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

Подождите немного. Документ загружается.

В рассматриваемом случае (задана геометрия антен-

ны) это распределение должно обеспечиваться за счет

соответствующего подбора амплитудных коэффициентов

путем изменения числа излучателей в кольце. На том

же основании, что и в линейных антеннах, считаем, что

отношение интеграла от [(р) по раскрыву к числу излу-

чателей в антенне пропорционально амплитуде поля

(тока) одного излучателя. Геометрически интеграл от

/ (р) можно интерпретировать как объем, ограниченный

поверхностью z=f(p) и плоскостью раскрыта. Поль-

зуясь этой интерпретацией, все расчеты можно проводить

графоаналитическим методом. Разбиваем раскрыв ан-

тенны на некоторое число Q колец одинаковой (неболь-

шой) ширины d:

?MaKc/d;

число излучателей в каж-

дом кольце N

находим из соотношения

\f(?)dS

^=4 . (5-159)

]f(?)dS

где N — число излучателей в антенне;

— площадь всей антенны;

— площадь рассматриваемого кольца.

Общее число излучателей в антенне N определяем из

этого же соотношения, применяя его для внутреннего

кольца. Как уже указывалось, это кольцо самое «уплот-

ненное», и здесь число излучателей Nk выбираем из гео-

метрических соотношений, задаваясь минимальным рас-

стоянием между излучателями е?шш~У2.

Излучатели в каждом кольце располагаются равно-

мерно. Общее число излучателей в многокольцевой ан-

тенне, рассчитанной таким способом, может составлять

10—20%

числа излучателей решетки с эквидистантным

расположением излучателей на расстоянии

MV[H

При

этом максимальный уровень боковых лепестков может

быть: порядка —20 ч-—30 дб [Я. 10].

Аналогичного результата можно добиться применяя

неэквидистантное расположение колец. При относитель-

но большом числе 'колец и небольшой неэквидистантно-

сти расчет антенны, видимо может быть произведен на

основе заданного распределения поля f (р) таким же

графоаналитическим методом, как и расчет неэкви-

дистантной линейной решетки (см. § 5-5). Здесь на рав-

19» 291

ное число частей, соответствующее числу колец, надо

разбить весь объем, ограниченный поверхностью

z=f(P)-

При небольшом числе колец и заметной неэкви-

дистантности расчет многокольцевой антенны может

быть произведен по методике Ishimaru (см § 5-5)

[Л 17]. В зависимости от значении амплитудных коэф-

фициентов I

в сумме (5-158) следует различать два

основных случая: а) все /„ равны, т. е. число излучате-

лей во всех кольцах одинаково; б) I,, 'пропорционально

радиусу кольца, т. е во всех кольцах излучатели распо-

ложены на одинаковых расстояниях. В последнем слу-

чае выражение (5-158) принимает следующий вид:

F(b,<f)

= ^aa

). (5-160)

4=1

Спроектированные по этой методике многокольцевые ре-

шетки, состоящие всего из 5—10 колец, дают экономию

в числе излучателей по сравнению с решеткой, построен-

ной из квадратных ячеек с d

d до 99% [Л. 17].

Следует иметь в виду, что уменьшение числа излуча-

телей в неэквидистантных решетках по сравнению

с эквидистантными достигается ценой увеличения уров-

ня дальних боковых лепестков и соответствующего

уменьшения КНД.

Литература к гл 5

1 Кузнецов В Д, Исследование антенны бегущей волны,

«Радиотехника», т 5, 1950, № 5

2 О о

р h С L,A Current for Broadside Arrays which Opti-

mizes the Relationship Between Beamwidth and Sidelobe Level, Proc

IRE, vol 34, 1946, VI, № 6, p 335

3 Покровский В А, Оптимальные линейные антенны,

излучающие под заданным углом к оси, «Радиотехника и электро-

ника», т II, 1957, № 5, стр 559 и № 12, стр 1550

4 Duhamel iR Н, Optimum Patterns for Endfire Aerials,

Proc IRE, vol 41, 1953, V, № 5, p 652

5 ЯмпольскийВ Г, О ДН заданной формы многовибра-

торной антенны, «Радиотехника», т 19, 1964, № 12, стр 35

6 Покровский В А, Общий метод отыскания оптималь-

ных распределений для линейных антенн, ДАН СССР, т 138, 1961,

№ 3, стр 584

7 Бакланов Е В, Покровский В А, Сурдуго-

вич Г. И , Теория неэквидистантных линейных антенн, «Радиотех-

ника и электроника», т VI'I, 1962, № 6, стр 963.

