8 Проволочные антенны: директорные, логопериодические. Принципы построения. характеристики

Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про проволочные антенны, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое проволочные антенны, директорные антенны, логопериодические антенны, проволочная антенна, директорная антенна, логопериодическая антенна , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства СВЧ и антенны.

проволочные антенны : директорные, логопериодические. Принципы построения. Основные характеристики.

8.1. директорная антенна

Директорная антенна представляет собой линейную систему параллельных симметричных вибраторов, расположенных перпендикулярно оси антенны.

Питание от генератора получает лишь один из симметричный вибраторов, который называется активным.Возбуждение остальных симметричных вибраторов, называемых пассивными (директоры и рефлектор), осуществляется волной, распространяющейся вдоль системы излучателей. Источникомэтой волны является активный излучатель. В результате того, что возбужденные пассивные излучатели становятся источниками излучения, диаграмма направленности (ДН) директорнойантенны существенно изменяется по сравнению с ДН одиночногосимметричного вибратора. Схемадиректорнойантенныизображенана рис. 8.1.

Принцип действия директорной антенны основан на сложении в пространстве полей нескольких излучателей, амплитуды и фазы токов в которых подобраны таким образом, чтобы вглавном направлении создаваемые отдельными излучателями поля суммировались, а в противоположном — вычитались.

Рис. 8.1 — Схема директорной антенны

Амплитуда и фаза тока в пассивных излучателях определяется расстояниями d di , (

i- номер директора, отсчитываемый со стороны активного излучателя)

и dр от соответствующего пассивного до активного излучателя и настройкой, которая осуществляется изменением длины плеч директоров и рефлектора.

Пассивный излучатель, имеющий наибольшую длину (в среднем на (5…10)% длиннее активного), называют рефлектором (Р), так как он отражает энергию в сторону активного излучателяи гасит излучение «назад», то есть в свою сторону. Пассивные излучатели, длина которых в среднем на (10…15) % короче длины активного излучателя, называют директорами (Д), так как ониконцентрируют результирующее излучение в свою сторону и гасят излучение в сторону активного излучателя.

Принцип действия директорной антенны наглядно поясняется с использованием векторных диаграмм. Поле, излучаемое директорной антенной в направлении положительной иотрицательной осей Z, представляет собой векторную сумму полей активного излучателя, директора и рефлектора. Фазовый сдвиг излучаемых пассивными излучателями полей по отношению кполю активного излучателя, определяется фазами токов, возбуждающих пассивные излучатели, по отношению к фазе тока в активном излучателе. При рассмотрении фазовых соотношенийнеобходимо учитывать, что активный излучатель имеет резонансную длину, т.е. его входное сопротивление чисто активно Rа;

длина рефлектора больше резонансной, поэтому его входное сопротивление, наряду с активной составляющей Rр, имеет реактивную составляющую Xр, носящую индуктивный характер; длина директора меньше резонансной, поэтому его входное сопротивление имеет активнуюсоставляющую Rд и реактивную составляющую емкостного характера Xд. Чтобы найти необходимые фазовые соотношения, целесообразно воспользоваться векторными диаграммами.

Рассмотрим работу системы активный симметричный вибратор — пассивный рефлектор в предположении, что 0,15 <= dр / λ >= 0,25. Покажем с помощью векторных диаграмм (рис. 8.2, а), что в направлении от рефлектора к активному симметричному вибратору поля излучателей складываются, а в противоположном направлении — вычитаются.

Рис. 8.2 — Векторные диаграммы для поля излучения директорных антенн, образованных системой двух излучателей: пассивный рефлектор и активный излучатель (а); пассивный директор и активный излучатель (б)

Для определения напряженности электрического поля в вышеуказанных направлениях необходимо знать, как сдвинуты по фазе друг относительно друга вектор напряженности электрического поля Eа активного симметричного вибратора у его поверхности и вектор напряженности электрического поля рефлектора

у его поверхности. Установить соотношение фаз можно с помощью векторной диаграммы, изображенной на рис. 8.2, а.

Пусть вектор тока в активном вибраторе занимает положение на комплексной плоскости как показано на рис. 1.3, а.

Из теории антенн известно, что при длине плеча симметричного вибратора напряженность поля, создаваемого вибратором на

расстоянии d в направлении, перпендикулярном оси излучателя (ось Z (см. рис. 8.1)), определяется выражением

где d — расстояние от симметричного вибратора до точки наблюдения;

— пучность тока на плечах симметричного вибратора;

λ — длина волны излучения.

В этом случае электрическое поле активного вибратора у его поверхности отстает по фазе от тока на угол π/2. По пути до рефлектора это поле запаздывает по фазе на угол и наводит на рефлекторе электродвижущую силу (ЭДС) , совпадающую по фазе с электрическим полем у поверхности рефлектора и определяемую в соответствии с выражением

где Eар — поле активного симметричного вибратора у поверхности рефлектора;

— lдр действующая длина рефлектора.

