Директорные и логопериодические вибраторные антенны

 

3.1. Директорные вибраторные антенны

Директорные антенны (антенны типа «волновой канал») широко используются на метровых и дециметровых волнах в качестве направленных антенн осевого излучения. Антенна состоит из одного активного и нескольких пассивных вибраторов. Пассивным называется вибратор, к которому вместо генератора к входным точкам подсоединяется сопротивление для настройки. Ток в пассивном вибраторе наводится за счет поля, излучаемого активным вибратором. В частном случае величина может равняться нулю.

Рассмотрим сначала свойства более простых излучающих систем, состоящих из одного активного и одного пассивного вибратора, сопротивление настройки которого имеет чисто реактивный характер: (рис. 10).

Рисунок 10. Пояснения к рассмотрению свойств простых излучающих систем

 

Используем для анализа этой системы уравнения Кирхгофа.

, .

Первое уравнение для данной ситуации остается неизменным; во втором уравнении следует учесть отсутствие генератора в пассивном вибраторе и сопротивление настройки в результате

(2)

где - собственное сопротивление пассивного вибратора, зависящее от его диаметра и длины; - взаимное сопротивление, зависящее от геометрии всей системы.

Представим отношение токов в виде Тогда

Интерес представляют случаи, когда при т.е. пассивный вибратор по отношению к активному вибратору выполнял функцию рефлектора или директора. Строго добиться этих условий одновременно для q и Ψв случае пассивного вибратора невозможно. Однако, при длине плеча активного вибратора и пассивный вибратор можно настроить в режим, близкий к ре­жиму рефлектора, если . Режим, близкий к режиму директора, достигается при выполнении условия Величину можно регулировать как с помощью сопротивления настройки, так и за счет изменения длины пассивного вибратора, т.е. регулируя величину при этом сопротивление полагают равным нулю, т.е. замыкают накоротко входные точки пассивного вибратора. В диапазонах метровых и дециметровых волн обычно применяют второй способ. Чтобы пассивный вибратор работал в качестве рефлектора, его полная длина должна быть несколько больше 0,5λ. Для работы в качестве директора длина пассивного вибратора должна быть несколько меньше 0,5λ.

Увеличить направленность излучения можно одновременным использованием нескольких пассивных вибраторов. Обычно функцию рефлектора выполняет только один пассивный вибратор (рис. 11), так как при установке дополнительных пассивных вибраторов они будут возбуждаться очень слабо. Иногда для уменьшения уровня излучения в заднем полупространстве используются дополнительные рефлекторы, расположенные над основным рефлектором и под ним. Число директоров может быть достаточно большим, поскольку каждый предыдущий директор направляет энергию в сторону последующего (отсюда название «волновой канал»), тем самым создавая благоприятные условия для возбуждения директоров.

Рисунок 11. Антенна волновой канал

 

При надлежащей настройке антенны ток, наведенный в рефлекторе, должен опережать по фазе ток в активном вибраторе. Токи в директорах должны отставать по фазе, причем тем сильнее, чем дальше отстоит директор от активного элемента. При этом максимум излучения направлен вдоль оси антенны (в сторону директоров).

При заданной геометрии антенны, т.е. при известных длинах вибраторов и расстояниях между ними, амплитуды и фазы токов во всех вибраторах, необходимые для расчета ДН, можно найти, решая систему из N уравнений Кирхгофа, где N - полное число вибраторов, включающее один активный вибратор, рефлектор и директоры. Поскольку амплитудное распределение в директорной антенне отличается от равномерного, расчет ДН после нахождения токов следует вести по общей формуле. При этом форму ДН одного элемента можно приближенно рассчитывать по длине, соответствующей активному вибратору.

Гораздо более сложной задачей является задача синтеза директорной антенны, т.е. нахождение числа вибраторов и их расположения для реализации заданных электрических характеристик антенны, например, КНД. Общего метода решения задачи синтеза подобных антенн пока не существует. Обычно используют численные методы оптимизации, реализуемые на ЭВМ.