292

8 Ж

и т.

к о Ю М,К расчету оптимальных антенных систем,

«Радиотехника и электроника», т 8, 1963, № 8, стр 1473

9 Harrington К F, Sidelobe Reduction by Nonuniform

Element Spacing, IRE Trans, vol AP-9, 1Э61, III, № 2, p 184

10 W e

e у R E, Space Tapering of Linear and Planar Arrays,

IRE Trans, vol ЛР-10, 11962, № 4, p 369

HI King D D, Packard R Г, Thomas R K, Unequeliy

Spaced, Broad-band Antenna Arrays, IRE Trans, vol AP-8, 1960,

VII,

№ 4, p 380

12 Жидко Ю M, Антенные решетки с возрастающим no

арифметической прогрессии расстоянием между излучателями, Из-

вестия вузов СССР, Радиофизика, т V, 1962, № 6, стр 1144

13 Jshimaru A, Thtory of Unequelly-spaccd Arrays, IRE

Tians,

vol ЛР-10, 1962, № 6, p 961

14 Кnudson H L, Radiation from Ring Quasi-arrays, IRE

Trans , vol ЛР-4, 11966, № 3, p 452

15 Цифринович И И, О направленности кочьцевой мпо-

говибраторной антенны, «Радиотехника», т 18, 1963, № 12, стр 10

16 Hickman С Е, Neff Н Р, Tillman J D, The

Theory of a Single-ring Circular Antenna Array, Communication and

Electronics, May, 19Ы1, № 54, p 110

D7 lighe R, Nonuniform Two Dimensional Scanning Arrays,

Wescon Technical Papers, Antennas,

tl-963,

p I

18 Евстропов Г А, Царапки и С А, Расчет вотно-

водно щелевых антенн с учетом взаимодействия излучателей по ос-

новной волне, «Радиотехника и электроника», т XI, 1966, № 5,

стр 822

Глава

АНТЕННЫ ИЗ ДЛИННЫХ

ПРОВОДОВ С БЕГУЩЕЙ

ВОЛНОЙ

6-1.

ДЛИННЫЙ ПРОВОД С БЕГУЩЕЙ ВОЛНОЙ ТОКА.

ОДНОПРОВОДНЫЕ АНТЕННЫ БЕГУЩЕЙ ВОДНЫ

Основным элементом любой антенны, рассматри-

ваемой в этой главе, является прямой провод, в котором

установился режим бегущей волны. Для этого провод

должен быть нагружен на сопротивление, равное его

волновому сопротивлению. Длина провода может быть

соизмерима с длиной волны или больше ее. Если провод

расположен в свободном пространстве, то скорость рас-

пространения волны тока близка к скорости света,

а амплитуда тока вдоль провода остается примерно по-

стоянной. ДН такого провода по теореме умножения

(2-98) определяется как произведение ДН элементарно-

го вибратора (sin б, где угол б отсчитывается от оси

провода) на ДН равномерной, непрерывной системы не-

направленных излучателей, возбуждаемых с фазовым

сдвигом

-vpj

= acf [формула (5-7) при d^O; N—>оо и

Nd —

L],

т. е.

F (6)

= sin

Li -М. (6-1)

T{T-

COS9

При

= c(a =

получаем:

sin

(6)

sin8-

(1—cos 6)

(6-2)

-тг(1 —cos 8)

294

Второй множитель максимален при

= 0, но первый

при этом равен нулю. В результате главный максимум ДН

провода с бегущей волной тока хотя и направлен в сто-

рону движения волны, но отклонен от оси провода на угол

ГЛ

- Чем длиннее провод, тем уже главный лепесток его

ДН и тем меньше б

гл

. Положение нулей ДН определяется

из соотношения

cos6'

rt>

=l-«A

;

(6-3)

где п

—

номер нуля.

Нумерация нулей и максимумов ведется от оси; п=\

соответствует первому нулю, не совпадающему с осью

провода.

