Лекция №11 Антеналық торлардың көлденең сәулеленуі.

Лекция жоспары:

· жалпақ антенналық торлар;

· синфазалақ тор;

· бағытталған диаграмманың біркелкі тізбектелген торды басқару.

11.1 Жалпақ антенналық торлар

Біркелкі тізбектелген антеналықтар n қатарынан n симметриялық вибраторы болсын делік. (сурет 10.2а). Қатарлас вибратордың орталығының арақашықтығы d, тең. Тізбектелген тор дегеніміз біріңғай сәулелену торының осі болып табылатын орталықтың тіке орналасуы. Барлық торлар элементтері бірдей шамалары бар екенін көрсетеді. (I_n1=I_n2=…I_n=I), әрбір келесі вибратордың берілген қатардың ток фазасы алдында Ψ шамасының ток фазасынан қалыс қалады. Сонымен, I₂=Iexp(-i φ)…I_n=Iexp[-i(n-1)φ] қоздырғыш ток фазасының әрбір қатары тізбектелу заңымен өзгертіледі.

Бастапқыда амплитуда тең қоздырғыш токтардың бір-бірінен арақашықтығы тең деңгейде орналасқан n бағытталмаған сәулеленудің тізбектелген жүйесін қарастырайық. Мұндай вибратор жүйесі дегеніміз бұл эквидистантты тең амплитудалық тор болып табылады. әрбір келесі вибраторлары ток фазасы талдыңғы токқа қарағанда Ψ бұрышындай қалыс қалады. Бөлек вибраторларының сәулелері d₁<<r болса, онда м нүктелерінде антеналардың жоғалуын қарама-қарсы деп санауға болады.1 вибратормен құрылған м нүкте өрісін E₁ арқылы белгілейміз. (сурет 11.1а). әртүрлі вибраторлардан құрылған теңамплитудалық тордың амплетудалық өрісін бірінші вебраторының амплетудалық өрісіне теңестіруге болады. E₂ өрісі ∆r сәулелер ретінің әртүрлігінен 2-ші вибраторы 1 вибратор өрісі фаза бойынша k∆r=kd₁sin𝜑 бұрышынан алда жүреді. 1 және 2 вибраторынан құрылған фазаның өрісінің арасындағы нәтижелі қозғалу Ф=kd₁sin(𝜑-Ψ) тең.

Фазаның бұл қозғалуы өрістер үшін кез-келген қатарлас вибраторларда құралған. Бөлек вибраторларының фаза арқылы Ψ бұрышының қозғалуының графикалық бөлінуі (сурет 11.1.б) көрсетілген. Өрістер векторлары М нүктесіндегі барлық вибраттардан құралған. Е_п-ге тең нәтижелі кернеулік өрістерінің дұрыс көп бұрышты бөлімінің негізін қалайды. Е-вектордың ортасынан құралған дұрыс көрбұрышты бөлімінң негізін қалайды. Е-вектордың ортасынан құралған дұрыс көпбұрышты перпендикуляры ρ радиусы орталығы болып табылатын 0 нүктесінде қиылысады. ОАВ және ОАС үшбұрыштары үшін sin(Ф/2)=AB/ρ=E₁/2ρ және sin(nФ/2)=AC/ρ=E_n/2ρ теңдеуін жазуға болады.

Сурет 11.1 - Қималы сәулелену торының көбейткішінің анықтамасына

Бұл теңдеуді бөлу арқылы E_n/E₁=sin(0.5nФ)/sin(0.5Ф) немесе E_n=E₁f_c(φ), мұндағы: Ф=kd₁sinφ-𝜓; f_c(φ)=sin(0.5nФ)/sin(0.5Ф)=sin[0.5(kd₁sinφ-𝜓)]/sin[0.5(kd₁sinφ-𝜓)] шығады. Бұл жерде бағытталған сәулеленуден құралғаг торлар қарастырылды. Егер тізбектелген торларды бағытталған сәулеленуден құруға болатын болса, онда симметриялық вибраторларының E₁ өрісі, f₁(φ) бағытталған қасиеттері мынадай теңдеуге тең болады:

(11.1)

(11.1) теңдеу негізінде жалпы бағытталған көею принципі мынадай болуы мүмкін: біркелкі сәулеленудің бағытталған жүйенің мінездемесі жүйе көрсеткіші берілген бір элементтің бағытталған туындының сипаттамасын көрсетеді.

