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

Подождите немного. Документ загружается.

Напомним, что здесь б отсчитывается в вертикальной

плоскости от направления, перпендикулярного оси этой

вертикальной решетки. Нетрудно видеть, что активные

вибраторы расположены в одной плоскости и угол б

в (3-126) и (3-127) отсчитывается от перпендикуляра

к этой плоскости.

Рис.

3-31 Многоэтажная синфазная антенна.

В тех случаях, когда рефлекторы активные, берут

т—\,

90°

и d=X/4. В случае пассивных рефлекторов

токи в любом из вибраторов определяются из системы

уравнений вида (2-40). Однако можно заменить все ак-

тивные вибраторы некоторым одним эквивалентным им

вибратором, а вибраторы рефлектора — одним эквива-

лентным им рефлектором [ЛО. 2]. Связь между токами

в этих эквивалентных вибраторах можно найти из соот-

ношений:

me — ^те ,

(3-128)

здесь

/га-=

I х

аз "Г аз

IRi

+ (Х

+ Х

зп

)

9 = «-j- arctg

х.

R»

Хз + Х

чн

arctg =-25,

где R

и X

— суммы взаимных активных и реактивных

сопротивлений излучения, наведенных всеми вибратора-

171

ми рефлектора (зеркала) па вибраторы антенны

(ак-

тивные вибраторы);

и Х

— суммы взаимных активных и реактивных

сопротивлений излучения вибраторов рефлектора, опре-

деленные с учетом влияния всех вибраторов рефлектора

(активные вибраторы не принимаются во внимание);

Х.,

—

реактивное сопротивление элемента настройки

пассивного рефлектора, который обычно представляет

собой короткозамкнутый отрезок длинной линии.

Учет влияния земли производят в предположении,

что она обладает идеальной проводимостью. Поэтому

при определении R

, Х\

, #2л и

следует учитывать

зеркальные изображения вибраторов.

Влияние земли на ДН синфазной антенны сказы-

вается только в вертикальной плоскости и может быть

учтено при идеально проводящей земле добавочным

множителем в (3-127), равным:

sin(JW/

sin6), (3-129)

где б — угол между лучом и плоскостью земли;

гр

— средняя высота подвеса антенны, равная:

//«*

= //, + (/*'-1)|. (3-Ш)

В (3-130) #1 — высота подвеса нижнего этажа ан-

тенны, которая часто берется равной 0,5 Я.

При земле с конечной проводимостью добавочный

множитель равен

КН-1 R

+ 2 | R

cos (Ф

—

2Ш

ср

sin 8), (3-13)1

где обозначения такие же, как и в (3-124).

Сопротивление излучения многоэлементной синфаз-

ной антенны представляет собой сумму сопротивлений

излучения всех ее вибраторов. Полное сопротивление

антенны (активных вибраторов) равно:

=-l/?

+ ^(/?

cosy-^

sin?)]-f

+ i [X

+ m (X

cos

+ R

sin

?)],

(3-132)

Напомним, что взаимное сопротивление определяется при

условии равенства токов по амплитуде и фазе.

172

а полное сопротивление рефлектора

[(А'з +Х

зи

)

-^(^

C0S

f+R

sin?)]-

(3-133)

В формулах (3-132)

(3-133)

— сумма активных,

— реактивных сопротивлений активных вибрато-

ров,

определенных

для

каждого вибратора

учетом

влияния всех других активных вибраторов

и их

зер-

кальных изображений;

—

сумма активных,

а Х

—

реактивных сопротивлений вибраторов рефлектора,

определенных

для

каждого вибратора

учетом влия-

ния других вибраторов рефлектора

и их

зеркальных

изображений;

—

сумма активных сопротивлений,

наведенных

па

активные вибраторы вибраторами реф-

лектора

и их

зеркальными изображениями;

аз

—

сум-

ма реактивных сопротивлений, наведенных

на

актив-

ные вибраторы вибраторами рефлектора

и их

зеркаль-

ными изображениями;

и Х

за

—

соответственно сум-

мы активных

реактивных сопротивлений, наведенных

на вибраторы рефлектора активными вибраторами

их изображениями.

Так как

антенна (полотно активных

вибраторов)

рефлектор идентичны,

то R

= R

—

Ааз

Аза1

аз

за

Полуволновые вибраторы, входящие

антенну,

пи-

таются двухпроводной линией попарно, причем

при

подходе

следующей паре вибраторов линия перекре-

щивается,

что

обеспечивает синфазность питания

ви-

браторов.

