ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЕ СТАНЦИИ И УЗЛЫ 1 страница
Параметрами цилиндрической (ем. рис. 9.1,а) спирали являются: n — число витков спирали, α — угол подъема витка и R — радиус спирали. Между указанными параметрами существуют следующие соотношения:
Первые два соотношения следуют из рис. 9.1,б, на котором изображена развертка одного витка спирали. Экспериментально установлено, что в режиме осевого излучения в проводе спирали существует бегущая волна. Каждый виток спирали обладает максимальным излучением вдоль оси Z, если сдвиг фаз ϕ0 между напряженностями полей, создаваемых первым и последним элементами витка, равен 2π. Это имеет место при удовлетворении соотношения , где - сдвиг фаз между полями начального и конечного элементов витка, определяемый разностью хода лучей от этих элементов; - сдвиг фаз полей этих элементов, определяемый сдвигом фаз токов этих элементов.
При выполнении соотношения (9.4) сдвигфаз между полями, создаваемыми в направлении Zначальным и конечным витками спирали, кратен 2π. Это обеспечивает вдоль оси Z максимальное излучение спирали и круговую поляризацию поля.
Из условия (9.4) получаем соотношение между L и S, соответствующее режиму максимального осевого излучения и круговой поляризации поля вдоль оси,
Как известно, коэффициент направленного действия антенны типа бегущей волны максимален при условии, что сдвиг фаз вдоль оси между крайними излучающими элементами антенны равен π [ЛО 1]. Для спиральной антенны это условие выполняется в том случае, если для каждого отдельного витка спирали сдвиг фаз ϕ0 будет составлять
Из условия (9.6) находим соотношение между L и S, соответствующее максимальному значению к. н. д.
При этом несколько увеличивается уровень боковых лепестков и поляризация в осевом направлении отличается от круговой. Коэффициент неравномерности поляризационной характеристики в направлении оси спирали равен
Приближенно можно считать, что амплитуда бегущей волны в спирали постоянна. Тогда диаграмма направленности антенны может быть представлена произведением диаграммы направленности одиночного витка на диаграмму направленности решетки из n ненаправленных излучателей, где n — число витков:
где θ — угол относительно оси спирали.
Это приближение справедливо тем больше, чем больше витков n имеет спираль и чем меньше шаговый угол α.
Диаграмма направленности одиночного виткa приближенно описывается выражением
где - сдвиг фаз между токами соседних витков. Учитывая, что диаграммы направленности цилиндрической спиральной антенны получи следующее выражение |
Множитель решетки, как известно, равен Применительно к спиральной антенне |
На основании экспериментальных исследований получены [ЛO 1] следующие эмпирические формулы, справедливые для 5≤n≤14 и 12°<α<15°. Ширина диаграммы направленности по половинной мощности, выраженная в градусах: |
Коническая спираль
У конической спирали (см. рис. 9.2) длина витка и расстояние между витками переменны (однако угол α остается постоянным), поэтому в качестве параметров принимаются: минимальный радиус спирали Rмин, п — число витков спирали, α — угол подъема витка и β — половина угла при вершине конуса. Эти параметры связаны соотношениями:
где Rξ — радиус спирали в конце ξ-го витка; ξ— номер витка от вершины спирали (ξ=1÷n).
Из последнего соотношения находим осевую длину спирали l, как
Если у конической спирали, имеющей n витков, известна длина первого L1 и последнего Ln витка, то, используя выражение (9.17), получаем
В основу расчета конической спиральной антенны нами положен экспериментально установленный факт почти полного постоянства электрических характеристик цилиндрической спиральной антенны, длина витка которой L=λ, при изменении длины волны от 0,75λ до 1,3λ. Это позволяет на фиксированной длине волны λ заменить цилиндрическую спираль конической с числом витков и углом намотки, как и у цилиндрической спирали и с длиной первого и последнего витков соответственно: L1 = 0,75λ, Ln= 1,3λ.
