Реферат: Види, параметри та принцип роботи антен

Для отримання односторонньої ДС та розширення робочого діапазону частот використовують антену, яка складається із напівхвильового активного вібратора, що розміщується паралельно плоскому екрану на відстані h. Для наближеного розрахунку ДС системи, вважають, що екран нескінченний. Тоді відповідно до методу дзеркальних зображень [ ] дану систему можна замінити системою паралельних вібраторів, що віддалені один від одного на відстань 2h (рис. 7.19).

Для визначення ДС системи скористуємося формулою (7.20). Оскільки кут θ відраховується від осі системи і враховуючи, що ф_о =π, а d=2h, набудемо:

ДС в електричній площині дорівнює співвідношенню

. (7.33)

ДС у магнітній площині дорівнює

. (7.34)

Розрахунки показують, що ДС у площинах Е та Н майже однакові, внаслідок чого КСД системи збільшується до 5...7. Оскільки екран ненастроєний, розширюється робочий діапазон частот. Тому така система широко використовується як первинний опромінювач дзеркальних антен.

Особливості конструкції та спрямованих властивостей директорних антен

З метою звуження ДС та підвищення КСД використовують директорну антену або антену типу “хвильовий канал” (в іноземній літературі – антена Яги або Уда-Яги). Така антена є лінійною дискретною системою, що складається із однаково орієнтованих та розміщених в одній площині одного активного вібратора, рефлектора та декількох директорів (рис. 7.20). Центри вібраторів приєднуються до металевої або діелектричної стріли.

Постановка більш одного рефлектора неефективна, оскільки поле за рефлектором слабке. Рефлектор розміщують на відстані (0,15...0,25)λ від активного вібратора. Кількість директорів, зазвичай, не перевищує 10...12. Відстань між ними (0,1...0,35)λ. Активний вібратор виготовляють на 3...5% коротшим напівхвильового; директори укорочені на 5...15%, а рефлектор на 2...5% довший напівхвильового. Директори збуджуються хвилею, що розповсюджується впродовж осі, утворюючи своєрідний “хвильовий канал”. Відповідно до цього директорна антена подібна антені біжучої хвилі.

Директорна антена формує ДС практично вісьосиметричної
форми. ШДС залежить від електричної довжини директорної антени, що визначається за відношенням L/λ (рис. 7.21).

Збільшення довжини антени призводить спочатку до більш швидкого, а потім до більш повільного звуження ДС. Це пояснюється більш слабким збудженням кожного наступного директора. Для здійснення умови 2θ_{0,5 p} <15^o використовують синфазні антени із директорних антен.

До переваг директорної антени належать: простота та жорсткість конструкції, до недоліків – це вузькосмуговість та складність настройки. Антена використовується на УКХ.

Логоперіодична антена

Логоперіодичні антени належать до частотно незалежних антен. В основу роботи таких антен покладений принцип електродинамічної подібності, тобто при одночасній зміні довжини хвилі та всіх геометричних розмірів, в однаковій пропорції, основні параметри антени (вхідний опір та діаграма спрямованості) залишаються практично незмінними. Характерною особливістю частотно-незалежних антен є те, що одночасно (на заданій хвилі) у роботі приймає участь тільки частина антени. При зміні довжини хвилі робоча область, зберігаючи свої відносні розміри (у долях хвилі), переміщується вздовж антени.

Одна із можливих конструкцій логоперіодичної антени наведена на рис.7.22.

На рис. 7.22 показана двопровідна лінія, до якої приєднані симетричні вібратори. Довжина вібраторів та відстань між ними збільшуються у міру віддалення від початку антени так, що всі вібратори виявляються подібними, а лінії, що з’єднують їх кінці, утворюють постійний кут αдля даної антени.

