ЛЕКЦИЯ 11. АНТЕННЫ ПОПЕРЕЧНОГО И ОСЕВОГО ИЗЛУЧЕНИЙ УКВ ДИАПАЗОНА

11.1. Синфазные вибраторные антенные решетки

В этой лекции рассматривается устройство синфазных вибраторных антенн, применяемых для создания направленного излучения в метровом и дециметровом диапазонах волн.

Существует несколько модификаций схем питания вибраторов: последовательного питания, параллельного питания и их комбинации. Наиболее простой является схема, изображенная на рис.11.1.а, в которой вертикальные группы вибраторов питаются последовательно, но соединяются между собой параллельно на входе антенны. Вибраторы вертикальной группы подсоединяются к вертикальной двухпроводной линии. Поскольку напряжение в точках линии, удаленных друг от друга на λ/2, меняется на 180°, для обеспечения синфазности питания вибраторов, провода фидера перекрещиваются.

Входное сопротивление каждого вибратора определяется как сумма собственного и наведенных сопротивлений. Поскольку вибраторы подсоединяются к фидеру через λ/2, входные сопротивления вибраторов пересчитываются к началу линии (точки 1-1' и 2-2', рис.11.1.a), так что оказываются включенными параллельно. Для того чтобы результирующее активное сопротивление было соизмеримым с волновым сопротивлением фидера (реактивная компонента сопротивления устраняется благодаря настройке вибраторов в резонанс), необходимо, чтобы входное сопротивление вибраторов было велико. Это достигается выбором длины плеча вибраторов, близкой к λ/2, при которой собственное входное сопротивление вибратора весьма значительно. Распределение амплитуд токов, возбуждающих вибраторы вертикальной группы в схеме, изображенной на рис.11.1.a, близко к равномерному. Для сужения ДН в горизонтальной плоскости число вибраторов в этаже может быть увеличено. Неравномерное амплитудное распределение (для уменьшения уровня боковых лепестков) в горизонтальной плоскости может быть обеспечено подбором волновых сопротивлений параллельно включенных фидеров. Переход от двухпроводной линии к коаксиальному кабелю на выходе антенны осуществляется с помощью одной из схем симметрирующих устройств.

Недостатком описанной схемы является ее узкополосность, поскольку синфазность питания резко нарушается при отходе рабочей частоты от расчетной, при этом нарушается и амплитудное распределение в вибраторах вертикальной группы.

Значительно  более  широкополосной  является схема, изображенная   на рис. 11.1.б. Синфазность питания здесь достигается на любой   частоте,   поскольку     расстояния    от    входа    антенны   до    любого   вибратора одинаковы. Число этажей и число вибраторов в этаже  должно  быть равно 2^п, где   п = 1, 2, 3, ... . Подобная схема питания   значительно  сложнее предыдущей, особенно при большом числе вибраторов.

          Максимальное излучение синфазной решетки вибраторов ориентировано     нормально        к плоскости расположения вибраторов, причем    направленность излучения в
E-плоскости (плоскости, параллельной осям вибраторов)                               определяется числом вибраторов в oдном этаже, а в H-плоскости (плоскости,  перпендикулярной осям вибраторов) - числом этажей. Однонаправленность излучения достигается применением экранов (рефлекторов), отстоящих от активного полотна на расстоянии примерно λ/4. Рефлектор в диапазоне УКВ выполняется обычно либо сплошным, либо из проводов, параллельных вибраторам, натянутых на жесткой раме. Крепление вибраторов к экрану осуществляется с помощью металлических стержней, подсоединяемых к середине плеч вибраторов (в точке узла напряжения или нулевого потенциала) и не оказывающих поэтому влияния на их работу.

11.2. Антенны в печатном исполнении

Применение в диапазоне УКВ наряду с двухпроводными коаксиальными линиями и волноводами полосковых линий передачи привело к созданию специальных полосковых антенн, выполняемых методом печатных схем. Основным преимуществом подобных антенн на дециметровых и сантиметровых волнах являются малая масса, простота конструкции, высокая точность изготовления, возможность создания невыступающих конструкций. Полосковые излучатели особенно удобны в качестве элементов антенных решеток, причем использование печатной технологии существенно упрощает реализацию разветвленной схемы питания элементов.

Существует большое количество разновидностей печатных антенн. Наибольшее распространение получили печатные излучатели резонансного типа, представляющие собой пластину, расположенную над металлическим экраном на диэлектрической подложке и возбуждаемую коаксиальной или полосковой линией. Примером печатного излучателя резонансного типа является антенна, изображенная на рис.11.2.а. Антенна возбуждается несимметричной полосковой линией, расположенной с той же стороны экрана, что  и  антенна.  Излучение   антенны  определяется  электрическими  токами, текущими по поверхности пластины и экрана, а также токами смещения в диэлектрической подложке. На практике используется простая расчетная модель, согласно которой поле, созданное антенной, рассматривается как излучение магнитного тока, протекающего в щели между краем пластины и экраном перпендикулярно линиям электрического поля.

На рис.11.2.б показано распределение магнитного тока в антенне исходя из резонаторного подхода к полосковой антенне. Излучение формируется, в основном, щелями I и II, токи в которых, равномерно распределенные по длине, синфазны друг другу и образуют максимум излучения вдоль нормали к экрану. Излучение остальных щелей можно практически не учитывать ввиду противоположного направления текущих в них токов (см. рис.11.2.б).

Возбуждение синфазных решеток из печатных излучателей может осуществляться аналогично схеме, изображенной на рис.11.1. Для реализации на полосковых линиях передачи особенно удобны схемы разветвленного типа (фрагмент одной из  них  дан  на  рис.11.3),  обладающие максимальной широкополосностью. В зависимости от типа излучателя полосковые схемы питания могут располагаться с обратной или лицевой стороны от экрана.

Основным недостатком антенн в печатном исполнении являются малая электрическая прочность, узкополосностъ и сравнительно низкий КПД.

