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

Подождите немного. Документ загружается.

ского экрана

(рис.

3-10,6),

при

этом обеспечивается

до-

статочно высокая степень симметрии.

Так

как к. п. д.

трансформаторных симметрирующих

устройств

не

очень велик,

то в

передающих устройствах

(JLC-I

е)

Рис.

3-10. Симметрирующие устройства для

коротких волн.

—

симметрирующий трансформатор

электро-

статическим экраном;

—

трансформатор

с фер-

ритовым сердечником;

виг

—

симметрирующие

четырехполюсники

из

одного T-звена;

дне

—

симметрирующие четырехполюсники

из

двух

Т-звеньев.

часто используют симметрирующие четырехполюсники

(рис.

3-10,0

—

е).

Условия,

при

которых

эти

четырехпо-

люсники являются симметрирующими устройствами,

указаны

на

рисунке. Входное сопротивление

на

клеммах

генератора

для

схем

3-10,в

и г

равно:

2вх

—-,

гт*

(3-56)

•Ы)

131

где

—

сопротивление со стороны генератора;

—

полное сопротивление на входе симметрирую-

щего устройства;

Х=\/соС

—

для рис 3-10,s;

coL —

для рис. 3-10,г.

Для симметрирующих устройств 3-10,д и е сопротив

ленне на клеммах генератора равно:

ZBX=^"

Трансформация сопротивления в 4 раза часто оказы-

вается очень удобной с конструктивной точки зрения.

Для симметрирования возможно также использовать

различного вида мостовые схемы, в одну диагональ ко-

торых включается несимметричная, а в другую симмет-

ричная линии.

В диапазоне метровых и дециметровых волн наибо-

лее распространенной линией передачи является коак-

сиальный кабель. Так как коаксиальный кабель являет-

ся несимметричной линией передачи, то при использова-

нии его для питания вибратора необходимо симметри-

рующее устройство. Одним из широко применяемых

в этом случае симметрирующих устройств является так

называемое U-образное колено (рис 3-1 \,а). Помимо

симметрирования, U-колено осуществляет трансформа-

цию сопротивлений Если отрезок

равен:

^п^\

/г

= 0, 1, 2, 3...

то

= %- (3-58)

При

=(2/г+1)А

U-колено трансформир)ет сопротивления в соответствии

с формулой

z**=4->

59j

где р

—

волновое сопротивление кабеля, из которого из-

готовлено U-колено. Большим число п выбирать не сле-

дует, так как при этом уменьшается диапазонность.

132

Выбирая надлежащее значение р

, можно осущест-

вить согласование нагрузки с фидером. Следует отме-

тить,

что если нагрузка имеет реактивную составляю-

Рис.

3-11. Симметрирующие устройства

для ультракоротких волн.

а—U-колено; б—четвертьволновой «стакан»;

в — широкодиапазонное симметрирующее

устройство; г

—

укороченное широкодиапа-

зонное симметрирующее устройство; д

—

вертикальный вибратор с четвертьволно-

вым «стаканом»; е

—

укороченное широко-

диапазонное симметрирующее устройство

щую,

то она может быть скомпенсирована с помощью

короткозамкнутой линии длиной /

, образованной на-

ружными оболочками кабеля U-колена и мостиком

(рис.

3-11,а). При чисто активной нагрузке короткоза-

мыкающий мостик устанавливается у верхних концов

кабеля, образующего U-колено. На практике использу-

133

ют большое количество симметрирующих устройств, яв-

ляющихся разновидностями U-колена. Идея таких

устройств заключается в том, что линия перед симмет-

ричной нагрузкой разветвляется на две линии, длина

которых от места разветвления до нагрузки отличается

на половину длины волны. Недостатком U-колена и ана-

логичных ему устройств является узкополосность.

Другим весьма простым симметрирующим устройст-

вом, применяемым при питании вибратора коаксиаль-

ным «абелем, является четвертьволновый «стакан»

(рис.

3-11,6 и д), который представляет собой четверть-

волновый короткозамкнутый коаксиальный шлейф, об-

разованный внешней оболочкой кабеля и специально на-

детым на него отрезком цилиндра. В системе, показан-

ной на рис. 3-1 \,д, внешняя поверхность цилиндра яв-

ляется, кроме того, плечом полуволнового вертикально-

го вибратора. При конструировании «стакана» следует

обеспечивать максимальную величину его входного со-

противления, равную при /=А,/4:

2o=ff. (3-60)

где р

— волновое сопротивление кабеля, образующего

«стакан»;

р — коэффициент затухания этого кабеля.