С учетом этого из (9.20) следует
9.3. Применение спиральных антенн
Цилиндрические и конические спиральные антенны широко применяются на сантиметровых, дециметровых и, реже, метровых волнах. Они используются либо в качестве самостоятельных антенн средней направленности, либо в качестве облучателей параболических и линзовых антенн.
К преимуществам спиральных антенн относятся следующие: широкополосность, активное входное сопротивление, простота конструкции и то, что они работают как с круговой, так и с линейной поляризацией поля.
При работе на передачу спиральная антенна излучает поле с вращающейся поляризацией, право- или лево-поляризованное, в зависимости от направления намотки спирали (правая поляризация у спирали, образующей правый винт). При работе на прием она принимает либо поле вращающейся поляризации с направлением вращения как и при передаче, либо поле любой линейной поляризации.
Поле электромагнитной волны с вращающейся поляризацией характеризуется тем, что вектор электрического поля, лежащий в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, своим концом описывает эллипс. Полный поворот вектора происходит за один период колебаний электромагнитного поля. Когда полуоси эллипса одинаковы по величине, мы имеем круговую поляризацию. Если одна из осей равна нулю, то эллиптическая поляризация вырождается в линейную.
Для характеристики того, насколько поле с вращающейся поляризацией отличается от поля с круговой поляризацией, вводят коэффициент, называемый коэффициентом неравномерности или эллиптичности поляризационной характеристики антенны: m=b/a, где b — малая полуось эллипса; а — большая полуось эллипса. В ряде случаев применение полей с вращающейся поляризацией дает полезный эффект, заключающийся: в увеличении дальности обнаружения целей и в уменьшении помех от дождя и снега в радиолокации, в обеспечении надежности приема сигналов от космических объектов при потере ими ориентации, в уменьшении реакции зеркала на облучатель в зеркальных антеннах и т. п.
Рис. 9.7. Модифицированная Рис. 9.8. Конический рупор со цилиндрическая спиральная спиральным возбудителем, антенна. |
Эффект (Применения спирального облучателя для уменьшения реакции зеркала на облучатель основан на свойстве спирали «принимать и излучать поле только с одним направлением вращения поляризации, определяемым геометрией спирали. При отражении от проводящей поверхности (зеркала) направление вращения поляризации поля меняется на противоположное, которое облучателем не может быть принято.
Уменьшение помех от дождя, например, происходит следующим образом. Если применяют линейно поляризованное поле и средняя интенсивность отражения от дождя равна интенсивности сигнала от воздушной цели или больше нее, то цель на фоне помех не будет видна на радиолокационном индикаторе. Если же в этом случае применить поле с круговой поляризацией, излучаемое спиральной антенной, то вследствие симметрии капель дождя поляризация отраженного дождем сигнала будет также круговой, но с обратным направлением вращения вектора Е. Этот сигнал не будет принят спиральной антенной. Сигнал, отраженный от воздушной цели, будет принят антенной, несмотря на обратное направление вращения вектора Е, так как вследствие несимметрии цели (самолет, ракета) в отраженную волну будут вводиться деполяризованные компоненты, которые приведут к образованию эллиптической поляризации с преобладанием вертикальной или горизонтальной поляризации.
К недостаткам спиральных антенн можно отнести следующие: высокое (порядка 100—160 ом) входное сопротивление, зависящее от частоты, которое приходится согласовывать с сопротивлениями питающих кабелей (волновое сопротивление 50, 75 ом) с помощью специальных устройств; сравнительно большой уровень боковых лепестков (порядка 18 дб) и невозможность получения узких диаграмм направленности.
Одним из возможных способов [Л 4] устранения первого недостатка является уменьшение радиуса начальных и конечных витков спирали и применение отражателя конической формы, как указано на рис. 9.7. Равномерная центральная часть модифицированной антенны работает подобно обычной спиральной антенне, суживающиеся концы служат как бы «согласующим» переходом к коаксиальной линии на одном конце и к свободному пространству — на другом. Изменяя угол отражателя Ф2, можно установить входное сопротивление антенны нужной величины.
