Характеристика направленности антенн

Антенна называется направленной, если она создает неодинаковую величину напряженности поля в равноудаленных от нее точках пространства. Все антенны обладают более или менее выраженной направленностью. В радиолокации применяются остронаправленные антенны, которые позволяют сконцентрировать излучаемую энергию в одном направлении и получить на этом направлении большую дальность действия. Направленные антенны позволяют определять угловые координаты цели.

Направленность антенны определяется характеристикой направленности, углом излучения и коэффициентом направленного действия.

Характеристикой, или диаграммой, направленности антенны называется зависимостьнапряженности поля или плотности потока энергии, создаваемой антенной в равноудаленных от нее точках, от угловых координат, определяющих направления на эти точки. Равноудаленные от антенны точки лежат на сферической поверхности. Положение любой точки на сферической поверхности определяется двумя углами: углом в горизонтальной плоскости – азимутом и углом в вертикальной плоскости – углом места. Следовательно, характеристикой направленности антенны является некоторая функция двух независимых переменных: азимута и угла места. На графике такая функция изображается криволинейной поверхностью. Обычно характеристику направленности строят в одной какой – либо плоскости, например в горизонтальной или вертикальной. Характеристику направленности можно рассчитать теоретически или снять экспериментально. Для экспериментального построения характеристики следует установить на некоторое расстояние от антенны прибор, измеряющий напряженность поля или плотность потока энергии, и вращать антенну вокруг оси. Построенная графически зависимость показаний прибора от угла поворота антенны и будет характеристикой направленности.

 

Характеристика направленности полуволнового вибратора

 

Полуволновой вибратор – направленная антенна. Разрез пространственной характеристики направленности показан на рисунке.

 

Рис. 32. Диаграмма направленности полуволнового вибратора:

а – пространственное изображение; б – в горизонтальной плоскости; в – в вертикальной плоскости

 

Из рисунка видно, что характеристика направленности полуволнового вибратора представляет собой поверхность тороида с внутренним радиусом, равным нулю. Такая форма характеристики направленности обусловлена распределением тока в вибраторе. Для удобства рассмотрения характеристик введем понятие о плоскостях Е и Н. Плоскостью Е будем называть плоскость, в которой лежат электрические силовые линии поля антенны, а плоскостью Н – плоскость, в которой лежат магнитные силовые линии антенны. Плоскости Е и Н, взаимно-перпендикулярны. В плоскости Е расположен вибратор, плоскость Н перпендикулярна оси вибратора и проходит через его середину.

В плоскости Н вибратор не обладает направленностью. Во всех равноудаленных точках, лежащих в этой плоскости, напряженность поля одинакова и максимальна.

В плоскости Е вибратор обладает направленностью. Вдоль своей оси вибратор не излучает; максимально он излучает в направлении, перпендикулярном оси вибратора. Рисунок в).

 

Антенны из двух вибраторов

На коротких и ультракоротких волнах применяются многовибраторные антенны, имеющие острые характеристики направленности. Для изучения многовибраторных антенн необходимо вспомнить явление интерференции волн и изучить направленные свойства антенны из двух вибраторов.

Обычно вибраторы используются так, что токи в них находятся либо в фазе, либо в противофазе. В зависимости от этого систему называют синфазной или противофазной.

Рассмотрим сначала работу противофазных антенн. Если вибраторы, по которым протекают противофазные токи (т.е. сдвинуты на 180 ), расположить на некотором расстоянии D друг от друга, соизмеримом с длиной волны, то система будет излучать. Каждый из таких вибраторов излучает во все стороны электромагнитные волны, фазы которых у вибратора определяются фазой тока в этом вибраторе. Волна, излученная вибратором 1, движущаяся направо, достигает вибратора 2 через отрезок времени t = D/c.Если расстояние D равно половине длины волны, то волна подойдет к вибратору 2 через полпериода после того, как она была излучена вибратором 1. За это время ток в вибраторе 2, фаза которого на 180 отличается от фазы тока в вибраторе 1, изменит фазу 180 и будет излучать волну, фаза которой совпадает с фазой волны, пришедшей от вибратора 1. При этом произойдет сложение обеих волн. Вполне очевидно, что аналогичная картина будет происходить при движении волн в противоположном направлении. Т.е. в направлении от вибратора 2 к вибратору 1.

 

Рис. 33. Сложение волн двух противофазных вибраторов

 

 

В других направлениях разность хода между обеими излученными волнами меньше, поскольку она всегда меньше отрезка АБ. По этим направлениям волны складываются, не совпадая по фазе, и суммарное поле получается меньше, чем в направлении оси системы (т.е. линии АБ, перпендикулярной осям вибраторов). При угле > 45 происходит частичное взаимное уничтожение волн и при = 90 , т.е. в направлении, перпендикулярном оси системы, разность хода становиться равной нулю и обе волны взаимно уничтожаются. На рисунке приведена диаграмма направленности такой противофазной системы в плоскости перпендикулярной оси вибраторов.