11.3. Многощелевые волноводные антенны

В диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн для получения узких ДН, максимум которых ориентирован по нормали к антенне или отклонен от нее на некоторый угол, широко используются многощелевые волноводные антенны. Обычно применяются щели, прорезанные в узкой или широкой стенке прямоугольного волновода, работающего в режиме волны H₁₀ и возбуждаемые токами, текущими на внутренней поверхности стенок волновода. Картина линий тока  в фиксированный  момент  времени  показана

на рис.11.4. Эпюры составляющих плотности тока приведены на рис.11.5, здесь же указаны направления этих токов.

Если щель, прорезанная в стенке волновода, пересекает линии плотности поверхностного тока, последний переходит в ток смещения, текущий перпендикулярно краям щели; между краями щели создается разность потенциалов. Подобная щель вызывает излучение электромагнитной энергии в окружающее пространство. Если узкая щель не прерывает линии плотности поверхностного тока, то она не возбуждается и соответственно не излучает.

Следовательно, продольная щель на узкой стенке волновода (см. рис.11.4) вызывает излучение независимо от ее положения. На широкой стенке волновода интенсивность возбуждения продольной щели зависит от положения щели. Максимальная интенсивность получается, когда щель находится вблизи края стенки; при расположении продольной щели в середине широкой стенки она не излучает, так как плотность поперечного тока J_k здесь равна нулю (см. рис.11.5). Поперечная щель на узкой стенке не излучает; интенсивность излучения                                                             поперечной щели на широкой стенке уменьшается при смещении центра щели относительно середины. Наклонные излучающие щели можно прорезать как на узкой, так и на широкой стенке. Интенсивность возбуждения таких щелей можно регулировать изменением угла наклона.

Щель, прорезанная в стенке волновода, представляет для волновода некоторую нагрузку и влияет на режим его работы. Часть энергии, идущей по волноводу, излучается щелью, часть - отражается от нее, как от всякой неоднородности, и направляется
обратно к генератору, часть - проходит
дальше. Влияние поперечной щели
прорезанной на широкой стенке
волновода, учитывается подключением
в длинную линию, эквивалентную волноводу,  последовательно включенного сопротивления Z = R + iX, а продольной – параллельно включенной проводимости Y = G + iB, причем при настройке щели в резонанс (некотором изменении длины щели по сравнению с λ/2) реактивные компоненты X и В обращаются в нуль.

Одним из возможных вариантов построения многощелевой волноводной  антенны   является  антенна  с   нерезонансным   возбуждением щелей, прорезанных в стенках волновода, нагруженного на согласованную нагрузку.    В    схемах    с    прямофазной    связью    щелей    с    волноводом, изображенной,   например,  на рис. 11.6.a,  когда фазы возбуждения щелей совпадают с фазой бегущей волны в точках размещения щелей, сдвиг фаз между соседними щелями ψ = 2πd/λ_B, где d - расстояние между центрами щелей;  λ_В - длина волны в волноводе.  Максимум излучения при этом отклоняется от нормали к оси волновода на угол

                            θ_ГЛ = arcsin(ψ/kd) = arcsin(λ/λ_B), (11.1) т.е.   направление   максимума   излучения   не   зависит   от   шага   d При использовании   стандартных   волноводов   λ_В ≈1,4λ соответственно   угол            θ_Гл ≈ 60⁰.

Для уменьшения  ψ  и соответствующего уменьшения θ_ГЛ используются схемы с    переменно-фазной связью, при которой ψ=2nd/λ_B+π. Дополнительный сдвиг, равный π, достигается, например, за счет шахматного расположения продольных щелей на широкой стенке волновода (рис.11.6.б), возбуждаемых поперечными токами, текущими в разные стороны от оси волновода (см. рис.11.4). Аналогичного эффекта можно достичь, прорезая наклонные щели на узкой стенке волновода с переменным углом наклона (рис.11.6.в). Излучение таких щелей определяется, в основном, составляющей вектора   Е в щелях, параллельной оси волновода.

В нерезонансных переменно-фазных антеннах шаг решетки d выбирается несколько отличным   от   λ_B/2.   При   этом   отражения   от отдельных    щелей    в   значительной    степени взаимно    компенсируют   друг   друга    и    антенна   оказывается    хорошо согласованной   с   питающим   волноводом.   Кроме   того,   можно   считать особенно при большом числе щелей (N>15), что режим, близкий к бегущей волне, устанавливается по всей длине антенны.

При одинаковом смещении щелей относительно средней линии или значении угла наклона щелей γ (рис.11.6.a) наблюдается ослабление интенсивности возбуждения щелей по мере их приближения к нагрузке. Это объясняется постепенным уменьшением мощности, бегущей по волноводу, из-за излучения ее щелями («вытекания» энергии). Мощность, поглощаемая в согласованной нагрузке, составляет обычно 5... 10% (КПД η = 0,9...0,95).

Расчет положения щелей производится исходя из требуемого амплитудного распределения вдоль антенны и величины КПД. В частности, постепенно увеличивая   расстояние  между  продольными  щелями  и   средней   линией  или увеличивая угол γ по мере приближения к нагрузке, можно реализовать равноамплитудное возбуждение щелей.

Ширина щели независимо от ее расположения выбирается исходя из условий обеспечения необходимой электрической прочности и требуемой полосы рабочих частот.

Диаграмма   направленности   многощелевой   антенны   в   плоскости, проходящей    через    ось    волновода,    определяется    как    произведение                                          f₁(φ)·f_c(φ), где f₁(φ) – ДН одной щели с односторонним   излучением - может быть рассчитана по формулам для бесконечного экрана, а множитель системы f_c(φ) зависит от амплитудного и фазового распределений вдоль антенны и количества щелей. При d > λ_B/2 максимум излучения отклонен от нормали к оси антенны в сторону согласованной нагрузки, при d < λ_В/2 -  в сторону генератора. В плоскости, перпендикулярной оси волновода, ДН определяется   только   направленными   свойствами   одной   щели,   приблизительно так же, как для плоского экрана конечных размеров.

