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

ГЛАВА ШЕСТАЯ

АНТЕННЫ

6-11. АНТЕННЫ УЛЬТРАКОРОТКИХ ВОЛН

В диапазоне ультракоротких радиоволн используются преимущественно антенны, обладающие острой направленностью хотя бы в одной плоскости. При малой длине волны такие антенны получаются достаточно компактными, что дает возможность, не встречая больших технических трудностей, делать их вращающимися. Благодаря этому имеется возможность, получая большой выигрыш в мощности и уменьшая взаимные помехи станций, осуществлять связь по любым желаемым направлениям. В диапазоне метровых волн наиболее часто используются описанные выше многовибраторные синфазные и противофазные системы.

На волнах дециметрового и сантиметрового диапазонов для создания острой направленности широко используются отражатели различного типа, особенно часто применяются параболические зеркала, выполняемые обычно из дюралюминиевого листа. Принцип их действия основан на известном свойстве параболических зеркал, заключающемся в том, что лучи, идущие параллельно оси зеркала, собираются в одной точке, находящейся перед ним и называемой фокусом отражателя. Естественно, что если использовать систему в обратном порядке, т.е. поместить в фокусе F зеркала излучатель, то его лучи будут собраны отражателем в параллельный пучок (рис. 6-50). Однако это имеет место только при идеальном точечном излучателе.

Рис. 6-50. Фокусировка параболическим отражателем излучения точечного вибратора в параллельные лучи.

Реальные излучатели обычно представляют собой полуволновые вибраторы, питаемые через коаксиальный кабель и симметрирующий четвертьволновый трансформатор, который изолирует одну из половин вибратора от внешней оплетки кабеля (рис. 6-51, а).

Рис. 6-51. Вибратор параболической антенны.
а - способ подключения к коаксиальному фидеру;
б - установка вибратора с контррефлектором.

Для возможно большего сужения диаграммы направленности и уничтожения ее боковых лепестков нужно, чтобы размеры отражателя (его диаметр D) были во много раз больше размеров излучателя l :

 

Получение узкой диаграммы направленности возможно только при изготовлении параболического зеркала с высокой степенью точности. Для уменьшения веса и сопротивления ветру часто отражатели изготовляются из металлической сетки. Ширина диаграммы направленности может быть рассчитана по формуле:

(6-21)

Эта формула показывает, что при достаточно большом диаметре зеркала можно получить весьма узкую диаграмму направленности. Так, при D = 20, что вполне осуществимо на сантиметровых и даже на дециметровых волнах, ширина луча .

Искажения диаграммы направленности возникают также вследствие того, что не всё излучение вибратора попадает на отражатель; около половины его расходится в разные стороны непосредственно от слабонаправленного вибратора. Для устранения этого недостатка впереди вибратора часто устанавливают контррефлектор (рис. 6-51, б).

В случае металлических вибраторов, которые можно условно называть электрическими излучателями, излучение вызывается перемещением электрических зарядов и их полем, направленным вдоль вибратора и изменяющимся по синусоидальному закону. Если создать устройство, в котором часть пространства, имеющая форму такого же вибратора, будет заполнена по тому же закону переменным магнитным полем, то этот "магнитный вибратор" будет создавать излучение так же, как электрический, только с заменой электрического поля на магнитное и обратно.

Примером такого устройства может служить полуволновая щель, прорезаемая в дне прямоугольного волновода параллельно его широкой стороне (рис. 6-52). В этом случае магнитные силовые линии будут направлены вдоль отверстия, так же, как электрические силовые линии направлены вдоль металлического диполя. Поэтому такой излучатель можно назвать магнитным диполем; его резонансные и излучающие свойства будут полностью совпадать со свойствами металлического диполя той же формы при замене магнитного поля на электрическое и наоборот. Например, для точной настройки в резонанс он должен быть, как и металлический вибратор, несколько укорочен.

Рис. 6-52. Полуволновая щелевая антенна (магнитный вибратор).