Уменьшение затухания достигается применением для

изготовления «стакана» металлов с малыми потерями и

оптимальным выбором диаметров проводников кабеля,

образующего «стакан». С точки зрения увеличения р

выгодно заполнять «стакан» магнитодиэлектриком с вы-

соким значением магнитной проницаемости. При этом

уменьшаются и геометрические размеры «стакана» из-

за уменьшения длины волны в нем.

Четвертьволновый стакан является узкополосным

устройством. При изменении длины волны его входное

сопротивление между точками / и 2 (рис. 3-11,6) также

изменяется, в то время как между точками 2—3 оно

практически остается неизменным. Это приводит к на-

рушению симметрии. Избежать этого можно присоеди-

нением к точкам 2—3 такого же четвертьволнового ста-

кана (рис. 3-11,в). Такое устройство обеспечивает сим-

метричность питания вибратора при изменении длины

волны, однако его входное сопротивление при этом из-

меняется. Расширить диапазон работы такого устройст-

134

ва с точки зрения сохранения согласования возможно,

если выбрать волновое сопротивление «стаканов» рав-

ным:

Рс

= §, (3-61)

где р

—

волновое сопротивление „стакана";

рф —

волновое сопротивление фидера.

Уменьшение длины этого устройства возможно пу-

тем создания сосредоточенной емкости на концах цен-

тральных проводников «стаканов» (рис. 3-11,г). В этом

случае длина их должна быть меньше Х/4. Входное со-

противление этих линий индуктивное, величина индук-

тивности должна быть такой, чтобы образованный ли-

нией и сосредоточенной емкостью контур был бы на-

строен в резонанс. Другой путь уменьшения длины сим-

метрирующего устройства заключается в параллельном

размещении «стаканов» (рис. 3-11,е).

На практике часто используют симметрирующий

шлейф в виде отрезка двухпроводной линии, конструк-

ция которого показана на рис. 3-12,а. Шлейф обеспечи-

вает симметрию в широком диапазоне волн, однако его

входное сопротивление при этом изменяется. Обычно

выбирают длину шлейфа равной Я/4, когда его входное

сопротивление равно бесконечности и он не влияет на

величину входного сопротивления нагрузки. Расширить

рабочий диапазон по согласованию можно, выбирая

волновое сопротивление двухпроводной линии, образую-

щей шлейф, равным:

Симметрирующий шлейф имеет большое количество раз-

новидностей. Так, например, вместо двухпроводной ли-

нии шлейф часто выполняется в виде кольца, провода

шлейфа можно свернуть в спирали (в последнем слу-

чае необходимо обеспечить равенство индуктивностеи

обеих спиралей). В диапазоне ультракоротких волн

шлейф часто экранируют (рис. 3-12,6). Симметрирую-

щий шлейф может служить одновременно и как транс-

формирующее устройство. С этой целью нагрузку под-

ключают в сечение бб (рис. 3-12,е), причем длина ли-

нии, образованной участком шлейфа от сечения бб до

его зажимов аа, выбирается из условия получения на

зажимах шлейфа сопротивления нужной величины. Если

135

нагрузка чисто активная, то Сопротивление на зажимах

шлейфа будет комплексным. Реактивную часть этого со-

противления следует компенсировать, например, исполь-

зуя для этого часть шлейфа от сечения ев, где распола-

гается короткозамыкаю-

а)

в)

*=±

Рис.

3-12.

Симметрирующие

шлейфы.

—

обычный вариант симметрирующе-

го шлейфа; 6

—

экранированный ва-

риант симметрирующего шлейфа; а

—

симметрирующий шлейф с трансформа-

цией входного сопротивления- г

—

сим-

метрирующий шлейф с автотрансфор-

маторным включением фидера; д и е

—

широкодиапазонные симметрирующие

шлейфы.

136

щии мостик, до его за-

жимов аа. Возможно

также для компенсации

реактивной составляющей

или для настройки шлей-

фа в резонанс, например,

если шлейф короткий,

подключать к зажимам

переменный конденсатор.

Для согласования воз-

можно также использова-

ние автотрансформатор-

ного подключения коак-

сиального кабеля к шлей-

фу (рис. 3-12,г).

