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

Подождите немного. Документ загружается.

Благодаря влиянию второго множителя в (6-38) КНД

возрастает по всему диапазону в 1,5

—

2 раза по сравне-

нию с одиночной ромбической антенной. КУ двойной

ромбической антенны при идеально проводящей земле опре-

деляется выражением (6-30), в котором вместо р

и р надо

поставить р'р и Р'; здесь р'

—

волновое сопротивление

одного ромба в системе РГД, практически можно принять

Р'Р = РР-

I Н

t*-h *+-« — I -A

Рис 6-18 Двойная ромбическая антенна Айзенберга,

—

схема антенны; б

—

расположение проводов соседних ромбов.

Коэффициент затухания в антенне р' может быть опре-

делен по выражению (6-32):

P'«W*&'

39)

где R' —сопротивление излучения одной стороны ромба

в РГД;

Д'

—

сопротивление излучения одного ромба в РГД:

Я'р^Яр.соб +

Яр.пав-

(6-40)

В первом приближении для определения сопротивле-

ния .Ярпав, наведенного соседним ромбом, можно ограни-

читься только учетом взаимного влияния параллельных

проводов. Сопротивление, наведенное проводом 2 на па-

раллельный ему провод / (рис. 6-18,6), равно [ЛО. 2]:

&0[М

cos(aft +

ipi)

s\n{ah+\\n)], (6-41)

где ipi — фазовый угол, на который ток провода 1 опе-

режает ток провода 2:

2 Ci

a (\fd

-f h

~ h)

—

Ci a [(К^

-(-(/г+/)

— (A+Z)] —

21—2541 321

• Ci a

[^^Tih^Iy - (A-/)] *J^(Vb

»-h±

a yd" -f h

sin

\\fd

+ If

—

— l)\

+ lj

sin a [Yd

+ (ft —Q

—

(ft

— I)]

2v.VT

+ (h-Tf

(6-42)

—

2 Si a (J/d

/г

— /г)

-f

a [fd

-+-

—

I))

cosaQ^

+ ft

— h) cos я [|/ d

+ (ft + I)

— (ft + I)}

а У d

2a.

V d

(h-\-l)

cos a [Vd

(h-l)

—

{h-l)_^

(643)

+ (ft

—

Коэффициент полезного действия двойной ромбической

антенны определяется (6-31), куда вместо р надо поста-

вить р':

щ=\—е

Рр

. (6-44)

Коэффициент полезного действия антенны РГД-т- 1

в диапазоне Л,='(0,3—2,5)ко изменяется в пределах 85—

70%.

Зависимость КУ той же двойной ромбической

антенны от длины волны для различных углов А показа-

на на рис. 6-19. Здесь же пунктиром нанесена кривая

максимальных КУ.

Еще большее увеличение направленности может быть

достигнуто путем параллельного питания двух антенн

фо

РГД. ДН такой антенны, обозначаемой РГД2-77-А',

определяется по теореме умножения [см. (2-96)] выра-

жением

(*. ?) = ^A,?)cos^cosAsin«pV (6-45)

322

где F

{A, ф)

—

ДН одной антенны РГД (см. 6-38);

—

расстояние между осями сдвоенных ром-

бов.

КНД и КУ антенны РГД-2 примерно в 1,7—2 раза

больше, чем у антенны РГД, и в 2,6—4 раза больше, чем

у одиночного ромба. Однако значение к. п. д. у антенн

Рис.

6-19. КУ относительно полу волнового ви-

братора антенны РГД -г- 1 при различных углах

возвышения Д.

РГД и РГД-2 остается того же порядка, что и у одиноч-

ной ромбической антенны.

Заметное увеличение к. п. д. достигается в сдвоенном

ромбе последовательного питания (рис. 6-20,а), предло-

женном М. С. Нейманом [Л. 6]. Оба ромба подвешены

один под другим на общих опорах. Первый ромб нагру-

жен на соединительную двухпроводную линию, идущую

ко входу второго ромба. Таким образом, та часть энер-

гии, которая в одиночном ромбе поглощается в нагру-

зочном сопротивлении, здесь подводится ко второму

ромбу, и большая ее часть излучается им. До поглощаю-

щего сопротивления доходит только 3—5% подводимой

к антенне мощности. Так как потерн в поглощающем со-

21*

323

противлении являются основными, то к. п. д двойного

ромба Неймана «меет порядок 95—97%.