Второй и третий недостатки спиральной антенны могут быть устранены известными способами: при помощи решетки из спиралей; при помощи зеркала, линзы или рупора, возбуждаемых спиралью. Так, например, конический рупор [Л 5], возбужденный расположенной внутри него цилиндрической спиралью осевого излучения (рис. 9.8), имеет круговую поляризацию поля И узкую диаграмму направленности в полосе частот 2:1. Коэффициент направленного действия такой антенны (геликона) в четыре раза выше по сравнению с обычной 'спиралью такой же длины, а уровень боковых лепестков на 15—20 дб ниже.
В некоторых специальных случаях (антенна для моноимпульсной радиолокационной станции, антенна с электрическим качанием луча и т. п.) используются сложные антенные решетки, состоящие из большого числа спиралей. Взаимная связь между соседними спиралями в таких антеннах не очень велика. Так, коэффициент развязки между спиралями, имеющими одинаковое направление намотки, при расстоянии между ними ≥0,5λ превышает 15 дб. Спираль, помещенная внутрь другой спирали с противоположным направлением намотки, развязана относительно лее на 40 дб.
Спиральная антенна (рис. 9.9), имеющая две противоположно направленные обмотки, создает две встречные волны с круговой поляризацией. В дальней зоне образуется линейно поляризованная волна, направлением поляризации которой можно управлять, меняя сдвиг по фазе между токами в обеих обмотках.
Примеры практического использования спиральных антенн приведены на фото (рис. 9.10 и 9.11). На первой фотографии показана часть советской космической станции «Венера» с установленной на ней логарифмической двухзаходной спиральной антенной, намотанной из плоской металлической ленты на диэлектрическом каркасе. На второй фотографии показана антенна наземной станции космической связи, представляющая собой решетку из четырех цилиндрических спиральных антенн.
9.4. Порядок расчета спиральных антенн
Исходными данными для расчета спиральных антенн являются: рабочий диапазон длин волн λмин—λмакс и либо ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности 2θ0,5, либо коэффициент направленного действия D0.
Вид спиральной антенны может быть выбран по заданному диапазону волн. Если ширина диапазона не превышает 55%, то берется цилиндрическая спираль, в противном случае берется коническая спираль, которая обеспечивает рабочий диапазон в два раза шире, чем цилиндрическая спираль.
Цилиндрическая спираль
Длина витка спирали принимается равной средней длине волны заданного диапазона
Длина антенны определяется либо из выражения (9.14), если задан коэффициент направленного действия D0
либо из выражения (9.13), если задана требуемая ширина диаграммы направленности по половинной мощности:
Шаг спирали находится из условия
если необходимо получить круговую поляризацию поля; или из условия
если необходимо получить от антенны максимальный к.н.д.
Коэффициент неравномерности поляризационной характеристики для этого случая может быть найден из выражения (9.8).
Выражения (9.24) и (9.25) получены из соотношений (9.5) и (9.3), (9.7) после подстановки в них L = λср и υi/c = 0,82. Число витков спирали находится из выражения (9.3)
Полученная величина корректируется до целого числа n и в дальнейших расчетах принимается l=nS,
Радиус спирали находится из (9.1)
По приближенной формуле (9.12) рассчитывается форма диаграммы направленности на средней и крайних частотах диапазона.
Диаметр диска экрана принимается равным (0,9÷1,1)λср; диаметр провода спирали берется порядка (0,03÷0,05)λср, а его длина находится как nL. Входное сопротивление спирали почти чисто активное и определяется из приближенного выражения (9.15).
Коническая спираль
Нахождение параметров конической спиральной антенны начинают с расчета по заданной ширине диаграммы направленности или по заданному к. н. д. эквивалентной цилиндрической спирали, который производят на средней частоте заданного для [конической спирали диапазона. В результате расчета находят длину витка L эквивалентной цилиндрической спирали, ее осевую длину l’, шаг S и число витков n'.
