Плоскостные синфазные антенны

Плоскостными синфазными антеннами называют антенны состоящие из нескольких вибраторов, расположенных в одной плоскости на определенных расстояниях друг от друга и возбуждаемых в одной фазе. Схематически такая антенна из восьми полуволновых вибраторов, собранных в четыре этажа по два вибратора в каждом, показана на рис. 16.

Эта антенна является настроенной и способна работать в узкой полосе частот. Расстояние между этажами у нее равно половине волны; питание вибраторов осуществляется двухпроводной линией.

Так как в двухпроводной линии напряжение через каждые полволны меняет свой знак (фаза изменяется на 180°), то точки подключения вибраторов к питающей линии делаются перемещающимися при переходе от одного этажа к другому, такое перекрещивание концов как раз и обеспечивает питание вибраторов в одной фазе.

При отклонении рабочей волны от расчетной синфазность питания вибраторов у антенны, показанной на рис. 16, нарушается. В правой части рис. 16 пунктиром показано распределение напряжения лишь в одном из проводов в случае, когда рабочая волна l превышает расчетную l₀.

Сопоставляя распределение напряжения на волнах l₀ и l,можно видеть, что на волне l >l₀ вибраторы 1-го и 4-го этажей питаются в противофазе, от чего нарушается нормальная работа антенны. Таким образом, антенна, изображенная на рис. 16, оказывается недиапазонной из-за особенностей системы питания. Применение в данном случае толстых виб­раторов положения не спасает.

Когда все же требуется правильная работа антенны в диапазоне частот, то ее систему питания осуществляют по принципу «антенн кратных волн», предложенному С. И. Надененко. Этот принцип питания заключается в том, что элек­трическая длина пути от входных зажимов системы до лю­бого из вибраторов делается одной и той же (АВ = АВ', ВС = ВС" = ВС′′′). Схематически это показано на рис.17.

Рис.17.Схема диапазонного питания синфазных антенн

Максимальное излучение плоскостных синфазных антенн направлено перпендикулярно к плоскости вибраторов. Углы, определяющие положение первых нулей диаграммы излучения плоскостной синфазной антенны, определяются уравнением

Sinυ₀ = l/Nd (31)

l — длина волны;

N — число элементов (рядов или этажей) в рассматриваемой плоскости;

d — расстояние между центрами соседних вибраторов в той же плоскости, измеряемое в тех же единицах, что и l.

Так, для антенны, показанной на рис.16, в плоскости,
перпендикулярной оси вибраторов, N=4и d=l/2, следовательно υ_н = ± 30^о; во взаимно-перпендикулярной плоскости, параллельной оси вибраторов,

N = 2, d =l/2 и υ_н = ±90⁰.

Чтобы сделать антенну однонаправленной, позади вибраторов, на расстоянии примерно четверти волны, размещают плоское «зеркало» (рефлектор).

Примером конструктивного выполнения подобной антенны может служить антенна, показанная на рис. 18. Она стоит из восьми вибраторов (четыре этажа, по два вибратора в этаже). Вибраторы этой антенны крепятся к металлическим стойкам в узлах напряжения. Каждая стойка одним концом прикрепляется к общей металлической пластине рефлектору, часто служащей одновременно дном коробки, которую помещается антенна для защиты от атмосферных осадков.

Передняя стенка коробки в это случае делается из диэлектрика с малым потерями, пропускающего излучаемую или принимаемую энергию без ощутимого поглощения.

Указанный выше способ крепления вибраторов обеспечивает жесткость конструкции антенны и не нарушает ее электрических свойств.

У некоторых объектов, для которых важно уменьшение парусности антенны, рефлектор де­лается не в виде сплошного металлического листа, а из сетки или решетки из прутьев. Когда антенна предназначается для работы в сравнительно узком диапазоне частот, рефлектор выполняется в виде стенки из вибраторов, повторяю щей размещение активных вибраторов (рис. 19). Недостатком такой антенны является довольно большое тыльное излучение, т. е. наличие заметного заднего лепестка в диа­грамме направленности.

Рассмотренные выше конструкции антенн характерны для дециметровых волн.

На сантиметровых волнах плоскостные синфазные антенны значительно отличаются от своих коротковолновых аналогов.

Иллюстрацией к сказанному может служить рис. 20, на ко­тором изображен участок подобной антенны. Здесь образующие антенну вибраторы расположены параллельно широкой стенке волновода 1, выполняющей роль рефлектора, и связаны с возбуждающим волноводом посредством коротких отрезков коаксиальной линии.

Оба плеча вибратора в данной конструкции укреплены на наружной оболочке коаксиала 2, имеющего две щели 3, прорезанные вдоль по образующей в плоскости, перпендикулярной оси вибратора. Внутренний проводник 4замкнут накоротко перемычкой 5 одной из половинок коаксиала 2. Наличие перемычки 5и щелей 3обеспечивает симметричное питание вибратора.

Внутренний проводник коаксиальной линии, введенный внутрь волновода в виде зонда параллельно вектору элек­трического поля (рис. 21), служит элементом связи вибра­тора с волноводом.

Для обеспечения равенства токов в вибраторах послед­ние размещаются друг от друга на расстоянии, равном поло­вине длины волны в волноводе.

Вместо перекрещивания точек питания, которое было сделано у антенны, показанной на рис. 16, для обеспечения совпадения по фазе токов во всех вибраторах, в данном слу­чае каждый из соседних вибраторов повернут на 180° вокруг зонда связи. Получающиеся при этом направления токов по­казаны на рис. 21 стрелками с оперением.

Рассматриваемой антенне присущ тот же недостаток, что и антенне, показанной на рис. 16: направление ее главного лепестка изменяется с частотой вследствие нарушения усло­вия синфазности токов в вибраторах при отклонениях волны от оптимальной.

Для сохранения постоянства направления главного ле­пестка в достаточно широком диапазоне частот на первый взгляд представляется целесообразным применить волноводное питание каждого из вибраторов в соответствии со схе­мой, показанной на рис. 17.

Хотя принципиально такое питание возможно, на прак­тике им пользуются лишь частично, разделяя антенну на две симметричные половины и питая их синфазно.

На оптимальной волне лепестки каждой из половин этой антенны будут совпадать, а при изменениях частоты направ­ления этих индивидуальных лепестков будут перемещаться в противоположных направлениях симметрично относи­тельно перпендикуляра к плоскости антенны.

В результате этого главный лепесток суммарной диа­граммы сохранит неизменной свою ориентацию, но несколько расширится, а уровень боковых лепестков также несколько увеличится.

В случае же значительных изменений частоты главный лепесток суммарной диаграммы может раздваиваться.

Коэффициент усиления плоскостных синфазных антенн с рефлектором определяется по приближенной формуле G ≈ 3,2 N_эN_р, где N_э и N_р — соответственно число этажей и число полуволновых вибраторов в каждом этаже. Так, для антенн показанных на рис. 18 и 19, N_э = 4 и N_р = 2, поэтому их коэффициент усиления G ≈ 26.