 При   изменении   частоты   генератора   изменяется   отношение    λ/λ_В    и, следовательно,    в    соответствии    с    (11.1)    изменяется    угол    θ_ГЛ . Это обстоятельство используется при  создании  антенн с частотным сканированием. Для повышения углочастотной зависимости, т.е. скорости изменения θ_ГЛ при изменении  частоты генератора, используются волноводы змейкообразной формы либо специальные с повышенной дисперсией. Основным недостатком нерезонансных антенн является «эффект нормали», заключающийся в резком рассогласовании антенны с питающим волноводом на частоте, при которой шаг решетки           d = λ_B/2 и излучение должно быть направлено по нормали к антенне. При таком шаге отражения от отдельных щелей уже не компенсируют друг друга, в результате чего наблюдается сильное отражение энергии от входа антенны. Для   формирования   максимума   излучения   по нормали     к      оси      антенны      используются резонансные антенны, например, на основе продольных щелей, размещаемых в шахматном порядке на широкой стенке волновода (рис.11.7.а). Щели располагаются на расстоянии λ_B/2, что обеспечивает синфазность их возбуждения. Для устранения, рассогласования, свойственного синфазному возбуждению щелей, антенны снабжают короткозамкнутым поршнем и специальным образом подбирают величину смещения щелей.

Для максимальной интенсивности возбуждения продольных щелей необходимо, чтобы расстояние от поршня до центра крайней щели составляло λ_B/4; при этом щель попадает в пучность поперечной составляющей поверхностного тока (см. рис.11.7.а).

Эквивалентная схема подобной антенны приведена на рис.11.7.б. При одинаковом смещении всех щелей относительно средней линии волновода эквивалентные проводимости всех щелей равны. Поскольку напряжения (рис.11.7.в) в точках, отстоящих вдоль длинной линии на λ_B/2, равны по амплитуде, все щели, несмотря на уменьшение мощности, переносимой вдоль волновода, из-за излучения, возбуждаются с одинаковой интенсивностью. Суммарная входная проводимость антенны, состоящей из N щелей, будет равна G^'_BX = N G^' , где G^'— эквивалентная проводимость одной щели. Для согласования антенны с питающим волноводом обычно выбирают G^'_BX = l, тогда G^' = 1/N. Последнее условие реализуется соответствующим выбором смещения щели x₁. При этом режим волны в антенне меняется от чисто стоячей (вблизи короткозамкнутого поршня, см. рис.11.7.в) до бегущей на входе антенны. Для реализации неравноамплитудного возбуждения, например, спадающего к краям для уменьшения УБЛ, необходимо смещение щелей уменьшать по мере удаления щелей от середины антенны.

Практически удовлетворительное согласование получается только в очень узкой полосе частот, что является основным недостатком резонансных антенн.

Рассмотренные выше нерезонансные волноводно-щелевые антенны (ВЩА) представляют собой один из вариантов антенн вытекающей волны. Антенны этого типа реализуются путем внесения различных излучающих неоднородностей в линию передачи энергии, вызывающих «вытекание» части энергии, переносимой данной линией. Неоднородности могут быть выполнены в виде щелей, отверстий, решетки из металлических полосок или непрерывной узкой щели, прорезанной, например, в боковой стенке прямоугольного волновода. Распределение амплитуд в антенне вытекающей волны зависит в основном от размеров щелей и отверстий, а также от расстояний между ними. Фазовое распределение в антенне соответствует закону бегущей волны и определяется главным образом фазовой скоростью в невозмущенной линии передачи; следовательно, направление максимального излучения определяется в соответствии с (11.1). В практических конструкциях достигается                   10⁰ < θ_ГЛ < 85⁰. Амплитудное и фазовое распределения могут регулироваться почти независимо друг от друга, особенно для длинных антенн, что позволяет реализовывать широкий класс ДН.

11.4. Директорные антенны

Директорные антенны (антенны типа «волновой канал») широко используются на метровых и дециметровых волнах в качестве направленных антенн осевого излучения.

Антенна состоит из одного активного и нескольких пассивных вибраторов. Ток в пассивном вибраторе наводится за счет поля, излучаемого активным вибратором.

Чтобы пассивный вибратор работал в качестве рефлектора, его полная длина должна быть несколько больше 0,5λ. Для работы в качестве директора длина пассивного вибратора должна быть несколько меньше 0,5λ.

Увеличить направленность излучения можно одновременным использованием нескольких пассивных вибраторов. Обычно функцию рефлектора выполняет только один пассивный вибратор (рис.11.8), так как при установке дополнительных пассивных вибраторов они будут возбуждаться очень слабо. Иногда для уменьшения уровня излучения в заднем полупространстве используются дополнительные рефлекторы, расположенные над основным рефлектором и под ним. Число директоров может быть достаточно большим, поскольку каждый предыдущий директор направляет энергию в сторону последующего (отсюда название «волновой канал»), тем самым создавая благоприятные условия для возбуждения директоров.

При     надлежащей     настройке     антенны     ток, наведенный в рефлекторе, должен опережать по фазе ток в активном вибраторе. Токи в директорах должны отставать по фазе, причем тем сильнее, чем дальше отстоит директор от активного элемента. При этом максимум излучения направлен вдоль оси антенны (в сторону директоров).

В настоящее время разработано большое число различных конструкций директорных антенн УКВ диапазона. Расстояние между активным вибратором и рефлектором берется равным (0,15...0,25)λ. Первый директор отстоит от активного вибратора на (0,1...0,35)λ. Такое же расстояние выбирается между директорами. Иногда для расширения диапазона рабочих частот первый директор устанавливают на малом расстоянии (0,05λ) от активного вибратора. Длина последнего выбирается из условия компенсации реактивной составляющей входного сопротивления (с учетом наведенных сопротивлений). Длины рефлектора и директоров отличаются от длины активного вибратора примерно на 5...10% в сторону удлинения и укорочения соответственно.  С  целью уменьшения боковых лепестков  длины  директоров уменьшают по мере их удаления от активного вибратора. Директорную антенну можно выполнить также в печатном варианте.