Так как реактивное входное сопротивление рефлектора носит индуктивный характер , то ток в рефлекторе I р запаздывает по фазе относительно  р на угол

Напряженность электрического поля Eр , создаваемого у поверхности рефлектора этим током, отстает оттока I р по фазе на угол π/2.

На пути до активного вибратора поле рефлектора запаздывает по фазе на угол kdри становится приблизительно синфазным с полем активного излучателя. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Поэтому результирующее поле в положительном направлении оси усиливается.

Поля Eар и E р приблизительно противофазны, поэтому результирующее поле в направлении рефлектора (отрицательное направление оси Z) E180  Eар  E р относительно мало.Путем аналогичных рассуждений можно рассмотреть работу директорной антенны,

образованной системой пассивного директора и активного излучателя. Пусть вектор тока в активном вибраторе занимает положение на комплексной плоскости, как показано на рис. 1.3, б. Электрическое поле активного симметричного вибратора у его поверхности Eа отстает по фазе от тока Iа на угол π/2

. При своем распространении в направлении директора поле запаздывает по фазе на угол kdд и наводит в директоре ЭДС  д , совпадающую по фазе с электрическим полем у поверхности директора Eад .

Так как реактивное сопротивление директора носит емкостной характер , то ток в директоре I д опережает по фазе  д на угол , где αд < 0.

Напряженность электрического поля Eд , созданного у поверхности директора током I д , отстает от этого тока по фазе на угол π/2.

На пути до активного вибратора поле директора запаздывает по фазе на угол kdд и становится приблизительно противофазным с полем активного симметричного вибратора.

Поэтому результирующее поле ослабляется в направлении от директора к

активному излучателю. Поля приблизительно синфазны, поэтому результирующее

поле усиливается в направлении от активного излучателя к директору.

8.2. логопериодическая антенна

Широкодиапазонные логопериодические антенны конструируются на основе принципа электродинамического подобия, в соответствии с которым две антенны на волнах имеют одинаковые электрические характеристики, если все их геометрические размеры пропорциональны отношению длин волн

. При этом проводимость окружающей среды и материала, из которого выполняются обе антенны, должны изменяться в соответствии с тем же отношением. Последнее требованиепри выполнении антенн из металла с высокой удельной проводимостью и при размещении антенн в воздухе не является решающим и может не выполняться. Принципуэлектродинамического подобия удовлетворяют антенны бесконечных размеров, форма которых полностью определяется углами. Для создания практически выполнимых антенн частотно-независимые структуры должны обладать свойством «концевой отсечки тока». Это свойство предполагает, что на каждой данной волне ток протекает в пределах ограниченного участкачастотно-независимой структуры, размер которого определяется длиной волны. За пределами этого участка структуры (называемого активной областьюантенны) ток быстро затухает(отсекается). Для объяснения этого явления следует обратиться к выводам теории возбуждения периодических структур.

Как известно, при возбуждении периодических структур возможны два режима работы: в первом — вдоль структуры распространяется без излучения электромагнитная волна, а во втором — наблюдается излучение электромагнитных волн в окружающее пространство. Режим работы периодической структуры определяется соотношением между коэффициентом фазы питающей волны, распространяющейся вдоль структуры, и периодом структуры .

При малом по сравнению с длиной волны периоде излучение отсутствует. При совпадении периода структуры с длиной волны происходит интенсивное резонансное излучение.Если в периодической структуре имеет место резонансное излучение, то энергия питающей волны на конечном отрезке структуры практически полностью преобразуется в энергию излученных электромагнитных волн.

При этом возбуждение структуры за областью излучения резко уменьшается, и обрыв структуры не нарушит режима ее работы. Период структуры улогопериодической антенны является переменным, постепенно увеличиваясь в направлении от точек питания антенны. Поэтому отсечку тока в этих антеннах можно объяснить тем, что длялюбой волны (в случае бесконечной структуры) всегда найдется такая ограниченная область антенны, в пределах которой соотношение между периодом структурыи длиной питающейволнысоответствует режиму интенсивного излучения.

Частотно-независимой антенной, таким образом, является такая антенна конечных размеров, которая в определенном диапазоне волнобладает всеми свойствами бесконечных антенн. Максимальная волна ее рабочего диапазона определяется максимальными размерами антенны, а минимальная волна — точностьювыполнения структуры вблизи точек питания антенны. Примерплоской логопериодической структурыпоказанна рис. 8.3.