Таким образом, двухпроводная линия фактически

возбуждает волновой вибратор

пучности напряжения.

Входное сопротивление такого вибратора можно рассчи-

тать

по

формуле

= **

1+j

4 (3-134)

Рв

где

—

сопротивление излучения, вибраторов, под-

ключенных

линии; р

— волновое сопротивление вибра-

тора.

Эти величины следует определять

учетом влияния

других вибраторов.

На

практике часто

это

влияние

на

не

учитывают,

так как оно

мало.

173

Входную проводимость секции антенны, т. е. одного

вертикального ряда волновых вибраторов, определяют

на зажимах нижнего вибратора. Tai< как расстояние

между вибраторами равно

0,&Х,

то

^вх.сек = ~г" V 2

вх

, (3-135)

Рв

)Ы1

где т — число волновых вибраторов в секции, равное

числу этажей антенны.

Сопротивление в точке соединения фидеров от раз-

личных секций определяется как сумада входных прово-

димостей секции, пересчитанных к этой точке.

Рабочий диапазон волн многоэлементной синфазной

антенны ограничивается нарушением равенства ампли-

туд и фаз токов в различных этажах антенны. Это

является следствием схемы питания вибраторов. Диапа-

зон двухэтажной антенны не превосходит величины

(0,9—

\,2)U,

а четырехэтажной

—

(0,95—

{Щ U, ^Ж

%о —

номинальная рабочая длина волны.

Многоэлементную синфазную антенну обозначают

СГ—,

где т — число этажей, п —число активных полу-

волновых вибраторов в этаже. Если антенна имеет реф-

лектор, то ее обозначают СГ — Р.

Для расширения диапазона антенны СГ схему ее

питания изменяют так, чтобы синфазность питания виб-

раторов сохранялась при изменении длины волны

(рис.

3-32). Это обеспечивается равными путями токов

от основного фидера (точек аа) до каждой секции.

Такие антенны называют антеннами кратных волн и обо-

значают СГД (см. рис. 3-40).

В этих антеннах часто используют апериодический

рефлектор, который представляет собой плоский метал-

лический экран в виде сетки, и антенну обозначают сле-

дующим образом: СГД—РА. Применяют в антеннах

СГД и обычный рефлектор, но при этом предусматри-

вается возможность его перестройки. Такая антенна

fit

обозначается СГД—РН.

Расчет антенны СГД—РА производится методом

174

зеркальных изображений. Таким образом, задача рас-

чета такой антенны сводится к расчету антенны, состоя-

щей из двух идентичных частей (полотен), одна из ко-

торых противо'фазна другой. Расстояние между ними

Рис.

3-32 Антенна кратных волн.

равно удвоенному расстоянию между реальными вибра-

торами и металлическим экраном. Формулы для ДН

антенны с апериодическим рефлектором следующие:

в горизонтальной плоскости

cos ( -7г- sin 8 1 sin ( п'^тг sin 9

sin [ n -p-

^(0)= \

fkdl

, { sin (Ы

cos

6);

(3-136)

2 sin

в вертикальной плоскости при идеально проводящей

земле

/ kdi Л

sin ( rti -р- sin о 1

^-(

)=—W N^X

51П I -n— SinS 1

X sin (kd

cos

sin (Ш

ср

sin

8),

(3-137)

а при конечной проводимости последний множитель надо

заменить на множитель (3-131). В этих формулах d

—

расстояние между вибраторами в этаже, d

— между

этажами, d

—

между вибраторами и экраном.

Для расширения рабочего диапазона в антеннах СГД

иногда применяют широкополосные вибраторы, напри-

мер вибраторы Надененко. В [ЛО. 2] приводится боль-

шая серия ДН антенн типа СГ.

Антенна типа «волновой канал» представляет собой

систему вибраторов, имеющих длину, близкую к поло-

175

вине длины волны, и расположенных перпендикулярно

прямой линии, вдоль которой происходит излучение.

Активным в антенне является только один вибратор,

в качестве которого часто используют шлейф-вибратор

Пистолькорса, а остальные вибраторы — пассивные

(рис.

3-33). Первый вибратор — пассивный — называется

рефлектооом, за ним располагается активный вибратор,

а затем вновь пассивные вибраторы

—

директоры. Антен-

на излучает в направлении директоров и имеет ДН,

Рис 3-33. Антенна типа «волновой канал».

