Н.М.Изюмов, Д.П.Линде
"ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ"
М.,Л.; "ЭНЕРГИЯ", 1965г.

ГЛАВА ШЕСТАЯ

АНТЕННЫ

6-5. 

СИНФАЗНЫЕ И ПРОТИВОФАЗНЫЕ АНТЕННЫ.
РЕФЛЕКТОРЫ И ДИРЕКТОРЫ

Для получения направленного излучения в технике коротких и ультракоротких радиоволн часто используют системы вибраторов, определенным образом расположенных друг относительно друга. Обычно вибраторы используются так, что токи в них находятся либо в фазе, либо в противофазе. В зависимости от этого систему называют синфазной или противофазной. Впервые такие антенные системы были разработаны в СССР М.А.Бонч-Бруевичем и В.В.Татариновым.

Рассмотрим сначала работу противофазных антенн. Если вибраторы, по которым протекают противофазные токи (т.е. сдвинутые на 180°), расположить на некотором расстоянии D друг от друга, соизмеримом с длиной волны, то система будет излучать. Каждый из таких вибраторов (рис. 6-19) излучает во все стороны электромагнитные волны, фазы которых у вибратора определяются фазой тока в этом вибраторе. Волна, излученная вибратором 1, движущаяся направо, достигает вибратора 2 через отрезок времени t=D/с. Если расстояние D равно половине длины волны, то волна подойдет к вибратору 2 через полпериода, после того как она была излучена вибратором 1. За это время ток в вибраторе 2, фаза которого на 180° отличается от фазы тока в вибраторе 1, изменит фазу на 180° и будет излучать волну, фаза которой совпадает с фазой волны, пришедшей от вибратора 1. При этом произойдет сложение обеих волн. Вполне очевидно, что аналогичная картина будет иметь место при движении волн в противоположном направлении, т.е. в направлении от вибратора 2 к вибратору 1.

Рис. 6-19. Сложение волн двух противофазных вибраторов.

В других направлениях (рис. 6-20, а) разность хода между обеими излученными волнами меньше, поскольку она всегда меньше отрезка АБ. По этим направлениям волны складываются, не совпадая по фазе, и суммарная волна получается меньше, чем в направлении оси системы (т.е. линии АБ, перпендикулярной осям вибраторов). При угле > 45° происходит частичное взаимное уничтожение волн и при = 90°, т.е. в направлении, перпендикулярном оси системы, разность хода становится равной нулю и обе волны полностью взаимно уничтожаются. На рис. 6-20, а приведена диаграмма направленности такой противофазной системы в плоскости, перпендикулярной оси вибраторов. Диаграмма направленности в плоскости, проходящей через ось вибраторов, зависит от того, является ли каждый из них симметричным или несимметричным излучателем, и от его электрической длины.

Рис. 6-20. Диаграммы направленности противофазных антенн в плоскости, перпендикулярной осям вибраторов.
а - двух вибраторов;
б - четырех вибраторов.

Если к данной системе присоединить еще одну такую же пару противофазных излучателей и расположить ее в той же плоскости так, чтобы расстояние между соседними проводами было 0,5 (рис. 6-20, б), то она будет создавать дополнительное усиление излучения в направлении оси системы. При достаточно большом числе противофазных излучателей можно получить очень острую диаграмму направленности, максимум которой направлен вдоль оси антенной системы. Такие антенны относятся к классу продольных излучателей. Следует заметить, что расстояние в полволны между противофазными излучателями не является обязательным. Противофазные антенны с уменьшенным расстоянием между вибраторами обладают значительно большей направленностью, чем рассмотренная выше система.

Причину увеличения направленности при уменьшении расстояния между вибраторами
(D < 0,5) нетрудно понять из рассмотрения диаграммы направленности антенны при расстоянии между вибраторами D = 0,5 (рис. 6-20, а). В направлениях, близких к оси системы, разность фаз волн, излученных обоими вибраторами, невелика и результирующая волна уменьшается сравнительно мало. В направлениях же, далеких от оси системы, разность фаз получается большой и небольшое изменение направления приводит к резкому изменению амплитуды суммарной волны. У антенн с укороченными расстояниями между вибраторами уже по оси системы имеется значительная разность фаз. Поэтому даже небольшое отклонение от оси приводит к резкому уменьшению амплитуды суммарной волны, и диаграмма направленности оказывается много острее, чем у противофазных антенн, у которых D = 0,5. Чем меньше расстояние между вибраторами, тем выше направленность антенной системы, но одновременно тем сильнее уменьшается сопротивление излучения антенны. Поэтому обычно расстояние между вибраторами берут не меньше 0,1.

