Конспект / Антенны / Вибраторные антенны

Симметричный вибратор.

Простейший симметричный вибратор состоит из двух одинаковых цилиндрических проводников, между которыми включается линия, соединяющая вибратор с генератором(передатчиком) или приемником.

Симметричные вибраторы широко применяются как самостоятельная антенна или как элемент сложной антенны в диапазонах КВ, МВ, ДМВ.

L - длина вибратора

l – длина плеча, l =

Основные виды вибраторов.

Если L<< λ, то вибратор называют коротким.

(l-длина волны на которой работает вибратор).

Если L=, l= - полуволновой вибратор.

Если L=λ, l= - волновой вибратор.

Отношение L/ λ – называют относительной длиной вибратора.

Вибратор улучшает линейно-поляризованные волны, поэтому его ДН изображают в Е и Н плоскостях.

Е – плоскость.

В Е – плоскости при L<< λ (λ<<) ДН имеет 2 максимума излучения, ДН имеет форму восьмерки.

В Н – плоскости вибратор при L<< λ не обладает направленными свойствами, ДН имеет форму круга.

В общем виде поле излучения короткого вибратора можно записать:

e (t)=Em ∙F_H(Δ, Ө)sin(ωt-βч)

h (t)=Hm∙ F_H(Δ, Ө)sin(ωt-βч)

F_H(Δ, Ө) – нормированная ДН, определяет направленные свойства.

sin(ωt-βч) – указывает на то, что короткий вибратор излучает бегущие волны.

β=

Влияние длины вибратора на форму ДН (направленные свойства).

При L>λ (l>) появляются боковые лепестки с увеличивающейся интенсивностью. Из-за ухудшения направленных свойств длинные вибраторы не используют.

Не зависимо от длины вибратора излучение вдоль его оси отсутствует.

Для определения полей антенны её разбивают на малые элементарные участки, определяя поля создаваемые ими, как поля элементарных вибраторов. Затем суммируют эти поля с учётом распределения тока в антенне и разности хода лучей от отдельных элементов.

Чтобы определить распределение тока вдоль плеч вибратора, его можно рассматривать как развернутую беспроводную линию, разомкнутую на конце. В отличии от линии которая служит для направления электромагнитных волн, вибратор излучает электромагнитные волны.

Ток на концах вибратора равен нулю(узел тока) и изменяется вдоль проводов от конца вибратора к точке питания по синусоидальному закону. Напряжение и ток сдвинуты на 90. В симметричном вибраторе устанавливается режим стоячей волны.

Действующая длина симметричного вибратора.

Симметричный вибратор с синусоидальным распределением тока по его длине сравним с эквивалентной антенной, ток в которой сохраняется неизменным по длине(как у диполя Герца) и равен току на входе вибратора.

Под эквивалентными понимают антенны создающие равные по напряженности поля. Такие антенны должны иметь равные площади токов.

Площадь тока диполя Герца S=I_кL_Д,

Площадь тока симметричного вибратора S=2 I_xdx.

Действующую длину симметричного вибратора определяют из условия равенства площадей тока реальной и эквивалентной антенны.

L_Д=

где β= -коэффициент фазы(волновое число),

λ – длина плеча.

Для короткого вибратора L<< λ, поэтому βλ – малая величина =>≈,

Тогда

L_Д короткого вибратора = = l

Т.е. действующая длина (эффективная длина) короткого вибратора равна половине длины вибратора=l или длине плеча.

Для полуволнового вибратора. L=, l=

tg ()=tg ()=tg ()=1

L_{Д λ/2}==

или можно получить

L_Д=1,27 l

Сопротивление излучения R_Σ.

R_Σ зависит от относительной длины с увеличением от 0 до 1 R_Σ возрастает, причем

для полуволнового вибратора,

R_{Σ λ/2}=73,1 Ом

для волнового вибратора,

R_{Σ λ}=200 Ом

Дальнейшее увеличение до 1,5 вызывает уменьшение R_Σ до 100 Ом, которое сменяется увеличением R_Σ до 250 Ом при изменении от 1,5 до 2,0, после чего происходят колебания R_Σ сопровождающие некоторым увеличением его максимума и минимума.