Длина соединительной линии на оптимальной волне

Хо должна равняться целому числу длин волн для того,

чюбы оба ромба возбуждались синфазпо. Естественно,

что двойной ромб Неймана без подстройки может рабо-

тать только на двух-, трехкратных волнах; повышение

КПД в этой антенне достигнуто ценой потери ее аперио-

дических свойств. Обычно применяют устройства, по-

зволяющие менять электрическую длину соединительной

а) б)

Рис.

6-20 Сдвоенный ромб последовательного ппиния

Неймана (а); ромбическая антенна с обратной связью (о).

линии. С их помощью можно настроить антенну на лю-

бую длину волны рабочего диапазона; однако необхо-

димость перестройки линии ограничивает маневрирова-

ние рабочими волнами.

Дальнейшим развитием той же идеи использования

энергии, теряемой в обычном ромбе в нагрузочном со-

противлении, является ромбическая антенна с обратной

связью (рис. 6-20,6), также предложенная М. С. Нейма-

ном [Л. 7]. В антенне нет поглощающего сопротивления,

конец ромба с помощью двухпроводной линии соединен

с его входом. Длина соединительной линии, а также со-

отношение волновых сопротивлений в точке 1 должны

быть выбраны так, чтобы в системе поддерживался ре-

жим бегущей волны. Общая длина контура антенны 1—

2—3—4—1 должна равняться целому числу волн, а от-

ношение волновых сопротивлений равно:

^- =

4рг

, (6-46)

Рр

где р

—

волновое сопротивление линии, идущей ко входу

ромба, в точке 1\

—

волновое сопротивление ромба и соединительной

линии.

324

Правая часгь (6-46) в коротковолновом диапазоне ме-

няется от 0,25 до 0,5; поэтому можно приняв, что на

оптимальной длине волны p

~ 0,37р

С5

Входное сопротивление антенны РГ — 1 с обратной

связью и р

=s:

0,37р

оказывается примерно равным 0,57р

во всем рабочем диапазоне.

ДН, а следовательно, и КНД антенны с обратной

связью остаются такими же, как и у обычного ромба

КУ увеличивается за счет повышения к. п. д. [ЛО. 2].

Рис 6-21 Горизонтальная экспоненциальная ромбическая антенна.

Другой, более удачный способ повышения к. п. д.

ромбической антенны сводится к снижению ее волново^

го сопротивления. Чем ниже волновое сопротивление,

тем больше затухание тока в антенне за счет излучения

[см.

(6-32)] и тем выше ее к. п. д. При этом если к. п. д.

оказывается достаточно высоким, то можно для упроще-

ния конструкции отказаться от поглощающего сопро-

тивления. Однако ромбы с низким волновым сопротив-

лением неудобны из-за трудности их согласования с пи-

тающим фидером, имеющим обычно Рф^бОО ом.

Поэтому практическое применение находят экспонен-

циальные ромбические антенны, предложенные

Б.

В. Брауде в 1948 г. В такой антенне (рис. 6-21) вход-

ное сопротивление близко к 600 ом, так как волновое

сопротивление ромба у его входа имеет такую же вели-

чину. К концу ромба волновое сопротивление плавно

уменьшается по экспоненциальному закону, благодаря

тому что его стороны выполнены из расходящихся про-

водов. Закон уменьшения волнового сопротивления не

обязательно должен быть экспоненциальный, поэтому на

практике можно применять линейно расходящиеся про-

325

вода. Плавное уменьшение волнового сопротивления при-

водит к более равномерному распределению тока по

антенне, чем в ромбе с постоянным р. Это получается

потому, что уменьшение тока за счет излучения в неко-

торой степени компенсируется его трансформацией

в сторону увеличения вследствие уменьшения волнового

сопротивления. Действие этих же факторов позволяет

отказаться от поглощающего сопротивления,— отражен-

ная волна в отличие от прямой будет быстро затухать:

здесь оба фактора, вызывающие изменение тока, дейст-

вуют в сторону его уменьшения.

