 |
Диаграмма направленности антенны с активным директором (рефлектором)
|
|
|
|
Диаграмма направленности антенны с активным директором (рефлектором)
Антенна и директор могут рассматриваться как составные элементы сложной антенны и при расчете могут быть заменены эквивалентными точечными излучателями (рис. 7. 21, б). Директор питается током той же амплитуды, что и сама антенна, но сдвинутым по фазе относительно тока в антенне на угол 
.
Диаграмма направленности такой антенны равна произведению диаграммы единичного излучателя на множитель решетки:
,
где 
- сдвиг по фазе между полями антенны и директора в точке наблюдения.
Так как в нашем случае число излучателей 
, то
.
Оптимальными условиями работы антенны с директором являются
. При этом
Если 
, то 
, а если 
, то 
.
Таким образом, для правильной работы антенны ток директора должен отставать по фазе от тока антенны, что объясняется запаздыванием поля антенны относительно поля директора в прямом направлении.
Рассуждая аналогичным образом, можно показать, что в случае антенны с активным рефлектором оптимальными условиями работы являются , т. е. ток в рефлекторе должен опережать ток в антенне на 90°.
На рис. 7. 22 показаны ДН вибраторной антенны с активным директором (рефлектором) в двух главных плоскостях. В плоскости расположения вибраторов (см. рис. 7. 22, б) антенна обладает большей направленностью, так как ДН полуволнового вибратора в этой плоскости имеет форму восьмерки, в то время как в перпендикулярной плоскости (вертикальной) (рис. 7. 22, а) каждый из элементов антенны направленными свойствами не обладает.
Рис. 7. 22. Диаграммы направленности антенны с активным директором (рефлектором):
а-в вертикальной плоскости; б-в горизонтальной плоскости
|
|
|
Расчет входного сопротивления антенны с активными элементами можно осуществить методом наведенных э. д. с. Применение рефлектора или директора увеличивает к. н. д. антенны. Для полуволнового вибратора с рефлектором к. н. д. примерно в два раза больше, чем у одного вибратора.
Антенны с пассивными направляющими элементами
В антенне пассивными элементами могут быть и директор и рефлектор. Применяются два типа пассивных рефлекторов: настроенные (резонансные) и ненастроенные (отражающие поверхности). Пассивные директоры применяются только в виде настроенных систем.
Настроенные пассивные направляющие элементы, рефлекторы и директоры, представляют собой системы, подобные активным направляющим элементам. Однако, в отличие от активных, они не получают питания от генератора и возбуждаются от поля активного элемента.
Расчет диаграммы направленности антенны с пассивными элементами является более трудоемким, так как токи в этих элементах заранее не известны и зависят от их расположения и настройки. Расчет в этом случае основывается на применении метода наведенных э. д. с.
Пусть имеются два полуволновых вибратора, расположенных в пространстве параллельно, к входным клеммам которых подключены источники э. д. с. е (рис. 7. 23, а).
Рис. 7. 23. К расчету параметров антенн с направляющими элементами: а – оба вибратора запитываются от генератора; б – второй вибратор пассивный; в – выбор отсчета углов при вычислении ДН антенны с пассивными элементами;
г – векторная диаграмма суммирования полей
Рассматривая вибраторы как электрические цепи, можно записать
; 
,
где 
и 
- полные входные сопротивления вибраторов, найденные с учетом их взаимного влияния.
Рассмотрим случай, когда второй вибратор пассивный ( 
) и клеммы его замкнуты на некоторое сопротивление 
(рис. 7. 23, б). Ток в этом элементе не может быть равен нулю из-за взаимодействии вибраторов. Следовательно, 
откуда 
, или 
, где 
- наведенное сопротивление; 
- собственное сопротивление вибратора.
|
|
|
Заменив наведенное сопротивление взаимным, получим
(7. 22)
где 
- отношение амплитуд токов в вибраторах;
- сдвиг по фазе между токами.
Учитывая связь между токами первого и второго вибраторов
(7. 23)
и решая совместно уравнения (7. 22) и (7. 23), можно найти ток во втором вибраторе через ток во втором вибраторе через ток в первом:
(7. 24)
Входным сопротивлением антенны в данном случае является входное сопротивление активного вибратора
Подставив в последнее выражение значение отношения токов из уравнения (7. 24), получим
Действительная часть этого выражения определяет сопротивление излучения антенны.
