Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств

Подождите немного. Документ загружается.

что удобно с точки зрения согласования, так как, меняя

hi и /г

= -у —h, можно в широком диапазоне изме-

нять ее входное сопротивление. Антенны подобного типа

широкодиапазонны и находят применение вплоть до диа-

пазона УКВ. Вариант такой антенны (вибратор Линден-

блада) показан на рис. 3-18,г. Подбором формы верхней

50 100 150 200 250 300

Рис.

3-19. Активная составляющая входного сопротив-

ления конической антенны (угол -ф дан в градусах).

и нижней частей вибратора удается получить постоян-

ное активное входное сопротивление, равное 110 ом,

в полосе ±15%.

В некоторых случаях подобный метод питания при-

меняется и для симметричных вибраторов.

Несимметричные конические вибраторы. Параметры

конического вибратора, расположенного непосредственно

над идеально шроводяшей плоскостью так, что его ось

перпендикулярна ей, могут быть рассчитаны по форму-

лам для бикопического вибратора. При этом, конечно,

все сопротивления должны быть уменьшены в 2 раза,

а ДН имеет смысл только в той половине пространства,

где находится вибратор.

Экспериментальные данные [Л. 6] о входном сопро-

тивлении несимметричного конического вибратора в за-

висимости от его относительной длины и угла при вер-

151

шине конуса приведены на рис. 3-19, 3-20. Расчет вход-

ного сопротивления такой антенны при расположении ее

на плоскости с конечной проводимостью представляет

значительные трудности.

Несимметричный вибратор Пистолькорса. Различные

варианты петлевых вибраторов могут использоваться и

как несимметричные антенны. Входное сопротивление

Рис.

3-20. РеакБивная составляющая входного сопротивления ко-

нической антенны (угол

тр

дан в градусах).

таких антенн рассчитывается по формуле (3-36), но оно

должно быть уменьшено в 2 раза. Следует опустить

также коэффициент, равный двум в первом слагаемом

знаменателя. ДН несимметричного петлевого вибратора

практически совпадает с ДН несимметричного верти-

кального вибратора цилиндрической формы.

Влияние конечных размеров плоскости, над которой

расположен вибратор. Изменение входного сопротивления

несимметричного вибратора, установленного в центре

идеально проводяшего диска конечных размеров, можно

определить по следующей формуле (Л. 22]:

AZ = Z— Z

^=t

e |^щ</2 , (3-95)

152

где Z

— полное сопротивление рассматриваемого вибра-

тора, когда он расположен над бесконечной

идеально проводящей плоскостью;

D—диамегр диска, в центре которого установлен

вибратор;

h — высота вибратора;

I(z) —закон распределения тока вдоль вибратора;

/(0) —величина тока у основания вибратора.

Если считать, что

/г

А/4,

а распределение тока сину-

соидально с максимумом у основания вибратора, т. е.

I(z) =/

sin kz, то

\k\

-1

J/(0)

—ь

При

D = \0l

изменение входного сопротивления будет

, . 60 — ikD

меньше 1 ом, так как модуль множителя i ттг е в этом

случае меньше единицы.

Однако если влияние конечных размеров проводящей

плоскости на входное сопротивление вибратора не очень

велико, то ДН изменяется значительно. Основные осо-

бенности ДН вибратора, расположенного на диске ко-

нечных размеров, заключаются в том, что максимум ДН

направлен под некоторым углом к плоскости диска,

а напряженность поля вдоль этой плоскости оказывается

значительно меньшей. Расчет ДН достаточно сложен

[Л.

23], однако для коротких по сравнению с длиной вол-

ны вибраторов весьма точно можно определить угол

бмакс. определяющий направление максимума ДН:

sin

макс

—

1 — 4Q-.

(3-96)

где угол 9 отсчитывается от оси вибратора.

Интересно, что отношение напряженности поля в на-

правлении плоскости диска

= it/2) к напряженности

в максимуме ДН практически не зависит от размеров

диска и равно:

^Ц =

0,428.