Из (9.3) определяют угол намотки а, как
Он же будет углом намотки и для конической спирали. Угол при вершине конуса находят из (9.21)
Число витков конической спирали находят из выражения (9.20), как
где L1 = 0,75λмин, Ln= 1,3λмакс, а λмин и λмакс — границы заданного рабочего диапазона для конической спирали.
Осевую длину спирали находят из (9.19), а начальный радиус спирали определяют из (9.17), зная длину первого витка
Конечный радиус спирали находят из (9.16).
Форма диаграммы направленности конической спирали рассчитывается на средней частоте заданного диапазона по приближенной формуле (9.12), в которую необходимо подставить число витков п', шаг S и длину витка L эквивалентной цилиндрической опирали.
Диаметр диска экрана принимают равным (0,9÷1,1)λмакс, диаметр провода спирали берут порядка (0,03÷0,05)λср. Общую длину провода конической спирали находят, как Широкогюлосность конических спиральных антенн по входному сопротивлению не меньше, чем по диаграмме направленности
9.5. Конструкция и питание спиральных антенн
Цилиндрическая или коническая спиральная антенна, как правило, состоит из следующих основных частей (рис. 9.1,а, 9.2): проволочной спирали 1, сплошного или сетчатого экрана 2, питающего фидера 3 и согласующего устройства 4. В конструкцию антенны могут входить также диэлектрический -каркас, на который наматывается спираль, или диэлектрические растяжки, придающие антенне жесткость.
Если спираль крепится на сплошном каркасе из диэлектрика, то ее расчетные размеры должны быть уменьшены в 1/ раз. Спираль наматывается из проволоки, трубки либо плоской ленты. Как витки, так и экран необязательно делать круглыми, их можно делать квадратными или многоугольными. В качестве материала для спирали и экрана обычно применяется латунь и алюминий. Расстояние от начала первого витка до экрана берут равным 0,25S.
Поскольку волновое сопротивление фидера обычно равно 50 или 75 ом, а входное сопротивление спирали составляет (100÷160) ом, то для согласования антенны с фидером применяют широкополосные согласующие устройства, расчет которых дается, например, в [ЛО 15].
Питание цилиндрической спирали подводится обычно со стороны экрана, причем центральная жила питающего коаксиала, к которой присоединяется один конец спирали, должна находиться на образующей спирали (см. рис. 9.1,а). Второй конец спирали в этом случае остается свободным.
Диапазонность конической спиральной антенны существенно по(вышается при подведении к ней питания со стороны вершины опирали (см. рис. 9.2). В этом случае второй конец спирали электрически соединяется с экраном.
Примеры практического выполнения спиральных антенн, намотанных из провода, приведены на рис. 9.12 и 9.13. На первой фотографии показана коническая антенна, намотанная на жестком диэлектрическом каркасе. На второй фотографии показана надувная цилиндрическая антенна. Каркас для нее изготовлен из прорезиненной ткани, в качестве оттяжек используются нейлоновые шнуры. Литература
1. « С в ер х шир о к о по л о он ы е антенны». Пер. с англ., под ред. Бененсона Л. С. Изд-во «Мир», 1964.
2. «Антенны эллиптической поляризации». Пер. с англ., под ред. Шпунтова А. И. Изд-во иностранной литературы, 1961.
3. К ю н Р. Микроволновые антенны. Пер. с нем., под ред. Долуханова М. П. Изд-во «Судостроение», 1967.
4. А « г е л а к о с. К е й ф е ц. Модификация спиральной антенны с осевым излучением. «Труды инженеров по электротехнике и радиоэлектронике», апрель 1967, № 4.
5. Кар вер. Геликон — антенна круговой поляризации с низким уровнем боковых лепестков. «Труды инженеров по электротехнике и радиоэлектронике», апрель 1967, № 4.
6. Каталог «Automatic tracking antenna systems» фирмы Radiation, .1967 г. (Отдел промышленных каталогов ГПНТБ).
7. Каталог «Product antennas» фирмы American Electronic Laboratories inc, 1967 г. (Отдел промышленных каталогов ГПНТБ).