В настоящее время разработано большое число различных конструкций директорных антенн УКВ диапазона. Расстояние между активным вибратором и рефлектором берется равным Первый директор отстоит от активного вибратора на Такое же расстояние выбирается между директорами. Иногда для расширения диапазона рабочих частот первый директор устанавливают на малом расстоянии от активного вибратора. Длина активного вибратора выбирается из условия компенсации реактивной составляющей входного сопротивления (с учетом наведенных сопротивлений). Длины рефлектора и директоров отличаются от длины активного вибратора примерно на 5... 10% в сторону удлинения и укорочения соответственно. С целью уменьшения боковых лепестков длины директоров уменьшают по мере их удаления от активного вибратора. Директорную антенну можно выполнить и в печатном варианте.

В качестве активного вибратора обычно применяется петлевой вибратор. Это объясняется тем, что за счет влияния пассивных вибраторов входное сопротивление активного вибратора в директорной антенне уменьшается. При использовании обычного полуволнового активного вибратора его входное сопротивление в составе антенны уменьшается до 20...30 Ом, что затрудняет согласования антенны с питающей линией. Собственное входное сопротивление петлевого вибратора (около 300 Ом) в 4 раза больше, чем у обычного симметричного вибратора, поэтому даже под влиянием соседних пассивных вибраторов оно остается достаточным для согласования. Кроме того, этот вибратор можно крепить в точке нулевого потенциала непосредственно к металлическому стержню (см. Рис. 11). Пассивные вибраторы также крепятся (обычно привариваются) в средней точке к этому стержню, что очень удобно в конструктивном отношении. Питание антенны обычно осуществляется по коаксиальному кабелю с использованием симметрирующих устройств.

Недостатком антенны является ограниченность ее рабочего диапазона. При изменении длины волны расширяется главный лепесток, возрастает уровень боковых лепестков, увеличивается излучение в обратном направлении, нарушается согласование антенны с питающим фидером. Антенна может использоваться в полосе частот примерно 5...15 % от основной частоты. Директорные антенны широко применяются в качестве приемных телевизионных антенн и в радиолокации. От одиночной директорной антенны обычно не удается получить ДН шириной менее 15...20°. Для повышения направленности излучения антенны объединяют в синфазные решетки (рис. 12, а).

А) б)

Рисунок 12. Синфазная решетка (а) и директорная антенна с отражателем (б)

 

Другим способом повышения КНД таких антенн со сравнительно небольшим числом вибраторов является построение на их основе антенн обратного излучения. Для этого антенна снабжается плоским отражателем, который располагается вблизи последнего директора (рис. 12, б). Максимальное излучение антенны получается в направлении, обратном направлению максимума ДН директорной антенны. По принципу действия антенны обратного излучения несколько напоминают параболические, однако отличаются от них значительно более простой формой отражателя. При больших размерах плоского экрана параметры антенны ухудшаются, что объясняется появлением на краях отражателя противофазно возбуждаемых областей из-за большой разности хода от активного вибратора до центральной и крайних точек отражателя. В связи с этим краям отражателя придается ступенчатая форма (см. рис. 12, б, штриховая линия). Антенны обратного излучения могут быть построены на основе других антенн осевого излучения, например, стержневых диэлектрических антенн или спиральных излучателей.

Следует иметь в виду, что основное преимущество антенн обратного излучения - уменьшение продольных размеров - достигается за счет существенного возрастания поперечных размеров.

 

3.2. Логопериодические вибраторные антенны

Логопериодические антенны (ЛПА) относятся к классу сверхширокополосных антенн, сохраняющих при изменении частоты как форму ДН, так и величину входного сопротивления. Существует большое число различных модификаций ЛПА. Рассмотрим вариант вибраторной ЛПА, приведенной на рис. 14. Антенна состоит из линейных вибраторов, присоединенных к двухпроводной линии. Возбуждение осуществляется с помощью коаксиальной линии, которая проложена внутри одного из проводов двухпроводной линии, имеющей форму трубки. Подобный переход от коаксиальной к двухпроводной линии не требует симметрирующего устройства. Длины вибраторов удовлетворяют соотношению где - период структуры, независимо от номера n (n=1,2,...). Линии, соединяющие концы вибраторов, образуют угол

Рисунок 14. Логопериодическая антенна

 

