Электродинамическое моделирование некоторых типов широкополосных вибраторных антенн

На рис.5,а условно показана в полярной системе координат фазовая диаграмма направленности антенны. В пределах главного лепестка фаза равна нулю. При переходе к соседнему лепестку фаза изменяется на 180°.

С понятием фазовой диаграммы тесно связано понятие эквифазной поверхности, на которой фаза поля остается постоянной для всех углов наблюдения. На рис.5б показана эквифазная поверхность антенны. Она представляет собой совокупность концентрических сферических сегментов, радиусы которых при переходе от лепестка к лепестку изменяются на половину длины волны. Центр этих сфер называется фазовым центром антенны. Фазовый центр антенны соответствует точке, относительно которой фазовая диаграмма направленности в пределах главного луча постоянна, а при переходе от лепестка к лепестку изменяется на 180⁰. Знание фазовых диаграмм и положения фазового центра важно для антенн, являющихся элементами сложных антенных систем (например, облучателей зеркал).

Поле  антенны в дальней зоне характеризуется  не только амплитудой и фазой, но и  поляризацией, т.е. характером изменения  направления вектора напряженности  электрического поля во времени. Характер поляризации поля определяется типом антенны и ее пространственной ориентацией. Прямолинейный излучатель, ориентированный вдоль оси z (см. рис.6), создает линейно поляризованное поле , направление которого в течение периода высокой частоты остается коллинеарным самому себе, хотя

 (10)

Все возможные типы поляризации  поля можно получить, если ввести в  рассмотрение второй когерентный прямолинейный  излучатель, лежащий в плоскости XOY, причем перпендикулярный прямой ОВ. Этот излучатель тоже создает линейно поляризованное поле , причем в общем случае мгновенное значение поля изменяется по закону

 (11)

В выражениях (10), (11) и − амплитуды напряжённостей

Рис.6. Годограф вектора напряженности электрического поля при

и

соответствующих полей, а − сдвиг фаз между ними. При =0 система излучателей формирует поле линейной поляризации (Рис.6), при =π/2 − поле круговой поляризации (разумеется, если ), а при =π/4 − поле эллиптической поляризации.

Поляризационный эллипс (рис. 7) может быть определен  следующими величинами:

−коэффициентом эллиптич−

ности (коэффициентом равномер− ности поляризационного эллипса),

равным отношению малой и большой полуосей эллипса

 (12)

Рис. 7. Поляризационный эллипс.

−углом  (или ) наклона поляризационного эллипса к оси

 (или );

−направлением вращения вектора поля, которое называется правым, если вращение вектора происходит по часовой стрелке при наблюдении вслед уходящей волне (аналогия с. правым винтом в механике).

В противном случае направление  называется левым

Поляризационной диаграммой антенны называется зависимость коэффициента эллиптичности от направления в пространстве Эта характеристика чрезвычайно важна для антенн УКВ, осуществляющих связь с ИСЗ или через ИСЗ.

Амплитудная, фазовая и поляризационная диаграммы  направленности антенны являются характеристиками ее направленных свойств.

3. Параметры антенны как нагрузки передатчика.

Рис. 8. Эквивалентная схема антенны как нагрузки генератора.

 

Эквивалентная схема антенны как нагрузки генератора представлена на рис.8. Точки "а", "в" обозначают входные зажимы  антенны (точки ее питания). Если обозначить комплексные амплитуды напряжения и тока навходе и соответственно, то входное сопротивление антенны

 (13)

В общем случае входное сопротивление  − комплексная величина. Найдем его компоненты. Для этого умножим числитель и знаменатель (13) на комплексно-сопряженное значение тока на входе антенны ( ). Тогда получим

 (14)

Так как подводимая мощность складывается из активных мощностей излучения и потерь и мощности реактивных полей антенны , то

 (15)

Активная  часть входного сопротивления ( ) состоит из двух слагаемых: полезной (сопротивление излучения ) и вредной (сопротивление потерь ).

Реактивная  часть входного сопротивления  соответствует мощности реактивных полей вокруг антенны. Её стараются минимизировать. При резонансе и входное сопротивление антенны чисто активное.