8.
9.
Глава 10
АНТЕННЫ ТИПА «ВОЛНОВОЙ КАНАЛ»
10.1. Общие сведения
Антенна типа «волновой канал», иначе называемая директорной антенной, относится к классу антенн бегущей волны. Бегущая волна, распространяющаяся вдоль оси Z антенны (рис. 10.1); формируется системой симметричных пассивных вибраторов-директоров (1, 2, 3, 4), образующих линию с замедленной волной, замедление которой близко к единице. Бегущая волна возбуждается в линии о помощью возбудителя, состоящего из симметричного активного вибратора 0, к которому подводится питание от генератора, и пассивного симметричного вибратора-рефлектора (—1), отражающего волну в сторону директоров. Все вибраторы параллельны друг другу и расположены в одной плоскости симметрично относительно продольной оси Z, вдоль которой распространяется волна.
Как и во всякой антенне бегущей волны, ширина диаграммы направленности слабо зависит от длины антенны, т. е. от числа директоров. Поэтому число директоров, как правило, бывает не больше десяти. Для отражения волны в сторону директоров достаточно одного рефлектора. Для формирования бегущей волны требуется определенная настройка всех вибраторов антенны в зависимости от длины волны и расстояния между вибраторами. Поэтому антенна типа «волновой канал» является сравнительно узкополосной. Ее полоса пропускания составляет несколько процентов.
Длина вибраторов в антенне близка к половине длины волны, что определяет ее рабочий диапазон волн— границу метрового и дециметрового диапазонов. Назначением антенны типа «волновой канал» является формирование диаграммы направленности шириной в обоих плоскостях не менее 15÷20°. У этих антенн, как у всех антенн бегущей волны, диаграмма направленности в осевом направлении формируется продольным, а не поперечным размером, что определяет их области применения. Антенны типа «волновой канал» нашли широкое применение в качестве приемных телевизионных антенн и антенн радиолокационных станций, где они используются как в качестве самостоятельных антенн, так и элементов решеток и облучателей зеркальных антенн.
Отличительной особенностью антенн типа «волновой канал» является небольшое активное входное сопротивление активного вибратора, уменьшенное за счет влияния пассивных вибраторов до 20—30 ом, в то время как одиночный полуволновый вибратор имеет активное сопротивление около 73 ом. Это вызывает известные трудности в согласовании антенны со стандартными фидерными линиями.
Для успешного формирования бегущей волны и диаграммы направленности амплитуды токов во всех вибраторах антенны должны быть примерно одинаковы. Токи в директорах по мере удаления от активного вибратора должны запаздывать по фазе на все большую величину по сравнению с фазой тока в активном вибраторе, в соответствии с запаздыванием фазы волны, бегущей вдоль антенны. Для этого входное сопротивление директоров [ЛО 5], должно носить емкостный характер, а» длина их должна быть меньше половины длины волны. Для ослабления поля, излученного антенной в направлении, противоположном бегущей волне, ток в рефлекторе должен опережать по фазе ток в активном вибраторе. Поэтому входное сопротивление рефлектора должно носить индуктивный характер, а длина рефлектора должна быть больше половины длины волны. Подбор расстояния между директорами, которое обычно составляет (0,15÷0,25)λ, расстояния между рефлектором и активным вибратором, составляющего (0,1 ÷0,35)λ, и соответствующая настройка вибраторов подбором их длины позволяют удовлетворить изложенные выше требования.
Второй отличительной особенностью «волнового канала», вытекающей из принципа его действия, является значительная сложность настройки антенны, так как настройка одного из элементов влияет на работу всех других, связанных с ним. Сложность настройки возрастает с увеличением числа элементов. Соответственно сложным является и теоретический расчет характеристик антенны, в первую очередь токов в вибраторах. Методика расчета антенн типа «волновой канал» наиболее полно была изложена в лекциях Л. Н. Лошакова [Л 1], по материалам которых в основном составлена расчетная часть настоящего пособия. В связи с большой сложностью расчетов и сравнительно малой их точностью, для антенн типа «волновой канал» большое значение имеет экспериментальная отработка параметров.