Существует ряд схем,

в которых активность

шлейфа, появляющаяся в

результате изменения

длины волны, компенси-

руется реактивностью эле-

мента (компенсатора),

специально подключенно-

го к шлейфу. На рис.

3-12,(9

таким компенсато-

ром является разомкну-

тый отрезок коаксиально-

го кабеля длиной Хо/4, а

на рис.

3-12,£

компенсато-

ром служит короткозамк-

нутый отрезок коаксиаль-

ного кабеля длиной Ло/2,

отключенный от шлейфа.

Волновое сопротивление

кабеля компенсатора в

обоих случаях выбирает-

ся из условия

Рк=-

(3-63)

Такую же компенсацию, например, возможно осущест-

вить и в устройстве, показанном на рис. 3-11,е. Для этого

центральный стержень правой половины устройства так-

же делают в виде коаксиального кабеля. Внутренним

проводом этого кабеля является продолжение внутрен-

него провода левого коаксиального кабеля, причем про-

вод несколько не доходит до дна «стакана». Таким обра-

зом, получается устройство, эквивалентное шлейфу с ком-

пенсатором, показанному на рис. 3-12,5. Существует

много других схем компенсаторов, однако принцип по-

строения всех их заключается в подключении к симмет-

рирующему устройству элемента, реактивное сопротив-

ление которого при изменении длины волны оказывается

противоположным по знаку и равным по величине реак-

тивному сопротивлению симметрирующего устройства

в заданном диапазоне.

Необходимо отметить, что в последнее время наме-

чается все более широкое применение ферритов в сим-

метрирующих устройствах. Так, например, заполнение

ферритом коаксиальных резонаторов, применяемых в

симметрирующих устройствах, позволяет увеличить их

диапазонность и уменьшить габариты.

Существует еще один тип симметрирующего устрой-

ства, который нашел достаточно широкое применение па

практике

—

щелевые симметрирующие устройства (на

рис.

3-13,а—в). На рис. 3-13,а, б показаны симметрирую-

щие устройства с использованием четвертьволновых

щелей. Отличие этих двух устройств заключается в том,

что второе (рис. 3-13,6) представляет собой экраниро-

ванный вариант первого устройства. Центральный про-

водник коаксиального кабеля присоединяется к разре-

занному на длину Х/4 внешнему проводнику в точке при-

соединения к нему плеча вибратора (точка а на

рис.

3-13,а). Такое соединение противофазно возбуждает

щель во внешнем проводнике и обеспечивает тем самым

нормальное питание вибратора. В то же время входное

сопротивление разрезанного участка внешнего провод-

ника, являющееся по существу четвертьволновой корот-

козамкнутой двухпроводной линией, велико, что и обе-

спечивает симметричное возбуждение вибратора. Для

согласования необходимо при использовани щелевого

симметрирующего устройства удовлетворить равенство:

= Я

РФ, (3-64)

137

где Рф

—

волновое сопротивление

кабеля;

Рс —

волновое сопротивление полукоаксиальных линий,

образованных центральным проводником кабеля

и половинами внешнего проводника, которое опре-

деляется

по

формуле

Pc=2761g-^- (3-65)

На

рис

3-13,6

показано симметрирующее устройство

с использованием полуволновой щели. Перемычка, замы-

^П^

6) 8)

а)

Рис 3-13. Щелевые симметрирующие устройства

—

симметрирующее устройство

применением четвертьволно-

вой щели; б

—

экранированный вариант симметрирующего

устройства

четвертьволновой щелью;

—

симметрирующее

устройство

полуволновой щелью.

кающая внутренний

внешний проводники коаксиаль-

ного кабеля, располагается

таком месте,

где

обеспечи-

вается хорошее согласование. Часто перемычка является

продолжением плеча вибратора. Полуволновая симмет-

рирующая щель более диапазонпа,

чем

четвертьволно-

вая,

конструктивно очень удобна

для

возбуждения

вибраторных облучателей зеркальных антенн.

Различные схемы симметрирующих устройств приве-

дены

в [Л. 30], где

также имеется довольно большой

список литературы

по

этому вопросу.

