Лекция №12. Осьтік сәулеленудің антеналық торлары.

Лекция жоспары:

· параллель орналасқан осьтердің біркелкі тізбектелген торлары;

· ток шапшаң толқын заңы бойынша өзгеретін сымның сәулеленуі;

· тиімді режимде жұмыс істейтін антеннаның БДК.

12.1 Қарама –қарсы торлар осі, сәулеленудің біркелкі тізбектелген вибраторлардың реті

Вибраторлар ретінен құрылған параллель орналасқан осьтердің біркелкі тізбектелген торларды қарастырайық. Әрбір вибратор максимальді интерсивті осьтер торларымен сәуленеді, антеналар элементтеріндегі қажетті қозғалу токтар фазасы фаза айналмасының көмегімен құруға болады, сондай ақ жүгірпе электромагнитты толқындар көмегімен антеналар элементін қоздыруға болады. Келесі вибратордағы φ =ßd1 шамасы токтан фаза арқылы қалыс қалады. d1- вибраторлар арасындағы арақашықтық ß=W/V=kc/V- фазалар коэффициент c/v - кідіріс. Коэффициенті. Сонымен қатар, вибраторлар токтары амплитудағы тең болса, онда I2=I1 exp[-ik(c/v) d1 ], I3= I2 exp[-ik(c/v) d1 ],…. In= I1 exp[-ik(n-1)(c/v) d1]

Келесі вибратор, алдыңғыдан кейін қоздырылады, бірақ бақылау нүктедегі қатарлас вибраторлардың өрістерінің арасындағы қозғалу фазасы мынаған тең болады.

φ₁=φ_p- φ=kd₁cosφ=k(c/v)d₁=kd₁(c/v)-cosφ (12.1)

Шеткі вибратор өрісінің арасындағы қозғалу фазасы.

φ n=(n-1) kd1 (cos φ -c/v) (12.2)

Жоғарыда айтылғандарды ескере отырып, (11.2) формуласынан мына формулаға өтуге болады.

E=(60In/r)[(cos(klsinφ)-coskl)/cosφ]Sin[(knd1/2)*

*(c/v-cosφ)]/sin[(kd1/2)*(c/v-cosφ] (12.3)

Антенна элементі Н жазықтығы бағытталған қасиеттеріне (φ=0°) ие болмаса, онда бұл жазықтықта өрістер кернеуі мына формула арқылы анықталады.

E=(60In/r)[(1-coskl)sin[kd1/2)-

-(c/v-cosθ)]/sin[(kd1/2)*(c/v-cosθ] (12.4)

(12.3) және (12.4) формуласынан көріп тұрғанымыздай Н жазықтығында бағытталған сипаттамасы көбейткіш жүйесімен анықталады. Е жазықтығында бағытталған сипаттамасы тордың бір элементінің бағытталған қасиетіне тәуелді болады. Сондықтан жүгіртпе толқынының бағытталған антенналар қасиеттерінің нәтижесінде тек бұл көбейткішті қарастыруға болады. Жүгіртпе толқын антенналарының бағытталған қасиеттері П торының элементтер санына тәуелді. Нөлдік сәулелену бағытын және максималды шеткі нүктелерді анытайық. Нөлдік сәулелену бағытын анықтау үшін көбейткіш жүйесінің саны немесе оның аргументімен теңестірейік (kd1/2)*(c/v-cosθ)=Nπ, N=1,2…

Бұдан:

nd₁(c/v-cosθ)=Nπ және θ_on= arcos (c/v-Nπ/nd₁) (12.5)

Максималды шеткі күлтелер бағытын анықтау үшін бірліктердің көбейткіш жүйесінің сандары немесе оны аргументтерімен теңестірейік. (knd1/2)>(c/v-cosθ)=(2N+1)(π/2), N=1,2…

Бұдан:

nd₁(c/v-cosθ)=(2N+1) [λ(2nd₁)] және

θ_maxN=arcos{(c/v-(2N+1)*(λ(2nd1)} (12.6)

Жүгірпе толқынды антенналарды 3 режим жұмысын қарастырайық. 1) v=c;c/v=1бос кеңістік толқыны; 2) v<c;c/v<1 (жылдам толқын); 3) v>c;c/v>1 (жай толқын)

1) c/v=1 Ψ=0º жағдайында көбейткіш жүйесі максималды және п-ге тең. Реттелген көбейткіш жүйесі.

