Раздел 4 Тема 3 ЭМП и В

1.

Ярославский государственный технический университет
Кафедра информационных систем и технологий
РАЗДЕЛ 4. Основы теории антенн.
ТЕМА № 3. Вибраторные антенны

2.

Учебные вопросы:
1.
Симметричный
вибратор
как
система
излучателей.
2. Система «активный-пассивный» вибратор.
Директорная антенна.
3. Многоэтажные вибраторные антенны.
Литература:
Основная
1. Aполлонский С.М. - Электромагнитные поля и волны. Том 1. Общие
теоретические модели ЭМП и ЭМВ - Русайнс - 2019 - 466с. - ISBN: 978-5-4365-33643 -Текст электронный // ЭБС BOOKRU - URL: https://book.ru/book/933021. –
С. 428–432 – Текст : электронный.
Дополнительная:
1. Устройства СВЧ и антенны / Д.И. Воскресенский [и др.]. – М. : Радиотехника,
2006. – 378 с.
2. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн : учеб. для вузов
/ Г.А. Ерохин [и др.] ; под ред. Г.А. Ерохина. - 2-е изд. - М. : Горячая линия-Телеком,
2004. - 491 с.
3. Шифрин Я.С. Антенны. – Харьков: ВИРТА им. Говорова Л. А., 1986. – 408 с.

3. Вопрос 1. Симметричный вибратор как система излучателей

Вопрос 1.1 Симметричный вибратор
Симметричный вибратор представляет собой два соосных
отрезка прямолинейного провода (трубки), между которыми
включён источник ЭДС высокой частоты, например питающий
фидер.
z
Полуволновым
вибратором
называется такой симметричный
вибратор,
длина
которого
приблизительно равна половине
длины волны.
Симметричный
вибратор
представляется в виде линейной
системы
непрерывно
расположенных ЭЭВ.
2l
Iz
z
ЭДС
0
I-z
-z
Рис. 1

4.

Распределение зарядов, амплитуд напряжения и тока в
вибраторе такое же как в двухпроводной линии (рис. 2), т.е.
синусоидальное с узлами амплитуды тока на концах.
/4
2l
l
Рис.2

5.

Значение комплексной
вибратора в пределах
можно записать в виде
амплитуды
тока вдоль
изменения
z
I m z I n sin k z
I n -
комплексная амплитуда тока
расстоянии
от концов вибратора.
4
в
(1)
пучности
на
(2)
k 2 - волновое число.
АФР в системе
n sin k z
I
описывается
A z e jФ z
I n sin k
выражением

6.

ДН симметричного вибратора произвольной длины
cos(k cos ) cos k
f ( ) 60
sin
Для полуволнового вибратора k
Тогда
2
4
2
(3)
(4)
cos( / 2 cos )
f ( ) 60
sin
При отсчете угла
от
нормали
к
оси
вибратора вместо (4)
следует
использовать
выражение
cos( / 2 sin )
f ( ) 60
cos

7.

Нормированная
ДН определяется
выражением:
Амплитуду
поля
полуволнового
вибратора можно
рассчитать
по
выражению:
cos( / 2 sin )
F ( )
,
cos
60 I п cos( 2 sin )
Em (r , , )
.
r
cos
Графики
ДН
полуволнового вибратора в
главных плоскостях (а – в
электрической плоскости;
б в магнитной
плоскости) представлены
на рисунке
(5)
FE( )
а
б
FH( )
Рис.3
(6)

8.

Если длина вибратора отличается от , то изменяется
характер распределения тока и АФР. Соответственно
изменяется и диаграмма направленности вибратора.
2l
0<
2l
<1
1
I(Z)
2
1
2
FE( )
1<
2l
< 5
4
2l = 2
2l = 4

9.

Сопротивление излучения вводится
для проволочных антенн и связывает
между собой значения полной излучаемой
антенной мощности и тока в некотором её
сечении, например в сечении пучности, по
закону Джоуля-Ленца:
I n R
P
2
R , Ом
240
200
160
120
73,1
40
0
0,5
1
1,5
Рис.4
2
2
2,5 2l/ λ

10.

Входное сопротивление симметричного вибратора в
общем случае имеет комплексный характер и
рассчитывается с помощью полуэмпирической формулы:
R
Z BX
j 42.5 Z ЭКВ ctg k
(7)
2
sin k
Z ЭКВ 120 ln
0.577
a
Для полуволнового
вибратора в соответствии Z BX П 73 j 42.5 , Ом.
с формулой (7)
КНД
симметричного
вибратора в соответствии с
общей формулой определяется
выражением
f 2( )
D( , )
30 R в
(8)

11. Вопрос 1.2. Согласование вибратора с фидерным трактом. Способы увеличения диапазонности вибраторных антенн

Согласование производится с целью обеспечения в
линии передачи режима бегущей волны в заданном
частотном диапазоне.
(- обеспечить чисто активное сопротивление
- обеспечить равенство входного сопротивления
антенны волновому сопротивлению фидера)
Симметрирование направлено на формирование
симметричного амплитудного распределения вдоль
вибратора.

12.

Простым способом получения чисто активного значения
входного сопротивления вибратора является укорочение
вибратора на величину , как показано на рис.
2l = /2
2l 1
Рис.5
Значение укорочения в соответствии с (7) найдем из
условия
X BX 42.5 Z ЭКВ ctg k 1 0
Так как 1 0.25 , при небольшом значении
42,5
2 Z э
или в процентах
% (1...5)%
. / 4

13.