φ бұрышы өзгерту барысында n көрсеткіш жүйесі вибраторлы сандарында f₁(φ) көрсеткішіне қолдағанда тез өзгерріп отырады.

Сондықтан бағытталған торлар сипаттамасы көрсеткіш жүйесімен анықталады. Сондай-ақ sin(nu)/sin(u) көрсеткіш жүйесі периодикалық функциясы болса, онда (Ψ) бұрышы өзгерту барысында бұл көрсеткіш 0-ге айналады, содан кейін максималды мәнге жетіп өсіп отырады, кейінірек азаяды, және қайтадан 0-ге тең болады.

11.2 Синфазалақ тор

Вибраторларда токтар фазасы және амплитуда бойынша бірдей антеналық торлар кең қолданылады Ψ=0^° (11.1) формуласына сүйене отырып, бағытталған сипттама үшін мынадай аламыз.

(11.2)

Сәулелік антеннаның кернеулігінің өрiсі Ψ=0 бағытында максималды болады. Бұл бағыттағы әрбір вибраторлар жоғарғы қарқынмен сәуле таратса, онда 1-cos kl Fl(Ψ) көрсеткішіне тең. Ψ=0 бағытындағы бөлек вибраторларының өрістері синфазалық және вибраторлар осінің арақашықтығының бақылау нүктесі 0-ге тең. Бұл жағдайда көрсеткіш жүйесі 0/0 анықталмаған мәнд қарастырады. Лопитал ееже бойынша көрсеткіш жүйес жоғары және n-ге тең болады (11.2) формуласы E max=nT1max түрге ие болады. n- тордағы вибратордың саны. Ψ=180 бұрышында (11.2) формуласы осындай түрді қабылдайды (11.2) фомуласынан нормалық бағытталған сипаты мына формуламен анықталады.

(11.3)

kd₁sin𝜑 тең қатарлас вибраторлар өрістерінің фазалары арасындағы 𝜑 бұрышының қозғалысы. Кейбір мәндердің нәтижеснде вибраторлардың суммарлық өрістерінің өрістері интерференциясы 0-ге айналады. Сәуле таратпайтын бағыттар жүйенің көрсеткіш санағы 0-ге тең болған жағдайда анықталады.(nkd₁/2)sinφ₀=N, sinφ₀=N𝜆/(nd₁), N=1,2,3….

Егер синус брліктен кiші болса, онда бөлгіш көп болады және диаграмма бағыты (N) нөлдік сәуле тарату бағыты да көбейедi. Нөлдік сәуле тарату бағыты (11.4) формуласымен есептелінеді.

φ₀=arcsin[N𝜆/(nd₁)] (11.4)

мұндағы: N=1,2,3...n.

Бұл көбейткіштің бөлгіші kd₁<<nkd₁ вибраторлар сандарында 𝜑 өзгеру бұрышы жай сандармен ауыса алады. Бұл жағдай мына түрде жазылады. sin[(nkd₁/2)sin𝜑_max]=±1, бұл жерден nu=(1nkd1/2)sin𝜑_max=(2N+1)π/2, N=1,2,3,…

Бүйір нүктесінің максималды бағыты мына формуламен есептелінеді:

φ_max=arcsin[(2N+1)λ/(2nd₁)] (11.5)

мұндағы: N=1,2,3…n.

Симметриялы жартылай тербелмелі вибраторларының әртүрлі сандары үшін синфазалық тордың диаграммалық бағыты 11.2 суретте көрсетілген. Нөлдiк сәулеленудің бастапқы максималды бағыты sinφ₀=𝜆(nd₁) формула бойынша анықталады.

Формуладан көргеніміздей диаграммалар күлтесінің бағыты бар болған соң 1 реттегі вибраторлары соншалықты көп болады немесе nd₁/𝜆=L/𝜆 антеланың қатысты ұзындығы да ұлғаяды.

Сурет 11.2 - Синфазды антенналық тордың бағытталу диаграммасы

2φ₀=2(λ/nd₁), рад немесе 2φ_o=115ºλ/nd (11.6)

Бркелкі синфазалық тордың жалнақтығы диаграмманың бағытының жартылай қуаттылығы (11.7) формуласы арқылы анықтауға болады.

2φ_0,5=0,89(λ/nd₁), рад немесе 2φ_0,5=51ºλ/nd₁ (11.7)

l/λ=0,5 ұзандығының симметриялық вибраторында бағытталған диаграммалардың енінің жартылай қуаттылығы 44° болады. Бағытталған диаграмманы 6,4° дейін 7 рет тарылту үшін, 8 симазалық симметриялық вибраторларды қолдау керек.