Если волновое сопротивление ромба изменяется по

закону

р(*)"=Рке

Ья

, (6-47)

где х

—

расстояние от конца антенны; р

— волновое

сопротивление в конце антенны, то эквивалентный коэф-

фициент затухания тока для прямой волны равен:

Ро

= р-|. (648)

Сопротивление излучения может быть определено из со-

отношения:

tf, =

2Pj

(6-49)

где R

—сопротивление излучения, вычисленное без

учета затухания.

Диаграмма направленности, КНД и КУ согласован-

ной экспоненциальной ромбической антенны оказывают-

ся такими же, как и у антенны с постоянным волновым

сопротивлением, равным р

0Р

Рср = ^Р

Рк, (6-50)

где р

—волновое сопротивление в начале ромба.

При отсутствии нагрузочного сопротивления к. п. д.

антенны можно считать равным 100%, однако наличие

отраженной волны влечет за собой снижение КНД.

В первом приближении можно считать, что КУ несогла-

сованной антенны определяется выражением

/-*• гл ^согл О

го

гл /р г- 1 \

Таким образом, КУ ненагруженной экспоненциаль-

ной антенны оказывается несколько выше КУ согласо-

ванной антенны с постоянным волновым сопротивлением,

326

равным р

р, но ниже ее КНД Характер изменения вход-

ного сопротивления антенны в диапазоне можно опреде-

лить по формуле для длинной линии с потерями:

sh 4(!

/ . pa sin 4A/

A—'ch'

l + cos 4Ы

ch48

+ cos4W

(6-52)

(6-53)

160 град

где плюс берется для корогкозамкнутого ромба, а ми-

нус—

для разомкнутого.

При определении волнового сопротивления радиус

провода следует заменить эквивалентным радиусом по-

лотна ромба, состоящего

из п проводов:

2 V d

где d

—

ширина полотна.

Экспо ненциальная

ромбическая антенна на-

ходит применение в ко-

ротковолновом и ультра-

коротковолновом диапа-

зонах. В коротковолно-

вом диапазоне полотно

ромбической горизон-

тальной экспоненциаль-

ной антенны (РГЭ) вы-

полняется из 3—4 расхо-

дящихся проводов (рис.

6-21). В передающей ан-

тенне полотна соединяют-

ся накоротко и могут без

изоляции крепиться к ме-

таллической мачте. При

d =

м обеспечивается

~150 ом при волновом

сопротивлении в начале

ромба

600

ом. КУ та-

кой антенны на 30—50%

выше, чем у РГ с таким

же волновым сопротивле-

нием. ДН антенны РГЭ в вертикальной плоскости при-

ведены на рис. 6-22. В приемной антенне целесообразно

применять поглощающее сопротивление, так как в этом

случае помехозащищенность выше, чем у короткозамк-

нутой (рис. 6-22).

327

ПО град

1,0

0,8

0,Б

0,4

0,2

^~\

—у

\ /'

чем -

\\~

'• \

-Л,

1?Г> /ьОград

Рис 6-22 ДН антенн РГЭ в вер-

тикальной плоскости (/=96 м).

Сплошные кривые для согласованного

ромба, пунктиром — для коротнозам-

кнутого

Основные элементы ромбических антенн. Полотно

антенны. Для получения постоянства волнового сопротив-

ления по длине ромба каждая его сторона выполняется

из двух (трех) расходящихся проводов (рис. 6-23). Рас-

стояние между проводами в гупых углах ромба берегся

порядка (0,02—0,03)/; при этом волновое сопротивление

ромба равно

—

700 ом Все приведенные выше данные

относятся к таким антеннам. Если стороны ромбической

Рис 6-23 Ромбическая антенна с неизменным

по ее длине волновым сопротнвтепиеч

антенны выполнены из одного провода, то ее КУ оказы-

вается ниже на 10—15%.