/ — активный петлевой вибратор; 2 — рефлектор,

3 — директоры

близкую по форме к игольчатой. Число директоров

можно определить по заданному КНД антенны, исполь-

зуя приближенное соотношение:

D~5N, (3-138)

где N— число директоров, a D — КНД антенны.

Методы расчета антенн типа «волновой канал»

[Л.

25—29] позволяют получить лишь ориентировочные

результаты, которые затем уточняются эксперимен-

тально.

Вначале расчет обычно проводят для антенны без

рефлектора. Расстояние между активным вибратором и

первым директором выбирают порядка (0,1—0,2)

Та-

кое же расстояние берут и между директорами. Зная

расстояние между вибраторами и считая их полуволно-

выми, находят с помощью таблиц или графиков наведен-

ные сопротивления для каждого вибратора. Собствен-

ное активное сопротивление вибраторов берут равным

176

73 ом, а собственное реактивное сопротивление выби-

рают в пределах Х

= —

(20—120) ом равным для всех

вибраторов, в том числе и для активного.

После определения собственных и наведенных со-

противлений вибраторов находят токи в них, решая для

этого систему уравнений (2-140), причем все напряже-

ния берут равными нулю, кроме напряжения на клем-

мах активного вибратора, которое удобно взять равным

единице.

По известным токам в вибраторах можно рассчитать

ДН антенны:

cos ( -тг-sin <t)

, Ь)= \

% Л.*'*»-"-—. (3-139)

n=0

где

6 —

угол между радиусом-вектором точки наблюдения

и осью антенны;

<р—угол между радиусом-вектором точки наблюдения

и плоскостью, перпендикулярной к осям вибрато-

ров;

—

сдвиг фаз токов в директорах относительно тока

в активном вибраторе;

/„

—

относительные амплитуды токов в директорах;

—

расстояние между активным вибратором и п-и ди-

ректором.

В плоскости вибраторов

а в плоскости, перпенди-

кулярной ей

ср

= 0.

Расчет повторяют для нескольких значений Х

и вы-

бирают такое, при котором получается максимум отноше-

ния величины главного максимума ДН к величине заднего

£(0)

лепестка щ^.

После этого к антенне добавляют рефлектор и произ-

водят расчет антенны с рефлектором. Расстояние между

рефлектором и активным вибратором выбирают порядка

(0,15—0,2)^. Собственное активное сопротивление реф-

лектора берут равным 73 ом, а собственное реактивное

А'

= + (20—100) ом. Вновь решают систему (2-140) для

нахождения токов во всех вибраторах. Расчет повторяют

для нескольких значений X

и определяют его оптималь-

ное значение по максимуму указанного выше соотноше-

12-2541 177

ния. ДН антенны с рефлектором рассчитывается по

формуле

(?,*) =

cos -д- sin

, „ .,

/ г (

(Ф,,-*<*и

соь

"' _|_

COS

<р

/»«

(Ф„—*<*„

C0S8

ra=0

(3-140)

где

д/

/ —

где

*ф

—

сдвиг фазы тока рефлектора относительно тока

активного вибратора;

—

относительная амплитуда тока рефлектора.

Оптимальные расстояния между активным вибрато-

ром и рефлектором и между директорами находят пу-

тем расчетов антенн с различными расстояниями между

вибраторами.

Выбрав оптимальный вариант антенны, длину вибра-

торов определяют из соотношения

* = 42 + £.60«1п(

-^). (3-141)

радиус поперечного сечения вибратора;

•длина вибратора;

-укорочение (удлинение) вибратора;

—

собственное реактивное сопротивление виб-

ратора.

Входное сопротивление антенны, отнесенное к току

в пучности, т. е. сопротивление на клеммах активного

полуволнового вибратора, определяется следующим

выражением (при U

=\):

~р

=!У?вх-}~

iXnx- (3-142)

Длина активного вибратора выбирается из условия

полной компенсации реактивной составляющей входного

сопротивления, что упрощает согласование антенны

с фидером. Его длина находится из соотношения

^6(Ып^)=Л'

-Л'

вх

-42, (3-143)

где Х

—

сопротивление, наведенное на активный вибра-

тор остальными вибраторами антенны.