В качестве активного вибратора обычно применяется петлевой вибратор. Это объясняется тем, что за счет влияния пассивных вибраторов (наведенного сопротивления) входное сопротивление активного вибратора в директорной антенне уменьшается. При использовании обычного полуволнового активного вибратора его входное сопротивление в составе антенны уменьшается до 20...30 Ом, что затрудняет согласование антенны с питающей линией. Собственное входное сопротивление петлевого вибратора (около 300 Ом) в 4 раза больше, чем у обычного симметричного вибратора, поэтому даже под влиянием соседних пассивных вибраторов оно остается достаточным для согласования. Кроме того, этот вибратор можно крепить в точке нулевого потенциала непосредственно к металлическому стержню (см. рис.11.8). Пассивные вибраторы также крепятся (обычно привариваются) в средней точке к этому стержню, что очень удобно в конструктивном отношении. Питание антенны обычно осуществляется по коаксиальному кабелю с использованием симметрирующего устройства типа "U-колено".

Недостатком антенны является ограниченность ее рабочего диапазона. При изменении длины волны расширяется главный лепесток, возрастает уровень боковых лепестков, увеличивается излучение в обратном направлении, нарушается согласование антенны с питающим фидером. Антенна может использоваться в полосе частот примерно 5...15% от основной частоты.

Директорные антенны широко применяются в качестве приемных телевизионных антенн и в радиолокации. От одиночной директорной антенны обычно не удается получить ширину ДН менее 15...20°. Для получения более узких ДН антенны объединяют в синфазные решетки поперечного излучения.

Другим способом повышения КПД таких антенн со сравнительно небольшим числом вибраторов является построение на их основе антенн обратного излучения. Для этого антенна снабжается плоским отражателем, который располагается вблизи последнего директора (рис.11.9). Максимальное излучение антенны получается в направлении, обратном направлению максимума ДН директорной антенны. По принципу действия антенны обратного излучения несколько напоминают параболические, однако отличаются от них значительно более простой формой отражателя. При больших размерах плоского экрана (D>1,1) параметры антенны ухудшаются, что объясняется появлением на краях отражателя противофазно возбуждаемых областей из-за большой разности хода от активного вибратора до центральной и крайних точек отражателя. В связи с этим краям отражателя придается ступенчатая форма (см. рис. 11.9, штриховая линия).

Отметим, что антенны обратного излучения могут быть построены на основе других антенн осевого излучения, например стержневых диэлектрических антенн или спиральных излучателей.

Следует иметь в виду, что основное преимущество антенн обратного излучения - уменьшение продольных размеров - достигается за счет существенного возрастания поперечных размеров.

11.5. Логопериодические вибраторные антенны

Логопериодические антенны (ЛПА) относятся к классу сверхширокополосных  антенн, сохраняющих при изменении частоты как ДН, так и величину входного сопротивления. Работа антенны
основана на принципе электродинамического подобия, согласно которому при изменении размеров антенны в определенное количество раз и изменении длины волны во столько же раз характеристики антенны останутся без изменения. Существует большое число различных модификации ЛПА. Рассмотрим вариант вибраторной ЛПА, приведенной на рис.11.10. Антенна состоит из линейных вибраторов, присоединенных к двухпроводной линии. Возбуждение осуществляется с помощью коаксиальной  линии, которая проложена внутри одного из проводов двухпроводной линии, имеющей форму трубки. Подобный переход от коаксиальной к двухпроводной линии не требует симметрирующего устройства. Длины вибраторов удовлетворяют соотношению

l_n /l_n+1 =τ,

где τ - период структуры, независимо от номера n (n = 1, 2, ...). Линии, соединяющие концы вибраторов, образуют угол α.

По принципу действия подобная ЛПА напоминает директорную антенну. На частоте f₀  резонирует, т.е. возбуждается наиболее интенсивно вибратор, длина плеча которого близка к  λ₀/4 (λ₀ =c/f₀ ), поскольку входное сопротивление этого вибратора можно считать активным. Другие вибраторы возбуждаются значительно слабее, так как входное сопротивление их велико из-за большой реактивной составляющей. Активная область антенны,   формирующая   излученное   поле, включает обычно три - пять вибраторов, в том числе резонансный и прилегающие к нему с двух сторон. Фазовые соотношения токов  в  вибраторах  активной  области  определяются  длиной 

вибраторов, взаимным влиянием и поочередным подключением их к разным проводникам питающей линии. При этом оказывается, что токи в более коротких вибраторах отстают, а в более длинных - опережают по фазе ток в резонансном вибраторе. Соответственно более короткие вибраторы работают в режиме директоров, а более длинные выполняют функцию рефлектора. Максимум излучения направлен в сторону вершины антенны.

Если частота генератора уменьшится и станет равной τf₀, то начнет резонировать следующий, более длинный вибратор, соответственно активная область переместится в сторону более длинных вибраторов. Напротив, при увеличении частоты активная область сместится к вершине антенны. На всех частотах f_n =τ^n-1f₁, где n - номер вибратора; f_n - резонансная частота n-го вибратора, свойства антенны остаются неизменными. В интервалах между резонансными частотами свойства антенны меняются, но незначительно. Прологарифмировав, получим lnf_n =(n-1)lnτ + lnf_1. В логарифмическом масштабе резонансные частоты повторяются через интервалы, равные lпτ, что и определило название антенны этого класса.