Для получения максимальной широкополосности ширину отверстия следует делать возможно большей (при этом требуемое укорочение увеличивается). Наилучшей широкополосностью обладает отверстие, сделанное во всю ширину волновода. Для его настройки требуется довольно значительное укорочение, т.е. частичное закрытие выхода волновода (рис. 6-53). Использовать излучение из отверстий в металлических поверхностях впервые было предложено М.С.Нейманом, который назвал их дифракционными излучателями. В настоящее время в сантиметровом диапазоне излучатели такого типа применяются весьма часто.

Рис. 6-53. Настройка открытого конца волновода.

Из сказанного вытекает, что открытый конец волновода должен обладать малой направленностью излучения, так как он подобен линейному вибратору. Рупор, устанавливаемый часто на конце волновода, увеличивает направленность излучения
(рис. 6-54, а). Чем шире отверстие рупора и больше его длина, тем плавнее переход от узкого волновода к открытому пространству и тем уже его диаграмма направленности. Отверстие рупора в этом случае представляет собой систему синфазных магнитных вибраторов, вытянутых в одну линию (рис. 6-54, б), что по своим излучающим свойствам равноценно системе такого же числа синфазных электрических вибраторов, расположенных в перпендикулярном направлении. Поэтому рупор имеет резко выраженный максимум излучения в направлении своей оси и несколько боковых лепестков (рис. 6-54, в).

Рис. 6-54. Рупорная антенна.
а - конструкция;
б - отверстие рупора как система синфазных магнитных вибраторов;
в - диаграмма направленности.

Для получения высокой направленности, как уже было сказано, нужно, чтобы длина рупора была много больше длины волны. Например, для получения ширины диаграммы направленности в 50° нужно иметь рупор длиной (8-10). Для сужения диаграммы направленности в 2 раза приходится длину рупора увеличивать в 5 раз. Естественно, что это технически осуществимо только на сантиметровых и миллиметровых волнах. Чем больше длина рупора, тем меньше можно сделать угол его раствора для получения заданного размера отверстия, а следовательно, и коэффициента направленности.

Рупор, изображенный на рис. 6-54, а, называется секторным, так как расширение у него производится лишь в одном направлении. Рупоры такого типа обладают направленным действием только в одной плоскости. Для сужения диаграммы направленности в плоскости, перпендикулярной рассмотренной, нужно создать раствор рупора и в этой плоскости. Полученный таким образом пирамидальный рупор (рис. 6-55) по сути дела представляет собой многоэтажную систему синфазных магнитных вибраторов, которая обладает диаграммой направленности, суженной в двух направлениях.

Рис. 6-55. Пирамидальный рупор.

При использовании круглых волноводов рупор приобретает вид усеченного конуса (рис. 6-56).

Рис. 6-56. Конический рупор.

В ряде случаев желательно иметь острую направленность в вертикальной плоскости с главным излучением в горизонтальном направлении (что особенно важно для получения максимальной дальности связи на УКВ) и ненаправленное излучение в горизонтальной плоскости. Эту задачу успешно решают биконические рупоры. В них два конуса (рис. 6-57, а) питаются от коаксиального кабеля. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости (рис. 6-57, б) будет тем уже, чем больше электрическая длина рупора и меньше угол его раствора. В горизонтальной же плоскости (рис. 6-57, в) антенна излучает по всем направлениям одинаково. Вместо такой симметричной антенны можно применить более простую - несимметричную, в которой нижняя половина заменена проводящей плоскостью (рис. 6-57, г), создающей зеркальное изображение верхней половины. Такая антенна получила название дискоконусной.

Рис. 6-57. Биконические антенны.
а - биконический рупор;
б - диаграмма направленности в вертикальной плоскости;
в - диаграмма направленности в горизонтальной плоскости;
г - дискоконусная антенна.

Дифракционные (щелевые) антенны могут быть выполнены самым различным образом в зависимости от того, какую диаграмму направленности они должны иметь. При их построении руководствуются теми же принципами, что и при создании металлических антенн. Необходимо только щели располагать так, чтобы магнитные силовые линии проходили вдоль них, а поверхностные токи на металлических стенках, в которых прорезаны щели, пересекали их под прямым углом.

