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: 2437;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.037 сек.