Направления максимумов, начиная с главного, опре-

деляются из соотношения

os6

(m)

=1 —дА

, (6-4)

- макс - ' L '

где В

—

численный коэффициент, который принимает

значения, тем более близкие к (т—0,5), чем больше т:

\т=\;

2; 3; 4; 5

0,371;

1,466;

2,480; 3,486; 4,495

Положение нулей и направления максимумов ДН

провода с бегущей волной можно также определить по

графикам, приведенным на рис. 6-1. На рис. 6-2 показа-

но несколько ненормированных ДН" проводов различной

длины; здесь же проведена кривая, на которой лежат

максимумы всех лепестков, в том числе и главных (по-

следние отмечены кружками).

В реальных условиях провод располагается над зем-

ной поверхностью (рис. 6-3).

В длинноволновом диапазоне провод подвешен на

высоте, много меньшей длины волны; земля оказывает

сильное влияние на его излучающие свойства. Это про-

является в уменьшении фазовой скорости бегущей волны,

в появлении затухания за счет потерь в земле и, что са-

мое важное, в изменении ДН элементарного участка

провода.

Изменение направленности небольшого участка про-

вода объясняется следующим образом. Горизонтальный

провод, отнесенный от поверхности земли на большое

расстояние, принимает горизонтально поляризованное

295

поле (считаем, что принимаемая волна распространяет'

ся горизонтально); при этом ДН элементарного участка

провода в горизонтальной плоскости представляет собой

восьмерку, направление максимумов которой перпенди-

кулярно оси провода. Если провод находится у поверх-

ности хорошо проводящей земли, что характерно для

град

Рис G-1 Положение максимумов и нулей ДН проводов с бегущей

и стоячей волнами тока ( максимумы; —нули).

длинноволнового диапазона (е

<60Хсг), то прием гори-

зонтально поляризованного поля оказывается практиче-

ски невозможным, так как в этом случае происходит

почти полная компенсация поля прямой волны полем

волны, отраженной от земли. Однако при этом достаточ-

но хорошо осуществляется прием вертикально поляризо-

ванных волн за счет небольшой продольной горизонталь-

ной составляющей электрического поля, которая возни-

кает у поверхности неидеально проводящей земли

(см.,

например, [ЛО. 25]). Величина горизонтальной со-

ставляющей зависит от угла «наклона» вектора напря-

женности электрического поля: Е

=Е

со&Ф,

где Ф

—

угол

между вектором Е и поверхностью земли (рис. 6-3).

296

Этот угол определяется относительной комплексной

электрической проницаемостью почвы

<Ч = ь,—i

•

60Ха.

Ф г arctg ||/

(

= arctg |^"?+

(60Щ'.~

(6-5)

В этих условиях ДН элементарного участка провода

в горизонтальной плоскости тоже имеет вид восьмерки,

АЕ

•\L-

л.

\'=

--12 X

Д.

1-71 Л^*

L-SX

-/—-

/,=

хА

5И5

^Г

4~S

10 20 30

60 70 80 90

град

Рис 6 2 ДН проводов с бегущей волной

но направления ее максимумов совпадают с осью про-

вода.

Таким образом, ДН в горизонтальной плоскости

длинного провода с бегущей волной, расположенного на

малой высоте над землей, определяется выражением

sin

(

)=cos9—

kL I а

(x"

cos

v)]

J-COSf

)•

(6-6)

где

ф —

азимутальный угол, отсчитываемый от оси про-

вода.

Для однопроводной антенны длинных волн замедле-

ние a/k оказывается равным

1,11

—1,25,

а длина провода

должна быть не меньше к/2.

297

От корреспондента

-L Н

В средневолновом диапазоне однопроводная антенна

бегущей волны может принимать как поверхностную вол-

ну (ее поляризация близка к вертикальной), так и про-

странственную волну с перпендикулярной или параллель-

ной поляризацией. При приеме поверхностной волны рабо-

та антенны аналогична ее ра-

боте в длинноволновом диа-

пазоне. Прием параллельно-

поляризованной пространст-

венной волны происходит

за счет наличия в этом слу-

чае горизонтальной проек-

ции вектора Е, которая в

свою очередь дает состав-

ляющую, параллельную оси

провода. А так как здесь

почва по своим свойствам

не является столь хоро-

шим проводником, как на длинных волнах, то поле от-

раженной от земли волны не в состоянии полностью

компенсировать поле прямой волны.