По принципу действия подобная ЛПА напоминает директорную антенну. На частоте fo резонирует, т.е. возбуждается наиболее интенсивно тот вибратор, длина плеча которого близка к четверти длины волны (), поскольку входное сопротивление этого вибратора можно считать активным. Другие вибраторы возбуждаются значительно слабее, так как входное сопротивление их велико из-за большой реактивной составляющей. Активная область антенны, формирующая излученное поле, включает обычно три - пять вибраторов, в том числе резонансный и прилегающие к нему с двух сторон. Фазовые соотношения токов в вибраторах активной области определяются длиной вибраторов, взаимным влиянием и поочередным подключением их к разным проводникам питающей линии. При этом оказывается, что токи в более коротких вибраторах отстают, а в более длинных - опережают по фазе ток в резонансном вибраторе. Соответственно более короткие вибраторы работают в режиме директоров, а более длинные выполняют функцию рефлектора. Максимум излучения направлен в сторону вершины антенны.

Если частота генератора уменьшится и станет равной то начнет резонировать следующий, более длинный вибратор, соответственно активная область переместится в сторону более длинных вибраторов. Напротив, при увеличении частоты активная область сместится к вершине антенны. На всех частотах

(5)

где n - номер вибратора; - резонансная частота n -го вибратора, свойства антенны остаются неизменными. В интервалах между резонансными частотами свойства антенны меняются, но незначительно. Прологарифмировав (5), получим . В логарифмическом масштабе резонансные частоты повторяются через интервалы, равные , что и определило название антенны этого класса.

Из изложенного ясно, что ширина рабочей полосы частот ЛПА с нижней стороны ограничивается допустимыми размерами самых длинных вибраторов а с верхней стороны - возможной точностью выполнения вибраторов вблизи точек питания Практически можно получить примерно в десятикратном диапазоне волн почти неизменную ДН. В этом же диапазоне КБВ в фидере (при надлежащем выборе ) не падает ниже 0,6...0,7. Следует учитывать, что вследствие перемещения активной области по длине антенны с изменением частоты меняется также положение фазового центра антенны. Последнее обстоятельство не имеет значения, например, при приеме телевизионных программ, но принципиально при использовании ЛПА в качестве облучателя параболических антенн, а также при работе с широкополосными сигналами. Расчет токов в вибраторах ЛПА требует учета их взаимного влияния не только по свободному пространству, но и по проводам питающей линии.

В связи с тем, что в излучении на данной частоте участвует только несколько вибраторов, ДН получается довольно широкой (рис. 15),причем в Е-плоскости (плоскость, в которой расположены вибраторы) получается уже, чем в Н-плоскости (плоскость, перпендикулярная осям вибраторов).

Увеличение при неизменном сужает ДН, так как увеличивается число вибраторов, входящих в активную область. Уменьшение угла при неизменном также сужает ДН, поскольку при этом увеличивается расстояние между соседними вибраторами, т.е. активная область расширяется. Сказанное справедливо только до некоторых критических значений .

Рисунок 15. Диаграмма направленности ЛПА

Если провода линии, питающей ЛПА, разместить под утлом друг к другу, то получится пространственная ЛПА (рис. 16). Диаграмма направленности такой антенны в Н-плоскости получается значительно уже, чем у плоской ЛПА, за счет влияния множителя системы, образованной разнесением в Н-плоскости активных областей каждого из полотен.

Рисунок 16. Пространственная ЛПА

 

В Е-плоскости вид ДН остается практически прежним. Провода питающей линии в подобной конструкции вызывают излучение с паразитной поляризацией, однако оно, как правило, невелико. В диапазоне УКВ логопериодические антенны применяются в качестве широкополосных облучателей параболических и линзовых антенн, приемных телевизионных антенн.

 

4. Антенны вращающейся поляризации и поверхностных волн

 

4.1. Турникетный излучатель

В простейшем варианте турникетный излучатель состоит из двух симметричных электрических вибраторов, расположенных перпендикулярно друг к другу (рис. 17). Возбуждение вибраторов осуществляется токами равной амплитуды, но сдвинутыми по фазе на 90°.

В точке А, лежащей на оси z (рис. 17), векторы электрического поля, излучаемого вибраторами, ортогональны друг другу, имеют разные амплитуды и сдвинуты по фазе на 90°, что обеспечивает в этой точке круговую поляризацию результирующего поля.