Коефіцієнт подібності τ(безрозмірний період структури) пов’язує довжину сусідніх вібраторів 2ℓ_{i −1} та 2ℓ_i , а також і відстані цих вібраторів R_{i −1} та R_i до вершини кута α співвідношенням

. (7.35)

Розглянемо принцип дії логоперіодичної антени. Оскільки вібратори відрізняються один від одного за довжиною, то всі вони резонують на різних частотах. На деякій частоті f_o , яка є резонансною для одного з вібраторів, вхідний опір такого вібратора стає чисто активним і дорівнює близько 73 Ом, а вхідний опір решти вібраторів буде комплексним. При цьому їх реактивні складові будуть тим більшими, чим більше довжина кожного відрізняється від резонансної. Це, в свою чергу, призводить до істотного зменшення струмів у вібраторах, що віддалені від резонансного, і зменшенню, внаслідок цього, їх впливу на сумарне поле випромінювання. Воно буде визначатися, так званою, активною областю антени (резонансним та найближчими до нього двома-трьома вібраторами). Нехай антена збуджується на хвилі, для якої вібратор 3 настроєний у резонанс. При цьому, оскільки довжина вібратора 4 є більшою за резонансну, а довжина вібратора 2 менша резонансної, то наведений, завдяки просторового зв’язку, струм у вібраторі 4 буде випереджати за фазою струм у вібраторі 3, а струм у вібраторі 2 буде відставати від струму у вібраторі 3. Отже, короткий вібратор 2 відіграє роль директора, а більш довгий вібратор 4 – рефлектора. Тому подібні антени випромінюють енергію переважно у межах однієї напівсфери у бік початку антени. Якщо частота генератора зменшиться і стане дорівнювати τf_o , то розпочне резонувати наступний, більш довгий вібратор. Збільшення частоти до значення f_o /τ викликає резонанс у більш короткому вібраторі.

Тому на всіх частотах, що дорівнюють

, (7.36)

де f_i − резонансна частота i-го вібратора.

ДС антени практично не змінюється.

Оскільки, при відображенні за логарифмічною шкалою, резонансні частоти повторюються через однакові інтервали, що дорівнюють

, (7.37)

то антени і набули назву логоперіодичних. На резонансних частотах f₁ , f₂ ,…,f_n електричні параметри антени практично зберігаються незмінними. Всередині інтервалів f₁ −f₂ , f₂ −f₃ , … , f_{n −1} −f_n ДС та вхідний опір дещо змінюються.

ДС логарифмічної антени визначається кількістю вібраторів активної зони та амплітудними (фазовими) співвідношеннями струмів у вібраторах. У свою чергу, кількість вібраторів активної зони і співвідношення струмів в них залежить від геометричних параметрів антени τ та α.

Найдовша хвиля робочого діапазону визначається максимально припустимими розмірами антени, довжиною вібратора, що резонує на найдовшій хвилі, довжина якою дорівнює 2ℓ_макс =λ_макс /2.

Найкоротша хвиля робочого діапазону обмежується можливою точністю побудови вібратора поблизу точок збудження (ℓ_мін =λ_мін /4). Граничні частоти робочого діапазону повинні вибиратися так, щоб за вібратором, що резонує на λ_макс , було б розміщено один-два більш
довгих вібраторів (рефлекторів), а перед вібратором, що резонує на λ_мін (ближче до точок живлення), два-три більш коротких вібраторів (директорів).

Практично, за допомогою логоперіодичних антен можна набути ДС, яка мало змінюється у головних площинах і коефіцієнт біжучої хвилі К_б у фідері (з відповідним хвильовим опором) не нижчий за 0,6...0,7. Оскільки у випромінюванні одночасно приймає мала кількість вібраторів, то ДС отримується достатньо широкою. Типова ДС логоперіодичної антени у двох головних площинах наведена на рис. 7.23.

Збільшення τ (до значення не більше 0,95) при незмінному α призводить до звуження ДС, оскільки при цьому збільшується кількість вібраторів, що входять в активну (робочу) область антени.

У розглянутій антені вібратори були розміщені в одній площині. На практиці знаходять застосування також і просторові логоперіо-дичні антени. Конструкція такої антени наведена на рис. 7.24. У такій антені провідники фідера розміщені під деяким гострим кутом γ один до одного, а плечі вібраторів, що приєднані до провідників фідера, знаходяться у різних площинах.

При цьому діапазонні властивості антени зберігаються практично незмінними, а максимум випромінювання у площині Н виявляється орієнтованим вздовж бісектриси кута γ в сторону точок живлення. ДС у площині Е (площина, що проходить через бісектрису кута γ та паралельна осям вібратора) приблизно така ж як і в плоскій антені. ДС у площині Н (площина YOZ) суттєво залежить від кута γ і при правильному його виборі може стати вужчою, ніж у площині Е. ШДС у площині Н залежить також від кута α: чим менший цей кут (чим довша активна частина антени), тим більш гострою буде ДС.