Синфазные системы, т.е. системы, состоящие из вибраторов, токи в которых совпадают по фазе, имеют максимум излучения в направлении, перпендикулярном к оси системы, так как волны, излученные вибраторами в этом направлении, не имеют разности хода и, следовательно, складываются друг с другом в одинаковых фазах (рис. 6-21). В других направлениях проявляется некоторая разность хода, возрастающая по мере уменьшения угла . Наибольшего значения разность хода достигает в направлении оси системы. В случае, изображенном на рис. 6-21, а, она равна половине волны. Поэтому в этом направлении волны взаимно уничтожаются. Таким образом, синфазная система имеет максимум излучения в направлении, по которому противофазная система не излучает, и не излучает в направлении, по которому противофазная система имела максимум излучения.

Рис. 6-21. Излучение двух синфазных вибраторов.
а - сложение волн; б - диаграмма направленности.

Как синфазные, так и противофазные антенны обладают двухнаправленным излучением, т.е. имеют одинаковые максимумы излучения в двух противоположных направлениях. Однонаправленное излучение получается, когда в вибраторах, расположенных на расстоянии в четверть волны друг от друга, токи сдвинуты по фазе один относительно другого на четверть периода. Если ток в вибраторе 1 (рис. 6-22, а) опережает по фазе на 90° ток в вибраторе 2, то волна вибратора 1, движущаяся в сторону вибратора 2, достигает последнего через промежуток времени

 

В это время ток в нем будет иметь ту фазу, которую имел ток в вибраторе 1 при излучении волны, дошедшей теперь до вибратора 2. Поэтому волна вибратора 2 будет синфазна с волной, пришедшей от вибратора 1, и обе волны будут складываться. В результате этого в направлении А суммарная волна будет в 2 раза больше волн каждого из вибраторов.

Рис. 6-22. Система из двух излучателей, обладающая однонаправленным излучением.
а - сложение волн вибраторов;
б - диаграмма направленности в плоскости вибраторов;
в - диаграмма направленности в плоскости, перпендикулярной вибраторам.

В противоположном направлении Б имеет место обратная картина. Пока волна вибратора 2, ток в котором отстает на четверть периода от тока вибратора 1, достигнет последнего, пройдет четверть периода, и ток в вибраторе 1 к этому моменту времени уже на полпериода опередит ток вибратора 2, создавшего волну, подошедшую к вибратору 1. Последняя окажется в противофазе с волной, излученной вибратором 1, и в направлении Б волны взаимно уничтожаются. По другим направлениям вследствие другой величины разности хода происходит либо частичное уничтожение, либо частичное сложение волн. Из диаграммы направленности такой системы (рис. 6-22, б и в) видно, что вибратор, в котором ток опережает по фазе ток другого вибратора, как бы отражает излученные последним волны и посылает их в противоположном направлении. Благодаря такому действию вибратора 1 его называют рефлектором или зеркалом, а вибратор 2 - антенной.

Однонаправленность может быть получена и при других расстояниях между вибраторами, но тогда разность фаз токов в них должна быть иной. Если, например, сделать расстояние меньше четверти волны, то для того, чтобы волна, достигшая рефлектора, встретила противофазную волну, нужно, чтобы ток в рефлекторе опережал ток в антенне на угол больше 90°. В случае уменьшенных расстояний между антенной и рефлектором, даже по оси системы в направлении главного излучения, между волнами вибраторов при их сложении есть некоторая разность фаз, поэтому уменьшение излучения по боковым направлениям будет более резким, чем в случае расстояния в четверть волны, и диаграмма направленности таких антенн будет уже.

Волна, излученная антенной и падающая на рефлектор, наводит в нем значительные токи. Если наведенный ток будет опережать по фазе на 90° ток в антенне, то рефлектор будет выполнять свои функции, не требуя самостоятельного питания. Нужный сдвиг фаз всегда можно установить соответствующей настройкой рефлектора, заключающейся в подборе его длины. Рефлектор может представлять для наведенных токов активное (если его длина равна /2), емкостное (если его длина меньше /2) или индуктивное (если его длина больше /2) сопротивление, в результате чего токи в нем окажутся на тот или иной угол сдвинутыми по фазе по отношению к волне, возбуждающей в нем э.д.с.

Вследствие того что ток, наведенный в рефлекторе, всегда меньше тока в антенне, полной компенсации излучения в направлении, обратном направлению главного излучения, достигнуть не удается. Поэтому диаграмма направленности антенны с таким рефлектором
(рис. 6-23) всегда будет несколько хуже диаграммы антенны с питаемым рефлектором.

Рис. 6-23. Диаграмма направленности антенны с пассивным рефлектором.

