Основные теоретические сведения. Одиночный симметричный вибратор обладает слабо выраженными направленными свойствами

 

Одиночный симметричный вибратор обладает слабо выраженными направленными свойствами. Ширина главного лепестка диаграммы направленности (ДН) по половинной мощности полуволнового вибратора равна 80°, волнового - 40°. Коэффициент направленного действия симметричного вибратора не превышает 3,1. Поэтому для увеличения направленных свойств из вибраторов образуют структуры, называемые антенными решетками. Система соединительных линий, обеспечивающих возбуждение вибраторов, называется схемой питания решетки.

Сопротивление излучения антенной решетки может на несколько порядков превышать сопротивление излучения одиночного вибратора. Благодаря этому существенно увеличивается излучающая способность антенны и соответственно ее коэффициент направленного действия и коэффициент полезного действия.

Существует несколько видов антенных решеток:синфазные (несинфазные),равноамплитудные (неравноамплитудные), эквидистантные (неэквидистантные). В синфазных равноамплитудных решетках все ее элементы питаются током одинаковой амплитуды и фазы. В эквидистантных решетках расстояние между элементами одинаково.

Антенные решетки бывают линейными и плоскими. В линейных решетках все ее элементы расположены в одну линию или в один ряд (рис.2.1). В плоских решетках элементы решетки располагаются в плоскости, занимая определенную площадь (рис.2.2.).

 

 

 

Наиболее широкое распространение в практике радиосвязи получили синфазные, равноамплитудные, эквидистантные решетки. Антенная решетка этого типа исследуется в данной лабораторной работе.

Параметры ДН антенной решетки (ширина главного лепестка, количество и уровни боковых лепестков) зависят от количества вибраторов n в данной плоскости (Е или Н) и расстояния d между ними (шага решетки). В общем случае формула для ДН синфазной, равноамплитудной, эквидистантной антенной решетки в плоскости Е имеет вид:

 

F(φ) = F₁(φ) ∙ F_с(φ), (2.1)

где множитель

(2.2)

определяет ДН одиночного вибратора.

Множитель

 

. (2.3)

называется множителем системы (множителем решетки).

В плоскости Н F₁() =1.

Наличие в формуле тригонометрической функции (sin j) позволяет сделать вывод, что ДН решетки в общем случае имеет многолепестковый характер – имеется главный лепесток и боковые лепестки (рис.2.3). Угловое положение минимумов (нулей) в ДН можно определить из

2.3.Диаграмма направленности антенной решетки

 

условия: , (2.4)

где m = 0,1,2….

Из (2.4) следует, что

. (2.5)

Угловое положение максимумов боковых лепестков ДН определяется из условия

. (2.6)

Из (2.6) следует, что

 

. (2.7)

Направление максимума основного лепестка ДН синфазной решетки совпадает с нормалью к оси решетки (j=0), т.к. именно в этом направлении поля отдельных вибраторов в точке наблюдения складываются в фазе. Ширина главного лепестка ДН по нулевому излучению определяется из (2.5) при m = 0:

. (2.8)

В случае решеток больших размеров (nd>>l) sin j₀ в (2.5) можно заменить аргументом j₀:

, рад. (2.9)

Из (2.9) следует, что ширина главного лепестка уменьшается с ростом n либо шага решетки d. В случае фиксированной длины решетки L=(n-1)d=const по мере увеличения n шаг решетки уменьшается, и при неограниченном увеличении n ширина главного лепестка у в е л и ч и в а е т с я, стремясь к своему пределу

, рад. (2.10)

При этом в результате интерференции полей отдельных элементов решетки уровень боковых лепестков уменьшается.

Боковые лепестки в ДН возникают тогда, когда поля какой либо пары элементов решетки в точке наблюдения складывается в фазе, что соответствует разности хода лучей (рис.2.4), кратной l. Когда =l, возникает первый боковой лепесток, при =2l - второй боковой лепесток и т.д. Совершенно очевидно, что в первую очередь синфазное сложение полей обеспечивают крайние элементы решетки. Как следует из рис. 2.4, при разности хода =l, габариты решетки должны превышать l, т.к. отрезок является катетом треугольника АВС, а габариты решетки АВ – его гипотенузой. Таким образом, боковые лепестки в ДН существуют только тогда, когда габариты решетки превышаю величину, равную .

Это условие распространяется и на одиночный вибратор, и на антенну другого любого типа (параболу, рупор и т.д.).

Антенные решетки из вибраторов, как и одиночный вибратор, создают излучение в двух противоположных направлениях. Для создания однонаправленного излучения применяют металлические экраны (рефлекторы), которые выполняют чаще всего для уменьшения ветровой нагрузки из системы проводов. В настоящей лабораторной работе рефлектор выполнен из сплошного металлического листа. Для учета влияния рефлектора на ДН решетки в формулу (2.1) вводится третий сомножитель :

 

F(j)=F₁(j)F_c(j)F_p(j), (2.11)

 

который определяется по формуле

 

F_p(j)=sin(kd_pcosj), (2.12)

где d_p – расстояние от оси решетки до рефлектора, обычно равное 0.25 .

Как любая антенна, антенная решетка эффективно работает в ограниченной полосе частот. Режим работы антенн выбирают таким образом, чтобы коэффициент направленного действия (КНД) на центральной частоте рабочего диапазона был максимальным. Этому соответствует условие, равенство активной составляющей входного сопротивления R_вх волновому сопротивлению фидера W_ф, и равенство нулю реактивной составляющей Х_вх . При расстройке по частоте входное сопротивление антенны становится комплексной величиной. Из-за рассогласования антенны с фидером в нем возникает режим стоячей волны, и коэффициент бегущей волны (КБВ) в фидере уменьшается. Это приводит к уменьшению коэффициента направленного действия. Таким образом, критерием оценки полосы пропускания антенны может служить зависимость коэффициента бегущей волны от частоты. На рис.2.5 изображена частотная характеристика антенной решетки. Рабочей полосой антенны принято считать такую полосу частот, в пределах которой КБВ в фидере оказывается не ниже заданной величины. Величина минимального КБВ определяется на основании принятых норм при использовании антенн на линиях радиосвязи различного назначения. В лабораторной работе полоса пропускания антенной решетки определяется по уменьшению КБВ до уровня 0.5 от КБВ_макс.