Диско-конусная антенна представляет собой бикони-

ческий вибратор, у которого один из конусов заменен

153

диском (рис. 3-21). Входное сопротивление такой антен-

ны может быть определено по графикам, приведенным

на рис. 3-19, 3-20. Влияние конечных размеров диска на

величину входного сопротивления может быть легко

учтено с помощью формулы (3-95). При достаточно

j ^ больших углах ip диско-конусная ан-

тенна может быть весьма диапазон-

ной, причем наибольшая диапазон-

ность по входному сопротивлению

имеет место при углах г|) порядка 30°.

ДН диско-конусной антенны при

kl^

1,5-^2

такая же, как у короткого

вибратора, т. е. максимум ДН лежиг

в плоскости диска, а нули ДН совпа-

Рис 3-21. Диско- дают с осью конуса. При увеличении

конусная антенна. kl максимум ДН несколько отклоняет-

ся в сторону конической части антен-

ны.

Расчет ДН диско-конусной антенны сложен, поэтому

обычно пользуются экспериментальными данными.

Можно рекомендовать следующие размеры диско-ко-

нусной антенны. Величину угла -ф выбирают порядка

30—60°.

Высота конуса должна равняться приблизи-

тельно 7з наибольшей длины волны диапазона. Зазор

между диском и конусом берут порядка s

—

0,3d, где

d — диаметр питающего кабеля и, следовательно, диа-

метр площадки при вершине конуса. Необходимо отме-

тить,

что при увеличении d диапазонность антенны ухуд-

шается. Диаметр диска антенны И

определяют из со-

отношения Dn~0,7 D, где D — диаметр нижнего основа-

ния конуса. Параметры диско-конусных антенн можно

найти в {Л. 24].

3-3.

НЕКОТОРЫЕ ВАРИАНТЫ ВИБРАТОРНЫХ АНТЕНН

Уголковая антенна. Уголковая антенна отличается от

обычного симметричного вибратора тем, что одно ее

плечо повернуто относительно другого и угол между пле-

чами 2Ф<180°, причем оба плеча лежат в одной пло-

скости. В этой плоскости антенна имеет очень слабо вы-

раженную направленность. Форма ДН по мере уменьше-

ния угла Ф приближается к окружности, однако сопро-

тивление излучения при этом стремится к нулю. Обычно

берут угол 2 Ф равным приблизительно 80°. ДН уголко-

вой антенны в свободном пространстве для азимуталь-

154

ной составляющей поля (антенна лежит в плоскости

хОу, причем биссектриса угла совпадает с осью х) мо-

жет быть рассчитана по формуле [ЛО. 22]:

(?,

= V№

sin

(*-9) + В sin

(Ф

9)]

[С

sin

(Ф — <р)

sin

(Ф

<р)]

(3-97)

а для меридиальной составляющей по формуле

F (<р,

б)

cos 6

/[A cos

(Ф — <р) —

В cos

(Ф

<?)]*+*

+ [Ссоз(Ф

— <р) — D

cos

(Ф+<р)]

(3-98)

В этих формулах

. cos

[kl

cos (Ф

—

у) sin

8] —

cos kl _

1 — cos

(Ф

—

<f) sin

9 '

D cos

[kl

cos (Ф + if) sin

9] —

cos kl

1 — cos

(Ф +

<f)

sin

9 '

p sln[£/cos^—

<p)

sin 0] — sin kl cos (Ф—y) sin 9

1—

со5

(Ф — ?)sin

9 '

sin [klcos (Ф+

<f)

sin 9] — sin klcos (Ф + ip) sin 9

1—

C0S

^+<p)sln

8 ' '

здесь /— длина плеча антенны, k

2n/X.

Сопротивление излучения полуволновой уголковой

антенны, расположенной в свободном пространстве,

равно:

к In f-J sin 2ф) + 2С

—

2Ci

(и

sin

Ф)

Ci it

—

Ci [«(1 -f sin

Ф)]

— Ci [«(1 - sin

Ф)]

1, (3-99)

где C=0,577 — число Эйлера.