Рефлекторы, не требующие самостоятельного питания и возбуждающиеся полем излучения антенны, называются пассивными в отличие от рефлекторов, питаемых от генератора, которые называются активными. Антенны с пассивными рефлекторами имеют более простую систему питания и менее сложны в настройке, поэтому они получили широкое распространение.

В системе, состоящей из антенны и активного рефлектора, вибраторы можно заставить поменяться ролями, изменив, например, направление тока в одном из них на обратное. При этом ток в вибраторе 2 будет опережать ток в вибраторе 1 и диаграмма направленности антенны изменит свою ориентацию на 180° (рис. 6-24). То же самое нетрудно осуществить и в системе, состоящей из антенны и пассивного рефлектора.

Рис. 6-24. Изменение диаграммы направленности антенны с рефлектором при изменении фазы тока в одном из вибраторов на 180°.

Вид и положение диаграммы направленности определяются одновременно расстоянием между вибраторами и сдвигом фаз между токами в вибраторах. Изменяя расстояние и сдвиг фаз, можно получать различные диаграммы направленности. На рис. 6-25 приведены диаграммы направленности для антенны с пассивным вибратором. В каждом горизонтальном ряду на этом рисунке изображены диаграммы направленности антенны с пассивным вибратором при фиксированном расстоянии между ней и вибратором при различной настройке последнего. Настройку пассивного вибратора характеризует угол сдвига фаз между током и напряжением в нем; она достигается изменением длины вибратора или присоединяемого к нему шлейфа. Рассматривая вертикальные ряды, можно проследить, как изменяется диаграмма направленности системы при фиксированной настройке пассивного вибратора и различных расстояниях между вибраторами. Легко видеть, что при различной расстройке и при одном и том же расстоянии пассивный вибратор может либо почти не влиять на диаграмму направленности антенны, либо играть роль рефлектора, либо, наоборот, направлять излучение на себя. В этом случае пассивный вибратор называют директором.

Рис. 6-25. Диаграммы направленности и значения сопротивления излучения антенны с пассивным вибратором при различной настройке и различных расстояниях между антенной и вибратором.

Точно так же, рассматривая вертикальные ряды диаграмм, можно убедиться, что пассивные вибраторы, имеющие одинаковый сдвиг фаз, могут играть роль рефлектора или директора в зависимости от расстояния до антенны. При этом заметно, что с уменьшением расстояния компенсация излучения в направлении, обратном направлению главного излучения, получается много лучше, чем при больших расстояниях. Это объясняется увеличением амплитуды тока, наведенного в пассивном вибраторе при сближении его с антенной.

В антенной технике широко используются как рефлекторы, так и директоры, а в некоторых случаях применяются и те, и другие вместе.

На рис. 6-25 над каждой из диаграмм направленности указано сопротивление излучения для антенны, состоящей из полуволновых активного и пассивного вибраторов. Из указанных величин видно, что с уменьшением расстояния между вибраторами сопротивление излучения уменьшается.

В этой главе:
6-1. ИЗЛУЧАЮЩИЕ СИСТЕМЫ
6-2. СИММЕТРИЧНЫЕ ВИБРАТОРЫ (ДИПОЛИ)
6-3. ВЛИЯНИЕ ЗЕМЛИ НА ИЗЛУЧЕНИЕ АНТЕНН,
НЕСИММЕТРИЧНЫЕ ВИБРАТОРЫ
6-4. РЕЗОНАНСНЫЕ ЧАСТОТЫ АНТЕНН. ГАРМОНИКОВЫЕ АНТЕННЫ
6-5. СИНФАЗНЫЕ И ПРОТИВОФАЗНЫЕ АНТЕННЫ. РЕФЛЕКТОРЫ И ДИРЕКТОРЫ
6-6. ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕНН С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ
6-7. СЛОЖНЫЕ ВИБРАТОРЫ
6-8. РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
6-9. АНТЕННЫ ДЛИННЫХ И СРЕДНИХ ВОЛН
6-10. АНТЕННЫ КОРОТКИХ ВОЛН
6-11. АНТЕННЫ УЛЬТРАКОРОТКИХ ВОЛН
Адаптер питания к ноутбуку - и дома от сети, и в автомобиле!

Возможность выбрать нужное напряжение и комплект разъемов-переходников обеспечат электропитанием любой ноутбук при любых обстоятельствах...

Удобная почтовая доставка не только по России...

 
Более 3000 типов оригинальных аккумуляторов...

...для смартфонов и мобильных телефонов LG, Samsung, Motorola, Nokia, Sony Ericsson и др.

Доставка почтой, курьером...

webmaster@radio-1895.ru