книги / Основы радиотехники и антенны. Антенны
.pdfсквозь рефлектор 2 и кончается головкой облучателя 3 прямоуголь ной формы. В головке имеются две щели 4, соединенные через кана лы 5 с волноводом /. Энергия из волновода направляется к рефлекто ру через прорези и щели в головке облучателя. Чтобы согласовать волновод с параболоидом и уменьшить облучение внешней поверх ности волновода, его узкую стенку сужают по направлению к го ловке. Кроме того, предусматривается подстройка системы при по мощи штыря 6, длина которого регулируется винтом.
Рис. 6.48. Параболоид со щелевым облучателем.
Расстояние между щелями подбирается с таким расчетом, что бы диаграмма направленности облучателя была одинаковой в Е и Н плоскостях. В диаграмме (рис. 6.49) отсутствуют боковые ле пестки, а главный лепесток получается достаточно широким. Не достатком щелевого облучателя является то, что допустимая мощ ность на участке сужающейся части волновода и щелей умень шается.
9 Зак. 10? |
241 |
Облучение параболического цилиндра связано со значительными трудностями: облучатель такой антенны должен быть линейным на большом протяжении. Задача создания линейного облучателя ус пешно решается переходом к сегментно-параболической системе (рис. 6.50), которая может служить не только облучателем, но и само стоятельной антенной.
В этой антенне открытый конец прямоугольного волновода / (или небольшой рупор) находится в фокусе F параболической по лоски 2, ограниченной двумя параллельными пластинами 3. Если
Рис. 6.49. Диаграмма направлен- |
Рис. 6.50. Сегментно-параболическая |
ности щелевого облучателя. |
антенна. |
расстояние между пластинами К/2 <Z а < \ и вектор Е параллелен пластинам 3, то между ними, как и в волноводе, распространяются волны Нщ. Фазовая скорость такой волны зависит от размера а, который во избежание фазовых искажений в раскрыве антенны дол жен быть строго одинаковым. Для этого увеличивают жесткость пластин ребрами, и, кроме болтовых соединений между параболи ческой полоской и пластинами, предусматривают фиксацию взаим ного расположения пластин металлическими или диэлектрическими штырями, установленными в области малой интенсивности электри ческого поля.
Сегментно-параболические антенны имеют остронаправленную диаграмму излучения в плоскости, проходящей через широкую сто рону выходного отверстия рефлектора, а в перпендикулярной плос кости направленноегь антенны выражена весьма слабо из-за крайне ограниченного размера а. Коэффициент использования площади
849
сегментно-параболической антенны высокий, порядка 0,8. В соот ветствии с этим коэффициент усиления антенны
G ^ 0 ,8 4 7 5 а,
где 5д — поверхность раскрыва антенны.
49. Плоские спиральные антенны
Одной из важных проблем, которые успешно решает современ ная техника антенно-фидерных устройств, является создание сверх широкополосных антенн. Работая в этом направлении, ученые раз работали плоские арифметические (архимедовы), равноугольные (логарифмические) и логопериодические спиральные антенны.
Арифметическая (архимедова) спиральная антенна. Основой такого рода антенн являются арифметические спирали из плоских металлических лент или щелей в металлическом экране (рис. 6.51). Уравнение спирали в полярных координатах
р = аф + Ь,
где р — радиус-вектор, отсчитываемый от полюса 0; а — коэффициент, характеризующий приращение радиуса-
вектора на каждую единицу приращения полярного угла ср; b — начальное значение радиуса-вектора.
Спираль может быть двухзаходной, четырехзаходной и т. д. Если спираль двухзаходная, то для ленты (щели) I, показанной пунктирными линиями, угол ф отсчитывается от нуля, а для другое показанной сплошными линиями — от 180°, т. е. спираль образо вана совершенно идентичными лентами (щелями), повернутыми на 180° относительно друг друга.
Начальные точки ленты I соответствуют радиусам-векторам р =>= = а -0 + Ь, которые обозначим Ьх и Ьг. Следовательно, ширина ленты W — Ьч — bv Описав один оборот (Дер = 2л), лента зани мает положение D, в котором радиус-вектор больше начального на Др = аДф = 2ла. На этом отрезке BD размещаются две ленты и два зазора, и если ширина их одинаковая, то 2ла = 4Ц?.
