Министерство транспорта России

Федеральное государственное образовательное учреждение Морской государственный университет

имени адмирала Г. И. Невельского

Кафедра радиоэлектроники и радиосвязи

Вибраторные антенны

Методические указания к лабораторным работам по курсам «Антенны и устройства СВЧ»и

«Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства систем подвижной радиосвязи»

Специальности 201300 и 201200

Составили В. В. Клоков

М.Ю. Белушкин

Владивосток

2004

Позиция № 69

в плане издания учебной литературы

МГУ на 2004 г.

Рецензент Богданов В.И.

Составили Владимир Викторович Клоков и Михаил Юрьевич Белушкин

Вибраторные антенны. Методические указания

Печатается в авторской редакции

1,0 уч.-изд. л. Формат 60´84^1/16

Тираж 100 экз. Заказ №

Отпечатано в ипк мгу им. Адм. Г. И. Невельского

Владивосток, 59, ул. Верхнепортовая, 50а

В методических указаниях изложены принципы работы вибраторных антенн с синусоидальным распределением тока по длине антенны. Рассмотрены методы расчета, как одиночных вибраторных антенн, так и рефлекторных, директорных антенн. Приводятся расчетные формулы для оценки диапазонных свойств диаграмм направленности вибраторных антенн. Даны рекомендации по выбору размеров антенны при ее настройке, изложен порядок выполнения лабораторной работы.

I. Введение

Простота конструкции вибраторных антенн, хорошее согласование с различными типами питающих фидеров, удобство изменения конструкции с целью получения различных характеристик направленности - вот те достоинства, которые позволят широко использовать этот тип антенн. В данной лабораторной работе исследуется диаграммы направленности вибраторных антенн при различной их длине, показывается возможность уменьшения ширины диаграммы направленности за счет использования пассивных вибраторов (рефлектора или директора). Проводимые экспериментальные исследования сравнивается с численными расчетами, основанными на использовании синусоидального распределения тока по длине вибратора для определения поля получения антенны.

2. Цель работы

Цель работы - приобретение навыков измерения и расчета диаграмм направленности различных модификаций вибраторных антенн, а также настройки этих антенн.

3. Задание для предварительной подготовки

В процессе домашней подготовки необходимо ознакомиться с принципами работы вибраторных антенн. Знать методику проведения измерений и обработки их результатов.

Работа № 1. Рассчитать диаграммы направленности при различной длине антенны (2ℓ=λ; ;).

Работа № 2. Знать условия, при которых пассивный вибратор выполняет функции рефлектора или директора. Рассчитать диаграммы направленности антенн: активный вибратор, пассивный рефлектор; активный вибратор, пассивный директор; активный вибратор, пассивный рефлектор и директор.

Расчеты диаграмм направленности можно проводить по методическим указаниям, приведенным ниже или с помощью программы MAMANA.

4. Методические указания

Рассмотрим диаграмму направленности (ДН) симметричного одиночного вибратора. Симметричный вибратор обладает направленными свойствами. В зависимости от длины вибратора изменяется ДН, чем больше длина вибратора, тем меньше угол , соответствующий нулевому излучению, тем уже ДН.

Короткий вибратор. Коротким называется вибратор, длина плеча которого значительно меньше длины волны (ℓ <<λ) и его электрическая длина kℓ мала. На рис.1 показана ДН и распределение тока (сплошная линия), напряжения вдоль короткого вибратора.

Полуволновой вибратор. Вибратор, полная длина которого 2ℓ=0,5λ и соответственно электрическая длина kℓ=0,5π. Распределение тока (сплошная линия) и напряжения (штриховая) вдоль полуволнового вибратора показано на рис. 1.