На рис. 6-58, а, изображена конструкция щелевой антенны из системы синфазных полуволновых щелей, прорезанных в широкой стенке волновода, закрытого на конце. Максимум излучения такой системы будет лежать в направлении перпендикуляра к широкой стенке. На рис. 6-58, б, представлена антенна, состоящая из системы щелей, прорезанных в стенке коаксиального кабеля. Такая антенна будет иметь ненаправленное излучение в горизонтальной и направленное в вертикальной плоскости.

Рис. 6-58. Щелевые (дифракционные) антенны.
а - синфазная система щелей в волноводе;
б - синфазная система щелей в коаксиальном фидере.

Для возбуждения волн определенного типа в волноводе нужно создавать такую систему возбуждения, для которой свойственно излучение волн длинной структуры. Так, например, для возбуждения основной магнитной волны в прямоугольном волноводе линейный вибратор обычно располагают посредине широкой стенки волновода (рис. 6-59, а). Вибратор питают от коаксиального кабеля, внешнюю оплетку которого соединяют со стенкой волновода. Позади вибратора устанавливают подвижную отражающую стенку на расстоянии, близком к четверти волны. Изменяя ее положение, можно установить наивыгоднейшие условия возбуждения волновода. Максимальная напряженность электрического поля создается около вибратора, и поле имеет направление вдоль его оси, что соответствует структуре волны H10 в волноводе. Для возбуждения основной волны в круглом волноводе возбуждающий вибратор помещают в середине торца круглого волновода (рис. 6-59, б).

Рис. 6-59. Возбуждение электромагнитных волн в волноводах.
а - возбуждение основной магнитной волны в прямоугольном волноводе;
б - возбуждение основной магнитной волны в круглом волноводе.

Направленное излучение может быть создано с помощью диэлектрических антенн - стержней, в которых небольшой вибратор возбуждает электромагнитные волны (рис. 6-60, а). Позади вибратора устанавливается отражающая стенка. Стержень имеет переменное сечение. Электромагнитные волны, попадая на границу раздела стержень-воздух, вначале испытывают полное внутреннее отражение. По мере сужения стержня угол падения возрастает и волны начинают выходить из стержня под малыми углами к его оси. Форма стержня выбирается такой, чтобы лучи выходили из него приблизительно под одинаковыми углами к оси, что и придает излучению антенны направленный характер. Направленное действие антенны возрастает по мере увеличения длины стержня. При длине стержня 5 удается получить ширину диаграммы направленности порядка 30°. Чтобы получить более острую диаграмму направленности, составляют из нескольких стержней систему синфазных излучателей (рис. 6-60, б).

Рис. 6-60. Диэлектрические антенны.
а - конструкция излучателя;
б - система синфазных диэлектрических излучателей.

Для получения очень острых диаграмм направленности в настоящее время используют металлические линзовые антенны. Принцип их действия основан на эффекте увеличения фазовой скорости распространения электромагнитных волн между металлическими поверхностями. Линза составляется из некоторого количества параллельных металлических пластин специальной формы, которые ставятся на выходе рупора, направляющего все излучение возбуждающего вибратора в одну сторону (рис. 6-61).

Рис. 6-61. Металлическая линзовая антенна.

Сферическая волна излучателя, проходя через линзу, превращается в плоскую. Это достигается тем, что боковые лучи 1 проходят между металлическими пластинами больший путь, чем
лучи 2, имеющие направление, близкое к оси. Форма пластин подбирается такой, что все лучи, вышедшие в один и тот же момент времени под разными углами из излучателя, выходят из линзы одновременно. При этом поверхность равных фаз, т.е. фронт волны, становится плоской и диаграмма приобретает вид острого луча. Практически выполнимы линзы, создающие диаграмму направленности шириной, измеряемой в минутах. Подобные устройства особенно выгодны для таких стационарных линий связи, как радиорелейные линии.

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
ДИНАМО-МАШИНА - походное зарядное устройство!

До пяти минут связи хватает подзарядки мобильного телефона если вращать ручку динамо-машины в течение...

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