Из изложенного ясно, что ширина рабочей полосы частот ЛПА с нижней стороны ограничивается допустимыми размерами самых длинных вибраторов (λ_mах ≈ 4l_mах ), а с верхней стороны - возможной точностью выполнения вибраторов вблизи точек питания (λ_min ≈4l_min). Практически можно получить примерно в десятикратном диапазоне волн (f_max/f_min =10) почти неизменную ДН. В этом же диапазоне КБВ в фидере не падает ниже 0,6... 0,7. Следует учитывать, что вследствие перемещения активной области по длине антенны с изменением частоты меняется также положение фазового центра антенны. Последнее обстоятельство не имеет значения, например, при приеме телевизионных программ, но принципиально при использовании ЛПА в качестве облучателя параболических антенн (см. лк.9), а также при работе с широкополосными сигналами.

Расчет токов в вибраторах ЛПА требует учета их взаимного влияния не только по свободному пространству, но и по проводам питающей линии.

В связи с тем, что в излучении на данной частоте участвует только несколько вибраторов, ДН получается довольно широкой, причем в Е-плоскости (плоскость, в которой расположены вибраторы) получается уже, чем в H-плоскости. Увеличение τ при неизменном α сужает ДН, так как увеличивается число вибраторов, входящих в активную область. Уменьшение угла α при неизменном τ также сужает ДН, поскольку при этом увеличивается расстояние между соседними вибраторами, т.е. активная область расширяется. Сказанное справедливо только до некоторых критических значений τ_mах≈0,95 и α_min≈10°.

Если провода линии, питающей ЛПА, разместить под углом друг к другу, то получится пространственная ЛПА (рис.11.11).

Диаграмма   направленности   такой   антенны   в   H-плоскости   получается значительно уже, чем у плоской ЛПА, за счет влияния множителя системы, образованной разнесением в H-плоскости активных областей каждого из полотен. В E-плоскости вид ДН остается практически прежним. Провода питающей линии в подобной конструкции вызывают излучение с паразитной поляризацией,    однако оно, как правило, невелико.

В диапазоне УКВ логопериодические антенны применяются в качестве широкополосных
облучателей параболических и линзовых антенн,
приемных телевизионных антенн и т.д.
На практике используются также вертикальные
синфазные ЛПА (рис.11.12), максимум излучения
которых перпендикулярен плоскости полотна
антенны. Вибраторы такой антенны питаются
двухпроводной линией. Сужение ДН в горизонтальной плоскости достигается применением двух или трех секций, питаемых синфазно. Такие ЛПА с рефлектором используются в секторных антеннах, применяемых в сотовой радиосвязи.   В   частности,   антенна,   состоящая   из   двух   полотен   по  6 вибраторов имеет коэффициент усиления порядка 13 дБ.

11.6. Антенны вращающейся поляризации 11.6.1. Турникетный излучатель

В простейшем варианте турникетный излучатель состоит из двух симметричных электрических вибраторов, расположенных перпендикулярно друг к другу (рис.11.13). Возбуждение вибраторов осуществляется токами равной амплитуды, но сдвинутыми по фазе на 90°. В точке А, лежащей на оси z (см. рис. 11.13), векторы электрического поля, излучаемого вибраторами, ортогональны друг другу, имеют равные амплитуды и сдвинуты по фазе на 90°, что обеспечивает в этой точке круговую поляризацию результирующего поля. При отклонении точки наблюдения   от  оси   фазовые   соотношения   между  компонентами полей сохраняются, однако амплитудные соотношения нарушаются.

Так, в точке В, лежащей в плоскости yoz (см. рис.11.13), амплитуда компоненты поля, созданного вибратором, ориентированным вдоль оси у, уменьшается, в результате поле имеет эллиптическую поляризацию. В точках, расположенных в плоскости хоу, поляризация линейная, поскольку оба вибратора создают в этих точках только одну пространственную компоненту электрического поля, лежащую в плоскости хоу, причем в точках на оси каждого из вибраторов (точки С, D, Е и F на рис.11.13) поле создается только за счет излучения другого вибратора. Диаграмма направленности в данной плоскости имеет круговую форму.

Особенностью турникетного излучателя является зависимость фазы излученного поля от угловых координат точки наблюдения. Для доказательства этого достаточно рассмотреть поля в точках С и D и сравнить их между собой: они равны по амплитуде, но отличаются по фазе на π/2. Следовательно, турникетные антенны не имеют фазового центра. Излучение антенны в нижнее полупространство обычно устраняется за счет экрана, отстоящего от плоскости расположения вибраторов на 0,25λ. Подводка питания к каждому вибратору осуществляется обычно коаксиальным кабелем с использованием симметрирующего устройства, которое удобно крепить к экрану. Входы симметрирующих устройств соединяют между собой. Фазовый сдвиг может быть реализован включением в тракт питания одного из вибраторов дополнительного отрезка линии длиной λ_B/4, где λ_B - длина волны в линии.

Турникетные антенны используются иногда при построении телевизионных передающих антенн с горизонтальной поляризацией. Излучение по оси z в таких антеннах подавляется за счет использования нескольких турникетных излучателей, параллельных друг другу и смещенных по оси z на 0,5λ

11.6.2. Спиральные антенны

Спиральные антенны широко применяются в диапазонах сантиметровых, дециметровых и реже метровых волн. Рассмотрим сначала цилиндрическую спиральную антенну, изображенную на рис.11.14.а. Антенна состоит из спирального провода, соединенного с внутренним проводником возбуждающего коаксиального кабеля. Внешний провод (оплетка) кабеля присоединяется к металлическому диску (экрану), который препятствует проникновению тока, текущего по внутренней поверхности кабеля, на его наружную поверхность. Кроме того, диск играет роль рефлектора, уменьшая излучение антенны в заднее полупространство.

При диаметре спирали d (рис.11.15.а), меньшем 0,18λ, антенна работает как штыревая с малым сопротивлением излучения. При диаметре спирали большем 0,45λ, ДН антенны раздваивается относительно оси.

При диаметре спирали (0,25...0,45)λ антенна создает максимальное излучение вдоль оси по направлению движения волны тока.

