Антенны типа «волновой канал»

У рассмотренных в предыдущем подразделе антенн вибраторы удалены друг от друга примерно на половину волны и возбуждаются в фазе. Главный лепесток диаграммы направленности оказывается перпендикулярным плоскости размещения вибраторов, так как в этом направлении поля, создаваемые каждым из вибраторов, приходят в удаленную точку одинаковой фазой.

Если же теперь разместить вибраторы друг от друга на расстоянии, примерно равном четверти волны, и возбудить их разными фазами, но так, чтобы запаздывание по фазе между соседними вибраторами было постоянным и несколько превышало 90°, а полное запаздывание по фазе междупервым и последним вибраторами было приблизительно равно

Dj = 180°(n /2 + 1) (где п — число вибраторов), то максимальное излучение у такой антенны будет происходить уже вдоль линии, соединяющей центры вибраторов. О таких антеннах принято говорить, что они излучают вдоль оси.

Возбудить каждый из вибраторов подобной антенны можно, подключив их к общему фидеру, работающему в режиме бегущей волны, так как такой режим обеспечивает линейное изменение фазы по длине фидера.

Такие антенны сложны как конструктивно, так и в регулировке. Поэтому на практике наиболее распространен другой способ создания требуемого распределения фаз в вибраторах, основанный на возбуждении их через поле изучения. Антенны, использующие этот принцип, называют директорными антеннами или «волновым каналом».

На рис. 22 изображена пятиэлементная директорная антенна, у которой питание подводится к вибратору 1,называемому активным вибратором. Рефлектором 2служит вибратор, который несколько длиннее полуволны. Он расположен на расстоянии около 0,15—0,2 волны от вибратора 1и сводит к минимуму излучения антенны в направлении от вибратора 1 к рефлектору 2. Вибраторы 3,4 и 5отстоят друг от друга примерно на четверть волны и имеют длину короче полуволны на 10—20%. Благодаря этому под воздействием поля излучения активного вибратора них возбуждаются токи с требуемыми сдвигами фаз, усиливающими излучение в направлении от вибра­тора 1 к вибраторам 3 – 5. По этой причине послед­ние называются директо­рами.

Пассивные элементы (три директора и рефлек­тор) в антенне, показан­ной на рис. 22, крепятся в своих геометрических серединах к металличе­ской пустотелой штанге 6, которая при таком креплении проходит через узлы напряже­ний (пучности токов) вибраторов и не влияет на структуру поля антенны, так как штанга оказывается перпендикуляр­ной электрическому полю антенны.

Активный вибратор, поскольку он питается в своей сере­дине, не может крепиться так же, как пассивные вибраторы: он изолирован от металлической штанги и крепится к пере­ходному устройству, расположенному внутри штанги. На­значение этого переходного устройства — обеспечить пере­ход от несимметричного коаксиального кабеля к симметрич­ному вибратору, каковым является активный диполь антенны.

Одновременно переходное устройство является трансфор­матором для согласования сопротивления антенны с волновым сопротивлением питающего кабеля. Необходимость в этой трансформации вызывается тем, что входное сопротивление большинства директорных антенн оказывается значительно меньше волновых сопротивлений типовых высокочастотных кабелей.

Такая конструкция директорных антенн весьма типична, за исключением, пожалуй, конструкции и способа питания активного вибратора, который иногда выполняется в виде петлевого вибратора.

Простейшая директорная антенна состоит из трех элементов: активного вибратора и двух пассивных — директора и рефлектора. Для создания антенны с большими коэффициентами усиления число директоров должно быть взято большим в соответствии с эмпирической формулой

G ≈ 5(n + 1), (32)

где n — число директоров.

При увеличении числа директоров рост коэффициента усиления сопровождается сужением диаграмм направленности, как в вертикальной, так и горизонтальной плоскостях. У плоскостных синфазных антенн увеличение числа вибраторов (при сохранении неизменным числа этажей или числа рядов) приводит к увеличению направленности антенны лишь в одной из плоскостей. Указанное различие в поведении диаграмм направленности часто является определяющим при выборе типа антенн в процессе разработки аппаратуры того или иного назначения.

Для получения правильной работы антенны расстояния между директорами и их размеры должны быть тщательно отрегулированы, причем эта регулировка при большом числе элементов оказывается очень критичной. На рис. 23 приведены экспериментально снятые диаграммы направленности антенны, имеющей 13 директоров.

Цифры у кривых дают значение длины директоров, выраженной в длинах волн. Как это видно из графиков, измене­ние длины директоров от 0,43l₀ до 0,44l₀ приводит к резкому ухудшению диаграммы направленности. Приведенные диаграммы были сняты на неизмененной волне; при работе в диапазоне волн искажение диаграммы направленности было бы еще более заметным.

Сложность регулировки и невозможность использования вшироком диапазоне волн — недостаток директорных антенн.

При незначительном числе элементов, когда требуются небольшие коэффициенты усиления, директорная антенна может оказаться приемлемой даже для диапазонной работы. Если из нескольких таких малоэлементных директорных антенн составить синфазную систему, собирая эти антенны в ряды и этажи и питая их способом, применяемым для плоскостных антенн (см. рис. 17), то такая антенна будет более диапазонной, чем равноценная ей по усилению уединенная антенна «волновой канал» с соответственно увеличенным числом элементов.

Директорные антенны применяют в основном для работы
в самой низкочастотной части СВЧ диапазона из-за их сравнительно небольших габаритов, малой парусности и простоты конструкции.

РУПОРНЫЕ АНТЕННЫ