Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств

Подождите немного. Документ загружается.

где R,,, и Х

,, — активная и реактивная составляющие

сопротивления антенны, отнесенные к то-

ку в пучности и равные:

= 60

(С

+ In 2/г/ — Ci 2/г/) +

+ 30 (С + In kl

—

2 Ci 26/ + Ci Ш) cos 2/e/ +

+ 30 (Si 4/г/

—

2 Si 2/г/) sin 2/г/,

т. е. активное сопротивление такое же, как и у цилиндри-

ческого вибратора;

60 sin 2/г/ + 30 (Ci 4/г/ — \nkl-

С)

sin 2/г/

—

— 30 Si 4/г/cos 2/г/. (3-34)

В этих формулах Si и Ci

—•

интегральные синус и коси-

нус,

= 0,577...

Входное сопротивление двухпроводной линии с вол-

новым сопротивлением р

, нагруженной на сопротивле-

ние Z

(

, равно:

Zj cos

fe/

+1'Рв sin

„л,..

Лв1£

—

cosW-f(Z

(

smW" ^"^

Это сопротивление и является входным сопротивлением

биконического вибратора. Результаты расчетов по этим

формулам приведены на рис. 3-7.

Вопросы расчета входного сопротивления бикониче-

ских антенн с различными углами ty рассмотрены в ра-

ботах [Л. 6, 8, 9]. В [Л. 8] рассматривается метод расче-

та входного сопротивления при г|)>30

, т. е. для наибо-

лее широкополосных вибраторов. Весьма удобно

пользоваться результатами экспериментального измере-

ния входного сопротивления, которые приведены в [Л. 6].

На рис. 3-19, 3-20 изображены кривые, позволяющие

определить входное сопротивление одиночного конуса,

расположенного непосредственно у поверхности хорошо

проводящей плоскости. Эти результаты можно исполь-

зовать и для определения входного сопротивления бико-

нических вибраторов. При этом следует помнить, что

оно будет в 2 раза больше, чем определенное по кривым

на рис. 3-18, 3-20.

Петлевой вибратор Пистолькорса. Петлевой вибратор

представляет собой два (или несколько) близко распо-

ложенных и параллельных друг другу цилиндрических

121

вибратора, концы которых соединены перемычками

(рис.

3-1,0) Диаметры вибраторов могут быть либо оди-

наковы, либо различны В последнем случае подбором

диаметров можно в некоторых пределах изменять вход-

ное сопротивление петлевою вибратора.

Рис 3 7 Зависимость входного сопротивления гонких бикониче

ских вибраторов от отношения /Д и величины угла ^

а — активное 6 — реактивное сопротивления

Обычно используют петлевые вибраторы, имеющие

длину 2/~0,5 к В этом случае ДН петлевого вибратора

практически совпадает с ДН обычного симметричного

полуволнового вибратора

Входное сопротивление петлевого вибратора может

быть определено с помощью выражения [Л 3, 10—12]

2 (1 -f-feyZiZji

+ (l+6)

(3-3G)

122

где Zi — входное сопротивление короткозамкнутой ли-

нии длиной /, образованной половиной петле-

вого вибратора;

— входное сопротивление цилиндрического виб-

ратора, радиус которого а

равен:

= In а

-\-

+ к-)'

(!i

lnn + 2(j.lnv); (3-37)

—

коэффициент, учитывающий геометрию вибратора и рав-

ный:

Arch

a_[_

,2_

•

~2vjl

(3-38)

В последних двух соотношениях через |»и v обозначены

отношения:

[А:

а,

v =

(3-39)

(3-40)

в которых а\ — радиус провода того плеча петлевого

вибратора, к которому подводится питание, аг — радиус

второго провода, d — расстояние между проводами

(рис.

3-1

,е).

Если а\ и й2 много меньше d, то величину b можно

определить по приближенной формуле:

= (3-41)

Эквивалентная схема петлевого вибратора, построен-

ная на базе соотношения (3-36), показана на рис. 3-12,г.