В спиральной антенне с длиной витка, равным примерно длине волны (L ≈ λ) и при числе витков больше трех устанавливается режим бегущей волны.

На рис.11.15.б штриховыми линиями показано распределение токов на отрезке прямого провода: I(t₁) - для момента времени t₁ и для последующего момента времени t₂. На рис.11.15.в и 11.15.г показаны распределения токов в одном витке спирали, соответствующие моментам времени t₁ и t₂. Как видно, в каждый момент времени излучение витка эквивалентно излучению двух изогнутых синфазно возбужденных вибраторов, создающих максимум излучения вдоль оси витка. Положение этих вибраторов по времени непрерывно меняется с круговой частотой ω, в результате вдоль оси создается излучение с вращающейся поляризацией. При прохождении бегущей волны тока по спирали создается эллиптическая (близкая к круговой) поляризованная волна.

Для обеспечения режима осевого излучения диаметр спирали d выбирают так, чтобы длина витка L была примерно равна длине волны тока в спирали λ_СП (при этом d ≈λ_СП /π).

Теоретические  исследования показывают, что в бесконечной спирали при условии L ≈ λ_СП устанавливается режим бегущей волны тока с фазовой скоростью и  0,8с (с/υ = 1,25), где с - скорость света, и длиной волны  λ_СП ≈ λυ /с, где λ - длина волны в свободном пространстве. При укорочении длины волны λ, фазовая скорость повышается, приближаясь к скорости света, при удлинении волны υ уменьшается. В спирали конечной длины имеет место отражение от конца, но оно невелико (коэффициент отражения не превышает 0,2). Кроме того, в начале и конце антенны возникают высшие типы волн. Обычно в первом приближении отражением и высшими типами волн пренебрегают и считают, что амплитуда тока постоянна по длине антенны.

Определим более точно требования к длине витка L, учитывая, что реально виток за счет шага намотки S не лежит в одной плоскости. Развертка одного витка спирали показана на рис. 11.14.б.

Сдвиг фаз между полями двух соседних витков в точке на оси антенны складывается из набега фазы бегущей волны тока по витку спирали ψ = βL и разности фаз за счет шага намотки ψ₁ = kS . Результирующий фазовый сдвиг Δψ = ψ - ψ₁. Для обеспечения максимума КНД необходимо, как известно, чтобы этот сдвиг был близким к π/n, где п - число витков. Однако, поскольку в спирали в режиме осевого излучения величина ψ велика (близка к 2π), обеспечить максимум КНД можно только при условии, что Δψ=2π+π/n. Отсюда получаем:

При выполнении этого условия и большом п поляризация поля на оси спирали близка к круговой. Более оптимальные условия для круговой поляризации получаются при несколько меньшем значении L = (S + λ)υ/с, которое можно найти из условия Δψ = 2π . При этом условии поля элементов витка, разнесенные на четверть его длины и формирующие излучение с взаимно перпендикулярной поляризацией, сдвинуты по фазе точно на π/2. При отклонении точки наблюдения от оси поляризация становится эллиптической.

Поскольку с укорочением λ, отношение υ/с увеличивается (и наоборот), условие (11.2) и, следовательно, направленные свойства практически сохраняются в сравнительно широкой полосе частот, примерно от (0,7...0,8)λ₀ до 1,2λ₀, где λ₀ - расчетная длина волны.

Характеристику направленности спиральной антенны можно рассчитать по формуле

f(φ)= cos φ • sin{(kn/2)[(c/υ)L - S cos φ]}/ sin{(k/2)[(c/υ)L - S cos φ]} .

Ширина главного лепестка ДН рассчитывается по формулам:

КНД антенны D =15(L/λ)²·n·S/λ

Входное сопротивление антенны получается чисто активным и равным R_ВХ≈140L/λ.

Для достижения максимальной широкополосности угол намотки α выбирается равным 12...15° (S = 0,15...0,3λ). Радиус экрана (сплошного или решетчатого) обычно берется равным (0,5...0,8)l, где l - длина спирали (см. рис.11.14.a) Ширина ДН цилиндрической спиральной антенны по половинной мощности обычно не меньше 20...25°. Для улучшения направленных свойств спиральные антенны соединяются в антенные решетки поперечного излучения.

Конические спиральные антенны (рис.11.16) обладают лучшими диапазонными свойствами, чем цилиндрические спиральные антенны. Осевое излучение таких антенн  формируется  не  всей  антенной, а  лишь  активной областью, т.е. витками, длина которых близка к λ. Минимальную длину витка выбирают равной 0,75λ_min, а максимальную -1,3λ_mах. С изменением частоты активная область перемещается вдоль оси антенны.

Широкое применение находят плоские спиральные антенны, в том числе антенны в виде архимедовой спирали (рис.11.17.а). Двухзаходная спиральная антенна может выполняться печатным способом и возбуждается либо двухпроводной линией, либо коаксиальным кабелем, проложенным вдоль одного из плеч (вдоль другого плеча                     прокладывается для сохранения симметрии    холостой  кабель, рис.11.17.б). Антенну можно рассматривать как свернутую в спираль двухпроводную линию, причем в начальной части антенны токи в соседних витках находятся в противофазе и соответственно не излучают. С удалением от точек питания фазовый сдвиг между токами в соседних витках уменьшается за счет разности хода. Действительно, элементы 1 и 2, расположенные по обе стороны от окружности радиусом r₀ на разных заходах спирали, имеют разность хода, равную половине длины этой окружности, т.е. Δr = πr₀. С учетом противофазного возбуждения разность фаз элементов 1 и 2 будет ψ = kΔr + π. При r₀ = λ/2π величина ψ = 2π, т.е. соседние витки возбуждаются синфазно в режиме бегущей волны. Эти витки и формируют поле излучения с круговой поляризацией в направлении оси антенны, которое сохраняется в широкой полосе частот. Нижняя частота определяется внешним диаметром спирали, а верхняя - точностью выполнения антенны вблизи точек питания.