ДН антенны для параллельно поляризованной (эга

поляризация является преобладающей на средних зол-

нах) пространственной волны может быть рассчитана

по формуле [Л. 1]:

, 1ф „ —

/2ft//sin

\е " IX

Рис.

6-3 Горизонтальный про-

вод с бегущей волной, исполь-

зуемый в качестве приемной

антенны.

(Д,

<р)

= sin Д

COS ср

| 1 — \R

1 _ 2e-t

L cos

kL ( -г-

—

cos

-2?£

*r-— cos

cos

Ы1

(6-7)

где Д— угол возвышения;

— азимутальный угол, отсчитываемый от оси

провода;

R |, Ф —модуль и аргумент коэффициента отражения

для параллельно поляризованной волны;

а,

— коэффициент фазы и коэффициент затухания

волны в проводе.

Выражение (6-7) показывает, что главный максимум

ДН лежит в вертикальной плоскости, проходящей через

ось провода, но отклонен от горизонтали на некоторый

298

угол А

гл

. Поэтому главными сечениями

ДН

являются

сечения ее вертикальной плоскостью

поверхностью ко-

нуса Л =

ГЛ

Коэффициент фазы

коэффициент затухания волны,

распространяющейся

по

горизонтальному проводу, рас-

положенному вблизи поверхности земли могут быть

определены путем решения довольно сложного

ин-

тегрального уравнения [Л. 2]. Оно решается методом по-

следовательных приближений, причем для инженерных

расчетов достаточную точность дает

уже

нулевое

приближение.

этом приближении уравнение имеет

вид [Л. 1]:

т-'1

*иг- (И)

21п-—

где а —радиус провода;

F=P

+ iQ

— комплексная функция параметров почвы

высоты подвеса антенны,

отсюда

—— In

—-

В средневолновом диапазоне выражение для функции

может быть упрощено

[Л.

3];

точностью 5—10%, для

ее расчета можно пользоваться формулой

F==

yT(\-e-rt)

(

e-ri(i

)-l ,

где

г ~ (rS)

+W" I

+7^+

7*")

~~7?"

-±Et(-rt) +

^(±-i)-&?-m(-rf), (6-10)

Ei(x) — интегральная показательная функция

[ЛО.

40].

299

Графики зависимости Р и Q от длины волны показа-

ны на рис. 6-4 [Л. 1]; расчеты произведены для высот

подвеса 1,5; 2,5 «5л и для трех видов 'почв: сухой

(е,=6;

CT=10~

мо/м), среднеи влажности (е,= 10; а =

= Ю

-2

мо/м) и влажной (е, =

20;

а=10^

мо/м). Наиболее

сильно на фазовую скорость и затухание бегущей по

проводу волны влияет сухая почва: чем влажнее почва,

тем влияние меньше. Влияние почвы сильно зависит

также от высоты подвеса: чем выше подвешен провод,

тем меньше сказывается присутствие земли. При влаж-

ной почве и высоте подвеса порядка 5 м и выше влия-

нием земли можно пренебречь и считать, что

a =

k и

Длина рабочей волны также сказывается на затуха-

нии и фазовой скорости, так как при этом меняется реак-

тивная часть е<4 и относительная высота подвески про-

вода Я/Я Чем длиннее рабочая волна, тем меньше фа-

зовая скорость и меньше затухание тока в проводе.

Формулы (6-8)

—

(6-10) получены для бесконечно

длинного провода и без учета потерь на излучение. Экс-

периментальная проверка показала, что они дают доста-

точную для инженерных расчетов точность при длине

провода порядка длины волны и более.

ДН однопроводной антенны бегущей волны для по-

верхностной волны может быть рассчитана по формуле

[Л.

1]:

F (<р)

cos

cos 9 X

•2е

cos I kL

CbSi

+ e~^

£_

cos

)

+(^

-•(6-11)

В дневное время пространственная волна сильно за-

тухает благодаря большому поглощению в нижних

слоях атмосферы. Поэтому днем прием осуществляется

с помощью поверхностной волны. В ночное время интен-

сивность пространственной волны существенно возра-

стает; при расстояних до передающей станции свыше

300—500 км ночью прием происходит за счет пространст-

венной волны. На расстояниях до 100—200 км и волнах

длиннее 400 м одно'проводная антенна может обеспечить

(при влажной почве) определенный антифединговый

эффект.

300