Слабонаправленными излучателями

Взаимная связь между излучателями в антенной решетке приводит к искажениям амплитудно-фазового распределения в апертуре антенны и, как следствие этого, – к систематическим ошибкам положения луча и росту уровня боковых лепестков. Поэтому важно уметь количественно оценить величину этой взаимной связи, т. е. уметь находить взаимный импеданс или модуль и фазу переходного затухания между излучателями. Для исследования искажений диаграммы направленности не обязательно знать величины r₁₂ и х₁₂, измеренные в Омах. Достаточно знать модуль и фазу коэффициента передачи между двумя излучателями. Поэтому не будем уточнять понятия действующей длины различных антенн, а также эффективной силы излучающего тока, к которому будет отнесено сопротивление, а используем нормированную величину z₁₂, т. е. z’₁₂= z₁₂ / z₁₁ .

Также положим, что собственный импеданс антенны z₁₁ чисто активен, т. е. что антенна полностью согласована с питающим фидером при отсутствии взаимной связи.

Как уже говорилось, для антенной решетки значение взаимных сопротивлений между излучателями важно с точки зрения искажений, которые взаимная связь создаст в амплитудно-фазовом распределении. Поэтому нам важно уметь количественно оценивать связь между излучателями в тех случаях, когда она достаточно велика. Антенны больших размеров, имеющие высокую направленность, даже если они расположены в непосредственной близости одна от другой, имеют очень большие переходные затухания. Поэтому рассчитывать связь остронаправленных антенн нет необходимости. Обратимся к расчету взаимной связи слабонаправленных излучателей, из которых, как правило, и образуются системы антенной решетки.

Предположим, что диаграмма направленности излучателей не зависит от угла φ, т. е. является телом вращения.

Рассмотрим излучатели, имеющие диаграммы направленности вида

. (3.21)

Диаграмма направленности вида (3.21) близка к диаграмме направленности полуволнового диполя. Это позволит сравнить известные величины взаимных сопротивлений полуволновых диполей с результатами расчета по формулу (3.20) .

На основе указанного сравнения на рис. 78 приведены графики взаимного импеданса двух полуволновых вибраторов.

Рис. 78. Нормированные составляющие взаимного импеданса двух полуволновых вибраторов.

Пусть первая антенна питается по длинной линии с волновым сопротивлением равным z₁₁; из-за взаимной связи в этой линии появится отраженная волна. Легко подсчитать коэффициент отражения, его модуль и фазу

. (3.22)

На рис. 79 показана зависимость переходного затухания Т в дБ от d/λ для излучателей с диаграммами направленности вида sinθ. Иногда говорят: затухание растет со скоростью 3 дБ или 6 дБ на октаву (октава – двукратное изменение какой-либо величины, в нашем случае расстояния). Скорость роста 3 дБ на октаву отражает двукратное уменьшение напряженности поля при четырехкратном увеличении расстояния. Это отвечает связи между излучателями за счет полей рассеяния диполей в ближней зоне. Скорость 6 дБ на октаву отражает двукратное уменьшение плотности потока мощности при двукратном увеличении расстояния. Это отвечает связи между излучателями за счёт переноса мощности. Из графиков на рис. 79 хорошо видно, что для полуволновых диполей связь за счет полей рассеяния играет решающую роль при d/λ ≤1,5. При большем расстоянии наблюдается только перенос мощности.

На рис. 80 показано переходное затухание между излучателями с секторной диаграммой направленности при m = 1; 1,5; 2. Наиболее характерным для этого семейства графиков является различный наклон кривых при d < λ и d > λ.

При малом расстоянии между излучателями взаимная связь определяется реактивными полями ближней зоны. В случае рассматриваемых диаграмм направленности поле излучения одной антенны на другую антенну не

Рис. 79. Переходное затухание между двумя излучателями с диаграммой направленности вида sin θ.

Рис. 80. Переходное затухание между двумя излучателями

с секторными диаграммами направленности

попадет, и связь происходит за счет реактивных полей, которые убывают пропорционально квадрату расстояния. Поэтому и переходное затухание убывает со скоростью 6 дБ на октаву. Сравните скорость убывания переходного затухания при малом расстоянии между полуволновыми вибраторами, которая составляет 3 дБ на октаву. При большом расстоянии между антеннами, как в случае полуволновых вибраторов, так и в случае антенн с секторными диаграммами направленности переходное затухание убывает со скоростью 6 дБ на октаву.

Представляет интерес сравнить расчетные величины модуля и фазы коэффициента передачи двух излучателей с результатами их экспериментального измерения. Для экспериментального измерения взаимной связи между излучателями были взяты два конических диэлектрических стержня. Стержни были изготовлены из феррита с ε = 9 в виде правильных конусов с диаметром основания 0,24λ и длиной 0,8λ, где λ – длина волны в воздухе. На рис. 81 приведена форма диаграммы направленности одиночного стержня и аппроксимирующая ее функция в виде секторной диаграммы направленности при m = 1,5.

Рис. 81. Диаграмма направленности диэлектрической антенны (сплошная линия) и аппроксимирующая ее секторная ДН

На рис. 82 показаны расчетные зависимости фазы взаимного импеданса от расстояния между излучателями с секторными диаграммами направленности для различных m. Там же кружками показаны измеренные значения фазовых сдвигов, полученные в эксперименте с упомянутыми выше диэлектрическими стержнями. В эксперименте с помощью фазового моста измерялась фаза волны, пришедшей в нагрузку пассивного излучателя. Приведенные данные позволяют сделать вывод о том, что изложенная методика расчета взаимной связи между излучателями при выполнении неравенства d > 0.25λ позволяет по известным диаграммам направленности излучателей в дальней зоне рассчитать комплексную величину взаимного сопротивления с достаточной для практических целей точностью.

Рис. 82. Фазовый сдвиг волны, возбужденной в излучателе за счет взаимной связи.