Диаграмма направленности состоит из двух широких лепестков, ориентированных нормально к плоскости спирали. Можно также получить одностороннее излучение спирали, если позади нее поместить экран (обычно на расстоянии λ₀/4, где λ₀ - длина волны на средней частоте диапазона), однако наличие экрана сужает рабочую полосу частот.

Описанные типы спиральных антенн кроме самостоятельного применения используются, как уже отмечалось, в качестве облучателей зеркальных антенн, элементов различных решеток, в том числе фазированных антенных решеток.

11.7. Антенны поверхностных волн (АПВ)

11.7.1. Диэлектрические стержневые антенны

Диэлектрические стержневые антенны,
относящиеся к антеннам осевого излучения,
наиболее широко применяются в диапазоне
сантиметровых волн. Антенны представляют
собой диэлектрический стержень, выполненный
из высокочастотного диэлектрика с малыми
потерями (полистирол, тефлон и др.). Возбуждение         обычно         осуществляется отрезком волновода прямоугольного или круглого сечения (рис. 11.18). Структура поля в волноводе соответствует волне основного типа - H₁₀ (прямоугольный волновод) или H₁₁ (круглый волновод).

При бесконечной длине стержня указанный        способ        возбуждения приводит к возникновению в стержне как    в    диэлектрическом    волноводе бегущей волны гибридного типа НЕ₁₁, имеющей продольные составляющие как магнитного, так и электрического поля. Структура поля    этой    волны изображена на рис. 11.19.

Волна НЕ₁₁ относится к, так
называемым, поверхностным волнам,
поле которых при удалении от
поверхности стержня в радиальном
направлении убывает по закону,
близкому к экспоненциальному. Физически возникновение поверхностной       волны объясняется эффектом полного внутреннего отражения на границе раздела диэлектрик - воздух. Фазовая скорость волны υ зависит от материала стержня. Чем больше диаметр стержня, тем ближе υ к скорости света в неограниченном диэлектрике, т.е. к величине  где ε₁ - относительная диэлектрическая проницаемость материала стержня. С уменьшением d величина υ с, при этом волна слабо связана со стержнем. Зависимость υ/c от ε₁ и отношения d/λ приведена на рис.11.20. Особенностью волны НЕ₁₁ в диэлектрическом  волноводе  является  отсутствие  критической длины волны (λ_kp=∞), т.е. волна может распространяться в стержне при любом его диаметре. Однако при большом диаметре в стержне могут возбудиться волны высших типов, что нежелательно, т.к. они искажают ДН.

Отметим, что поверхностной волной НЕ₁₁ передается только часть мощности (P₁), подведенной к возбуждающему волноводу. Остальная часть мощности (Р₂) непосредственно излучается возбудителем в окружающее пространство. Соотношение между этими мощностями определяет эффективность возбудителя β = Р₁ /(Р₁ + Р₂) .

При конечной длине диэлектрического стержня можно приближенно
полагать, что структура поля остается такой же, как в бесконечном
волноводе, однако обрыв стержня приводит к возникновению излучения.
Результирующая ДН антенны определяется взаимодействием излучения,
формируемого за счет конечности стержня, и непосредственного излучения возбудителя. Сложный характер формирования ДН затрудняет оценку точного положения фазового центра. В первом приближении считают, что он находится в средней точке по длине стержня.

Приближенно   можно   считать,    что   по направленным      свойствам      диэлектрическая антенна соответствует непрерывной системе излучателей, возбуждаемых с равной амплитудой   и линейным изменением фазы, характерным для антенны бегущей волны. Роль излучателей   играют,   так   называемые, токи поляризации, плотность которых определяется разностью диэлектрической     проницаемости стержня и диэлектрической проницаемости окружающей среды.

Как видно из рис.11.19, токи поляризации, соответствующие волне НЕ₁₁, имеют преимущественное направление, параллельное оси х, и формируют линейно поляризованное поле излучения. Направленные свойства каждого элементарного излучателя могут не учитываться в приближенных расчетах основного лепестка результирующей ДН. Однако в области первых боковых лепестков ДН излучающего элемента может оказать сильное влияние.

Отраженная волна от конца стержня приводит к появлению в ДН дополнительных боковых лепестков, соответствующих излучению антенны в обратную сторону. Коэффициент отражения зависит от скорости υ волны в стержне. Для уменьшения отраженной волны стержню придают коническую форму (рис 11.18.б); что приводит к постепенному росту фазовой скорости υ и приближению ее к скорости света с у конца стержня. Уровень боковых лепестков у конической антенны получается меньше. На рис.11.21 приведены результаты точного расчета ДН двух антенн длиной L = 3,Зλ:

конического стержня с максимальным диаметром  d_max = 0,627λ  и  углом  α = 4° (сплошная линия) и цилиндрического стержня с диаметром, равным среднему диаметру конического стержня (штриховая линия). Диэлектрическая проницаемость в обоих случаях ε_r =2,5.

Диэлектрические     антенны     являются сравнительно   широкополосными.   Диапазон рабочих частот определяется, в основном, свойствами возбуждающего волновода. Ширина ДН по уровню половинной мощности одиночной диэлектрической антенны составляет обычно не менее 20...25°. Применяются диэлектрические антенны как самостоятельные излучатели, облучатели зеркал и элементы различных антенных решеток поперечного излучения.

Используются также ребристо-стержневые антенны, аналогичные по своим свойствам диэлектрическим стержневым антеннам (рис.11.22.a). Для получения вращающейся поляризации возбуждение ребристо-стержневых антенн осуществляется спиральным излучателем (рис.11.22.б).

11.7.2. Плоские антенны поверхностных волн

Наряду с диэлектрическими стержневыми антеннами применяют плоские диэлектрические и ребристые (гофрированные) антенны, получившие также название импедансных.
Антенны состоят из возбудителя, например,
рупорного типа и структуры, направляющей
волну, в виде слоя диэлектрика на металле
или ребристой поверхности (рис.11.23).
Ребристые структуры обычно применяются в
сантиметровом      диапазоне         волн.