Поглощающее сопротивление. Так как к. п. д ромби-

ческой антенны изменяется по диапазону в пределах от

0,5 до 0,8, то поглощающее сопротивление должно быть

рассчитано на рассеивание 50% подводимой к антенне

мощности. В приемных антеннах и при малых мощно-

стях передатчика (Р=\—3 вт) в качестве'поглощающе-

го сопротивления могут применяться мастичные или про-

волочные безындукционные сопротивления, рассчитан-

ные на соответствующую мощность. В большинстве пе-

редающих антенн в качестве поглощающего сопротивле-

ния используется длинная линия, выполненная из про-

водов с большим погонным сопротивлением Применяют

стальную или фехралевую проволоку диаметром

1 —

2 мм. Длину линии надо выбирать так, чтобы амплитуда

тока к концу линии падала до 0,2—0,3 своего значения

в начале линии. Волновое сопротивление поглощающей

328

линии может быть взято рапным 300 или 600 ом Длина

стальной линии при диаметре провода 2 мм оказывается

порядка 300—500 м, длина фехралевои линии — порядка

30—40 м По1Лощающая линия протягивается строго

симметрично под ромбом вдоль его большой диагонали

Ради экономии опор стальная линия может состоять из

нескольких частей, подвешенных на одних опорах одна

под другой и соединенных последовательно

Сопротивление на единицу длины двухпроводной по-

мещающей линии равно

где а

—

радиус провода линии, мм;

Рм—

удельное сопротивление материала линии.

На высоких частотах для стали и фсхраля ц

«=«

80, для

стали р

ст

=10"

ом м; для фехраля

Рфехр

= 8-10~

ом-м.

Литература к гл 6

1 Белоусов С П, Направленные антенны для професси-

онального приема радиовещания в диапазоне 200—2 000 м, Связь

издат, 1961

2 Гринберг Г А, Бонштедт Б Э, Основы точной тсо

рии волнового поля линии передачи, ЖТФ, т XXIV, 1954, № 1

3 Белоусов С П.Ямпольскии В Г, Приемная сред

неволновая одпопроводная антенна бегущей волны, «Радиотех-

ника», т 15 1960 № 1

4 Bruce Е Developments ш Short wave Directive Antennas,

Proc IRE, vol 119, 1931, p 1406

5 Айзенберг Г 3, Ромбическая антенна по системе брод

сайд, Сб «Электрический расчет антенн», 1937, стр 49

6 Нейман М С, Из истории антенн, Госэнергоиздат, 1955

7 Нейман М С, Получение бегущих воин без потери мош,

ности, ИЭСТ, № 11, 1938, стр 14

Глава

АНТЕННЫ С УГОЛКОВЫМ

РЕФЛЕКТОРОМ

7-1.

УГОЛКОВАЯ АНТЕННА С СИММЕТРИЧНЫМ

ВОЗБУЖДЕНИЕМ

Уголковая антенна, или уголковое зеркало, образует-

ся двумя металлическими листами, расположопными под

углом друг к другу (рис. 7-1). Облучающий вибраюр

(или система вибраторов) находит-

ся на некотором расстоянии 5 от

вершины уголкового зеркала и при

симметричном во Суждении лежит

в биссекториалыюй плоскости

(у

= а/2).

Уголковое зеркало обеспечивает

эффективное сужение лепестка ДН

в плоскости, перпендикулярной гра-

ням (плоскость вектора Н). В ор-

тогональной плоскости (плоскость

вектора Е) узкую ДН можно по-

лучить, используя в качесше облу-

чателя решетку коллинеарных виб-

раторов. В связи с этим основное

внимание в дайной главе обращается на характерясти-

ки направленности в плоскости вектора Я.

Характеристики направленности уголковой антенны

зависят от длины R и ширины L уголкового экрана, от

угла раствора о. и расположения облучателя. Расчет ха-

рактеристик направленности уголковой антенны может

быть произведен, если известно распределение токов на

поверхности рефлектора Так как строгое определение

распределения токов является трудной задачей, то для

инженерных расчетов используют метод зеркальных изо-

бражений. Этот метод дает хорошие результаты при до-

330

Рис.

7-1. Уголкойая