Таким О'бразом, величину (l+b)

можно трактовать как

коэффициент трансформации входного сопротивления

эквивалентного вибратора. Эту величину можно либо

рассчитать с помощью формул (3-38) или (3-41), либо

определить по графикам (рис. 3-8).

123

Для петлевых вибраторов, длина которых /~Я/4,

2j>

(\+b)

и поэтому

Z^=(l +

b)*Z

(3-42)

Входное сопротивление петлевого вибратора можно,

помимо изменения диаметров проводов, изменять путем

применения нескольких «петель». На рис. 3-1,д показан

Рис 3-8 Зависимость величины (\ +

t>)

от геомет-

рических размеров петлевого вибратора.

вариант двухпетлевого вибратора, входное сопротивле-

ние которого, если диаметры всех проводов и расстоя-

ния между ними одинаковы, равно:

(3-43)

где Z

— входное сопротивление вибратора, состоящего

из трех проводов.

Оно может быть определено как входное сопротив-

ление цилиндрического вибратора, эквивалентного ipex-

проводному, радиус которого равен'

а,

= ¥Тй,

(3-44)

где а — радиус проводов, образующих петлевой вибра-

тор;

d — расстояние между ними.

124

В некоторых случаях в петлевом вибраторе делают

дополнительные перемычки, что позволяет уменьшить

длину настроенного петлевого вибратора (рис 3-1,о).

Входное сопротивление такого вибратора определяют по

формуле (3-36), причем его можно путем соответствую-

щего подбора размеров вибратора и длины шлейфа сде-

лать чисто активным и равным волновому сопротивле-

нию фидера

Симметричный горизонтальный вибратор. Симметрич-

ный полуволновый вибратор, расположенный параллель-

но земле, называют горизонтальным вибратором.

ДН симметричного горизонтального вибратора может

быть построена с помощью следующих выражений

[ЛО.

2]:

р , ».

COS

(klcOS

if COS

8)—cos kl

(9, )— sin^ + cos^sin

X sin

+1 R

+ 2\R

\ cos (Ф

+ ZkH sin

8);

(3-45)

с i «ч COS {kl

COS

if cos 5)—cos kl

11^'

>~~~ sin

+ cos

<j>sin

X cos f sin

Kl-|-]/?„

+ 2\K

|со8(Ф„ + 2/tf/sin8),

(3-46)

где F —ДН для вертикальной, a F—для гори-

зонтальной составляющих поля вибратора;

—

длина плеча вибратора;

—

высота подвеса вибратора над землей;

<р —

угол между проекцией луча, проведенного

в точку наблюдения, на плоскость земли

и напривлением оси вибратора;

8 — угол между направлением луча и горизон-

тальной плоскостью (рис. 3-9,а);

и \R

—

модули коэффициентов отражения Френеля

для нормально и параллельно поляризован-

ных л>чей соответственно;

Ф. и Ф

—аргументы коэффициентов отражения Фре-

неля для нормально и параллельно поляри-

зованных лучей соответственно [см. (2-11)].

Выражения (3-45) и (3-46) показывают, что поле го-

ризонтального вибратора имеет как горизонтальную, так

и вертикальную составляющую поля в дальней зоне,

причем результирующий вектор напряженности поля

125

в общем случае имеет эллиптическую поляризацию. На-

пряженность поля в точке наблюдения можно опреде-

лить,

умножая (3-45) и (3-46) на множитель

R '

где /

— ток в пучности вибратора, a R — расстояние от

центра вибратора до точки наблюдения.

а) б)

Рис.

3-9. К расчету диаграммы направленности симмет-

ричных вибраторов, расположенных над землей.

—

горизонтальный вибратор; б

—

вертикальный вибратор.

Для расчетов часто вводят понятие эквивалентной

напряженности поля

= V4£J»+|/?„!•. (3-47)

ДН в вертикальной плоскости обычно рассматривают

в плоскости

я/2,

т. е. в плоскости, проходящей через

середину вибратора перпендикулярно его оси. При этом

получается, что

f\ -f

+ 2

со87Ф

+ 2kfT^hj'. (3-48)

Вертикальная составляющая поля в этой плоскости

отсутствует. В [ЛО. 2] приводится целая серия рассчи-

танных по формуле (3-48) ДН горизонтального вибрато-

ра при различной высоте его подвеса и различных пара-

метрах почвы.