При отклонении точки наблюдения от оси фазовые соотношения между компонентами полей сохраняются, однако амплитудные соотношения нарушаются. Так, в точке В, лежащей в плоскости y0z (см. рис. 17), амплитуда компоненты поля, созданного вибратором, ориентированным вдоль оси у, уменьшается, в результате поле имеет эллиптическую поляризацию. В точках, расположенных в плоскости x0y поляризация линейная, поскольку оба вибратора создают в этих точках только одну пространственную компоненту электрического поля, лежащую в плоскости x0y, причем в точках на оси каждого из вибраторов (точки C, D, E и F на рисунке 17) поле создается только за счет излучения другого вибратора. Диаграмма направленности в данной плоскости имеет круговую форму.

Рисунок 17. Принцип работы турникетного излучателя

 

Особенностью турникетного излучателя является зависимость фазы излученного поля от угловых координат точки наблюдения. Для доказательства этого достаточно рассмотреть поля в точках С и D) и сравнить их между собой: они равны по амплитуде, но отличаются по фазе на . Следовательно, турникетные антенны не имеют фазового центра.

Излучение антенны в нижнее полупространство обычно устраняется за счет экрана, отстоящего от плоскости расположения вибраторов на 0,25λ. Подводка питания к каждому вибратору осуществляется обычно коаксиальным кабелем с использованием симметрирующего устройства, которое удобно крепить к экрану. Вхо­ы симметрирующих устройств соединяют между собой. Фазовый сдвиг может быть реализован включением в тракт питания одного из вибраторов дополнительного отрезка линии длиной где - длина волны в линии.

Турникетные антенны используются иногда при построении телевизионных передающих антенн с горизонтальной поляризацией. Излучение по оси z в таких антеннах подавляется за счет использования нескольких турникетных излучателей, параллельных друг другу и смещенных по оси z на 0,5λ.

 

4.2. Спиральные антенны

Спиральные антенны широко применяются в диапазонах сантиметровых, дециметровых и реже метровых волн. Рассмотрим сначала цилиндрическую спиральную антенну, изображенную на рис. 18. Антенна состоит из спирального провода, соединенного с внутренним проводником возбуждающего коаксиального кабеля. Внешний провод (оплетка) кабеля присоединяется к металлическому диску (экрану), который препятствует проникновению тока, текущего по внутренней поверхности кабеля, на его наружную поверхность. Кроме того, диск играет роль рефлектора, уменьшая излучение антенны в заднее полупространство.

Рисунок 18. Цилиндрическая спиральная антенна

 

Для обеспечения режима осевого излучения диаметр спирали D выбирают так, чтобы длина витка l была примерно равна длине волны тока в спирали (при этом D = ). Теоретические исследования показывают, что в бесконечной спирали при условии устанавливается режим бегущей волны тока с фазовой скоростью , где с - скорость света. При укорочении длины волны λ фазовая скорость повышается, приближаясь к скорости света, при удлинении волны уменьшается. В спирали конечной длины имеет место отражение от конца, но оно невелико (коэффициент отражения не превышает 0,2). Кроме того, в начале и конце антенны возникают высшие типы волн. Обычно в первом приближении отражением и высшими типами волн пренебрегают и считают, что амплитуда тока постоянна по длине антенны.

Рассмотрим излучение одного витка антенны длиной , считая его для простоты плоским. В режиме бегущей волны распределение тока по витку описывается выражением где - амплитуда тока; величина - координата точки на витке, отсчитываемая вдоль окружности. На рис. 19 приведено распределение тока для моментов времени . Как видно, в каждый момент излучение витка эквивалентно излучению двух изогнутых синфазно возбужденных вибраторов, создающих максимум излучения вдоль оси витка с поляризацией, параллельной прямой 1-1' (см. рис. 19).

Положение этих вибраторов во времени непрерывно меняется с круговой частотой в результате вдоль оси создается излучение с вращающейся поляризацией.

