книги из ГПНТБ / Учебник механика военно-воздушных сил. Радиооборудование самолетов

„ X

нии превращается в провод длиной у , в центре кото­

рого включен источник ЭДС (рис. 1.21,6).

Полученная антенна носит название симметричного полуволнового вибратора. У такого вибратора ток в се­ редине получается максимальным, а на концах равным нулю. Это объясняется тем, что в середине вибратора

проходят зарядные и разрядные токи всех элементар­ ных емкостей, образуя общий ток. У концов вибратора проходят зарядные и разрядные токи только крайних элементарных емкостей. Максимальное значение тока называется пучностью, а минимальное — узлом тока. Распределение напряжения по длине симметричного вибратора показано на рис. 1.21, а. Максимальное на­ пряжение создается на концах вибратора, а в середине оно равно нулю. Это объясняется тем, что между кон­ цами вибратора действует сумма ЭДС самоиндукции всех элементарных частиц провода вибратора.

Собственная длина волны симметричного полуволно­ вого вибратора Хр в два раза больше ‘его геометриче­ ской длины /, т. е. Хр=2/.

Симметричный вибратор широко применяется на ультракоротких волнах. Применение его на длинных и средних, волнах затруднено тем, что на этих волнах тре­ буется провод большой геометрической длины.

60

Излучение электромагнитных волн симметричным полуволновым вибратором связано с протеканием в нем токов высокой частоты. Необходимо различать два вида электромагнитных полей, образующихся при излу­ чении: поле индукции и поле излучения. Электромагнит­ ным полем индукции называется поле, образованное вибратором непосредственно в окружающем простран­ стве. Энергия этого поля связана с антенной, и действие его носит местный характер.

Электромагнитным полем излучения называется по­ ле, оторвавшееся от антенны и существующее в про­ странстве независимо от нее. На рис. 1.22 показан про­ цесс образования электрического поля излучения. В на­ чальный момент при t0 = 0 напряжение в антенне равно нулю и вокруг антенны не создается электрического по­

вокруг антенны возникает наибольшее электрическое поле (рис. 1.22,6).

скости, перпендикулярной к проводу антенны, поле ока­

нулю, так как все заряды стеклись к центру вибратора. Концы силовых линий поля соединяются, образуя зам­ кнутые петли, способные оторваться от антенны и пере­ мещаться в пространстве (рис. 1.22,г). Поле, оторвав­

шееся от антенны, и есть поле излучения. В момент вре-

з

мени ti — — T напряжение в антенне становится макси­

61

переменное электрическое поле образует так называе­ мые переменные токи смещения, которые создают маг­ нитное поле, совпадающее по фазе с электрическим. Таким образом, энергия в пространстве движется в ви­ де электромагнитного поля со скоростью света.

Рис. 1.22. Графики, поясняющие процесс излучения электромагнит­ ных волн полуволновым вибратором

Мы рассмотрели только образование электромагнит­ ных волн в пространстве на базе электрического поля антенны. Но в образовании электромагнитных волн в пространстве участвует и магнитное поле антенны. Рас­ смотрение образования электромагнитных волн на базе магнитного поля производится аналогично.

Антенна может не только излучать электромагнит­ ную энергию в пространство, но и принимать ее из про­ странства. Для этого антенна, например, в виде полу­ волнового вибратора должна располагаться в направ­ лении силовых линий электрического поля приходящей

62

электромагнитной волны. В этом случае в полуволно­ вом вибраторе будет наводиться ЭДС, представляющая собой входной сигнал приемного устройства.

3.ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ АНТЕНН

Диаграмма направленности антенны

Количество энергии, излучаемой антенной в различ­ ных направлениях, обычно неодинаково. О направлен­ ных свойствах антенны судят по ее диаграмме направ­ ленности.

Диаграммой направленности антенны называется за­ висимость напряженности поля Е, создаваемой в равно­ удаленных от антенны точках, от направления излуче­ ния. Для примера рассмотрим диаграмму направлен­ ности полуволнового вибратора, построенную в поляр­ ной системе координат (рис. 1.23, а) в плоскости, сов­ падающей с его осью. Наиболее интенсивное излучение происходит в направлении, перпендикулярном к оси ви­ братора (в направлении К, показанном на рис. 1.23, в), поскольку волны от всех элементов вибратора в любую точку пространства этого направления приходят в фазе.