Антенналардың бағытталған қасиеттері бастапқы бағытталған диаграммалар күлтесінң жалпақтығынмен немесе шеткі күлтелер деңгейіме сипатталады.

ξ_N =l/nsin{[(2N+1)/n](𝜋/2)} (11.8)

n мәні ұлғайғанда ξ_N=2/[(2N+1)𝜋] 1-ші есептеулер 2 шеткі күлтелер үшн келесі формулаға өтуге болады 1-ші шеткі нүктелері 𝜉₁=2/3𝜋≈0.21деңгейі осынлай болады. 2-ші шеткі күлтесі -13.3Дб тең болады. 2 бастапқы максимум (𝜑=0º және 𝜑=180º) немесе 2 бастапқцы бағытталған диаграммалар күлтесі тек d₁<λ болғанда ғана алынады. 𝜑 бұрышының 0º және 180º тең емес кейбір мәндерінде көбейткіш жүйесінің алымы және бөлгіші d₁≥λ осындай болғанда біруақатта 0-ге айналады. Бұл kd₁sin𝜑=2Nπ немесе (kd₁sin𝜑)/2=Nπ осы жағдайда орындалады. Егерде қатарлас вибраторлар арасында өрісінің қозғалу фазасы тең болады немесе 2π қысқа болады. 𝜑=0º және 𝜑= 180º жағдайында көбейткіш жүйесі n-ге тең ең үлкен максимумге ие блоады. Бұл шеткі қосымша култелер ден басқа диаграммалардың бағытталған антенналардың пайда болуына әкеліп соқтырады. Бұл күлтелердң деңгейі көп болған сайын диаграмманың бір элементтікң торын кеңейе түседі.Бұл элементтер бағытталған қасиеттеріне ие болмағандықтан бірлікке тең болады.

Егер симмитриялық вибратор экваторлақ қасиеттерге ие болмаса , онда Н жазықтығының бағытталған синфазалық торлары тек Е жазықтығының үшін осы көбейткіш жүйесімен анықталады. Бағытталған диаграмманың жалпақтығы шеткі күлтелердің максимум бағыты және оның деңгейі тордың Е векторының жазықтығы үшін алынған формулалар арқылы анықталады. Егер синфазалық торда Н жазықтығының диаграмма бағытының түлері көбейеді. Максималды сәулелену бағытының түрлері көбейеді. Максималды сәулелену бағытының КПД синфазалық торы формула арқылы есептеуге болады.

D=(120/R_Σполн)(mn)²(1-coskl)² (11.9)

R_Σполн -антеннаның сәулелену толық кедергісі d₁=>0, d₂=>0, n=>∞, m=>∞, бірақ nd₁=const=b және md₂=const=a, мұндағы a және b H және E жазықтығының сәулелік жүйесінің размерлері. Өткізгіш көмегімен сәулелік кеңістікті үзіліссіз бөлінуі бағытталған сипаттамалардың антеналық торлары формула сипаттамалары арқылы өтуге болады.

11.3 Бағытталған диаграмманың біркелкі тізбектелген

торды басқару

Біркелкі тізбектелген тордың бағытталған қасиеттерін анықтайық (11.1) және (11.4) теңдеуінен көргеніміздей тең амплитудалық синфазалық тордың біркелкілігі синустар оргументінде ғана айрықшаланады. Көбейткіш жүйесі тең амплитудалық тізбектелген тор жағдайында максимальді болады, ал u=kd=1sin φ max.гл- φ =0 жағдайында тең болады. Өрістер барлық антенналар элементтерімен бақылау нүктесінде φ max бұрышымен сипаттады. Көбейткіш жүйесінен мыны теңдеуді аламыз.

sinφ_max.л= φλ/(2πd₁) (11.10)

Сондай ақ өзгеру фазасының тізбктелу заңы максималды сәуле тарату бағытын өзгертуіне әкеліп соғады. Бұл бағыт перпендикулярдан тор өсінін φ max.гл бұрышына ауытқиды. Сәуленену сол бағытта максималды, сондай ақ φ және φ p өзара қозғалу фазалары болады, бағытталған длаграмма әлбетте қоздырғыш токтың жағына бұрылады. Бағытталған диаграммасының бұрылысы, практика жүзінде φ қозғалу фазасының шамасын өзгеру жолымен басқаруы кеңінен қолданыста болады.