 

Рис. 34. Диаграмма направленности противофазных антенн в плоскости,

перпендикулярной оси вибраторов:

а – для двух вибраторов; б – для четырех вибраторов

 

Если к данной системе присоединить еще одну такую же пару противофазных излучателей и расположить ее в той же плоскости так, чтобы расстояние между соседними проводами было около 0,5 , то она будет создавать дополнительное усиление излучения в направлении оси системы. При достаточно большом числе противофазных излучателей можно получить очень острую диаграмму направленности, максимум которой направлен вдоль оси антенной системы. Такие антенны относятся к классу продольных излучателей.

Синфазные системы, т.е. системы, состоящие из вибраторов, токи в которых совпадают по фазе, имеют максимум излучения в направлении, перпендикулярном оси системы, так как волны, излученные вибраторами в этом направлении, не имеют разности хода и, следовательно, складываются друг с другом в одинаковых фазах.

 

 

Рис. 35. Излучение двух синфазных вибраторов:

а – диаграмма направленности; б – сложение волн.

 

В других направлениях проявляется разность хода, возрастающая по мере уменьшения угла φ. Наибольшего значения разность хода достигает в направлении оси системы. Таким образом, синфазная система имеет максимум излучения в направлении, по которому противофазная система не излучает, и не излучает в направлении, по которому противофазная система имела максимум излучения.

Как синфазные, так и противофазные антенны обладают двунаправленным излучением, т.е. имеют одинаковые максимумы излучения в двух противоположных направлениях. Однонаправленное излучение получается, когда в вибраторах, расположенных на расстроянии в четверть волны друг от друга, токи сдвинуты по фазе один относительно другого на четверть периода.

 

 

Рис. 36. Система из двух излучателей, обладающая однонаправленным излучением:

а – сложение волн вибраторов; б – диаграмма направленности в плоскости вибраторов; в – диаграмма направленности в плоскости, перпендикулярной вибраторам

 

Если ток в вибраторе 1 опережает по фазе на 90 ток в вибраторе 2. То волна вибратора 1, движущаяся в сторону вибратора 2 будет синфазна с волной, пришедшей от вибратора 1, и обе волны будут складываться. В результате этого в направлении А суммарная волна будет в 2 раза больше волн каждого из вибраторов.

В противоположном направлении Б имеет место обратная картина. Пока волна вибратора 2, ток в котором отстает на четверть периода от тока вибратора 1, достигнет последнего, пройдет четверть периода, и ток в вибраторе 1 к этому моменту времени уже на полпериода опередит ток вибратора 2, создавшего волну, подошедшую к вибратору 1. Последняя окажется в противофазе с волной, излученной вибратором 1, и в направлении Б взаимно уничтожаются. По другим направлениям из-за другой разности хода происходит либо частичное уничтожение, либо частичное сложение волн. Из диаграммы направленности такой системы видно, что, вибратор, в котором ток опережает по фазе ток другого вибратора, как бы отражает излученные последним волны и посылает их в противоположном направлении. Благодаря такому действию вибратора 1 его называют рефлектором (или зеркалом), а вибратор 2 – антенной.

Волна, излученная антенной и падающая на рефлектор, наводит в нем значительные токи. Если наведенный ток будет опережать по фазе на 90 ток в антенне, то рефлектор будет выполнять свои функции, не требуя самостоятельного питания. Нужный сдвиг фаз всегда можно установить соответствующей настройкой рефлектора, заключающейся в подборе его длины. Рефлекторы, не требующие самостоятельного питания и возбуждающиеся полем излучения антенны, называются пассивными в отличие от рефлекторов, питаемых от генератора, которые называются активными.

 

 

Директорная антенна

 

Рис. 37.Директорная антенна

 

Директорная антенна – многовибраторная. Она состоит из одного активного и нескольких пассивных вибраторов. Все вибраторы расположены параллельно друг другу в одной плоскости и укреплены на металлической стреле. Активным называется вибратор, подключенный с помощью фидера к генератору высокой частоты. Пассивным называется вибратор, в котором протекает ток под действием поля активного вибратора; непосредственно к генератору высокой частоты пассивный вибратор не подключается. Пассивные вибраторы принято называть директорами и рефлекторами. Директорная антенна обычно имеет один рефлектор и 5 – 7 директоров.

Рефлектор расположен позади активного вибратора на расстоянии в четверть волны. Директоры расположены впереди активного вибратора на расстояниях 0,34 – 0,35 λ один от другого. Длина рефлектора 0,51 – 0,52 λ, длина директора 0,38 – 0,48 λ, а длина активного вибратора равна 0,47 –

0,48 λ.Директорная антенна - однонаправленная: директоры и рефлектор направляют излучаемую энергию от вибратора к директору, от него к другому директору и т.д.. Поэтому характеристика направленности директорной антенны имеет один главный максимум.

 

 

Рис. 38. Характеристика направленности директорной антенны в

горизонтальной плоскости при одном рефлекторе и шести директорах.