На практике часто считают землю идеально проводя-

щей (|#jj = l, Ф =л). В этом случае ДН рассчитывается

по простой формуле:

= sin{kHsmt>). (3-49)

126

ДН в горизонтальной плоскости может быть построена

с помощью выражений (3-45) и (3-46), причем при малых

углах б ДН достаточно точно описывается формулой

„ COS (kl

COS

(f) —

COS

kl /О ПЛ\

pl =

itaji •

50)

В случае идеально проводящей земли формулы (3-45) и

(3-46) упрощаются, так как множитель в виде квадрат-

ного корня в обеих формулах становится равным

2s'm(kH sin б). Поле оказывается линейно поляризован-

ным, и формула (3-47) будет определять действитель-

ную суммарную напряженность поля. В [ЛО. 2] приво-

дятся ДН горизонтальною вибратора в горизонтальных

плоскостях при различных значениях б и /.

Максимальное значение КНД горизонтального виб-

ратора при идеально проводящей земле можно опреде-

лить по формуле

= ^(l-cos&/)

. (3-51)

При вычислении КУ антенны следует учесть потери

в земле и конструктивных элементах. Однако потерями

в последних при правильном их выполнении можно пре-

небречь. Потери в земле при #>0,25 К также невелики.

Сопротивление излучения симметричного горизон-

тального вибратора при высотах подвеса //^0,251 мо-

жет быть достаточно точно определено при предположе-

нии, что земля является идеально проводящей плоско-

стью.

Это позволяет легко использовать метод зеркаль-

ных изображений, так как влияние земли в этом случае

заменяется действием на горизонтальный вибратор точ-

но такого же вибратора, но возбужденного в противофа-

зе и расположенного на расстоянии 2# от реального ви-

братора. В этом случае сопротивление излучения равно:

где #ц — собственное сопротивление излучения вибра-

тора, рассчитываемое по формуле (3-8);

#12 —

взаимное сопротивление излучения двух па-

раллельных вибраторов с расстоянием между

ними, равным 2#. Метод определения взаим-

ного сопротивления приводится ниже.

При высоте подвеса //< 0,25

землю считать идеаль-

но проводящей уже нельзя, так как это ведет к боль-

шим погрешностям. В этом случае следует пользовать-

127

ся результатами работ [Л. 13 и 14]. Как первое уточне-

ние метода зеркальных изображений можно при расчете

взаимного сопротивления рекомендовать умножать его

величину на коэффициент Френеля для нормально па-

дающей на поверхность земли волны.

Входное сопротивление горизонтального вибратора

рассчитывается, как указывалось выше, по формулам

(3-14)

—

(3-16).

При желании получить более точное зна-

чение входного сопротивления следует учесть изменения,

вызванные взаимной связью вибратора и его изображе-

ния.

Горизонтальный вибратор обозначают ВГ JJ, а если

он диапазонный, то ВГД-^.где /—длина плеча, а Я

—

высота подвеса в метрах.

Симметричный вертикальный вибратор. Вертикаль-

ный симметричный вибратор, центр которого располо-

жен на высоте Я от земли, отличается тем, что его ДН

в горизонтальной плоскости ненаправленная. В верти-

кальной плоскости ДН можно рассчитать по формуле

[ЛО.

2]:

„ cos (kl sin 8)

—

cos kl

'в= ^-g X

Х^1 + 1^

+ 21^

|со8(Ф

-2Ш

т8), (3-52)

где /

—

как обычно, длина плеча вибратора;

|^п||

Ф||'—модуль и аргумент коэффициента Френеля

для параллельно поляризованного луча соот-

ветственно;

Я—

высота подвеса центра вибратора;

—

угол между направлением луча и горизон-

тальной плоскостью (рис. 3-9,6).

Так как ДН в горизонтальной плоскости ненаправ-

ленная, то КНД вертикального вибратора можно опре-

делить по формуле (2-108), пределы интегрирования

в которой теперь равны 0 и я/2:

D=^f

. (3-53)

С F

(9)sln8d8

где угол 6 равен ~ — 8.