В наземных антеннах часто применяют уголковую

антенну с углом

2Ф

90°

— уголковую антенну Пистоль-

корса. Диаграмма направленности такой антенны, подве-

шенной над идеально проводящей землей на высоте Я,

155

может быть рассчитана по формулам Л. С. Тартаков-

ского:

где

F (<р,

8) = }/<^ + ^ +

2ф,ф

cos (v, - v

) |cos

X sin (Ш sin

8),

(3-100)

^ = {cos

[kl

cos

cos (<p

— 45°)]

cos

kl} X

_ '

cos v, У1 — cos

8 cos

(f—45°)

= {cos [6/ cos

cos

(<p

+45°)]

— cos

&/}X

cos v

У1 — cos

cos

(¥+45°)

, sin [kl cos 8 cos (у—45°)] — sin ft/ cos 8 cos (tp—45°).

° cos

[kl cos 8

cos

(<p — 45)] —

cos kl '

__ __ . sin \kl cos S cos Q+45°)J _ sin ft/ cos S cos (<p+45°).

_= arcTg cos [ft/cos8cos(<p+45°)l —cosft/ '

|cosp|

2tg8

cos

cos 2y

В этих формулах б — угол наклона луча к плоскости

земли,

— азимут луча, отсчитываемый от перпендику-

ляра к биссектрисе угла между плечами антенны.

В горизонтальной плоскости

ДН можно по-

строить по формулам:

где

/W?)= /(Ъа + Ы' +

СФ.Л

^?,

(3-Ю1)

sin(y-45°y ^

C0S

^—

°)1 —

C0S kl

a =

sin (y

)

Л/

°)1

C0S

Ф»

sin (у—45°)

{sin [£/ cos

(<p—45°)]

—

sin kl cos

(?—45°)};

*»

iin(y

5°) <

sin

kl cos

°)1

sin kl cos

(<P+

°)}-

156

В [ЛО. 2] имеется серия ДН для различных значений

/и 6.

Равномерность ДН в горизонтальной плоскости по-

вышается при увеличении I. Поэтому часто каждое плечо

уголковой антенны представляет собой полуволновый

вибратор, обычно диапазонный, возбуждаемый в пучно-

сти тока. Оба вибратора подсоединяются к линии пере-

дачи так, чтобы они были синфазными.

При слабой направленности в горизонтальной пло-

скости и идеально проводящей земле КУ уголковой ан-

тенны равен примерно 2,4. При реальной земле это зна-

чение следует умножить на коэффициент 0,25.

Вибраторы с поперечным сечением различной формы.

С целью расширения рабочего диапазона волн диаметр

цилиндрических вибраторов увеличивается. По конструк-

тивным соображениям

применение цилиндри- '

ческих вибраторов может '

оказаться неудобным. °>

Анализ работы вибрато- о,з

ров,

имеющих поперечное о,г

сечение, отличное от кру-

га, можно провести, сво-

дя их к некоторому

эквивалентному

цилин-

дрическому вибратору.

Длина эквивалентного

вибратора берется такой

же,

как и реального, а радиус поперечного сечения а

зависит от формы и размеров поперечного сечения ре-

ального вибратора.

Для поперечного сечения эллиптической формы ра-

диус эквивалентного цилиндрического вибратора равен:

а,

^ \^

-1

Г~~'

.--'

0,1 -

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,0 0,7 0,8

0,9

7,0

Рис.

3-22 График для определения

эквивалентного радиуса плоского

вибратора.

Ua +

Ь),

(3-102)

1де а и

— полуоси эллипса.

Если поперечное сечение представляет собой пра-

вильный многоугольник с радиусом описанной окружно-

сти а, то радиус эквивалентного цилиндрического вибра-

тора а

равен для треугольника 0,4214 а, четырехуголь-

ника 0,5903 а, пятиугольника 0,7563 а и шестиугольника

0,9200 а.

157

При поперечном сечении в виде прямоугольников ра-

диус эквивалентного вибратора можно найти с помощью

рис.

3-22.

В целом ряде случаев нашли применение очень ши-

рокие плоские (пластинчатые) вибраторы. Эксперимен-

тально было установлено, что оптимальные размеры та-

кого вибратора равны:

4 =

1,5ч-1,6;

0,25

<f<

0,4,

где s — ширина пластины.

Входное сопротивление такого вибратора равно

140—160 ом, причем для уменьшения емкости в месте

присоединения фидера концы вибратора заостряются.

Форма плоских вибраторов может быть весьма разнооб-

разной, и их свойства обычно определяются эксперимен-

тальным путем.