Рис. 1. Диаграммы направленности и распределения тока

по вибратору при различной длине вибраторов

Независимо от длины плеча симметричного вибратора излучение вдоль его оси отсутствует. При ℓ<0,5λ ДН имеет два максимума излучения, направления которых перпендикулярны оси вибратора (=0 и 180⁰). Ширина этих лепестков уменьшается с увеличением отношения . При удлинении плеча вибратора более 0,5λ главные лепестки продолжают сужаться, но появляются дополнительные максимумы (боковые лепестки) с постепенно увеличивающейся интенсивностью. При дальнейшем увеличении длины плеча (ℓ>0,65 λ) интенсивность главных лепестков уменьшается с одновременным их сужением и при ℓ= λ излучение в главных направлениях=0 и 180⁰ отсутствует.

Диаграммы направленности симметричного вибратора изображены в меридиональной плоскости (плоскость Е).

Антенна типа волновой канал. Иначе ее называют директорной или многоэлементной и состоит она из активного вибратора и, как правило, пассивного рефлектора и одного или нескольких пассивных директоров. Рассмотрим антенну, состоящую из активного полуволнового вибратора и пассивного рефлектора рис. 3.

Напряжение U₁ , поданное на активный вибратор 1, создаст около него поле Е₁ совпадающее с ним по фазе. Это поле, достигнув вибратора 2 (Е₁₂), отстанет по фазе на угол kd=90⁰ и наведет в вибраторе 2 ЭДС Э₂.

Рис. 2. Антенна типа волновой канал

Рис. 3. Вибратор с вторичным рефлектором

Рис. 4. Вибратор с вторичным директором

Возьмем вторичный вибратор 2 несколько длиннее 0,5. Реактивное сопротивление такого вибратора имеет индуктивный характер, и токI₂, обусловленный ЭДС Э₂, будет отставать от нее на угол, приблизительно равный 90⁰. В свою очередь, ток I₂ создаст у вибратора 2 поле Е₂, отстающее по фазе от тока на 90⁰. Поскольку поля Е₁₂ и Е₂ противофазные, результирующее поле позади вторичного вибратора 2 ослаблено. Поле Е₂ вибратора 2, достигнув вибратора 1 (Е₂₁), отстанет по фазе на угол rd=90⁰ и будет совпадать с полем Е₁. В направлении от вибратора 2 к вибратору 1 и далее поля складываются. Вторичный вибратор 2ℓ₂>0,5 ведет себя как рефлектор.

Если вторичный вибратор короче 0,5(рис. 4), то его реактивное сопротивление имеет емкостной характер и токI₃ опережает ЭДС Э₃ на угол, приблизительно равный 90⁰. Максимум излучения направлен в сторону вторичного вибратора 3, а поле позади первичного вибратора ослаблено. Такой вторичный вибратор (2ℓ₃<0,5) называется директором.

Антенна типа волновой канал применяется в диапазоне метровых и дециметровых волн. Преимущество этих антенн заключается в простоте схемы питания и конструкции. К недостаткам можно отнести трудность подбора расстояния между вибраторами и их длину. Длину рефлектора выбирают равной (0,5…0,53), а расстояние между активным вибратором и рефлектором (0,15…0,25). Длины директоров выбирают равными (0,4…0,45), а расстояния между активным вибратором и ближайшим к нему директором, а также между директорами (0,1… 0,25). С уменьшением расстояний между вибраторами ток во вторичных вибраторах увеличиваться, но при этом сильно уменьшается входное сопротивление активного вибратора. Для облегчения согласования с фидером из конструктивных соображений в качестве активного вибратора часто применяют петлевой вибратор. Антенна “волновой канал” узкополосная, так как с изменением частоты существенно изменяются входные сопротивления, а следовательно, изменяются амплитуды и фазы токов во вторичных вибраторах. Шести-, семиэлементная антенна имеет полосу пропускания 10 … 15% от средней частоты. При увеличении числа элементов в антенне до десяти полоса сужается до 5%. Число элементов в антенне – это полное число первичных и вторичных вибраторов. Некоторым изменением размеров и взаимного расположения вибраторов можно расширить полосу пропускания, уменьшив коэффициент направленного действия (КНД) антенны.