Нөлдік сәулеленудің бағытын sin φ o=N λ /(2nd1 cos φ max гл) фомула арқылы анықтауға болады. Бағытталған жіңішке диаграмммалардың мәні мыныдай болады 2φ_o тең 2φ_o2λ(nd₁ φ_max.гл).

Сондай ақ бағытталған диаграмма енінің есебі перпендикулярдан тор осіне максималды сәуленену бағытының ауытқуының шамасындай болады. Бастапқыға жақын келетін шеткі күлтелер деңгейі синфазалық торлар жағдайында сол әдіспен табылуы мүмкін. Шеткі максималды күлтелер бағыты sin φ max.гл= (2N+1) λ(2nd1 cos φ max гл) формуласынан анықталады. Сонымен қатар ауытқуда бағытталған диаграмма торының осінің максималды сәуле тарату бағыты кеңейеды, алшеткі күлтелер деңгейі өзгермиді. Бірақ, бағытталған диаграмма кеңістіктегі сәулелену өрісі айналысындағы бекітілген соңғы формаларды алады және Е вектор жазықтығының бағытталған диаграмма кеңейтілуін қалпына келтіреді. Нәтижесінде КНД (коэффициент полезного дейстия) тізбектелген біркел φ кі тордың φ max гл бұрышынан тәуелсіз сондай-ақ d= 101,5/2=2 φ o.5 формуласы арқылы есептеуге болады. 2 φ o.5 бағытталған диаграмма енінің жартылай қуаттылығы. Қарастырылған анкета торлары максималды интенсивті осьтерімен немесе кейбір бұрыштарымен сәулеленеді. Торлар осінің (y осі) сәулеленуі 0-ге тең, ал бұл торлар элементтері бұл бағытта яғни көлденең сәулелену торларында сәуле таратпайды.

Қорытынды. Бағытталған диаграмманың синфазалық тордың ені толқын ұзындығының азаюымен вибраторлардың санының ұлғаюы және олардың арақашықтығының ұлғайымен таралады. Егер вибратор санын синфазалық торларының арақашықтығын және тізбектелген антеналар сақтау үшін ұлғайтқыш, онда бастапқы күлтелер ені өзгертілмей қалады. Демек шеткі күлтелер деңгейі өседі. Егер d1<0.5 λ жағдайында шеткі күлтелер деңгейі өзгертілмей қалатын болса, онда вибратор саны өседі. Сондықтан ..... арақашықтығы 0,5 ... тең блолатын бағытталмаған немесе жартылай толқынды вибраторлар орталығын таңдайды.

Шеткі нүктелердің азаю деңгейі үшін эквиарақашықты торларды қолданады. Оларды қолданады. Оларды орталық вибратордың үлкен токтары болады, ал тең амплетудалық торлардың вибраторлардың арақашықтығының антена орталығынан жою өлшемі ұлғаяды. Орналастыру вибраторлардың немесе амплитудаларды орналастыру заңын ескере отырып, шеткі нүктелердің қажетті мәндер деңгейіне дейін төмендетуге болады.

КНД үлкен тізбектелген антеналар өлшемі берілгенде тең амплитудалық эквиарақашықтықты торларға не болады. Шеткі нүктелер деңгейінің төмендеуіне КНД азаюымен немесе антеналар өлшемінің ұдлғаюымен жетеді. Бағытталған диаграммалардың тізбектелген торлдарда орналасқан тіке сызығы бар бағытталмаған диаграмма жүйесі айналу фигурасы және тор вибраторлар сызығының орналасу осі болып табылады. Жазықтықтағы орналасу вибраторларының қарама қарсы сызықтары және олардың оталығынан өтетін синфазалық тізбектелген торда айналма бағытталған диаграмма болады. Жіңішке бағытталған диаграмманы 2 жазықтықта алу үшін синфазалық тор 2 ретті болуы қажет. Тізбектелген заңдар жағдайында бағытталған диаграмма вибраторының ауысуы токтар фазасы қалыс қалу фазасы қатарына бұрылады.

Бақылау сұрақтары:

1. Тізбектелген тор дегеніміз не?

2. Синфазды антенналық тордың бағытталу диаграммасы түсіндіріп беріңіз?

3. Бағытталған диаграмманың синфазалық тордың ені туралы анықтама беріңіз?