Отсюда определяем коэффициент
а— 4W — 2W
2я я
Питание спирали может быть противофазным, как на рис. 6.51, или синфазным. В первом случае токи через зажимы А, В, соединяю щие ленты с фидером, имеют обратную фазу.
Путь тока в ленте I больше, чем в ленте II, на полвитка. На пример, в сечение CD лента II попадает, описав 0,5 витка, а лента I — 1 виток, в сечение EF — соответственно 1,5 и 2 витка и т. д. Поскольку длина витка по мере развертывания спирали возрастает, увеличивается и расхождение фазы токов в лентах. Обозначив сред
ний диаметр витка |
dcp, находим сдвиг по фазе, соответствующий |
|
длине полувитка: |
^ |
= £1^££. Если к этому прибавить |
начальный сдвиг, равный л, то получим результирующее расхожде ние по фазе токов в смежных элементах двухпроводной линии
За счет второго слагаемого угол ф отличен от л, а в таких усло виях электромагнитные волны излучаются, даже если зазор между лентами мал по сравнению с длиной волны.
Интенсивно излучает только та часть спирали, в которой токи смежных элементов обеих лент совпадают по фазе:
n -\-^ 2 ^ k -2 n ,
К
где k — \, 2, 3, ...
Подставив /5 = 1, находим, что средний диаметр первого «резо нансного» кольца равен d icp = Я/я, а периметр этого кольца равен ndicp = к. Средний диаметр и периметр второго (k = 2), третьего (к = 3) и т. д. «резонансных» колец соответственно в три, пять,...
раз больше. Так как излучение радиоволн спиралью вызывает за тухание тока от ее начала к концу, то наиболее интенсивно излучает первое резонансное кольцо.
Эта часть спирали представляет наибольший интерес и по дру гой причине. Затухание тока по длине спирали, вызванное излу чением, настолько велико, что отражение от конца спирали практи чески отсутствует, т. е. ток в спирали распределяется по закону бе гущих волн. Вместе с тем периметр первого резонансного кольца равен длине волны X. В таких условиях, как показано в § 40, про исходит осевое излучение с вращающейся поляризацией, которое в данном случае наиболее желательно.
Диаметр спирали должен быть достаточно велик, чтобы на мак симальной волне диапазона Лмпкс сохранилось первое «резонансное» кольцо (d > Хмакс/зх), а с уменьшением длины волны это кольцо должно сжиматься до тех пор (Ямип), пока оно может еще полностью разместиться вокруг узла питания.
Важно, что в процессе изменения частоты отношение среднего периметра первого «резонансного» кольца nd\Cp = Xk к длине волны X остается постоянным. Это позволяет сохранить почти без изме нения направленные свойства антенны в широком диапазоне волн
Зсмин Ч- Амакс. Правда, направленность спирали Архимеда невелика (2ф' ^ 60 ч- 80°), поскольку в излучении волн участвует, по сущест ву, только та часть спирали, которая имеет средний периметр, равный X.
Второе условие получения диапазонной антенны — постоянство входного сопротивления — достигается здесь тем, что спираль ра ботает в режиме бегущей волны тока. Это сопротивление активное, порядка ста — двухсот ом. При питании от коаксиального фидера (ZВф -- 50 ом) согласование производят ступенчатым или плавным трансформатором.
Спираль излучает по обе стороны своей оси. Чтобы сделать ан тенну однонаправленной, ленточную спираль помещают на диэлек трической пластине толщиной Х0/4, другую сторону которой метал лизируют. Если же спираль щелевая, то ее вырезают на стейке метал лического короба; тогда противоположная стенка короба играет роль отражающего экрана, а сам короб является резонатором. Чтобы уменьшить его глубину, короб заполняют диэлектриком.