Расчет двух и трех элементных антенн. Рассмотрим антенную систему, состоящую из двух излучателей; активного, подсоединенного к генератору СВЧ и пассивного, возбуждаемого полем активного вибратора (рис.5). Используемый метод расчета позволяет исследовать характеристики как активного и пассивного вибратора независимо друг от друга, так и с учетом их взаимного влияния.

Расчет проще проводить в режиме передачи. Один из вибраторов, подсоединенный к источнику э.д.с. будет активным, второй вибратор, возбуждаемый полем активного вибратора, пассивным. Обозначим расстояние между вибраторами через d , длину активного вибратора 2ℓ₁ , а пассивного 2ℓ₂ . Так как расстояние между вибраторами значительно меньше расстояния до точки наблюдения М, направления r₁, и r₂ в точку М можно считать параллельными. В этом случае разность расстояний от вибраторов до точки наблюдения можно определить как Δr = r₁ – r₂ =d sin θ , где в θ - угол между осью вибратора и направлением на точку наблюдения.

Напряженность поля в точке М может быть представлена в виде Е =E₁ + Е₂., где E₁, Е₂, - напряженности полей, создаваемых первым и вторим вибраторами в точке М.

Рис. 5.Двухэлементная вибраторная антенна

Для определения E₁ и Е₂. нужно знать характер распределения токов вдоль вибраторов. У активного вибратора распределение тока близко к синусоидальному и может быть приближенно представлено в виде:

I₁(z) = I_A1 , ℓ₁ ≥ z ≥ -ℓ₁

где I_A1 - ток в точке питания антенны.

Тогда поле излучения активного вибратора [1]

E₁ = j 60

На рис.6 приведен характер распределения тока по длине вибратора и соответствующие диаграммы направленности при различных ℓ/λ. Из рисунков видно, что пока полная длина вибратора не превосходит длины волны, максимум диаграммы направленности ориентирован в направлениях, перпендикулярных оси вибратора. При 2ℓ< λ в диаграммах отсутствует боковые лепестки. Если 2ℓ> λ, то в диаграмме появляется боковые лепестки, а при 2ℓ= 1,5 λ, максимумы диаграммы имеет место под углом порядка 40° к оси вибратора. При дальнейшем увеличении ℓ/λ максимум диаграммы приближается к оси провода. Полезно также знать, что антенна длиной ℓ/λ = 0,64 обладает максимальным КНД в нормальном направлении.

Антенна длиной ℓ/λ= 0,53 получила название антифединговой: вертикальный несимметричный вибратор такой длины широко используется для связи на средних волнах, т.к. в этом случае мало излучение под значительными углами над землей, и связь осуществляется только за счет однолучевого распространения и замирания из-за интерференции ионосферных и земных лучей практически отсутствует. Если ℓ₁ = λ /2 , т.е. активный вибратор является полуволновым, то

E = j 60(2)

Распределение тока по длине пассивного вибратора отличается от распределения передающего типа и отличие тем больше, чем больше длина антенны отличается от резонансной, т.е. от ℓ/λ.

На рис.6 приведено распределение тока по вибратору длиной kℓ = 150° в режиме передачи и приема в режиме приема клеммы вибратора закорочены, причем последнее может быть аппроксимировано выражением [2] :

I₂(z)=I_a2 , ℓ₂ ≥ z ≥ -ℓ₂

где I_A2 - ток в центре антенны.

Можно рассчитать, что при таком распределении тока поле излучения определяется выражением

E₂=j(3)

В направлении θ=90⁰

E₂(90⁰) = j

Так как длина пассивного вибратора обычно не очень сильно отличается от половины длины волны, угловая зависимость близка к -Sin θ и с достаточной степенью точности можно вместо (3) записать:

E₂(θ) = j (4)