В литературе к настоящему времени имеется большое количество экспериментальных данных по антеннам типа «волновой канал» (по числу вибраторов, неэквидистантности их положения, расстоянию между ними) [Л04, Л05, Л2, ЛЗ]. Однако ввиду 'большого количества параметров, влияющих на форму, ширину диаграммы направленности и другие характеристики антенны эти отдельные данные недостаточны для использования их с целью получения достаточно обобщенных результатов. Поэтому мы ограничимся изложением способа расчета антенн достаточно простого даже при большом количестве элементов и ссылками на литературу с экспериментальными и некоторыми расчетными данными.
10.2. Определение токов в вибраторах антенны
Для того чтобы рассчитать диаграмму направленности антенны типа «волновой канал», необходимо предварительно определить токи во всех вибраторах. В основу расчета токов положен метод наведенных э. д. е., разработанный советскими учеными Д. А. Рож а неким, И. Г. Кляцкиным, А. А. Пистолькорсом и В. В. Татариновым. В. В. Татаринов применил этот метод к расчету антенн с пассивными (направляющими) элементами.
Задача ставится следующим образом: даны геометрические размеры антенны (длина, диаметр вибраторов, расстояние между ними, число вибраторов). По этим данным в процессе расчета определяются собственные и взаимные сопротивления (ЛО 5] вибраторов. При вычислении токов ib вибраторах их считаем заданными. Для определения токов совместим центр координат с электрическим центром активного вибратора и примем следующие (рис. 10.1) обозначения:
dp — расстояние между активным вибратором и рефлектором;
l— расстояние между активным вибратором и первым директором и между соседними директорами (для упрощения расчета в дальнейшем 'будем считать их одинаковыми) ;
индексы обозначают: п = 0 — активный вибратор, п = = 1, 2, 3, ... — директоры, п= -1 — рефлектор, N — количество директоров в антенне;
Znm = Zmn — комплексное наведенное сопротивление со стороны т-го вибратора на п-й при равных и синфазных токах (взаимное сопротивление), являющееся функцией расстояния между этими вибраторами;
Znn — собственное сопротивление вибратора;
еп— э. д. с. питания n-го вибратора; для всех вибраторов с индексами n≠0 (пассивные вибраторы);
Im — ток в вибраторе; 2l — длина вибратора.
Для удобства вычисления токов в вибраторах общая задача разбивается на две: решение системы уравнений для антенны без рефлектора и затем, путем использования найденных токов, решение системы уравнений для антенны с рефлектором.
Решение для антенны без рефлектора
При вычислении токов в вибраторах антенны без рефлектора основными допущениями, позволяющими упростить решение, являются:
1. Антенна состоит из вибраторов (активный вибратор и директоры), имеющих одинаковую длину 2l, близкую к λ/2.
2. Расстояние между вибраторами одинаковое.
Система уравнений, определяющая токи в вибраторах антенны без рефлектора, имеет вид
где —комплексная амплитуда тока в пучности т-го вибратора для антенны, имеющей N пассивных директоров.
Например, для антенны из трех вибраторов (активный и два директора, N = 2) система уравнений будет
Для упрощения решения системы (10.1) удобно принять е0=1 в, так как форма диаграммы направленности зависит не от величины токов в элементах антенны, а от соотношения между ними. Способ решения системы (10.1) может быть любой. При большом количестве директоров наиболее удобным является способ последовательного решения. При этом способе сначала определяются токи в антенне, состоящей из одного активного вибратора. Затем с помощью найденного решения определяются токи в антенне, состоящей из активного вибратора и одного директора. Далее по этим токам определяются токи в антенне с двумя директорами и т. д. Расчет ведется с помощью рекуррентной формулы Леонтовича. Она позволяет найти решение системы уравнений для антенны, имеющей N.+1 пассивных директоров,
Дата добавления: 2014-12-24; просмотров: 2449;