Диэлектрические структуры, имеющие несколько большие потери, предпочтительны в дециметровом диапазоне из-за конструктивных преимуществ. Антенны могут быть также снабжены экраном, выступающим перед направляющей структурой. Роль экрана может играть поверхность корпуса объекта на котором расположена антенна.

При соответствующем выборе параметров направляющей структуры поле над ней имеет характер поверхностной волны типа Е, не обладающей критической   длиной   волны    (λ_kp= ∞),   причем    при    указанном   способе возбуждения вектор магнитного поля параллелен оси у, а электрическое поле кроме Ė_Z имеет составляющую Ė_X. Направляющую структуру принято характеризовать поверхностным сопротивлением (импедансом), равным отношению   касательных   к  поверхности  составляющих  векторов  Ė   и  

Z_S =.

Величина Z_S для ребристой структуры зависит от глубины канавок, для диэлектрического слоя - от диэлектрической проницаемости ε_r и толщины слоя. Для поддержания поверхностной волны сопротивление Z_S = iX_S должно иметь индуктивный характер. Для ребристой поверхности это достигается, если глубина канавок не превосходит 0,25λ.

Направленные свойства плоской АПВ, как и диэлектрической стержневой антенны, определяются, в основном, взаимодействием излучения, вызываемого ограниченными размерами направляющей поверхности, и непосредственного излучения возбуждающего устройства. Приближенно ДН может быть вычислена так же, как для антенны бегущей волны длиной L с замедленной фазовой скоростью. На форму ДН в Е-плоскости влияют также токи, возбуждаемые на экране. Конечность экрана приводит к отклонению максимума излучения от продольной оси антенны на некоторый угол. Отметим, что точный расчет оптимальной длины антенны затруднен ввиду сложной зависимости ее от эффективности работы возбудителя.

Преимуществом плоских АПВ является малая высота. Подобные антенны практически не выступают над поверхностью объекта, на котором они установлены, поэтому их особенно целесообразно использовать на самолетах и других передвижных объектах.

11.7.3. Синтез плоских АПВ

Направленные свойства АПВ можно существенно улучшить, если применить структуру с переменными по длине параметрами (модулированные антенны). Такими параметрами могут быть глубина канавок в ребристой структуре или толщина слоя диэлектрика и форма направляющей поверхности. С помощью модулированных антенн можно достичь повышения КПД или получить ДН специальной формы, например секторной, косекансной или с малым УБЛ.

Рассмотрим задачу синтеза антенн с высокой направленностью излучения. В обычных АПВ, излучение которых определяется длиной антенны и коэффициентом замедления волны, получение узких ДН не может быть реализовано по следующим причинам. В случае малых 2θ_0,5 необходима большая длина антенны, что требует малого значения γ, т.е. малого замедления  поверхностной  волны.  При γ_opt≈1 амплитуда  поверхностной волны медленно спадает при удалении от направляющей поверхности. Подобную волну трудно возбудить, в результате чего мощность, подведённая    к антенне, в основном, тратится на непосредственное излучение из возбудителя и почти не переходит мощность поверхностной антенны.

Представим теперь  антенну,  в которой с помощью рупорного возбудителя  (рис.11.24) формируется поверхностная волна с большим замедлением. Поверхностная волна с большим замедлением (волна питания) используется в дальнейшем только для подведения энергии к участкам, вызывающим излучения энергии.

Поле, формирующее ДН антенны (волну излучения), представим в виде поверхностной     волны с малым замедлением,   распространяющейся в общем случае под некоторым углом α к оси z (см. рис.11.24). Естественно, что направление максимума излучения при этом будет совпадать с осью z'. Амплитуду  поля  излучения  следует выбирать из условия энергетического баланса, т.е. из равенства мощностей волны питания, возбуждаемой рупором, и волны излучения.

Задача синтеза заключается в отыскании параметров антенны, при которых волна питания преобразуется за счет неоднородностей импедансной структуры в волну излучения. Искомыми параметрами при решении данной задачи являются глубина канавок и огибающая рёбер (профиль антенн рис.11.25).

Эти параметры находятся исходя из следующих соображений. Поскольку направляющая    поверхность антенны чисто реактивна, т.е. отсутствует как поглощение, так и излучение энергии в целом по поверхности и в каждой ее точке, то вектор Пойнтинга (точнее, его среднее значение П_ср = Re) в каждой точке направлен по касательной к поверхности. Так как согласно постановке задачи структура полного поля является заданной, то профиль антенны может быть найден в виде кривой, касательная к  которой в каждой точке совпадает с направлением вектора Re, определяемого по полному полю (т.е. сумме волн питания и излучения). Глубина канавок находится по значению поверхностного импеданса Z_S, под которым следует понимать отношение электрического и магнитного полей, касательных к поверхности антенны в данной точке.

Выполнение условия энергетического баланса, в соответствии с которым выбирается амплитуда поля излучения, обеспечивает полный переход энергии питающей волны в энергию волны излучения. Этому соответствует профиль антенны, конечная точка которого (точка В) лежит на линии, где интенсивность волны питания пренебрежимо мала (линия 1-1', рис.11.24). Поэтому направленные свойства подобных антенн могут быть рассчитаны с учетом эквивалентных электрических и магнитных токов в апертуре, соответствующих только волне излучения.

Возможно также представление поля, формирующего заданную ДН, в виде группы поверхностных волн с разным замедлением, распространяющихся под различными углами к продольной оси антенн, или в виде поля, соответствующего излучению решетки из элементов с заданным соотношением амплитуд и фаз токов. Подобное представление волны излучения позволяет реализовывать широкий класс ДН, т.е. существенно расширяет возможности схемы по сравнению с обычными конструкциями АПВ.