Это объясняется тем, что с одной стороны, увеличение длины вибратора приводит к увеличению R_Σ за счет увеличения числа элементов вибратора, участвующих в излучении электромагнитных волн, а с другой стороны увеличение длины вибратора сопровождается появлением участков со встречным направлением тока, которое вызывает уменьшение R_Σ .

Для короткого вибратора R_Σ = 80π²()²

Входное сопротивление Z_а = R_a + jX_a

Зависимость Z_а от длины вибратора, примерно такая же, как в аналогичной реальной разомкнутой линии.

Вибратор длиной L≈, , , 2…, имеет чисто активное входное сопротивление (X_a=0), такой вибратор называют резонансным.

Если длина вибратора L≈, ,…, то на входе вибратора max тока и min напряжения , поэтому активная составляющая входного сопротивления R_a минимальна (как при последовательном резонансе) и с некоторым приближением равна R_Σ.

Поэтому для полуволнового вибратора,R_ВХ =R_a= R_Σ=73,1 Ом

Если длина вибратора L≈, 2…, то на входе вибратора max напряжение и min тока (как при резонансном резонансе), и R_a максимально.

R_{ВХ λ}=_,

ρ – волновое сопротивление вибратора, зависит от конструкции вибратора, если L<< λ, ρ=276 lg - 120,

где r

Когда вибратор не настроен в резонансе, появляется реактивная составляющая входного сопротивления Х_а.

Наличие реактивной составляющей во входном сопротивлении вибратора затрудняет согласование его с фидером, поэтому на практике стремятся использовать резонансные вибраторы – полуволновой или волновой, либо работать на частотах, близких к резонансным.

Полуволновой вибратор имеет малое и чисто активное входное сопротивление (≈73 Ом), что позволяет сравнительно просто согласовать его с коаксиальной линией, имеющий волновое сопротивление 75 Ом.

Тонкий вибратор( r≤0,001 λ) имеет большое волновое сопротивление, большую величину реактивной составляющей и более резкие изменения R_a и Х_а, такой вибратор называют узкополосным. Т.к. с изменением частоты( λ) его сопротивление резко изменяется и обеспечить согласование становиться сложно.

Вибраторы с пониженным волновым сопротивлением имеют меньшую величину Х_а и в меньших пределах изменяющееся R_a при изменении λ. К таким вибраторам относится биконический и др., они являются более широкополосными.

Укорочение вибраторов.

Цилиндрические вибраторы не являются однородными линиями с равномерно распределёнными погонными параметрами и имеют торцевые емкости. Это приводит к тому, что в реальном вибраторе длина волны оказывается короче длины волны в свободном пространстве и зависит от относительного диаметра вибратора .

С увеличением диаметра вибратора происходит укорочение резонансной волны, соответственно должен быть укорочен вибратор. Поэтому входное сопротивление тонкого симметричного полуволнового вибратора является комплексным сопротивлением индуктивного характера. Z_a=73,1+j42,5 Ом, для устранения реактивной составляющей вибратор необходимо укоротить.

КНД.

Короткий вибратор 1,5

Полуволновой 1,64

Максимальное значение КНД = 3,1 имеет симметричный вибратор с длиной плеча l = 0,625 λ.

Несимметричный вибратор.

Несимметричным называется вибратор, у которого одно плечо по размерам или форме отличается от другого.

Несимметричным вертикальным заземленным вибратором называется вертикальный по отношению к земле проводник, к нижнему концу которого присоединен один из зажимов генератора, а другой зажим генератора присоединен к земле. Роль второго плеча вибратора в данном случае играет земля.

Применяется в качестве антенны ДВ, СВ, КВ, а также волн метрового диапазона. Несимметричные вибраторы часто устанавливают на движущихся объектах( автомобилях, кораблях,…). Роль «земли» в этом случае выполняет металлический корпус объекта.

Излучает и принимает волны с вертикальной

поляризацией.

Несимметричный вибратор аналогичен симметричному.

ДН заземленного вибратора составляет верхнюю половину ДН соответствующего симметричного.