В направлении К' волны, излучаемые симметричны­ ми элементарными участками вибратора ВС и В'С', проходят разные пути. Разность хода этих волн равна величине а. При распространении этих волн в направ­ лении К" разность хода становится еще больше (она равна величине а').

Величина разности хода рассматриваемых волн обу­ словливает соответствующий фазовый сдвиг, с которым они приходят в различные точки пространства.

Наибольший фазовый сдвиг, достигающий величи­ ны 180°, образуется между волнами, когда они распро­ страняются в направлении оси вибратора. Поэтому сум­ марная напряженность полей, созданных симметричны­ ми элементами вибратора в точках пространства, сов­ падающих с направлением его оси, равна нулю. Это означает, что в направлении оси вибратора электромаг­ нитная энергия не излучается.

С учетом изложенного диаграмма направленности симметричного вибратора в вертикальной плоскости приобретает вид, приведенный на рис. 1.23, а. В плоско-

63

сти, перпендикулярной к оси диполя, интенсивность из­ лучения по всем направлениям одинакова и диаграмма направленности имеет вид окружности. Пространствен­ ная характеристика излучения симметричного вибра­ тора имеет тороидальную форму (рис. 1.23,6).

Таким образом, у любой антенны имеется направ­ ление максимального излучения, называемое главным направлением диаграммы направленности.

Направленность излучения различных типов антенн оценивается шириной его диаграммы излучения в вер­ тикальной и горизонтальной плоскостях. Ширину диа­ граммы излучения (ширину луча) принято оценивать углом между двумя направлениями, по которым мощ­ ность излучения уменьшается в два раза по сравнению с мощностью излучения в главном направлении.

64

Направленность излучения антенных устройств в по­ давляющем большинстве случаев желательна. Часто конструируют антенны, обладающие резко выраженны­ ми направленными свойствами.

Замена ненаправленной антенны на направленную эквивалентна увеличению мощности передатчика. Число, которое показывает, во сколько раз можно уменьшить мощность передатчика при переходе от ненаправленной антенны к направленной, сохраняя неизменной силу сиг­ нала в направлении главного излучения, принято назы­ вать выигрышем антенны.

Действующая высота антенны

При одинаковой величине тока в пучности антенны различных форм и размеров излучают неодинаковое количество энергии. Для сравнения антенн различных типов между собою вводят такой параметр, как дейст­ вующая высота антенны /ід.

а 6

Рис. 1.24. Графики, поясняющие принцип определения действующей высоты несимметричного (а) и сим­ метричного (б) полуволновых вибра­ торов

Энергия, излучаемая элементарным отрезком про­ вода антенны, определяется величиной тока в этом от­ резке. Энергия же, которую излучает вся антенна, опре­ деляется графически путем вычисления площади, огра­ ниченной кривой распределения тока в антенне и самим проводом антенны (рис. 1.24). Сокращенно эту площадь

называют площадью тока антенны. Антенны с одинако­ вой площадью тока излучают одинаковое количество энергии. Поэтому реальную антенну высотой h можно заменить некоторой воображаемой антенной, имеющей ту же площадь тока, но в которой ток одинаков по всей ее длине и равен току в-пучности реальной антен­ ны /максТакая воображаемая антенна будет иметь высоту /гд, которую и называют действующей высотой

антенны.

Чем равномернее распределение тока по длине ан­ тенны, тем ближе действующая ее высота к геометри­ ческой длине провода антенны.

4.ТИПЫ АНТЕНН

Всовременных радиотехнических устройствах при­ меняются разнообразные типы антенн. Они выполня­ ются в виде отдельного провода в диапазоне длинных и средних волн и в виде очень сложных устройств в диа­ пазоне сантиметровых волн.

Кконструкции самолетных антенн предъявляются

специфические требования, исходя из ограниченности размеров самолетов. Основным требованием является требование формирования необходимой диаграммы на­ правленности при минимальных размерах антенны.

Самолетные антенны в диапазоне от длинных до де­ циметровых волн по своему конструктивному выполне­ нию представляют собой несимметричные диполи, не­ симметричные диполи с горизонтальной частью, симме­ тричные диполи и рамочные антенны.

Обычно несимметричные диполи широко использу­ ются для целей радиосвязи, а симметричные диполи и рамочные антенны— для целей радионавигации.

