25, а).

Ширина щілини становить (0,03…0,05)л, довжина їх близько півхвилі.

Щілини прорізаються так, щоб вони перетиналися лініями
поверхневих струмів, що протікають по внутрішнім стінкам хвилеводу або резонатора.

Можливі різні положення щілин (рис. 7.26, а): поперечна щілина 1; повздовжня щілина 2; похила щілина 3.

Форма щілини теж може бути різною (рис. 7.26, б): прямолінійна ? 1; кутова ? 2; гантелеподібна ? 3; хрестоподібна ? 4.

Спрямовані властивості та параметри елементарної щілини

На основі відомого із теорії електромагнітного поля принципу перестановочної подвійності Пістолькорс А.А. у 1944 році сформулював такий принцип подвійності:

розв'язок рівнянь Максвела для магнітного поля, що набутий для даних граничних умов буде справедливим і для електричного поля, якщо у граничних умовах обидва поля поміняти місцями

де ? вектор щільності електричного струму;

? фіктивний вектор щільності магнітного струму.

При застосуванні принципу подвійності Пістолькорса до відомої з електродинаміки структури поля елементарного електричного вібратора можна отримати поле від елементарної щілини (?щ<<л).

Аналогічно можна знайти поле від напівхвильової щілини, якщо відоме поле від симетричного напівхвильового вібратора.

ДС напівхвильової щілини та напівхвильового симетричного вібратора однакові (рис. 7.27).

З аналізу наведених ДС випливає, що:

ДС щілини та вібратора однакові (тороїдальні);

електричні та магнітні площини міняються місцями, тобто екваторіальна магнітна площина для вібратора переходить в електричну для щілини, а мередіальна електрична площина для вібратора переходить у магнітну для щілини і навпаки.

Таким чином, поляризація хвилі від вібратора збігається з його віссю, а від щілини ? перпендикулярна до осі щілини.

Хвилеводно-щілинні антени

Одна щілина має недостатньо спрямовані властивості. Для збільшення спрямованості та отримання ДС певної форми використовуються багатощілинні антени, що являють собою лінійні та двомірні решітки.

Найважливішим типом таких антен є хвилеводно-щілинні антени (ХЩА), що є системою напівхвильових щілин, які прорізані у
стінках хвилеводу. Найчастіше використовують прямокутні хвилеводи з хвилею Н10.

За особливостями збудження розрізняють дві групи ХЩА: резонансні та нерезонансні.

Резонансні антени (рис. 7.28) ? це антени, у яких відстані між щілинами та їх розміщення забезпечують синфазність їх збудження.

При поперечних щілинах на широкій стінці хвилеводу або повздовжніх щілинах на вузькій стінці відстань між сусідніми щілинами дорівнює лх (рис. 7.28, а). Такі антени називаються прямофазними. Якщо повздовжні щілини розміщені на широкій стінці хвилеводу (рис. 7.28, б), то ця відстань дорівнює лх/2. Додатковий зсув фази на р відбувається через те, що поперечна складова поверхневого струму змінює свій напрямок при переході середньої лінії широкої стінки хвилеводу (рис. 7.29).

Антени, у яких сусідні щілини мають додатковий зсув фази на р, називаються зміннофазними.

Через синфазність щілин головний максимум ДС резонансних антен перпендикулярний до осі хвилеводу (рис. 7.29).

Резонансні антени зазвичай працюють у режимі стоячої хвилі, для забезпечення якого в кінці антени (хвилеводу) розміщують короткозамкнений поршень (рис. 7.30).

Відстань між поршнем та останньою щілиною для решіток із повздовжніми щілини має дорівнювати

,

а для решіток із поперечними щілинами дорівнює

.

Найбільш доцільною у практичному застосуванні є антена, що наведена на рис. 7.28, б, оскільки відстань л/2?0,7л між щілинами забезпечує відсутність дифракційних максимумів (хвиля Н10).

Недоліком резонансних антен є їх вузькосмуговість ? це режим доброго узгодження та синфазність збудження зберігаються у смузі частот, яка не перевищує декількох відсотків. Пояснюється це так. На основній частоті відбиття від щілин, що розташовані на відстані лх або лх/2 одна від одної, додаються у фазі. При незначній зміні частоти це вже не має місця, і узгодження антени з хвилеводом живлення різко порушується. Викривляється її ДС, оскільки при відхиленні частоти порушується синфазність живлення щілин.

Нерезонансні антени ? це антени, у яких на відміну від резонансних відстань між щілинами дещо більша, або менша лх/2 або лх (рис. 7.31 а, б).

Збудження щілин зазвичай відбувається біжучою хвилею. Тому щілини збуджуються несинфазно і вздовж антени встановлюється лінійний фазовий розподіл. Максимум головної пелюстки ДС відхилений на деякий кут від перпендикуляра до осі хвилеводу в бік розповсюдження хвилі при відстані між щілинами , та у протилежному напрямку, якщо .

Відбита від кінця антени хвиля призводить до появи паразитної пелюстки, що розташовується симетрично з другого боку від перпендикуляра до осі хвилеводу відповідно до пелюстки, яка зумовлена падаючою хвилею. Для уникнення відбитої хвилі в кінці антени розміщується поглинаюче навантаження. У цьому навантаженні поглинається 5…20 % вхідної потужності.