Одна из типовых спиралей Архимеда имеет диаметр 76 мм, вы полнена на пластине из эпоксидного диэлектрика, снабжена ре
зонатором глубиной 26 мм\ работает в диапазоне волн X = |
7,5 ч- |
Ч- 15 см при &CD < 2, ширине диаграммы направленности |
20' = |
= 60 ч- 80° и коэффициенте эллиптичности в направлении макси мума главного лепестка менее 3 <36 т. е. практически поляризацию можно считать круговой.
Равноугольная (логарифмическая) спиральная антенна. Работа этой антенны основана на том, что если излучающая структура пол ностью определяется ее полярными углами, то отношение линейных размеров излучателя к длине волны остается постоянным и усиле ние антенны оказывается абсолютно независимым от частоты.
Равноугольная (логарифмическая) спираль (рис. 6.52) строится в полярных координатах по уравнению
|
Р = Г0 e6*, |
|
где г0 — радиус-вектор |
в начале спирали (ср = |
0); |
а — коэффициент, |
определяющий степень |
увеличения радиу |
са-вектора с увеличением полярного угла ср. Двухзаходная спираль образуется двумя проводниками или
щелями, но в отличие от архимедовой спиральной антенны толщина их непостоянна и возрастает с увеличением угла ср. Пусть началь-
Рис. 6.52. Логарифмическая спираль.
ный радиус-вектор на внутренней границе 1-го проводника равен
го и го — на внешней границе. Тогда уравнениями граничных спи рален являются
Pi = = Г о е а9,
гпе'А?
p i = r 0 ea? =
'о/'о
Так как га/го—постоянная величина, то можно заменить ее равной постоянной величиной ea<f«:
гое°9 |
ГаеА? |
|
|
|
Pi: |
еа<Ро |
-го еа |
|
|
г<Ло |
|
|
|
|
Сопоставляя выражения для pi и pi, |
убеждаемся в |
том, что |
||
внешняя кривая pi получается |
поворотом внутренней |
кривой |
||
pi на угол ср0, который определяется из |
равенства |
|
||
-тг = еа |
In _ l = acp |
|
||
Ф о -— |
1 п ~ . |
|
|
|
а |
|
|
|
|
Это иллюстрируется рис. 6.52. Расположенные под углом <р0 векторы ОЕ и ОВ, так же как векторы ОG и ОL, равны между собой.
Второй проводник повернут относительно первого на угол л. Поэтому его уравнения:
" |
” |
а (е — я) |
'О |
а (? —тс) |
Го е° (? - п> |
|
|
= л0 е° |
|||||
р2 = ГОе |
VV ' = |
---- |
го/го |
г»й?0 |
||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
т. е. внешние контуры второго проводни ка, как первого, получаются поворотом внутренней спирали на угол <р по часовой стрелке (см. переход от F к D и от М к N).
Так как направленные свойства антен ны зависят от отношения линейных раз меров излучающей поверхности к длине волны, то с этой точки зрения качество логарифмической спиральной антенны можно оценить отношением р/Х. Имея в
виду, |
|
что |
|
1пА. = 1пе1пХ= |
lnea (" lnX), a |
А,= е |
а (" 1пХ) |
представляем |
искомое отно |
||
|
\а |
), |
|||
шение |
в виде |
|
|||
Рис. 6.53. Щелевая плоская логарифмиче ская спиральная антен на.
Р |
гое f |
Г0е |
а( ? ~ 1пХ) |
- |
— |
X |
—ту— Т - |
G |
- rQе |
|
|
а U In Xj |
|
|
|
|
где
Фх = ~ - In X.
Полученное соотношение показывает, что изменение длины вол ны эквивалентно повороту бесконечной спирали на некоторый угол,
аэто не может вызвать какого бы то ни было изменения усиления
иширины диаграммы направленности антенны. Реальная антенна имеет конечную длину спирали, но тем не менее она эффективно работает в очень широком диапазоне волн АМНн—Хмакс, причем
величина Хмакс определяется максимальной длиной спирали, а Ашш — минимальными размерами узла питания.
Логарифмическая спираль работает в режиме бегущих волн (вследствие излучения ток затухает к концу спирали) и имеет вход ное сопротивление R BX = 60 -f- 180 ом.
