sazonov_d_m__antenny_i_ustroistva_svch_1 988 (561328), страница 56
Текст из файла (страница 56)
5 10.8. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЧАСТОТНО-НЕЗАВИСИА1ЫХ АНТЕНН К частотно-независимым антеннам относят слабонаправленные излучатели, способные работать в диапазоне с отношением верхней н нижней граничных частот о:1 и более, при сохранении хорошего качества согласования входа и при не слишком сильном изменении формы ДН. Потребность в таких антеннах возникает прн создании широкополосных систем связи, систем радиоразведни и радиопротиводействия. В понимании механизма действия частотно-независимых антенн основным является принцип электродинамического подобия. Этот принцип устанавливает идентичность ДН и входных сопротивлений двух различных антенн без потерь на частотах от~ и ым если форма этих антенн одинакова (рис.
10.19), а соответствующие размеры обратно пропорциональны отношению частот Ь|/Ая=сея/ыь Такие антенны с одинаковыми размерами в длинах волн называют элекгродинамически подобны.ни. Выполнить единственную антенну так, чтобы она оставалась в строгом смысле злектродинамически подобной самой себе на различных частотах, можно лишь в том случае, если ее форма определяется только угловыми размерами. Простейший пример — бесконечно длинный вибратор с плечами конической формы. Другие Рис.
10.19. Элентродинамически подобные вибраторные ан- тенны Рнс. 1020. Бесконечные структуры, определяемые угловыми раамерамн: о — папская: б — па коническое поаапано- формы структур, задаваемых в сферических координатах параметрическим уравнением Й=й(0, ср) и определяемых только угловыми размерами, можно найти, решая уравнение Л'к(0. Ч) =к(0', ср ).
Это уравнение предполагает, что первоначальная форма антенны д(0, ср) после увеличения масштаба по радиусу в К раз совпадает с исходной формой, повернутой в пространстве. К числу решений принадлежат, например, пространственные эквиугловые спирали, ЗадаВаЕМЫЕ ПараМЕтрИЧЕСКИМ ураВНЕНИЕМ 1С(0, Ср) =Е 1ч+" 1Т(0), где Т(0) — произвольная функция, в частном случае — константа.
Пример плоской бесконечной эквиугловой структуры, образуемой парой металлических плеч, показан на рис. 10.20, а. Края плеч определяются уравнениями эквиугловых спиралей р(~р) = =А ехр а(ср+сре), где А и «ре — постоянные величины, определяющие масштаб по координате р и первоначальный угол поворота плеча, а параметр а равен котангеису угла т между радиусом н касательной к спирали.
Вблизи центра плечи структуры обрезают и в образовавшийся зазор подводят возбуждающее напряжение. Заметим, что пространственные структуры из эквиугловых спиралей можно создавать, располагая металлические плечи по поверхности конуса (рис.
10.20, б). Замечательной особенностью как плоских, так и пространственных эквиугловых спиральных структур является своеобразная ав- томатическая отсечка излучающих токов. Это явление состоит в том, что амплитуды токов, возникающих в спиральных плечах под действием генератора, резко уменьшаются (в 100 раз и более) после прохождения витка спирали, периметр которого примерно равен длине волны. Остающаяся невозбуждениой внешняя часть структуры может быть отброшена, и это почти не сказывается на ДН антенны н входном сопротивлении.
Явление отсечки токов впервые было обнаружено экспериментально и впоследствии подтверждено с помощью электродинамических расчетов. Вследствие отсечки юков в излучении эквиугловой спиральной структуры конечных размеров участвует только центральная часть с днаметром, примерно равным ЦЗ (так называемая активная область). При изменении частоты электрические размеры активной области остаются постоянными и в результате возможно создание Рпе 10Д1 К по антенн с почти постоннным вхоДным сопротивлеяепеппю прппцппп инеи и мало меняющейся ДН в 1О-кратном н дапопоппптельпоетп же большем диапазоне частот. Нижняя граница рабочего диапазона определяется нз условия равенства длины волны периметру последнего витка структуры.
Верхняя граница рабочего диапазона определяется соизмеримостью с длиной волны размеров области возбуждения антенны, где геометрия спиральных линий оказывается нарушенной из-за наличия соединения с линией питания антенны. При создании плоских спиральных эквиугловых антенн, а также в ряде других случаев положительное значение имеет еще одно обстоятельство, связанное с принципом перестановочной двойственности. Дело в том, что плоская структура, определяемая угловыми размерами, может одновременно трактоваться и как электрическая (вибраторная), и как магнитная (щелевая) излучающая система. Обозначим ее входное сопротивление через У~ и заметим, что согласно принципу двойственности при взаимной замене металлической и щелевой частей структуры ее сопротивление изменяется и принимает значение Йт, определяемое, согласно (9.17), формулой А=2~9(4Л~) = (60п)9Яь При совпадении формы электрической и дополнительной магнитной частей структуры имеет место равенство А=2, и входное сопротивление оказывается равным Й~=Й= =60п Ом на любой частоте.
Простейший пример выполнения этого условия показан на рис. 10.21. Итак, можно сформулировать следующие принципы создания частотно-независимых антенн: 1) в антенне должно выполняться условие автоматической отсечки излучающих токов, гарантирующее постоянство электрического размера излучающей части антенны,— принцип отсечки токов; 2) форма антенны должна определяться в основном угловыми размерами; 3) Форма щелевой части плоской антенны должна совпада формой вибраторной части (принцип дополнительности). Первостепенное значение принадлежит принципу отсечки токов. Нарушение второго и третьего принципов в реальных антеннах не обязательно приводит к заметному ухудшению частотных свойств.