Fc(0)=(1/n)sin[(knd1/2)*(1-cosθ)]sin[(knd1/2)*(1-cosθ)] (12.7)

θ=0° бағытындағы нәтижелі өріс максималды және бақылау нүктесіндегі барлық антеналар элементінің өрістері синфазалы болмағандықтан φ оздырылуы толығымен кеңістік Ψ_p қалпына келтіріледі. φ бұрышының азайғанда немесе ұлғайғанда Ψ≠Ψ_p Бақылау нүктесіндегі нәтижелі өрістердің кернеулігі 0=0º бұрышымен сипатталатын жалғасып жатқан антенна осьтеріне қарағанда кіші болады.

Егер cosθ теріс болса (90º<0<270º) қозғалыс фазалары φ және φ d1<λ/2 жағдайында біркелкі таңбаға ие болады. Бұл жағдайда ерте қозатын вибраторы кеш қозатын вибраторға қарағанда бақылау нүктесіне жақын орналасады. өрістер арасындағы қатарлас вибраторларының қозғалу фазасы φ₁ кіші d₁-де үлкен болып келеді және бақылау нүктесіндегі нәтижелі өрістер кіші болады. Сонымен қатар жүгіртпе тоқынды антенналар бір бағыттағы қасиеттерімен және максималды интенсивті осьтермен сәулеленуіне ие болады. Практикада жүгіртпе толқынды антенналар кездеседі. Оларды әлсіз бағыттағы сәулеленудің үзіліссіз тізбектелуі ретінде қарастыруға болады.

Көбейткіш жүйесінің антенналар ұзындығында қоздырғыш тоғының өшуінің есепке алынбауы (12.7) теңдеуінен алынуы мүмкін.

Боковой лепестоктың бірінші деңгейі вибратордың синфазалық торының деңгейімен бірдей, яғни =F( )=2/3π –ге тең. Нөлдік сәулелену бағыты бойынша бағыттылық диаграммасының енін төмендегі формула арқылы табамыз:

аз мәндерінде (L-антенна торының ұзындығы):

(12.9)

Жартылай қуат бойынша бағыттылық диаграммасының ені келесі жуық формула арқылы анықталады:

(12.10)

Тап осы антеннаны бірқалыпты синфазалық тормен салыстырғанда ескеретін жайт, АБВ бағыттылық диаграммасы дәл осындай ұзындықтағы синфазалық тордың бағыттылық диаграммасынан енділеу болады, бірақ токтың айналма толқын қозғалысын өршітетін вибратордың бір қатары антеннаның өсінен өтетін кез келген жазықтықта бағыттылық қасиетіне ие, ал синфазалық тор тек бір жазықтықта ғана бағыттылық қасиетіне ие. Егер АБВ элементтері бағыттылық әрекетіне ие болмаса немесе аз болса, антеннаның бағыттылық диаграммасын өске симметриялы деп есептеуге болады. Антеннаның айналма толқынының БДК−сын келесі формула арқылы анықтаймыз:

(12.11)

2kL » I болғанда (практикалық L/ℷ>1)

2) с/v<I. (12.4) формула негізінде, cosθ=c/v шартын ескере отырып, мұнда жүйе көбейткіші максималды және n-ге тең (шарт бойынша жүйе көбейткіші 0/0 түріндегі белгісіздікке айналады). Өту аралығын (предельный переход) ( =>0, n= , n >L), қолдана отырып бағыттылықтың сипаттамасын табамыз.

(12.12)

cosθ=c∕v шарты бұрыштың екі мәнінде θ= орындалуы мүмкін, демек, антенна өсіне сәйкес келмейтін максималды сәулеленудің екі бағыты бар. Сондықтан бұл жұмыс тәртібі тиімсіз, өйткені антеннаның бағыттылық қасиеттері нашарлайды. Дегенмен, шапшаң толқынды антенналар бағыттылық диаграммасын көшіруге арналған арнайы пішінді бағыттылық диаграммасын құруда қолданылады. Көптеген шапшаң толқынды антенналардың негізі әртекті волноводты структура (құрылым) болып табылады. (мысалы, саңылаулы волновод).

3) c/v>1. (12.1) және (12.2) формуласынан көрініп тұрғандай, бұл жағдайда антеннаның жеке элементтерінің өрісі синфазалық қалыптасатын бағыт болмайды, өйткені θ қандай мәні болмасын c/v қатынасы cosθ−ге тең болмайды және фаза ығысуы нөлге айнала алмайды.

Жеке вибратордың өрістері аралығындағы минималды фазалық ығысу =k (c/v-1), θ= бағытында болады, яғни антенна өсін бойлай.

θ= бағытында жатқан бақылау нүктесіндегі жеке вибратордың өрістері, 12.1 суретте көрсетілгендей геометриялық түрде қалыптасады. (12.4) және (12.12) формулаларына сәйкес (v=c –дан бастап) фазалық жылдамдықтың кемуі бағыттылық диаграммасының негізгі лепестогының біртіндеп тарылуына, боковой лепестоктың өсуіне (артуына) алып келеді.

