Антенны_конспект

а

Диапазонная схема (диско - конусный вибратор)

а/ λmax = 0,0175

b

b/ λmax = 0,25 подбираются экспериментально с/ λmax = 0,275

а/ λРОТ = 0,175 ÷ 0,45

с

д) Турникетные вибраторы Это антенны для телевидения или подвижной (сотовой) связи. Основные

требования к ним:

1.Поляризация : ТВ – горизонтальная, сотовая связь – вертикальная;

2.В азимутальной плоскости F(φ) = 1, т. к. обычно в центре общ. района, соты;

3.Хорошая направленность по (не нужно "светить под себя");

4.Широкополосность;

5.Высокие механические свойства, т.к. устанавливаются высоко, и обслуживание трудно.

обычные

плоские

λ/2

900

λ/2

изолятор

(для сотовой связи)

для TV

Если вибраторы питаются со сдвигом π/2 одинаковой амплитудой, в этом случае в плоскости вибраторов поляризация линейная, в остальных – эллиптическая.

Число этажей зависит от требований к ширине диаграммы направленности в вертикальной плоскости

31

4.ИЗЛУЧЕНИЕ СВЯЗАННЫХ ВИБРАТОРОВ

4.1Диаграмма направленности связанных вибраторов

Для увеличения направленности используют комбинации антенн. Рассмотрим вибраторы, находящиеся в непосредственной близости один от

другого, так, что их взаимное влияние велико. Такие вибраторы называются связанными.

.

I2

= q × e jΨ

.

d cos

Θ R1

R2

I1

R 1

= R 2 + d cos Q

Θ

E = E

1

+ E

2

=

j×60I1

× F (Q) × e− jkR 1

+

j×60I2

× F (Q) × e− jkR 2

d

R 1

1

R 2

2

F (Q) = F (Q) = F (Q) =

cos(kl ×sin Q) - cos kl

2

I0

1 I1

1

2

b

cos Q

Диаграммы направленности одинаковы и параллельны, sin Θ – т.к. Θ – от нормали.

1

=

1

=

1

R 1

R 2

R 0

E = j×60

I1

× F (Q) ×[1 + q × e jΨ × e− jkd cos Θ ]e− jkR 1

R

b

1

I1

× Fb (Q) ×

=

E

= 60

[1 + q × cos(Y - kd cos Q)]2 + [q ×sin(Y - kd cos Q)]2

R 1

I1

= 60

× F (Q) × 1 + q 2

+ 2q × cos(Y - kd cos Q)

R 1

b

1 + q 2 + 2q × cos(Y - kd cos Q) = FK (Q)

FK (Q) - множитель комбинирования, интерференционный множитель.

F(Q) = Fb (Q) × FK (Q)

Возьмем	q = 1	d =	λ	kd =	2π λ		=	π	ψ – var.
			4		λ	4		2

чтобы не учитывать Fb (Q) рассмотрим в плоскости φ

F(ϕ ) = F1 × FK (ϕ ) = 2 × 1 + cos(Y - kd cosϕ )

32

2 1

2

1

2

1

2

1

ψ = 0	ψ = π/2	ψ = π
		ψ = - π/2

Наибольший интерес представляет случай ψ = + π/2, т.к. получается однонаправленное излучение.

Режим работы при котором второй вибратор усиливает поле в направлении первого и ослабляет в противоположном ψ = π/2 – режим рефлектора. Режим работы при котором второй вибратор ослабляет поле в направлении первого и усиливает в противоположном ψ = - π/2 – режим директора.. В режиме рефлектора фаза второго опережает фазу первого на π/2, в режиме директора отстает на π/2.

4.2 Собственные и взаимные сопротивления

				zΣ = R Σ + jx Σ для вибратора zВХ =	R Σ			− jPA ctg(kl)
~		~
						2
					sin		kl

21

Вслучае связанных вибраторов первый вибратор излучает дополнительную мощность за счет токов, подведенных вторым вибратором. Этой мощности ставят в соответствие некоторое сопротивление, которое называется взаимным сопротивлением антенн.

.	= f (l1, l2, d ,взаимной ориентации) –		для вибраторов.
z12
	.	решается достаточно сложно,		поэтому рассмотрим
Задача определения z12

В литературе имеются графики и таблицы для самых различных вариантов связанных вибраторов и их ориентаций.

33

R12 X12

60	R12
40

	20											1)	d → 0, z12 → zВХ = 73,1 + j 42,3;
											d/λ	2)	R12, x12 – колебательный характер;
	-20	1,0					2,0		3,0			3)	они асимптотически убывают ~1/kd.
	-40				X12

4.3 Расчет соотношений токов связанных вибраторов

.

Рассмотрим случай, когда активный (возбуждается ЭДС – e 1) только первый вибратор. Второй вибратор – пассивный в нем только наведенные токи.