а $06. чАСТОтнО-ИЕЗАВНСНМые спИРАльные Антенны На рнс. 10.22 изображена простейшая плоская днапазонная антенна, плечи которой ограничены четырьмя логарифмическими спиралямн: Рг А ехр (сгт)~ Рз М~рг Рз А ахр )и тт пй Р4 МРз' Питание такой антенны, прорезанной в металлическом листе больших размеров, осуществляется с помощью гибкого коансиаль- Рнс.
10.23. Плоская днухзаходная спираль Архимеда Рнс. 10.22. Экануглояая спи- ральная антенна ного кабеля, проложенного вдоль одного из плеч. При числе витков 1,5 — 2,5 ДН антенны состоит нз двух широких лепестков, максимумы которых перпендикулярны плоскости антенны. Излученное поле в главных направлениях имеет в рабочем диапазоне частот 20:! эллиптическую поляризацию с коэффициентом эллиптичности не менее 0,5. Так как изменение частоты для такой антенны эквивалентно ее повороту в пространстве вокруг оси, перпендикулярной плоскости листа, то ширина лепестков не остается постоянной а периодически изменяется в пределах 40 — 50' во всем рабочем диапазоне частот. Коэффициент стоячей волны в 50-Ом коаксиальной линни на любых частотах рабочего диапазона не превышает 2,0.
Изменение параметров а н М не оказывает значительного влияния на диапа- зонные свойства антенны и приводит лишь к изменению среднего значения входного сопротивления. Экспериментально установлено, что хорошие результаты получаются при а=0,30 и М=0,62. Определенными недостатками эквиугловых спиральных антенн являются сложность формы и заметное «плавание» параметров прн изменении частоты. Эти недостатки преодолены в плоских архиме- ла аг аат г г Рнс. 10.24. Прогнаофазное (а) н сннфазное (б) нозбумденне ар- хннедонсннх сонральних антенн довских спиральных антеннах, построенных на основании принципа автоматической отсечки тока. Такие антенны проще по форме, а главное в их параметры являются более стабильными в диапазоне частот.
Здесь рассмотрим простейшие антенны на основе двухзаходных спиралей Архимеда, хотя на практике число заходов может быть увеличено до четырех н более. Плечи плоской двухзаходной спирали Архимеда описываются уравнениями р>(~р)=а~р+Ь, рз(~р) =а(нь — я)+Ь, где р, ~р — полярные координаты; а и Ь вЂ” постоянные величины. Антенна выполняется из двух проводников, которые, в частности, могут иметь плоскую форму и выполняться печатным способом на тонком листе высокочастотного диэлектрика (рис. 10.23). Расстояние между проводниками Лр и ширина проводников Ь постоянны по углу <р, причем обычно расстояние между проводниками берется равным ширине проводников (принцип дополнительности).
Возможны два режима возбуждения антенны. "иротивофазмый и синфазный. В противофазном режиме начальные точки спиралей А и В присоединяются к двухпроводной линии или же возбуждаются коаксиальные кабелем„проложенным вдоль одного из плеч. Направления токов в начальных точках спирали показаны на рис. 10.24,а. В синфазном режиме начальные точки спиралей 1 замы- каются между собой н присоединяются к внутреннему проводнику коаксиального кабеля 2 (рис. 10.24, б).
Наружный проводник кабеля присоединяется к противовесу в виде плоской металлической шайбы. Противовес может выполняться печатным способом на обратной стороне диэлектрического листа 3, несущего спиральные проводники. Центральная часть синфазной антенны вместе с противовесом представляет собой распределитель в виде несимметричной полосковой линии и в излучении не участвует. Направления токов в начальных точках спиралей при синфазном возбуждении показаны на рис. 10.24, б. Рассмотрим с физических позиций механизм образования излучения архимедовских спиральных антенн. В первом приближении антенну можно рассматривать как двухпроводную линию„свернутую в спираль. Предположим, что на каждом проводнике спирали имеется бегущая волна тока, причем расстояние между проводниками Лр~Х. Выясним фазовые соотношения токов в проводниках спирали при двух режимах возбуждения.
Вротнаофазное возбуждение. Пусть и начальных точках спирали (см, рис. 10.23) фазы токов равны: Фа=я и Фа — — О. Выделим две ~очки спирали, расположенные на разных ветвях, на одинаковых расстояниях 1 от точек А и В. Запаздывание фазы в этих точках по отношению к А и В одинаково и равно й(, и, следовательно, фазы токов в точках Р и Я: Фг= — в(+и, Фо= — р(. Пусть точки Р и Ц лежат на окружности радиуса р. Рассмотрим точку Р', соседнюю с точкой Р, но лежащую на другом проводнике спирали.
Дополнительное запаздывание фазы в точке Р' по отношению к точке 9 при Лр«Х приближенно составит — прр, и, следовательно, в точке Р' фаза тока Фр =-(я — прр. Разность фаз токов ЛФ в соседних проводниках спирали в точках Р' и Р составит ЛФ=Фа — Фг — — пйр+и. Найдем значения радиуса р„, при которых ЛФ=2пп, я=1„2,..., и токи в соседних проводниках в точках Р и Р' синфазны. Соответствующее условие имеет вид 2пр„= (2п — 1)Х, и=1, 2, ... Из него следует, что на окружностях с периметром, равным нечетному числу длин волн, токи в соседних проводниках спирали находятся в фазе и могут интенсивно излучать электромагнитные волны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