θ= басты бағытындағы сәулелену алғашында белгілі бір (L=n мәні үшін) максималды шамаға дейін артады да, кейіннен кеміп, c/v сындық (критический) шамасында нөлге айналады.

(12.13)

Бағыттылық диаграммасының негізгі лепестогының тарылуы - антеннаның БДК-нің артуына, ал боковой лепесток деңгейінің артуы - оның кемуіне алып келеді.

c/v және c/v=1 бастап көбейгенде, алғашында БД-ның тарылуынан БДК – артады. Кейіннен c/v белгілі бір шамаға жеткеннен кейінгі өсуі БДК –нің кемуіне алып келеді. Демек, БДК максимал мәнге жеткенде c/v −ның тиімді шамасы болады (антеннаның белгілі һ ұзындығында). Антеннаның бағытталмаған элементтері жағдайында БДК−ге арналған формула қолайсыз болар еді. Оның анализі, анықталған ұзындықтағы антеннаның айналма толқынының БДК−сі антенна өсінің бойында (θ= ) жатқан шеткі элементтерінің әсерінен туындайтын өрістердің аралығындағы фазаның салдарлы ығысуының мөлшеріне тәуелді екенін көрсетеді. (12.2) формула бойынша анықталатын фаза ығысуы =180°- ке тең болған жағдайда БДК максималды болады, яғни антенна өсінің бойында жататын нүктеде антеннаның шеткі элементтерінің әсерінен туындайтын өріс қарсыфазада орналасқан жағдайда, БДК максималды болады. Қорыта келгенде, (12.2) формула негізінде, БДК келесі шарт арқылы табамыз.

Сурет 12.1 – АБВ өрістерінің векторлық қосылуы

(12.14)

Осы формуланы қолдана отырып, антеннаның L ұзындығында c/v тиімді шамасын немесе анықталған фазалық жылдамдықпен антеннаның тиімді ұзындығын табуға болады.

(12.15)

(12.16)

(12.14) формуласында көрсетілгендей, фазалық жылдамдық артса, антеннаның тиімді ұзындығы артады. (12.14) шартын орындаған жағдайда, БДК төмендегі формула арқылы анықталады.

(12.17)

мұндағы: -антеннаның айналма толқынының БДК-сі. 12.1 суретте D/ қатынасының шеткі элементтер өрісі аралығындағы фазалық ығысуға тәуелділік графигі келтірілген, D - баяулату(v<c) немесе жеделдету (v>c) режимінде жұмыс істейтін белгілі ұзындықтағы антеннаның БДК-сі.

Сурет12.2 - D/ шамасына тәуелділігі

Векторлы уақытша диаграммасында (сурет 12.2) көрсетілгендей, тиімді жағдайда ( =180°) салдарлы өрістің кернеулік векторы бірінші режимде жұмыс істейтін АБВ жағдайынан π∕2 есе аз (тиімді жағдайдағы салдарлы өрістің кернеулік векторы жарты ұзындығы c/v=1 жағдайында салдарлы өрістің кернеулік векторына тең болатын шеңбердің диаметріне тең деп есептеуге болады).

Тиімді режимде жұмыс істейтін антеннаның БДК−нің көбеюі, тиімді және оған жақын c/v қатынастарындағы антеннаның элементтеріндегі токтың өзара әрекеттестік әсерінен көбеюімен түсіндіріледі. Дербес жағдайда c/v оңтайлы қатынасындағы антеннаның элементтеріндегі ток, c/v=1 режимінде өзгермейтін сәулеленуші қуат болған жағдайда жұмыс істейтін антеннаның элементтеріндегі токпен салыстырғанда, шамамен (π∕2 ) есеге көбейеді.

Бұл антеннаның әрбір элементімен сәулеленетін өріс кернеулігінің көбеюіне алып келеді. Мұнда келтірілген АБВ тиімді жұмыс режимін сипаттайтын қатынастар тек қана антеннаның бағытталмаған немесе нашар бағытталған элементтеріне сәйкес келеді. Антенна элементтерінде біршама бағыттылық қасиеттерінің болуы бұл қатынастарды өзгертеді. Оңтайлы режимде жұмыс істейтін антеннаның бағыттылық диаграммасының енін нөлдік сәулелену бойынша және (12.12) формуласының негізінде төменде келтірілген шартпен табамыз. (kL/2)(c∕v-cos )=π. c∕v орнына (12.15) формуласын қою арқылы sin = шартын аламыз. ℷ∕L аз мәндерінде синусты аргументпен ауыстыруға болады. Онда:

(12.18)

(12.9) және (12.18) формулаларын салыстырып қарайық,бұл жағдайда төмендетілген фазалық жылдамдықтағы АБВ−ның бағыттылық диаграммасы c∕v =1 режиміндегі антеннаға қарағанда есе көп.