Типовая щелевая логарифмическая спираль (рис. 6.53) имеет максимальную длину ветви 42тЗ см, начальный радиус 0,51 см и
коэффициент а — 0,303. Антенна излучает волны с вращающейся поляризацией в диапазоне К = 3 -т- 15 см и при питании от 50-ом коаксиального кабеля kCB не превышает двух. Параметры антен ны находятся в допустимых пределах даже при двадцатикратиом изменении длины волны.
50. Логарифмически-периодическая антенна
В настоящее время наиболее близки к сверхширокополосным антенны, частотные свойства которых периодически меняются с ча стотой. Разумеется, в пределах каждого периода изменения характе ристик и параметров антенны должны быть незначительными. При
Рис. 6.54. Логарифмически-периодическая излучающая структура.
этом условии рабочий диапазон частот может быть бесконечным, но так как размеры излучающей структуры конечные, то реальная антенна эффективно работает в ограниченном, хотя и в очень широ ком, диапазоне воли К0 — Хп.
Разделим диапазон на п поддиапазонов и условимся на гранич ных волнах поддиапазонов Х0, )в1 Я2,..., Хп обеспечить наиболее бла гоприятные и совершенно одинаковые условия излучения, которые будем называть резонансными.
Сначала рассмотрим плоскую проволочную антенну, содержа щую п элементов (рис. 6.54), из которых элементы с радиусом-векто ром р0 резонируют на волне А0, элементы рх — на ?»х элементы р2 — на %г, элементы р 3 — на и т. д. Узел питания, не показанный на рис. 6.54, находится в середине структуры 0. Элементы чередуются по своему угловому положению (<pu ф2, фх ф2,...) и отношение их радиуса-вектора к длине волны устанавливают постоянным:
(146)
Рис. 6.55. Плоская логарнфмически-периоди- ческая щелевая антенна.
Таким образом на граничных волнах поддиапазонов излучаю щая структура полностью определяется углами, а это, как известно, признак сверхширокополосной антенны.
Коэффициент перекрытия всех поддиапазонов k&целесообразно выбрать одинаковым:
х0 |
h |
|
Отсюда |
|
|
|
|
(147) |
а |
In %п = п In /ед + In Я„. |
(148) |
|
249
Это соотношение показывает, что электрические свойства рас сматриваемой антенны периодически повторяются с логарифмом дли ны волны (частоты), причем период повторения равен 1п£д (отсюда происходит название «логарифмически-периодическая антенна»). Чем меньше этот период, тем меньше изменяются в нем свойства излучающей структуры, но тем больше должно быть в структуре элементов (п). -
Из соотношений (146) и (147) вытекает зависимость
Рп — РоНа рис. 6.54 принят коэффициент кл = 2 и поэтому
Pi= &д Ро= 2ро> Рг = 6дРо = 4р0, Рз = kapQ— 9р0 ...
Длины резонирующих элементов, как видно, отличаются значитель но, в связи с чем на каждой граничной частоте излучает практиче ски только часть элементов, а остальные не играют существенной роли.
Излучающие структуры логарифмически-периодических антенн могут иметь разнообразные формы. В качестве примера на рис. 6.55 показана щелевая логарифмически-периодическая антенна с ka — = 1,235 и отношением кп : Я.0 = 10 : 1. Элементы структуры пло ские. Излучаемые волны поляризованы линейно.
Характерно, что в структуре углы а = 0 = 45°, и если повер нуть ее вокруг центра на 90°, то щели полностью заполняются ме таллом. Такая структура называется самодополняющей, ее отличи тельная черта — постоянство входного сопротивления ZBX = R Ux— = 60л = 189 ом, что очень важно для сверхширокополосной ан тенны. Строго говоря, ZBX = 189 ом при бесконечно малой толщине проводников и точечном узле питания, а входное сопротивление ре альной самодополняющей структуры несколько меньше (в данном случае ZBX= 150 ом). Иногда ZBXумышленно понижают для согла сования антенны с питающим кабелем.
Самодополняющими могут быть и плоские спиральные и объем ные логарифмически-периодические антенны. Используются пе риодические структуры в качестве самостоятельных антенн широ кополосных систем или как облучатели параболических и линзовых антенн.