Несимметричным диполем называется такая антен­ на, у которой роль одной половины диполя выполняет земля. Источник ЭДС при этом включается у земли. Электрическое поле создается между проводом диполя и землей (рис. 1.25,а). Если провод диполя заряжен по­ ложительно, то отрицательные заряды накапливаются в земле, и, наоборот, если провод заряжен отрицатель­ но, в земле накапливаются положительные заряды. В заземленном диполе пучность тока получается у зем­ ли, а пучность напряжения — у верхнего конца диполя

66

(рис. 1.25,6). На заземленном диполе укладывается только четверть волны тока и напряжения, поэтому его называют четвертьволновым вибратором. Собственная длина волны и действующая высота такой антенны оп­ ределяются выражениями:

где h — геометрическая длина провода вибратора.

Вибратор работает эффективно только при хорошем заземлении. Если нет хорошего заземления, то исполь­ зуют противовес, представляющий собой системы гори­ зонтальных проводов, подвешенных низко над землей. На самолетах в качестве противовеса служит металли­ ческий корпус самолета.

Заземленный вибратор, расположенный вертикально, дает равномерное излучение энергии во все стороны, а вверх не излучает. Характеристики излучения диа­ граммы направленности заземленного вибратора в го­ ризонтальной и вертикальной плоскостях приведены на рис. 1.25, в и г. В точке А расположена антенна. В гори­ зонтальной плоскости напряженность электрического поля в точках, удаленных на равные расстояния от ра­ диостанции, одинакова. Поэтому диаграмма направлен­ ности в горизонтальной плоскости имеет вид окружно­ сти. Пространственная характеристика излучения за­ земленного вибратора приведена на рис. 1.25,5.

Напряженность Е электрического поля, создаваемая передающей антенной в направлении максимального излучения, выражается соотношением

где ~к— длина волны, м\ 1а — ток в антенне, а;

г— расстояние от передатчика до точки, в которой определяется напряженность поля, м;

hn — действующая высота антенны, м.

Из этого соотношения видно, что напряженность по­ ля прямо пропорциональна действующей высоте антен­ ны. Поэтому стремятся увеличить действующую высоту антенны. Некоторого увеличения действующей высоты антенны можно добиться за счет дополнения вертикаль­ ного провода антенны сетью горизонтальных или на­ клонных проводов, присоединенных к верхнему концу антенны. Горизонтальная часть антенны в совокупности

сземлей образует некоторую емкость. Вследствие этого

вверхней точке вертикального провода антенны ток не равен нулю, так как через эту точку протекает зарядный

ток горизонтальных проводов. Чем длиннее горизон­ тальный провод, тем равномернее распределен ток в вертикальном проводе. При этом горизонтальный про­ вод в излучении энергии не участвует. Горизонтальный провод и землю можно рассматривать как два близко расположенных провода, токи в которых протекают в разных направлениях и создают противофазные маг­ нитные поля.

68

Полуволновой вибратор используется либо как са­ мостоятельная антенна (например, в самолетном радио­ высотомере), либо в качестве облучателя в сложных антеннах сантиметрового диапазона, имеющих отража­ тельные поверхности.

В зависимости от положения полуволнового вибра­ тора в пространстве излученные им волны могут иметь различную поляризацию. Вибратор, расположенный вер­ тикально, излучает вертикально поляризованную радио­ волну, так как вектор электрического поля находится в вертикальной плоскости, а горизонтальный вибратор —

2

ставка для крепления диполя

горизонтально поляризованную волну. Для приема вер­ тикально поляризованной волны приемную антенну не­ обходимо располагать вертикально, а для приема гори­ зонтально поляризованной волны — горизонтально.

Мощность, излучаемая полуволновым вибратором в

жается формулой

Р= P R

Вкачестве примера на рис. 1.26 показана конструк­ ция самолетной антенны в виде полуволнового вибра­ тора. Во внутренней полости одного из изоляторов по­ мещен кабель питания диполя.

По принципу работы самолетные антенны не отли­ чаются от антенн, используемых в наземных условиях.

Поскольку размеры самолетов сравнимы с длинами волн коротковолнового диапазона, а его отдельные вы­ ступающие части — с длинами волн метрового и деци­ метрового диапазонов, то самолет оказывает заметное влияние на характеристику направленности антенн. Это

60