Потери  электромагнитной энергии в передающей антенне определяются ее превращением в тепло в металлических конструкциях и диэлектрике антенны. Эффективность  работы антенны как преобразователя  энергии оценивается с помощью  коэффициента полезного действия (КПД), впервые введенного в теорию антенн отечественным ученым профессором

И. Г. Кляцкиным в 1921 г. КПД антенны равен отношению излученной антенной мощности к активной мощности, потребляемой антенной,

 (16)

Так как реальные радиолинии функционируют  в пределах некоторой полосы частот, интерес представляют частотные  характеристики кпд, сопротивления  излучения, сопротивления потерь и  реактивного сопротивления.

Для характеристики антенны как нагрузки передатчика важную роль играет электрическая  прочность, под которой понимают то максимальное напряжение (или максимальную мощность), которое может быть подведено  к антенне при сохранении нормальных условий ее функционирования (отсутствие пробоя и неискаженная передача сигналов).

Входное сопротивление, КПД и электрическая прочность антенны в заданной полосе частот являются параметрами, определяющими функцию антенны как преобразователя направляемых волн в свободные.

4. Вторичные параметры, характеризующие направленность антенн.

К вторичным параметрам, характеризующим  направленные свойства антенны, относят  коэффициент направленного действия (КНД). Этот параметр ввел в 1929 г. патриарх отечественной антенной науки член-корреспондент  Академии наук СССР А. А. Пистолькорс.

КНД − это число, показывающее, во сколько раз пришлось бы увеличить мощность излучения антенны при переходе от направленной антенны ( ) к ненаправленной ( ) при условии сохранения одинаковой напряженности поля в месте приема:

 (17)

Эквивалентным первому является второе определение: КНД − это число, показывающее, во сколько раз можно уменьшить  мощность излучения направленной антенны  по сравнению с ненаправленной для  обеспечения в точке наблюдения неизменной плотности потока мощности.

Для ненаправленной антенны и

 (18)

Напряженность поля, создаваемого направленной антенной,

Мощность  излучения направленной антенны

 (19)

Подставив (19) и (18) в (17) и учитывая, что , получим

 (20)

Для оценки выигрыша в мощности за счет направленных свойств антенны с  учетом потерь в ней вводится параметр, называемый коэффициентом усиления (КУ) антенны. Коэффициентом усиления антенны называется отношение мощности , излучаемой ненаправленной антенной без потерь, к мощности , подводимой к направленной антенне с потерями при условии получения одинаковой напряженности поля в точке наблюдения, т.е.

 (21)

Умножим и разделим правую часть (21) на (мощность, излученную направленной антенной). Тогда получим

 (22)

Таким образом, коэффициент усиления антенны равен произведению КНД и КПД.

 

1.3 ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ

 

Антенны вибраторного типа выполняются из металлических  проводов, лент или труб и питаются как двухпроводными фидерами, так  и коаксиальными кабелями. Существует большое разнообразие симметричных и несимметричных вибраторов и способов их питания. К вибраторным антеннам предъявляются требования: возможная  простота конструкции и эксплуатации; симметричная диаграмма направленности в плоскости , круговая диаграмма направленности в плоскости , низкий КСВ в линии питания в относительно широкой полосе рабочих частот; наличие регулировочных элементов, заданный уровень излучаемой мощности (для передающих антенн); высокий КПД, устойчивый режим работы при воздействии дождя и мокрого снега, малый уровень кроссполяризационого излучения; удобное крепление на опоре, обеспечение молниезащиты и защиты от статических зарядов.

1. Петлевой вибратор.

Как показано на рис.9а, два элемента вибратора одинакового диаметра

закорачиваются на концах перемычками  и к разрыву одного из них подключается двухпроводная линия.

Это − короткозамкнутая линия. В точке − пучность тока, в точках и − узлы, за которыми меняется направление тока. В точках и − вновь пучность тока. Стрелки показывают направление токов на отдельных

Рис. 9. Петлевой вибратор.

 

участках и направлены из точки  к точкам и , а к точке из

точек и . Легко видеть, что на обеих ветвях петлевого вибратора токи имеют одинаковое направление, т.е. петлевой вибратор представляет собой два параллельных синфазных полуволновых вибратора, весьма близко расположенных друг к другу: один разрезной, второй − в виде сплошного стержня.