178

Литература к гл. 3

i Л ео нто в и ч М , «К теории возбуждения колебаний в ви-

браторных антеннах», ЖТФ, 1944, т. 14, вып. 9.

Аарони, Антенны, изд-во «Советское радио», 1951.

Кузнецов В. Д, Шунтовые вибраторы, «Радиотехника»,

1955,

№ 10.

Татаринов В. В., Коротковолновые направленные антен-

ны,

Связьиздат, 1936.

Р а р a s С. Н. and King R., Radiation from Wide-angle

Conical Antennas Fed by a Coaxial Line, Proc. IRE, November 1949,

vol.

39, p 1269.

6. Brown G. H and Woodward О. M., Experimentally De-

termined Radiation Characteristics of Conical and Triangular Anten-

nas,

RCA Rev., December 1952, vol. 13, № 4, p. 425.

Schelkunoff S. A., Theory of Antennas of Arbitrary Size

and Shape, Proc. IRE, September

11941,

vol. 29, p. 493.

8. Papas С. H. and King R., Input Impedance of Wide-angle

Conical Antennas Fed by a Coaxial Line, Proc. LRE, November 1949,

vol.

37, p. 1269.

9. T a i С. Т., Application of a Variational Principle to Biconical

Antennas, J. Appl. Phys, November -1949, vol. 20, p. 1076.

10.

U d a S., Mushiake Y., Yagi-Uda Antennas, Maruzen Co. Ltd.,

Tokio, 1954.

11.

Mushiake Y., An Exact Step-up Impedanc Ration Chart

of a Folded Antenna, IRE Trans, October 1954, vol. AP-3, № 4,

163.

12 Guertler R, Impedance Transformation in Folded Dipo-

les,

J Brit. IRE, September 1049, vol. 9, p. 344.

13 Брауде Б. В, Метод расчета полного активного сопро-

тивления антенны с учетом конечной проводимости земли, «Радио-

техника», 1946, № 5

14.

я з е в А. С , Инженерный расчет сопротивлений линей-

ных проводов с учетом влияния реальной земли, «Радиотехника»,

1960,

№ 9.

15.

Белоцерковский Г. Б, Антенны, оборонгиз, 1956.

16 Надененко С. И, Выбор размеров системы заземления,

«Радиотехника», 1960, № 2.

17.

Браун, Льюис, Эпштейн, Системы заземлений как

фактор, определяющий эффективность антенны, Сборник статей «Ан-

тенные устройства», Связьиздат, 1936.

18.

М о р р и с о н, С м и т т, Антенны с параллельным питанием,

Сборник статей «Антенные устройства», Связьиздат, 1939.

19.

Айзенберг Г. 3, Антенна — мачга с регулируемым рас-

пределением тока, «Электросвязь», 1940, № 9.

20.

А й з е н б е р г Г. 3., Развитие техники коротковолновых

ангенн в СССР, «Радиотехника», 1947, № 8.

21.

Айзенберг Г. 3, Антенна с расширенным диапазоном

волн, «Радиотехника», 1946, № 1.

22.

S t о г е г J Е , The Impedance of an Antenna over a large

Circular Screen, J. Appl. Phys, August 1951, vol. 12, p. 1058.

23.

Б e л к

н а М. Г., Дифракция электромагнитных волн на

диске, Сборник «Дифракция электромагнитных волн на некоторых

телах вращения», изд-во «Советское радио», 1957.

24.

К a n d о i a n A. G., Three New Antenna Types and Their

Applications, Proc. IRE, February 11946, vol. 34, p. 70W.

12*

179

25 Ардабьевский А И , Воропаева В Г, Грине-

ва К И , Пособие по расчету антенн сверхвысоких частот, Оборон-

гиз,

1957

26 Модель А М, Анализ антенн типа волновой канал, «Ра

диотехника», 1954, т 9

27 ВысоковскийД М, Экспериментальное исследование и

и расчет антенн «волновой канал», ДАН СССР, 1953, т 89, № 1

28 ВысоковскийД М, Амплитудно фазовые соотношения

токов в вибраторной антенне «волновой канал», ДАН СССР, 1954,

т 96, № 5

29 В ы с о к о в с к и й Д \1, Резонанс в системе связанных ви-

браторов и настройка антенны волновой капал, ДАН СССР, 1954,

г 97, № 4

30 Мей к к е X, Гундлах Ф, Радиотехнический справочник,

Госэнергоиздат, I960