3-2. НЕСИММЕТРИЧНЫЕ ВИБРАТОРЫ

Если вибратор расположен

на

расстоянии

идеально проводящей плоскости,

то в

соответствии

с принципом зеркальных изображений

ои

эквивалентен

двум вибраторам, расположенным

на

расстоянии

2Н,

138

причем вторым вибратором является зеркальное изобра-

жение первого. Если вибратор параллелен плоскости,

над которой он расположен, то его изображение противо-

фазно, если же перпендикулярен

—

синфазно. Указанное

обстоятельство позволяет использовать только одно пле-

чо симметричного вибратора, устанавливая его непосред-

ственно у идеально проводящей плоскости перпендику-

лярно к ней. Выполненная таким образом вибраторная

антенна называется несимметричным вибратором, при-

чем ее параметры можно легко определить. Однако в том

случае, когда плоскость, над которой расположен вибра-

тор,

имеет конечную проводимость, расчет параметров

антенны весьма сложен.

Несимметричные вибраторы широко применяются

в диапазоне длинных и средних воли, причем их разме-

ры часто оказываются много меньше длины волны, в то

время как геометрические размеры могут быть весьма

значительными. В этих диапазонах волн землю с весьма

хорошим приближением можно считать идеально прово-

дящей. Несимметричные антенны иногда применяются и

на более коротких волнах, вплоть до нижней границы

метрового и даже дециметрового диапазонов, когда

желательно иметь антенну возможно меньших размеров.

Это обычно имеет место при установке антенны на дви-

жущихся объектах (самолет, корабль, автомобиль

и т. п.).

Для улучшения к. п. д. несимметричных вибраторов

и уменьшения влияния свойств земли на его параметры

под антенной устраивают заземление или противовес.

Заземление представляет собой систему проводников,

которые зарывают на некоторую, обычно не очень боль-

шую,

глубину в землю. Противовес же является систе-

мой проводников, расположенных на некоторой высоте

над землей. Размеры площади, охватываемой заземле-

нием (противовесом), должны быть достаточно больши-

ми (больше длины волны), а расстояние между провод-

никами следует брать небольшим (меньше четверти

длины волны). На коротких волнах удовлетворительное

качество заземления можно получить, используя 80—120

радиальных проводов длиной в 1,5—2 раза больше дли-

ны вибратора. В тех случаях, когда вибратор нагружен

емкостью в виде системы горизонтальных проводов, га-

бариты заземления (противовеса) должны быть больше

проекции системы горизонтальных проводов на поверх-

ность земли не менее чем на высоту антенны.

139

При устройстве противовеса следует помнить, что

увеличение высоты подвеса приводит к повышению

к. п. д. антенны, но при этом уменьшается ее действую-

Нлая высота. Для передвижных станций высота подвеса

обычно равна 1—2 м, в то время как в стационарных

установках она может достигать 4 м и даже более. Час-

то в качестве противовеса используется металлический

корпус объекта, на котором установлена антенна.

При наличии заземления или противовеса некоторые

параметры вибратора, например входное сопротивление,

с большой точностью могут быть рассчитаны в предпо-

ложении, что поверхность земли является идеально про-

водящей.

При устройстве заземления или противовеса следует

всегда помнить, что от их качества в сильной степени

зависит к. п. д. антенны. Поэтому к проектированию

этих устройств следует относиться, особенно при больших

мощностях излучения, весьма серьезно [Л. 16, 17].

Как уже указывалось, при идеально проводящей плос-

кой поверхности для расчета несимметричных вибрато-

ров можно воспользоваться методом зеркальных изобра-

жений. При этом нетрудно заметить, что если токи

у симметричного и несимметричного вибраторов по вели-

чине одинаковы, то напряжение на клеммах несиммет-

ричного вибратора будет в 2 раза меньше, чем у сим-

метричного. В соответствии с этим все сопротивления

несимметричного вибратора, включая и его волновое

сопротивление, будут в 2 раза меньше, чем у симметрич-

ного.

Таким образом, приведенными выше формулами

для расчета сопротивлений симметричных вибраторов

можно пользоваться и для несимметричных, уменьшая,

однако, их значение в 2 раза.

Формулами для ДН симметричных вибраторов мож-

но пользоваться и для построения ДН несимметричных

вибраторов, если можно считать землю идеально прово-

дящей, причем следует принимать во внимание только

часть ДН, соответствующую верхнему полупространству,

т. е. там, где расположен реальный вибратор.

Несимметричные цилиндрические вибраторы. Если

возможно считать землю идеально проводящей, то ДН

в вертикальной плоскости несимметричного вибратора

рассчитывается по формуле для симметричного с учетом

сказанного выше. В горизонтальной плоскости ДН не-

симметричного вибратора не обладает направленными

свойствами.

140