Если  весь петлевой вибратор сделан из одинакового  провода, то на обоих составляющих его  полуволновых вибраторах ток будет  одинаковым. Поскольку расстояние между  проводниками является малым по сравнению  с длиной волны, диаграмма направленности петлевого вибратора совпадает  с диаграммой направленности обычного полуволнового вибратора.

Пусть петлевой вибратор образован, как показано на рис.3.2б, путем параллельного присоединения  к разрезному полуволновому вибратору  нескольких сплошных стержней. Если полуволновый вибратор с током  в пучности создает поле и излучает мощность , то поле петлевого вибратора будет примерно равно , где − число сплошных стержней, а мощность излучения и соответственно входное сопротивление Ом. Делая разрезной вибратор (входящий в состав петлевого) из одного числа проводов, а сплошные стержни из другого числа проводов, меняя их волновое сопротивление, можно принципиально сделать входное сопротивление петлевого вибратора любым по величине.

2. Шунтовой вибратор.

Удобным является полуволновой вибратор с шунтовым питанием.

 (23)

Из (23) легко видеть, что входное сопротивление  шунтового вибратора активно  и может меняться в широких  пределах при изменении точек  −

Рис. 10 Шунтовой вибратор.

 

присоединения фидера.

Другой разновидностью симметричного  вибратора с шунтом является вибратор, показанный на рис.11, который отличается по существу от петлевого вибратора с шунтом и шунтового вибратора своим конструктивным выполнением. При правильном подборе точек включения шлейфа, его геометрических размеров, угла α и волнового сопротивления

Рис. 11

 

фидера  удается получить удовлетворительное согласование вибратора с фидером  в широкой полосе частот. Улучшению  согласования вибраторов с фидерами способствует также то, что вибраторы  состоят из широких пластин (или толстых проводов), обладающих довольно низким волновым сопротивлением.

3. Комбинированный вибратор.

Рис. 12 Комбинированный вибратор.

 

Комбинированный вибратор (рис.12) является сочетанием петлевого и шунтового вибраторов. На волне он – петлевой вибратор, на волне – шунтовой. Подбирая число проводов и их длины, можно сделать входное сопротивление в обоих случаях

одинаковым. В промежутке между  и и за их пределами входное сопротивление будет другим. Однако, делая у вибратора малое волновое сопротивление, можно добиться медленного отклонения с изменением частоты входного сопротивления от резонансной величины, которая получается на волнах и , и получить сравнительно широкополосный вибратор.

4. Биконический вибратор.

Биконический  вибратор в теории рассматривается как длинная линия с

Рис.12. Биконический вибратор.

 

волновым сопротивлением

     (24)

Входное сопротивление биконического      вибратора

                                                                   (25)

В силу осевой симметрии биконическая антенна  имеет всенаправленную в горизонтальной плоскости диаграмму направленности и может обеспечить удовлетворительное согласование в полосе частот несколько октав.

5. Диполь Надененко.

Для того чтобы  симметричный вибратор можно было использовать в широком диапазоне волн, применяется  специальная конструкция плеч этого  вибратора, предложенная С. И. Надененко. Каждое плечо состоит не из одного, а из нескольких проводов, расположенных  в виде цилиндра. Диаметр такого цилиндра около 1 м. На рис. показано схематическое устройство антенны Надененко.

Рис.13. Диполь Надененко.

 

Применение современных широкополосных согласующе-симметрирующих трансформаторов  позволяет согласовывать диполь Надененко с коаксиальной линией в широком диапазоне частот. Так как эта антенна имеет горизонтальную поляризацию и является симметричной, то КПД ее стремится к 100%, что выгодно отличает ее от известных широкополосных вертикальных антенных систем.

Для расширения полосы пропускания дипольной  антенны С. Надененко увеличил диаметр  излучающих элементов полотна антенны, что приводит к снижению добротности  колебательной системы и расширению полосы пропускания антенны. Входное  сопротивление такой антенны  колеблется от 200 до 300 Ом. и для питания антенны использовалась двух проводная или четырех проводная симметричные линии. Для трансформации входного сопротивления применяется трансформатор на двух ферритовых кольцах диаметром 32мм. (до 300Вт.) и бинокулярного типа на десяти кольцах (1кВт.)