Логопериодическая антенна (ЛПА) представляет собой совокупность элементов, размеры которых образуют геометрическую прогрессию со знаменателем :

. Очевидно, что изменение всех размеров бесконечной структуры в τ раз

приведет к получению структуры, форма которой полностью совпадает с исходной. Поэтому электрические характеристики логопериодической антенны повторяются лишь начастотах, образующих геометрическуюпрогрессиюсо знаменателем

Рис. 8.3 — Плоская логопериодическая структура

При изображении на шкале частот с логарифмическим масштабом эти частоты образуют периодическую последовательность с постоянным периодом, равным ln  , что и определилоназвание антенн этого типа. Очевидно, что впределах одного периода изменения частоты от , электрические характеристики логопериодических антенн будут изменяться. Непременным условием, при котором практически выполнимая антенна может считатьсячастотно-независимой, является достаточно малое изменение ее электрических характеристик в пределах одного периода изменения частоты. Это условие справедливо при такомконструктивном исполнении частотно-независимой структуры, при котором один период изменения частоты оказывается малым. При этом следует отметить, что выполнение антенн в видеструктур, как это показано на рис. 8.3, является дополнительной гарантией малости изменения электрических характеристик антенны в пределах одного периода изменения частоты.

Постоянство входного сопротивления антенны объясняется следующим. Короткие вибраторы, расположенные между точкой питания и активной областью, слабо возбуждаются, и ихвлияние сводится к некоторому изменению эквивалентного волнового

сопротивления питающей линии и изменению фазовой скорости в ней. Вибраторы активной области расположены на расстоянии друг от друга, и отраженные ими волны в значительнойстепени взаимно компенсируются. Кроме того, электрическое расстояние от

точки питания до активной области постоянно, поэтому пересчитанное к входу антенны эквивалентное сопротивление с частотой не меняется.

Описанный принцип действия ЛПА сохраняется и в том случае, когда обе половинки структуры образуют некоторый угол , а излучающие элементы имеют трапецеидальную форму.

Для выполнения принципа электродинамического подобия толщина выступов антенны также должна была бы увеличиваться пропорционально расстоянию R ; однако опыт показывает,что для значений коэффициентов перекрытия до 20, постоянство толщины излучающих элементов практически несущественно.

Параметр определяет также частотную периодичность характеристик антенны, так как

где — частоты, соответствующие резонансам i-го и (i+1)-го выступов соответственно (i-й выступ резонирует вместе с таким же выступом второго полотна, когда егодлина оказывается близкой к четверти длины волны). Чем меньше , тем меньше количество зубцов в антенне при заданном R1. Величина может лежать впределахот 0,5 до 0,9. Питание плоской логопериодической структуры может быть осуществлено с помощью коаксиального кабеля. Однако согласование при этом получается не оченьхорошим, так как входное сопротивление антеннывелико. Основными параметрами одного полотна проволочной антенны с трапецеидальными выступами являются и угол . Центр излучения одного логопериодического полотна находится в пределах ее активной области и, следовательно, с изменением длины волны перемещается по антенне;однако его относительное расстояние от вершины (выраженное в длинах волн) остается для даннойсистемы постоянным. При углах , не превышающих 60°, величина параметра почти не влияет на положение фазового центра. Уменьшение угла , естественно, ведет к увеличению расстояния между центром излучения и вершиной структуры. В современной технике существует логопериодическая антенна «Rohde & Schwarz HL223» (рис. 8.4).

Рис.8.4 — Логопериодическая антенна «Rohde & Schwarz HL223»

Диаграмма направленности широкополосной антенны Rohde & Schwarz HL223 практически не меняется в зависимости от частоты. Прочная конструкция позволяет использовать антенну,как в стационарных, так и в мобильных применениях. Антенна идеально подходит как для передачи и радиомониторинга, так и для измерений.

Одним из видов логопериодических антенн являются направленные антенны. Рассмотрим направленную логопериодическую антенну"Rohde & Schwarz HL050"(рис. 8.5).

Рис.8.5 — Направленная логопериодическая антенна "Rohde & Schwarz HL050"

Благодаря широкому диапазону частот от 850 МГц до 26,5 ГГц логопериодическая антенна Rohde & Schwarz HL050 особенно хорошо подходит для радиомониторинга и измеренияпараметров радиочастотных сигналов. Ее диаграмма направленности является практически вращательно-симметричной и обеспечивает формирование оптимальной диаграммы вторичногоизлучения при использовании данной антенны в качестве облучателя зеркальных антенн. Rohde & Schwarz HL050 может использоваться в качестве отдельной антенны или в качестве облучателямикроволновой антенны AC008. Антенна Rohde & Schwarz HL050 обладает аналогичной конструкцией и может использоваться в качестве облучателязеркальных СВЧ антенн AC090 — AC300.

Статью про проволочные антенны я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое проволочные антенны, директорные антенны, логопериодические антенны, проволочная антенна, директорная антенна, логопериодическая антенна и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Устройства СВЧ и антенны