2. Электродинамические параметры базового варианта резонаторно-возбуждаемой антенны
Рассмотренная предыдущем разделе математическая модель резонаторно-возбуждаемой односекторной антенны на основе кругового цилиндра и решение задачи в рамках этой модели позволяют объяснить принцип работы антенн этого типа с позиций распределения токов и фаз этих токов в раскрыве антенны. Совокупность уравнений для решения внутренней и внешней задач даёт возможность определить в конечном итоге диаграмму направленности при различных геометрических параметрах антенны.
Важно определить область таких допустимых геометрических параметров, дающих, с одной стороны, предельно достижимые параметры (КНД), с другой – область сохраняемости приемлемой формы ДН. В первую очередь – это поперечный размер антенны (для кругового цилиндра это диаметр), при котором ДН имеет форму без больших боковых лепестков, КНД максимален, и полоса рабочих частот составляет 5-10 %.
Также, с точки зрения максимума КНД круговая форма цилиндрического резонатора не является оптимальной. Варьируя форму резонатора можно добиться увеличения КНД антенны на 1.5 – 2 дБ. Это возможно, если нет существенных ограничений на габариты антенны или нет специальных требований к форме антенны, таких как, например, желательность круговой симметрии связных антенн при совместном использовании их в составе пеленгаторных комплексов. Кроме того, из конструктивных соображений иногда даже предпочтительней иметь форму резонатора, отличную от круговой. Например, при установке стационарных антенн на стенах зданий прямоугольный резонатор с плоской задней стенкой обеспечит более надёжное крепление его к стене без дополнительных элементов жёсткости. А при установке антенн на крышах зданий, т.е. там, где позволяет пространство, применение вытянутых в направлении излучения резонаторов может дать некоторый выигрыш в КНД, хотя и за счёт некоторого увеличения габаритов.
Иными словами, в зависимости от предъявляемых требований, форма резонатора может быть различной: круговой, эллиптической, ромбовидной прямоугольной и т.д.
Круговая же форма цилиндрического резонатора для резонаторно-возбуждаемых антенн является наиболее приемлемой и наименее трудоёмкой для теоретического исследования зависимости электродинамических характеристик этой антенны от геометрических размеров. Она обладает также существенными положительными свойствами, которые могут быть очень востребованы в некоторых специальных случаях, таких, как, например, круговая симметрия структуры для внешнего наблюдателя. При этом возникает вопрос о выборе геометрических размеров антенны: диаметре, высоте и ширине выреза, т.е. излучающей поверхности с тем, чтобы не допустить разваливания диаграммы направленности и получить наилучшие характеристики.
Результаты расчёта КНД и углов раскрыва ДН антенны в форме круговой цилиндрической поверхности при высоте H, угловом размере вырезанной части β и различных расстояниях d источника возбуждения от задней стенки цилиндра (рис. 1.1) представлены на рис. 2.1 ÷ 2.4. В качестве источника возбуждения использовался полуволновый электрический вибратор, располагающийся в вертикальной плоскости симметрии антенны.
Семейство кривых, показывающее зависимость коэффициента направленного действия (КНД) от высоты цилиндрической поверхности H при расстояниях вибратора от задней стенки цилиндра d = 0.15 λ, 0.25 λ и 0.45 λ показано на рис. 2.1. Из графиков видно, что КНД мало зависит от расстояния d, т.е. антенна не требовательна к точности установки вибратора. Положение его может быть достаточно произвольным в широких пределах. Поэтому в дальнейших расчетах источник возбуждения располагался на расстоянии 0.25 λ от задней стенки в плоскости цилиндра. Из графиков также видно, что, начиная с H = 3 λ, КНД мало возрастает с увеличением высоты.
H/λ
Рис. 2.2 показывает зависимость углов раскрыва ДН θ в вертикальной плоскости от соотношения H/λ. Графики также показывают, что уменьшение величин этих углов после H/ λ= 3 практически невелико.
На рис. 2.3 представлены кривые зависимости КНД от диаметра цилиндра при различном угловом размере β вырезанной части и высоте H = 4 λ.
Из графиков видно, что с уменьшением углового раскрыва антенны КНД имеет тенденцию к увеличению, хотя при этом диапазон возможных диаметров цилиндра сужается. Максимальное значение КНД смещается в сторону увеличения диаметра цилиндра.
При увеличении углового раскрыва максимум КНД смещается в сторону уменьшения диаметра цилиндра, кривая зависимости КНД от диаметра становится более пологой. А КНД с ростом углового раскрыва падает.
В целом же можно считать, что наиболее оптимальным по критерию максимума КНД является угловой раскрыв антенны порядка 80º. При таком угловом раскрыве КНД превосходит 12 дБ и зависимость от диаметра цилиндра не столь строга – кривая зависимости КНД от диаметра цилиндра является достаточно пологой.
Так что оптимальным в этом плане является угловой раскрыв антенны порядка 80º и диаметр цилиндра ~ 0.7 λ. Что касается высоты антенны, то для получения максимального КНД достаточно ограничиться её значением порядка H ~ 3 ÷ 4 λ. При этих значениях размеров антенны КНД её имеет величину порядка 12 дБ. Ширина ДН в горизонтальной плоскости φ ~ 80º, а в вертикальной θ ~ 20º.
Типичные диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях для такого случая представлены на рис. 2.4.