Зная связь между токами в вибраторах, можно рассчитать диаграмму направленности антенны. Используя общую методику расчета поля сложной антенны, заменим вибраторы эквивалентными точечными излучателями (рис. 7. 23, в) и просуммируем их поля в дальней зоне. Воспользоваться множителем решетки в данном случае нельзя, так как амплитуды токов в вибраторах различные. Поэтому
.
Можно показать, что отношение 
, так как поля пропорциональны амплитудам токов в вибраторах. Тогда амплитуда суммарного поля из решения векторного треугольника (рис. 7. 23, г)
,
или
,
где 
- в случае любой вибраторной антенны;
- диаграмма направленности вибратора;
- множитель системы, учитывающий наличие второго (пассивного) вибратора;
- сдвиг по фазе между полями активного и пассивного вибраторов в точке наблюдения.
Мы рассмотрели простейший случай, когда перед активным вибратором находился один пассивный элемент. Если перед вибратором находятся 
пассивных директоров, то, обобщая полученные результаты, необходимо записать следующую систему уравнений для определения токов в элементах антенны:
|
|
|
;
;
;
.
Здесь сопротивления 
и токи 
- комплексные величины, и решение уравнений представляет значительные трудности. Поэтому для решения такой системы используют рекуррентную формулу Леонтовича, которая позволяет найти токи в любом вибраторе при пассивных директорах, если известно решение при 
пассивных директорах (см. [5]).
При проектировании антенны с пассивными элементами обычно вдаются отношением поля в направлении максимального излучения к полю в обратном направлении, Это отношение рассчитывают для различных расстояний между вибраторами и выбирают наилучший вариант, так как и зависят от расстояния 
. Расстояние между излучателями, как правило, выбирают в пределах 
, т. е. не обязательно равными 
.
Расчетным путем можно получить только ориентировочные значения расстояния и длины вибраторов. Исследование антенны е пассивными элементами показывает, что для получения наилучших результатов амплитуда и фаза тока в них должны подстраиваться. Это можно осуществить путем изменения сопротивления . На коротких волнах в качестве такого подстроенного сопротивления применяют шлейф, который подключают к входным клешам вибратора. На УКВ подстройку пассивного вибратора производят изменением его длины в небольших пределах.
Опыт показывает, что при одинаковых поперечных сечениях вибраторов пассивный рефлектор должен быть на несколько процентов длиннее активного вибратора, а пассивный директор - короче. На коротких волнах чаще всего используется работа пассивного элемента в качестве рефлектора. На УКВ широкое распространение получили антенны типа " волновой канал" (рис. 7. 24, а), состоящие из одного активного вибратора, одного рефлектора и нескольких директоров.
Рис. 7. 24. Антенна типа " волновой канал": а - упрощенная схема; б - вспомогательный график для расчета ее к. н. д.; 1 - активный вибратор; 2 - рефлектор; 3 - директоры
Увеличение числа директоров сужает ДН и увеличивает интенсивность излучения в направлении главного максимума. Применение рефлектором свыше одного лишено смысла, так как поле за рефлектором значительно ослаблено и второй рефлектор малоэффективен. Иная картина с директорами, так как каждый последующий директор попадает в интенсивное поле антенны и оказывает значительное влияние на диаграмму излучения. К. н. д. такой антенны может быть определен по формуле
|
|
|
где L - полная длина антенны;
k1- коэффициент, зависящий от длины антенны и определяемый по графику рис. 7. 24, б.
“Волновой канал" позволяет получить ДН шириной порядка 30°.
Кроме рассмотренных пассивных рефлекторов применяются рефлекторы в виде металлических поверхностей, устанавливаемых параллельно активному вибратору. Такой рефлектор, в отличие от вибраторного, не требует настройки. Металлическая поверхность может быть хорошим рефлектором, если ее размеры превосходят в несколько раз размеры активного вибратора. Расчет антенны в случае такого рефлектора производится методом зеркальных изображений.
Поверхность рефлектора может быть не сплошной металлической, а в виде проволочной сетки. Расстояние между проволоками сетки должно быть не более 0, 1 А. Такой рефлектор обладает меньшей парусностью и почти такими же электрическими свойствами, как и сплошной.
|
|
|