3-4. МАКСИМАЛЬНАЯ ДОПУСТИМАЯ МОЩНОСТЬ

В ВИБРАТОРНОЙ АНТЕННЕ

Если напряженность электрического поля у поверхно-

сти проводников антенны превышает некоторое значение,

то в воздухе может возникнуть газовый разряд. В диа-

пазоне коротких волн газовый разряд представляет со-

бой факельное истечение. Для того чтобы не было газо-

вого разряда, напряженность поля у проводников антен-

ны не должна превышать некоторого значения, называе-

мого критическим. Под критической напряженностью

поля понимают такую напряженность, при которой уже

возникший разряд прекращается '.

Критическая напряженность поля в диапазоне длин-

ных и средних волн может быть определена по формуле

[ЛО.

19]:

£«5 = 33,9 + -^- [кв/см], (3-103)

где а — радиус провода антенны.

Напряженность поля, при которой возникает газовый разряд,

называют начальной, причем обычно она больше критической. Об-

ласть значений напряженности поля между начальной и критиче-

ской характеризуется тем, что при случайных нарушениях парамет-

ров окружающей антенну среды может возникнуть газовый разряд.

158

В УКВ диапазоне критическая напряженность при

импульсной работе определяется из соотношения

*я у/ Га

где т

—

длительность импульса в микросекундах;

— частота повторения импульсов;

р — давление воздуха в миллиметрах ртутного

столба.

Антенна должна эксплуатироваться в таком режиме,

чтобы напряженность поля, создаваемая у провода, была

бы в 1,5—2 раза меньше критической (допустимая на-

пряженность).

В диапазоне коротких волн обычно считают допусти-

мой амплитуду напряженности поля порядка 6 000—

8 000 в/см при телеграфной манипуляции и 10 000—

11 000 в/см при телефонной модуляции [ЛО. 2].

Напряженность поля у поверхности вибратора можно

найти, условно вводя понятие напряжения U между дву-

мя симметричными точками вибратора. Это напряжение

определяется как напряжение между соответствующими

точками двухпроводной линии, эквивалентной вибратору.

Поэтому

£==

\JW (3-Ю5)

где п — число проводов в плече вибратора;

—

диаметр проводов;

—

волновое сопротивление вибратора;

U — напряжение между симметричными точками

вибратора.

Максимальное напряжение в линии может быть либо

у ее конца (концы вибратора), либо в начале линии.

Определяя это напряжение, получаем следующие форму-

лы.

Напряженность поля у концов симметричного вибра-

тора [ЛО. 2]

ту ~

= (3-Ю6)

nd y(sh

cos

kiy + (ch

—

sin

kl)

а на его входных зажимах

159

В этих формулах Р — мощность, подводимая к антенне;

Р—коэффициент, определяемый по формуле (3-16), а

остальные обозначения такие же, что и в (3-105). Если

-^-<0,35 или 0,65 < -у-< 0,85, то (3-106) можно при-

вести к более простому виду:

120/£-

120

L/ R,

nd sin kl nd

В случае нагруженных вибраторов напряжение сле-

дует определять не на конце эквивалентного симметрич-

ного вибратора, а в тех точках, которые являются кон-

цами реального вибратора. Естественно, что это напря-

жение оказывается меньше, чем у ненагруженного вибра-

тора такой же длины при одинаковой подводимой мощ-

ности.

Максимальное напряжение на конце U

несимметрич-

ной антенны с горизонтальной частью находят в сле-

дующей последовательности. Определяют напряжение

в точке соединения вертикальной и горизонтальной

частей, рассматривая эквивалентную вертикальную ан-

тенну (см.

(3-2)]:

Uс—

U'K

COS

kh',

где U'

— напряжение в пучности, т. е. на верхнем кон-

це эквивалентной антенны.

Это напряжение пересчитывается к концу горизон-

тальной части

cos

kh'

=и>

cos kl

Выражая U'

через ток на входе антенны, получают сле-

дующее выражение для действующего значения напря-

жения на конце горизонтальной части:

~ sin kh. cos kl •

1Uy

-длина эквивалентной вертикальной

ан-

тенны;

-волновое сопротивление вертикальной

ан-

тенны;

-ток

на

входе антенны.

где

'вх

—

160

«э

Рверт

\ £г