Вибраторная антенна с одним пассивным вибратором

Известно, что ДН симметричного вибратора имеет 2 направления максимального излучения в плоскости его расположения. Для того, чтобы исключить прием излучения с одного из направлений к активному вибратору добавляют пассивные вибраторы: рефлектор и директор, в которых наводятся вторичные поля. Каким образом действует рефлектор: он создает поле в направлении противофазное, а в направлении синфазное полю, создаваемому активным вибратором, в таком случае в направлении будет происходить ослабление, а в направлении усиление суммарного поля, при условии если ток в Р равен по амплитуде и опережает по фазе на ток в А.

Соотношение между полями в А и Р, то есть токи в А и Р имеют одинаковую величину, а расстояние между ними равно .

В точке : , где , ,

где υ – сдвиг фаз между током рефлектора и током активного вибратора, равный в данном случае ,

- сдвиг фаз, определенный разностью хода лучей от антенны и рефлектора.

Так как точка ближе к Р на , то (, то есть фаза опережает), тогда .

В точке : , но (так как фаза поля рефлектора отстает на ) .

Для создания требуемого соотношения между током в А и Р может быть использовано реактивное сопротивление, подключенное к рефлектору или путем изменения длины рефлектора (например, передвижением короткозамыкателя К).

Так как ток в рефлекторе должен опережать на ток в А, то Р должен иметь индуктивное сопротивление, то есть .

Директор:

Соотношение для полей А и D:

,

, (так как директор расположен ближе к .

Так как ток в D отстает на от тока в А, то сопротивление D должно носить емкостной характер, то есть .

Однако приведенные рассуждения несколько идеализированы и не учитывают всех особенностей работы антенны. Так 1) поле, в котором находятся пассивные вибраторы, сплошное. Оно состоит из поля излучения и поля индукции, кроме того 2) имеет место взаимодействие активного и пассивного вибраторов. Важно и то, что 3) ток в пассивном вибраторе всегда меньше тока в активном вибраторе.

Например, зависимость величины и фазы напряжения, наводимого в пассивном рефлекторе при неизменном токе активного вибратора.

Так как с увеличением расстояния напряжение в пассивном вибраторе уменьшается по величине и в большей степени отстает по фазе от тока в активном вибраторе.

Так в литературе (Белоцерковский “Антенны”) приведены значения , , , при которых наиболее эффективно работают пассивные рефлектор и директор:

1) для рефлектора

а) , ,

б) , ,

2) для директора

а) , ,

б) , ,

Ток в пассивном вибраторе:

, ,

,

где , υ – фаза тока пассивного вибратора относительно тока активного и - активные и реактивные составляющие сопротивления излучения пассивного вибратора, и - активная и реактивная составляющие взаимного сопротивления излучения (наведенное сопротивление) пассивного вибратора и антенны, - реактивное сопротивление настройки.

Величины и учитывают взаимное влияние А и пассивного вибратора. Определение их величины (а и амплитуд и фаз токов в пассивных вибраторах и влияние пассивных вибраторов на сопротивление излучения антенны)., решается методом наведенных ЭДС, сущность которого заключается в следующем. Пусть имеется электрический вибратор 1, к которому приложена некоторая ЭДС, под ее влиянием возникает ток, причем .

Пусть вблизи вибратора 1 есть еще вибратор 2, к которому приложена ЭДС и течет ток, которому соответствует определенное поле, причем вблизи вибратора 1 имеет место тангенциальная составляющая вектора вблизи элемента . Тогда ЭДС, наведенная на элементе вибратора1 вибратором2: . Однако, появление нарушает граничные условия у поверхности проводника. Для их восстановления собственное поле, следовательно и ток вибратора 1, должны перераспределиться таким образом, чтобы у поверхности элемента появилась собственная ЭДС - , тогда . Тогда - мощность излучаемая вибратором 1 для поддержания - на элементе , а полная мощность, излучаемая вибратором 1 под влиянием поля вибратора 2: , тогда наведенное сопротивление излучения: .

Тогда система уравнений для токов и напряжений:

Если обозначить , тогда полные сопротивления излучения вибраторов будут равны:

а излучаемые мощности:

,

Так как в рассматриваемом случае второй вибратор пассивный, то , следовательно:

,

- ток в активном вибраторе.

Если в пассивный вибратор включено сопротивление , то

ДН Антенна + Пассивный вибратор

Для произвольного направления r, имеющего наклон под угол θ от оси вибратора разность хода лучей от антенны и пассивного вибратора , тогда .

θ – отсчитывается от оси решетки.

16 Антенна “волновой канал”

для рассмотренной ранее вибраторной антенны с одним директором и рефлектором максимальное значение КНД равно 6 (полуволновый вибратор 1, 64), чтобы его увеличить используют несколько директоров и такая антенна называется директорной или “волновым каналом”.

Р ослабляет поток энергии в направлении и усиливает в направлении . (Второй Р не ставят, так как он возбуждался бы слабо и мало влиял бы на ДН). , , .... усиливают поток энергии в направлении . Директоры образуют своеобразный волновой канал, энергия распространяясь по нему, доходя до конца (до последнего директора), частично отражается. Следовательно, в волновом канале образуются падающие и отраженные волны и директорная антенна аналогична антеннам “бегущей волны”. Для формирования бегущей волны требуется определенная настройка всех вибраторов антенны в зависимости от длины волны и расстояния между вибраторами, поэтому антенна типа “волновой канал” узкополосна, ее полоса пропускания примерно несколько процентов.

Форма ДН такой антенны зависит от числа директоров; их увеличение определяет усиление направленных свойств антенны. Ориентировочно КНД выражается следующим образом:

,

где - общая длина антенны (от Р до крайнего Д);

- коэффициент, зависящий от числа директоров.

Чем больше директоров, тем труднее обеспечить наиболее выгодные фазовые сдвиги между токами в вибраторах и тем меньше , поэтому число вибраторов меньше 10.

Ширина ДН практических антенн

Приблизительное число директоров N, определяется из формулы:

Отличительная особенность этой антенны – небольшое активное входное сопротивление активного вибратора, уменьшенного до 20-30 Ом (при - вибратор 73 Ом). Это вызывает трудности в согласовании антенны со стандартным фидером. Поэтому часто используют петлевой вибратор.

ДН антенны “волнового канала”

а) для приближенных расчетов

θ – угол, отсчитываемый от направления оси антенны.

, ,

б) точное выражение

,

где , - относительные амплитуды токов в директорах и рефлекторе, - расстояние от n-го директора до активного вибратора.