Переваги нерезонансних антен перед резонансними такі:

більший робочий діапазон;

можливість електронного сканування ДС шляхом зміни нахилу лінійного фазового розподілу. Останнє досягається зміною частоти живлення хвилеводу, що призводить до зміни фазової швидкості розповсюдження хвилі у хвилеводі і, відповідно, до зміни величини зсуву фаз між сусідніми щілинами;

простота та відсутність частин, що виступають за межі поверхні, на який прорізані щілини. Це зумовлює широке їх застосування у літальних апаратах.

Для розширення смуги пропускання використовуються гантелеподібні щілини, а для випромінювання хвиль з коловою поляризацією ? хрестоподібні.

Недоліком багатощілинних нерезонансних антен є послаблення інтенсивності збудження у міру наближення до поглинаючого навантаження. Даного недоліку можна уникнути поступовим збільшенням відстані між шілинами та середьою лінією хвилеводу в міру наближення до кінця антени. У міру відділення повздовжньої щілини від середньої лінії, як відомо, інтенсивність її випромінювання збільшується і тому експоненціальний амплітудний розподіл наближається до рівномірного. Оскільки щілина випромінює в один бік, то КСД у 2 рази більший ніж у симетричного вібратора.

Спрямовані властивості багатощілинних антен оцінюють аналогічно лінійним рівномірним прямофазним решіткам.

Рамкові антени

Рамкові антени ? це дротяні антени у вигляді квадратних, кругових, ромбічних, трикутних і таких інших рамок.

До рамкових антен відносять:

малі рамкові антени (периметр рамки значно менший довжини хвилі);

діапазонні рамкові антени (периметр рамки можна порівняти з довжиною хвилі).

Малі рамкові антени

Електричні малі рамки.

Геометричні розміри таких антен значно менші довжини хвилі .

Конструктивно електрична рамка ? це один або декілька послідовно з'єднаних витків провідника, намотаних на діелектричний корпус, які розміщені у вертикальній площині (рис. 7.32 а, б).

Вертикальні розміри рамки можуть бути від декількох сантиметрів до десятків метрів залежно від її призначення.

До основних параметрів рамки відносять:

1. Амплітудне значення електрорушійної сили, яка наводиться вертикально поляризованою хвилею у рамці, що має N витків буде дорівнювати

, (7.39)

де ? хвильове число;

N ? кількість витків, що має рамка;

S ? площа рамки;

Eм ? амплітуда напруженості електричного поля, яке падає на
рамку;

и ? кут падіння електромагнітної хвилі до площини рамки відносно нормалі.

Максимальне значення ем буде при и=90о

. (7.40)

2. Реактивна складова вхідного опору має індуктивний характер, і для налагодження рамки у резонанс використовують високодобротні конденсатори.

3. ДС рамки має вигляд “вісімки”, F(и)=sinи, яка знаходиться у площині перпендикулярній до площини рамки і проходить через її вісь (рис. 7.33), та має вигляд кола в площині рамки.

4. Діюча довжина рамки

. (7.41)

5. Опір випромінювання можна знайти так

,

Тобто

(7.42)

. (7.43)

Оскільки у малої рамкової антени , то її опір випромінювання RУ дуже малий, і її можна використовувати на довгих та середніх хвилях, як приймальні антени.

Рамкові антени з магнітним осердям

Збільшити дожину рамкової антени можна через використання магнітного осердя з магнітною проникністю мос>>1. Діюча довжина такої антени визначити за виразом

.

де мос ? залежить від магнітної проникності осердя та його форми.

Конструкція рамкової антени з магнітним осердям наведена на рис. 7.34

Оскільки діюча довжина ?д збільшується в мос разів, то відповідно буде збільшуватися і електрорушійна сила, яка наводиться в рамці .

Такі рамки іноді називають магнітними антенами.

Осердя виготовляють із магнітодіелектриків (пермалою, феритів, сплаву алюмінію, кремнію та заліза тощо). При збільшенні відношення ?/d магнітна проникність мос збільшується, тому осердя магнітних антен виготовляють порівняно довгими.

Діапазонні (хвильові або резонансні) рамкові антени

У резонансних рамкових антен периметр приблизно дорівнює довжині хвилі л (рис. 7.35).

Довжина кожної сторони приблизно дорівнює чверті довжини хвилі.

Хвильові рамки застосовуються у діапазоні УКХ як приймально-передавальні антени тому, що опір випромінювання резонансних рамкових антен більший, ніж у малої рамкової антени.

Дійсно, згідно з виразом (7.43) маємо співвідношення

~ .

Мала рамкова антена має , а хвильова ? (Sмп<<Sxв).

Щодо ДС хвильової рамкової антени, то її спрямовані властивості схожі із властивостями вібратора Пістолькорса (симетричного вібратора). Максимум випромінювання відбувається по нормалі до площини рамки, поляризація ? горизонтальна.

Для збільшення спрямованості використовують декілька рамкових антен, що встановлюються одна за одною вздовж загальної осі (подібно директорним антенам).

Список використаної літератури

1. Антенны и устройства СВЧ. Н.Т. Бова, Г.Б. Резников, Киев, «Вища школа», 1982.

2. Антенно - фидерные устройства, А.З. Фрадин, «Связь», 1977.

3. Ресурси мережі інтернет.

Страницы: 1, 2