При практическом изготовлении антенных устройств всегда встаёт вопрос о технологичности изделия, и, может быть, в первую очередь о чувствительности характеристик антенны к отклонению от заданных геометрических размеров антенны. Например, для настраиваемых антенн типа "волновой канал" с числом пассивных вибраторов (директоров) более 5-ти отклонение в расстояниях между вибраторами в 1/20 λ может привести к уменьшению КНД антенны на величину 2 дБ и более.
Для антенны на основе кругового объёмного резонатора замечена следующая особенность. Если диаметр резонатора имеет величину порядка 0.7 λ и источник возбуждения расположен в горизонтальной плоскости симметрии, электродинамические характеристики, т.е. форма диаграммы направленности, ширина раскрыва ДН в вертикальной и азимутальной плоскостях и КНД антенны практически не зависят от положения источника возбуждения внутри резонатора в вертикальной плоскости. Возможные положения источника возбуждения показаны на рис. 2.5 (вид сверху). Чёрный цвет иллюстрирует стандартное положение излучателя, серый – возможное.
Такое свойство резонаторно-возбуждаемых антенн при данных электрических размерах резонатора (D ~ 0.7 λ) позволяет менее критично относиться к точности установки источника возбуждения. Антенна представляется в этом плане достаточно технологичной. С другой стороны, это свойство позволяет, не меняя диаграмму направленности, простым перемещением источника возбуждения менять входные сопротивления антенны, что, в принципе, может быть полезным при настройке антенны.
При этом возникает естественный вопрос: как изменится ДН антенны если торцы цилиндрической структуры закрыть металлическими поверхностями (рис. 2.6)?
Металлизация торцевых поверхностей увеличивает КНД антенны только при малых высотах цилиндра H < 2 λ (рис. 2.7). При H = 2 λ металлизация торцов даёт прирост КНД порядка 0.5 дБ. При H = 1 λ металлизация торцов увеличивает КНД на величину порядка 1 дБ.
Что касается высот цилиндра H > 2 λ, то металлизация торцов не даёт выигрыша в КНД. Наоборот, при H > 3 λ антенна с открытым цилиндрическим резонатором даже несколько более эффективна (на 0.2 дБ).
Так что попытки увеличить КНД антенны с помощью дополнительных металлических поверхностей не имеют смысла при высотах цилиндра H > 2 λ.
С другой стороны, поскольку КНД при H > 2 λ почти не меняется при использовании металлических торцевых поверхностей, то их можно применять для увеличения механической прочности антенных устройств данного типа без ухудшения параметров антенны.
При построении антенных устройств может встать вопрос о работе антенны, допустим, не в одном, а в двух или более частотных диапазонах. Для узкополосных антенн, при использовании одного источника возбуждения, эта задача, в принципе, может быть решена различными способами: путём применения нескольких согласующих устройств, переключающихся механическим или электронным способом; путём применения цепочки трансформаторов сопротивления – ступенчатого или плавного перехода; путём применения широкополосных согласующих устройств на входе антенны – фильтров (при достаточно низкой нагрузочной добротности). В этом случае необходимо знание о частотных (в смысле сохранения формы диаграммы направленности) свойствах антенны в достаточно широкой полосе частот.
Для базового варианта резонаторно-возбуждаемой антенны характерна сохраняемость формы ДН (в смысле отсутствия боковых лепестков) в диапазоне частот от нуля до рабочей частоты (рис. 2.8).
КНД антенны монотонно падает по частоте в обе стороны от максимального значения.
В сторону нижних частот форма диаграммы сохраняется, в том смысле, что остаётся однолепестковой. В сторону же верхних частот ДН быстро, для H = 4 λ уже через 15%, раздваивается в вертикальной плоскости (E-плоскости).
Здесь уместно провести некоторую аналогию с элементарным вибратором, который, как известно, сохраняет форму своей ДН в диапазоне частот от нуля до рабочей частоты.
Итак, основные характеристики данной антенны таковы.
Во всех случаях для получения максимального КНД достаточно ограничиться высотой резонатора H ~ 3 ÷ 4 λ. Ширина вырезанной части (излучающая поверхность) должна составлять величину порядка 0.5 λ. Расстояние от источника возбуждения до задней стенки резонатора d = 0.3 λ.
Диаметр кругового цилиндра должен быть около 0.7 λ.
КНД может превышать 12 дБ. Ширина ДН в E– плоскости φ ~ 80º, в H– плоскости θ ~ 20º.
Если диаметр кругового цилиндрического резонатора равен D ~ 0.7 λ, то положение источника возбуждения внутри резонатора практически не влияет на ДН антенны. Источник возбуждения может располагаться в любом месте внутри резонатора.
Металлизация торцевых поверхностей цилиндрического резонатора увеличивает КНД антенны только при малых высотах резонатора H < 2 λ. При H > 2 λ металлизация торцов не влияет на ДН.
ДН резонаторно-возбуждаемой антенны остаётся однолепестковой в E- и H- плоскостях в диапазоне частот от 0 до рабочей частоты, испытывая плавный переход ДН от ДН элементарного электрического вибратора до секториальной.
Резонаторно-возбуждаемые антенны с другой формой цилиндрической поверхности (эллиптической, прямоугольной, ромбовидной и т.д.) в принципе, имеют характеристики, близкие к характеристикам антенны с круговой формой цилиндрического резонатора. Варьируя размеры и форму, можно добиться некоторого увеличения КНД – до 2 дБ.