Равенство активного входного сопротивления
вибратора
волновому
сопротивлению
линии
обеспечивается следующими способами.
1.
При
питании
вибратора
с
помощью
двухпроводной линии для
согласования
перед
вибратором
следует
включить
согласующее
устройство, например в виде
шлейфа Татаринова или
четвертьволнового
трансформатора.
СУ
ZB = 300 Ом
Рис.6
RВХ = 73,1 Ом

14.

2. Применение предложенного А. А. Пистолькорсом в 1936 году
петлевого вибратора (рис. 8).
Петлевой вибратор Пистолькорса представляет собой
систему из двух соединенных своими концами параллельных
полуволновых вибраторов, расстояние между которыми
значительно меньше длины волны.
2
I n R
P
2
С
ZB
300 Ом
Q
R 4R 4 73 300 Ом.
Рис.8
2l

15.

I (z)
Симметрирование АР необходимо, если
вибратор подключают к коаксиальной линии
для устранения асимметрии распределения
токов в плечах вибратора.
См
Асимметрия токов приводит к смещению
условного фазового центра вибратора,
к
искажению ДН за счёт возникновения
побочного излучения, вызванного протеканием
тока на внешней оболочке коаксиальной линии.
Для
устранения
асимметрии
амплитудного
распределения
применяют
различные типы симметрирующих устройств:
четвертьволновой стакан,
U колено,
симметрирующая
приставка,
симметрирующая щель
Рис. 9
I (z)
1 2
/ 4
Рис. 10

16.

Наиболее характерными диапазонными вибраторами являются вибратор
(диполь) Надененко (рис. 11 а) и биконический вибратор (рис. 11б).
а)
Рис.11
б)

17. Выводы

1. Симметричный (полуволновый) вибратор обладает слабой
степенью
направленности. Поэтому в технике ПВО он
используется как элемент более сложных антенн (директорных,
зеркальных, линзовых, ФАР) с целью улучшения направленных
свойств.
2. При подключении вибратора к коаксиальной фидерной линии
возникают две важные практические задачи - задача согласования и
задача симметрирования.

18. Вопрос 2. Системы вибраторных излучателей. Директорная антенна

Для повышения направленных
свойств
вибраторных
антенн
Татариновым В. В. была предложена
система из активного (АВ) и
пассивного вибраторов (ПВ).
К
активному
вибратору
подключается питающий фидер.
Множитель
системы
описывается выражением:
d
IА
АВ
IП
2 lп
ПВ
рис. 12
,
f СИСТ 1 A2 2 A cos ФП kd cos
A
R122 X 122
2
2
R22
X 22
,
X 22 .
X 12
arctg
ФП arctg
R12
R22

19.

Z 12 R12 X12 - входное сопротивление одиночного
вибратора при наличии второго вибратора;
Z 22 R22 X 22- входное сопротивление одиночного вибратора
при отсутствии второго вибратора.
В таблице приведены рассчитанные графики множителя
системы для различных значений d/λ и 2 П
arctg
AB
X22
R22
d/ = 0,1
ПB
d/ =0,25
O
- 45
- 22,5O
O
0
O
22,5
O
45

20.

Директорная антенна или антенна типа “волновой” канал
представляет собой систему из активного и нескольких пассивных
вибраторов, которые крепятся к металлической стреле.
Рефлектор
Директоры
Стрела
АВ
Рис.13
Для оценки ширины ДН и КНД используют формулы:
D A1
L
; 2 0,5 р C
L
.

21.

А1 10
5
0
1
2
3
4
5
6
Рис.14
L
1.5
3.2
4.5
6.9
10.2
С
56
65
66
69
71

22.

23.

24. Выводы

1. Достоинства директорных антенн: простота конструкции и
питания, высокий КПД, относительно
небольшой
вес,
формирование сравнительно узкой игольчатой ДН путём
увеличения лишь длины антенны.
2. Недостатки: большой уровень боковых лепестков (до 30 % по
полю), сложность настройки ( подбора оптимальной конструкции),
малая полоса частот (3-5% от несущей), малое входное
сопротивление активного вибратора, затрудняющее согласование с
фидером.

25. Вопрос 3. Многоэтажные вибраторные антенны

Одна директорная антенна с количеством директоров до 10 не может обеспечить
ширину главного лепестка ДН по уровню половинной мощности менее 30
градусов.
Увеличение
направленности
достигается
прменением
нескольких
директорных антенн, которые располагают на расстоянии d друг от друга и
запитывают синфазно.
dг
dг
а)
б)
dв
0
Рис.15. Сложные вибраторные антенны:
а – двухэлементная антенна; б – двухэтажная антенна
h2
h1

26.

Результирующая диаграмма направленности антенны, состоящей из Nв
директорных антенн, расположенных в ветикальной (магнитной) плоскости
определяется:
f рез ( ) f 0 В ( ) f Д В ( ) f СИСТ В ( ) f З ( )
90
Нижний
Верхний
0
Рис. 16 Результирующая ДН двухэтажной антенны
в вертикальной плоскости с учетом отражения радиоволн от земной
поверхности

27. Выводы

Симметричный (полуволновой) вибратор обладает слабой
направленностью. Поэтому в качестве самостоятельной антенны в
радиолокационной технике он не применяется, а используется как элемент
более сложных антенн (директорных, зеркальных, линзовых, ФАР) с
целью улучшения направленных свойств;
2. При питании от коаксиальной или двухпроводной линии
необходимо осуществлять симметрирование и согласование;
3. Для расширения полосы пропускания (повышения диапазонности)
вибраторных антенн применяются диапазонные вибраторы: вибратор
Надененко, биконический вибратор и др.
4. Директорная антенна, обладающая достаточно высокой степенью
направленности, может использоваться и как самостоятельная антенна, и
как элемент более сложных директорных антенн.
1.