		.			.
			I 2		I 1
jxH			~		.
					e 1
2					1

.	. .		. .
e1	= I1 z11		+ I2 z12
	. .		. .
0 = I1 z21		+ I2 z22		+ j × x H

.			.			R 21 + j × x 21
I2	= q × e	jΨ	= -	z21	= -
.				.		R 22	+ j(x 21 + x H )
I1				z22 + j × x H

R 212 + x 212

Y = π + arctg

x 21

x 22 + x H

q =

;

- arctg

R 21

R 22

R 22

2 + (x 22 + x H )2

.

.

e1

.

.

zВХ1

=

= z11

+ q ×e jΨ z12 , т.е. меняется не только диаграмма направленности из-за

.

I

влияния второго вибратора, но и входное сопротивление.

КНД связанных вибраторов а) Для одиночного

E =

j×60I1

×

cos(kl ×sin Q) - cos kl

×e

− jkR

R

cos Q

I ϖ

× F(0,ϕ )

e− jkR

E =

×

R

Σ

D

×

j

1

2π

120

R

34

= 120 2 ( ϕ ) D F 0,

R Σ

DМАКС = 120 F2 МАКС (Q)

R Σ

F2 = max при Θ = 0

F2 МАКС = (1 - cos kl)2

DМАКС	=	120	(1 - cos kl)2
		R Σ
б) для связанных вибраторов

FМАКС (Q) = (1 - cos kl)1 + q2 + 2q cos(Y - kd)

если q = 1, а ψ = ± π/2 (режим директора, рефлектора) FМАКС = 2(1 - cos kl)2

	DМАКС =	480	(1 - cos kl)2
		R11 + R 12

4.4 Влияние Земли и плоских экранов на излучение антенн

а) Экран или Земля (для низких частот) – идеально проводящие. Можно воспользоваться методами зеркальных отображений.

	Горизонтальная поляризация	Вертикальная поляризация
+	-	I1	-
	I1
	I2/I1 = -1		+	I2/I1	= 1
-	I2	I2	-
	+
			+

Дальнейшее решение идет как для связанных вибраторов с полученным соотношением токов.

б) Неидеально проводящая Земля Необходимо использовать коэффициенты Френеля

1) Вертикальная поляризация

R

εi/ × sin Q -

εi/ - cos2

Q

R E

R

Fb =

Fb

× e

jΦb

=

H

E

П

/

/

2

R

εi × sin Q +

εi

- cos

Q

R

R

П H

Θ Θ

35

ε i/

ε i/ - комплексная диэлектрическая

проницаемость Земли

2)

Горизонтальная поляризация

/

2

R

FГ = FГ × e

jΦг

=

sin Q -

εi

- cos

Q

R

E

R

R

H

H

П

sin Q +

εi/

- cos2 Q

R

R

E

П

Θ Θ

ε i/

ε i/ → ∞

Fb → 1

FГ → -1

По известным коэффициентам Френеля влияния Земли и экрана учитывается так же,

как и для метода зеркальных отображений

I3 = IA × F × e jΦ

а) Диаграмма направленности горизонтального вибратора над землей

R 2

= R1 + 2h sin D

R1

E1

=

j ×60I1

× (1 - cos kl)× e− jkR 1

А

R0

R0

j ×60I1 ×

F2

× e

jΦ 2

h

E2

=

× (1 - cos kl)× e− jkR 2

∆

R2

R0

h

2 h sin∆

А3

− jkR 1 [1 +

) ]

E = E

1

+ E

2

=

j×60I1

×(1 - cos kl)×e

F

×e− j(Φ 2−2kh sin

R 0

2

Ес

F3 (D)

=

[1 +

F2

×cos(F2 - 2kh sin D)]2 + [

F2

×sin(F2 - 2kh sin D)]2

=

1 +

F2

2 + 2

F2

cos(F2 - 2kh sin D)

ли земля и экран идеальные проводники

σ → ∞

Φ2 → π

│FГ │ → 1

F3 (D)

=

= 2 sin(kh sin D)

2

1 - cos(2kh sin D)

300

48,60

14,50

h/λ ≤ 0,25

h/λ = 0,5

36

h/λ = 1,0

При уменьшении проводимости земли σ ↓ происходит "заплывание" нулей

h/λ = 0,5
Сопротивление излучения
ZΣ = Z11 - Z12 - т.к. токи противофазны;	Z12 = f (l,2h) - определяется из графиков.
КНД

D= 120 (1 - cos kl)2 F2 МАКС (D) R ΣП

DМАКС	=	480	(1 - cos kl)2
		R ΣП

для h/λ = 0,25 R11 = 73,1 Ом·R12 = 26 Ом => R∑П = 100 Ом

DМАКС = 4,8

Множитель Земли имеет один и тот же вид для любой антенны

F(D) = f1 (D)× FЗЕМЛИ (D)

Горизонтально поляризованные антенны вдоль Земли не излучают. б) Диаграмма направленности вертикального вибратора над Землей

60I1

cos(klsin D - cos kl)