 

Рисунок 19. Распределение тока для моментов времени

 

Многовитковая конструкция спиральной антенны приводит к усилению излучения вдоль оси антенны. Определим более точно требования к длине витка l, учитывая, что реально виток за счет шага намотки S не лежит в одной плоскости. Развертка одного витка спирали показана на рис. 18, б. Сдвиг фаз между полями двух соседних витков в точке на оси антенны складывается из набега фазы бегущей волны тока по витку спирали и разности фаз за счет шага намотки Результирующий фазовый сдвиг . Для обеспечения максимума КНД необходимо, как известно, чтобы этот сдвиг был близким к где N - число витков. Однако, поскольку в спирали в режиме осевого излучения величина Ψ велика (близка к 2π) обеспечить максимум КНД можно только при условии, что Отсюда получаем

(6)

При выполнении условия (6) и большом N поляризация поля на оси спирали близка к круговой. Более оптимальные условия для круговой поляризации получаются при несколько меньшем значении которое можно найти из условия При этом условии поля элементов витка, разнесенные на четверть его длины и формирующие излучение с взаимно перпендикулярной поляризацией, сдвинуты по фазе точно на При отклонении точки наблюдения от оси поляризация становится эллиптической.

Поскольку с укорочением λ отношение увеличивается (и наоборот), условие (6) и, следовательно, направленные свойства практически сохраняются в сравнительно широкой полосе частот, от (0,7…0,8)λ₀ до 1,2λ₀, где λ₀ - расчетная длина волны. Диаграмму направленности спиральной антенны можно рассчитать на основании формулы

Величина

Для достижения максимальной широкополосности угол намотки выбирается равным 12…15^o. Радиус экрана (сплошного или решетчатого) обычно берется равным (0,5…0,8)L, где L - длина спирали (см. рис. 18, а). Ширина ДН цилиндрической спиральной антенны по половинной мощности обычно не меньше 20...25°. Для улучшения направленных свойств спиральные антенны соединяются в решетки.

Хотя теоретическое рассмотрение показывает, что спиральная антенна, как и турникетный излучатель, не имеет фазового центра в строгом понимании, в пределах главного лепестка ДН можно считать, что поверхность равных фаз мало отклоняется от сферической, центр которой расположен в геометрическом центре антенны. Знание фазового центра важно, например, при использовании спиральных антенн в качестве облучателей параболических антенн.

Конические спиральные антенны (рис. 20) обладают лучшими диапазонными свойствами, чем цилиндрические спиральные антенны. Осевое излучение таких антенн формируется не всей антенной, а лишь активной областью, т.е. витками, длина которых близка к λ. С изменением частоты активная область перемещается вдоль оси антенны.

Рисунок 20. Коническая спиральная антенна

 

Широкое применение находят плоские спиральные антенны, в том числе антенны в виде архимедовой спирали (рис. 21, а). Двухзаходная спиральная антенна может выполняться печатным способом и возбуждается либо двухпроводной линией, либо коаксиальным кабелем, проложенным вдоль одного из плеч (вдоль другого плеча прокладывается для сохранения симметрии холостой кабель, рис. 21, б).

Рисунок 21. Двухзаходная спиральная антенна

Антенну можно рассматривать как свернутую в спираль двухпроводную линию, причем в начальной части антенны токи в соседних витках находятся в противофазе и соответственно не излучают. С удалением от точек питания фазовый сдвиг между токами в соседних витках уменьшается за счет разности хода.

Действительно, элементы 1 и 2, расположенные по обе стороны от окружности радиусом r₀ на разных заходах спирали, имеют разность хода, равную половине длины этой окружности, т.е. С учетом противофазного возбуждения разность фаз элементов 1 и 2 будет При величина т.е. соседние витки возбуждаются синфазно в режиме бегущей волны. Эти витки и формируют поле излучения с круговой поляризацией в направлении оси антенны, которое сохраняется в широкой полосе частот. Нижняя частота определяется внешним диаметром спирали, а верхняя - точностью выполнения антенны вблизи точек питания.

Диаграмма направленности состоит из двух широких лепестков, ориентированных нормально к плоскости спирали. Можно также получить одностороннее излучение спирали, если позади нее поместить экран (обычно на расстоянии где - длина волны на средней частоте диапазона), однако наличие экрана сужает рабочую полосу частот.

Описанные типы спиральных антенн кроме самостоятельного применения используются, как уже отмечалось, в качестве облучателей зеркальных антенн, элементов различных решеток, в том числе фазированных антенных решеток.