128

Так как землю около вибратора обычно металлизи-

руют, т. е. располагают под вибратором металлическую

сетку диаметром не менее длины волны, то сопротивле-

ние,

излучения следует определять с учетом наведенного

сопротивления, вызванного зеркальным изображением

вибратора.

В случае земли с конечной проводимостью и при не

очень большой высоте подвеса расчет следует произво-

дить согласно [Л. 13, 14, ДО. 14].

Симметрирующие устройства'. Подводить высокоча-

стотную энергию к симметричному вибратору следует

с помощью симметричных линий передачи, так как при-

менение несимметричных линий приводит к несиммет-

ричному распределению тока по вибратору и антенному

эффекту линии передачи (фидера). Антенный эффект

фидера заключается в том, что фидер сам начинает из-

лучать: (принимать) радиоволны.

Таким образом, при антенном эффекте излучающей

системой является и вибратор и фидер. Параметры ее

будут, конечно, существенно отличаться от параметров

вибратора, причем, как правило, они значительно ухуд-

шаются.

В диапазоне коротких волн наиболее распространен-

ным типом фидера являются двух- или многопроводные

линии, которые являются симметричными линиями пере-

дачи. Однако они имеют волновое сопротивление поряд-

ка 300—600 ом и плохо согласуются с входным сопро-

тивлением полуволнового вибратора при питании его

в пучности тока.

В этом случае удобнее питать вибратор не в центре,

а в симметричных относительно центра точках, причем

вибратор должен представлять собой целый провод без

разрыва в центре. Такой метод питания вибратора назы-

вают шунтовым.

Двухпроводная линия на расстоянии приблизительно

0.15А, от вибратора линейно расширяется, образуя так на-

зываемый дельта-трансформатор. Конец каждого прово-

да линии присоединяется на расстоянии

от центра ви-

Приведенные ниже схемы симметрирующих устройств приме-

нимы, разумеется, не только для питания симметричных вибрато-

ров,

но и для питания других типов симметричных антенн и созда-

ния переходов от несимметричной линии передачи к симметричной

и наоборот.

9—2541 129

братора. Это расстояние для полуволнового вибратора

можно определить с помощью формулы

sm'kl

= -^. (3-54)

Рв

где R

= 73,l ом, р

—волновое сопротивление фидера

в точках присоединения его к вибратору (на конце дель-

та-трансформатора); р

—волновое сопротивление вибра-

тора. Окончательно все размеры устройства определяются

экспериментально. Иногда для лучшего согласования

в плечи дельта-транс форматора последовательно включает

подстраивающие емкости для компенсации имеющейся не-

большой индуктивности.

Для согласования вибратора с фидером используют

также экспоненциальные и ступенчатые линии, четверть-

волновые трансформаторы и т. п. [ЛО. 2].

Часто симметрия питания нарушается не применени-

ем несимметричного фидера, а несимметричными выхо-

дом передатчика или входом приемника, что объясняет-

ся их конструктивными особенностями. В этом случае

следует включать между симметричным фидером и пе-

редатчиком (приемником) симметрирующее устройство.

Наиболее просто для этой цели использовать трансфор-

матор с электростатическим экраном между первичной

и вторичной обмотками (рис. 3-10,а). Электростатиче-

ский экран представляет собой металлическую фольгу

или сетку, образующую незамкнутый заземленный ви-

ток, расположенный между обмотками. Коэффициент

трансформации выбирается из условия согласования фи-

дера и выхода передатчика (входа приемника):

=ж=/Ъ

где Л^ и N

—

число витков обмоток; Ri и R

— величи-

ны сопротивлений, подлежащих согласованию. Индук-

тивное сопротивление первичной обмотки должно быть

в 5—10 раз больше полного сопротивления, подключае-

мого к ней.

Применение тороидальных ферритовых сердечников

позволяет осуществить переход от несимметричной ли-

нии к симметричной без использования электростатиче-

Более общая формула приведена ниже (3-91).

130