R1

E

=

×

×

1 +

F

2 + 2

F

cos(F

2

- 2kh sin D)

А1

R 0

cos D

2

2

σ → ∞ Φb → 0

│Fb │ → 1

h

∆

F (D)

=

= 2 cos(kh sin D)

R2

2

1 + cos(2kh sin D)

3

h

2 h sin ∆

А2

h2 > h1

h1

1)Вертикально вверх излучение равно нулю, т.к. вибратор по оси не излучает;

2)Вдоль поверхности всегда максимальное;

3)Если земля не идеальная происходит "заплывание" нулей;

37

Вертикально поляризованные антенны всегда имеют максимум вдоль земли (экрана). ZΣ = Z11 + Z12 - сопротивление излучения

D – рассчитывается по тем же формулам, что и для горизонтального.

5. «Анализ излучения линейных антенн» .

5.1 линейные излучающие системы. Идеальный линейный излучатель.

Антенна называется линейной, когда токи распределяются непрерывно или дискретно вдоль линии. Линейная антенна с дискретными излучателями (токами) – линейная антенная решетка. Длина линейной решетки может быть произвольной, а поперечные размеры малы или соизмеримы с длиной волны. Характеристики излучения линейной антенны определяются законом распределения центров токов (излучателей) и комплексных амплитуд токов -амплитудно-фазовым распределением.

Элементы решетки на одинаковом расстоянии (регулярно) – эквидистантная решетка. Если все токи одинаковы -линейная система с равномерным возбуждением по амплитуде. Если фазы во всех точках одинаковы - синфазная антенна. Д линейной антенны определяется методом суперпозиции:

E (q) × A ×F1×(q) ×fS ×(q) ×

Где A-амплитудный множитель,

F1(Q)-векторная комплексная характеристика направлении элементов системы, F(Q)-множитель системы (он определяется размерами и амплитудно-фазовым

распределением.

Если линейная решетка (совокупность излучателей)

							N
fS(q) ×							∑ In × egkZn × cos × (q)
						n = 1
I(n) ×							I(n)		×egФ×(n)

Zn-расстояние от центра решетки до элемента с потерями. Если линейная антенна с непрерывным распределением.

L

fS(q) ×

⌠

2

In × (z) × egkZn × cos × (q)

dz

⌡- L

2

I(z) ×

I(z)

× egФ × (z)

Идеальный линейный излучатель – это антенна с непрерывным распределением и током:

I(z) × Io×egkz×

Амплитуда постоянна, фаза линейна.

38

Рис 1. Равномерное амплитудное (а) и линейно фазовое (б) распределение возбуждения в идеальном линейном излучателе.

ξ :=		C			- коэффициент замедления волны.
		V
ξ > 0				волна по оси Z. ξ < 0 волна навстречу Z.
	V-скорость распространения волны тока.
	ξ :=			0	линейная антенна с синфазным возбуждением
	0 < ξ < 1 линейная антенна с быстрой волной тока
	1 <			ξ	линейная антенна с замедленной волной тока

5.2 Анализ характеристики излучения линейной антенны с непрерывным распределением тока.

Рассмотрим идеальный линейный излучатель.

L

L

fS (q )

⌠

2

I( z) × e gkz× cos(q)

⌠

2

egkz× cos (q-x) dz

dz

I0 ×

⌡- L

⌡- L

2

2

gkL

- gkL

(

)

× cos(q-x)

× cos(q-x)

kL

e

2

- e

2

sin

×cos

q - x

I0×

I0×L×

2

(

)

kL

(

)

g ×k×cos

q - x

×cos

q - x

2

39

sin

kL

× cos(q - x)

sin (y)

y

kL

× cos (q - x)

(

)

2

2

fS

q

kL

× cos(q - x)

y

,где

y

n × p

2

Нули

или

y

-n × p

обобщенная угловая переменная

ψ

nπ +

π

ψ

−nπ +

π

Максимумы

2

или

2

f (y бокmax

)

2

1

2

× n × p +

p

y max

и не зависит от длины антенны.

Они зависят от распределения тока.

f1бок

1

2

0.21

( 3 × p )

× p

3

2

ln ( f1бок )

− 13.2

deg

y

( K × L)

× cos (q - x)

2

-обобщенная угловая переменная равна

половине разности фаз поля в дальней зоне с учетом разности хода и замедления.

q

0

y

y max

( K × L )

× (1 - x )

2

q

π

y

-( K × L )

2

2

(K × L)

(

)

q

p y

ymin

-

×

1

+ x

ymax - ymin

K × L

2

Эта зона видимых углов, дальше идет зона мнимых углов.

В зависимости от ξ зона видимых углов перемещается по

sin

(ψ )

ψ

В зависимости от ξ различают несколько режимов работы.

При этом направление max излучения совпадает с y

0

y

0

kL

× cos (q - x)

0

cos (q )

x

arg2

q max

(cos (x))

40