Симетричні вібраторні антени

Відповідно до рівнянь Максвела, первісними джерелами електромагнітного поля є змінні електричні струми та заряди, що існують у провідниках. Тому відрізки дротів зі струмами високої частоти та зарядами на кінцях можна використати для створення антенних пристроїв різного призначення.

Найпростішим антенним пристроєм є напівхвилевий симетричний вібратор (рис. 1.7, а). Джерело сигналу (навантаження) підключається до точок, що знаходяться поміж його плечима довжиною кожне. У вібраторі встановлюється стояча хвиля струму I(z) із пучністю I_п = 2I_m в його центрі та нулями на кінцях:

. (1.17)

Якщо кожне плече симетричного вібратора подати у вигляді сукупностей диполів Герца з відповідними розподілами струмів, то на підставі виразу (1.15) знайдемо в дальній зоні значення комплексної амплітуди напруженості інтерференційного електричного поля та пов’язаною з нею напруженість магнітного поля:

, (1.18)

де

; (1.19)

; (1.20)

Таким чином, у даному випадку ХН не залежить від кута :

; (1.21)

. (1.22)

У загальних співвідношеннях (1.18) та (1.22) позначено :

- - максимальне амплітудне значення напруженості електричного поля на відстані r від ізотропної антени, що збуджується струмом амплітудою ;

- - амплітудна характеристика спрямованості симетричного вібратора довжиною 2l = ;

- - фазова характеристика спрямованості вібратора.

Із співвідношення (1.20) випливає, що симетричний вібратор є неспрямованою системою в площині, що перпендикулярна до його поздовжньої осі. В площині розміщення вектора (вертикальній) на підставі (1.20) маємо:

. (1.23)

Таким чином, симетричний вібратор характеризується спрямованими властивостями, які залежать від співвідношення . Збільшення цього відношення супроводжується звуженням пелюсток діаграми спрямованості (рис.1.7, а, б) та створенням багатої кількості пелюсток (рис.1.7, в, г).

Однак симетричний вібратор не випромінює здовж своєї осі ані при яких обставинах. Нормована ДС, як випливає з (1.20), описується виразом

. (1.24)

Потужність випромінювання симетричного вібратора

,

а опір випромінювання

.

Найбільш поширеними з симетричних вібраторів є напівхвилеві, довжина плеча яких , а відповідна резонансна довжина хвилі . Для такого вібратора на підставі (1.18) – (1.24) можна отримати значення майже всіх параметрів, що позначені в табл.1.1. Наприклад:

- нормована ХС має форму тороїда (рис.1.7, а)

; ;

- коефіцієнт спрямованої дії (при );

- ширина пелюстки ДС , ;

активна складова опору випромінювання відносно пучності струму Ом;

- реактивна складова опору випромінювання Ом;

- відносна діюча довжина вібратора , тобто ;

- діюча площа вібратора ;

- напруженість електричного поля на відстані r від вібратора:

, мВ/м;

- напруженість магнітного поля .

Тонкий симетричний вібратор (рис.1.8, а) є вузькосмуговою системою. Відносна ширина його смуги пропускання

,

де d – діаметр дроту.

а)б)

в)г) д)

Рис.1.8

З даного виразу випливає, що збільшення діаметру дроту супроводжується розширенням смуги робочих частот. Тому на практиці застосовують симетричні вібратори конічної або циліндричної форми (рис.1.8, б, в), а іноді – пласкі вібратори різної конструкції.

У декаметровому діапазоні радіохвиль застосовують «товсті» симетричні широкосмугові антени, плечі яких виконані з 6 – 8 тонких дротів, що розташовані за твірними циліндра (рис. 1.8, в), радіус якого м. Хвилевий опір антени сягає 200…400 Ом. Така антена (диполь Надененко) підвищується понад землею на спеціальних щоглах. Її конструкція забезпечує знижену вагу та вітрове навантаження.

Для ще більшого розширення діапазону робочих частот (до п’ятикратної відносної величини) забезпечує шунтовий вібратор, один з варіантів якого зображено на рис. 1.8, г. Ефект досягається за рахунок взаємної компенсації реактивних складових еквівалентних короткозамкненого шлейфу довжиною та розімкненої лінії довжиною . Шунт довжиною l_ш може бути виконаний також у вигляді уявного П- подібного шлейфу.

Загальним недоліком розглянутих антен є їхній низький вхідний опір R_А, внаслідок чого може статись недостатнім рівень потужності випромінювання . Для його підвищення необхідно збільшити величину R_А, при фіксованому значенні I_А (табл. 1.1). На рис. 1.8, д зображено петлевий вібратори Пистолькорса, який характеризується підвищенням вхідного опору майже в 4 рази. На схемі показано епюри розподілу струму в елементах цієї антени.

Можна показати [1], що при резонансі в такій антені Ом. Оскільки в режимі стоячих хвиль уздовж вібратора місця розташування пучності струму та вузла напруги співпадають, то в цій точці петлевий вібратор може бути прикріплений безпосередньо до металевої щогли висотою h понад землею або дахом будівлі.