Жартылай қуат бойынша антеннаның бағыттылық диаграммасының ені келесі жуық формула арқылы анықталады

(12.19)

Төмендетілген фазалық жылдамдықты тиімді ұзындықтағы АБВ−ның бағыттылық диаграммасы 12.3 суретте көрсетілген. c∕v =1 режимінде жұмыс істейтін антеннаның бағыттылық диаграммасымен салыстыра қарағанда, тиімді ұзындықтағы антеннаның бағыттылық диаграммасының тарылуы, бұрышының артуы әсерінен салдарлы өріс кернеулігі c∕v =1 жағдайына қарағанда c∕v >1 жағдайында едәуір тезірек азаятындығымен түсіндіріледі. Бұл жағдайдың болу себебі тиімді ұзындық жағдайында бақылау нүктесіндегі көршілес вибратор өрістерінің аралығындағы бұрышымен анықталатын фазалық ығысу, c∕v =1 жағдайына қарағанда көп болуынан.

Сурет 12.3 - c∕v >1 жағдайында АБВ−ның БД−сы

Тиімді антеннаның бағыттылық диаграммасының бірінші боковой лепестогының деңгейін анықтайық. (6.12) формуласы бойынша анықталатын тиімді антеннаның бағыттылығының максималды шамасы және жағдайларында 2π−ге тең. Максималды бірінші боковой лепестоктың бағытындағы F(θ) мәнін 3π∕2−ге тең синус аргументін (6.12) формуласына қойып, осы теңдіктен мәнін табу арқылы анықтаймыз, табылған мәнін (6.12) формуласына қойып, c∕v қатынасын (6.15) формуласымен ауыстыра отырып теңдігін аламыз. Теңдіктерді қорытындылай келе, бірінші боковой лепестоктың деңгейін табамыз: =F( )∕F )=1∕3 33

Антенна ұзындығы жоғарылағанда сәулелену басты бағытта азаяды, боковой лепестоктар артады. L=2Loпт болған кезде басты бағыттағы сәулелену мүлдем жоғалады. Антенна ұзындығы кемігенде бағыттылық диаграммасының басты лепестогы кеңейеді, боковой лепесток деңгейі азаяды. Бағыттылық диаграммасы тарылуы үшін антеннаның ұзындығын арттыру керек. Шапшаң толқынды антеннаны ұзартқанда, ұзындық тиімді болып қалуы үшін (6.14) қатынасына сәйкес антенна толқынының фазалық жылдамдығын арттыру керек.

Практикада қолданылатын шапшаң толқынды антеннаның өршітуші тогының амплитудасы тор өсін бойлай экспоненциалды заң бойынша азаяды, яғни . Бұл антеннадағы энергияның жоғалуынан немесе антенна элементтерімен энергияның сәулеленуі әсерінен орын алады. Кемею деңгейі әр түрлі болады, кейбір жағдайларда бұл мәселе ескерілмейді. Ток амплитудасының кемуі бағыттылық диаграммасының басты лепостогының кеңеюіне, боковой лепесток деңгейінің жоғарылауына және де нөлдік сәулелену бағытының жоғалып кетуіне алып келеді.

Шапшаң толқынды антеннаның вибраторлар қатары түрінде тәжірибеде қолданылуының бір түрі УҚТ диапазонда (метрлік және дицеметрлік толқындар) кең пайдаланылатын директорлы антенна болып табылады. Бұл антенна бір қоректендіруші (белсенді) вибратордан және біреуі рефлектор режимінде, ал қалғандары директор режимінде жұмыс істейтін бірнеше әлсіз (пассивті) вибраторлардан тұрады. Барлық вибраторлардың өстері параллельді. Әлсіз вибраторлар белсенді вибраторлардың электромагниттік өрістері арқылы өршиді. Белсенді вибратор резонансты болу үшін, әдетте , оның ұзындығы (2L) ℷ∕2-ден біршама аз мән алынады. Әлсіз вибратор рефлектор режимінде жұмыс істеуі үшін оның кіру кедергісі индуктивті сипатта болуы керек. Директор режимінде жұмыс істейтін әлсіз вибратордың сыйымдылық сипаттағы реактивті кедергісі болуы керек. Өйткені рефлектор белсенді вибратордың бағытындағы (алға қарай) өрісті күшейтеді, кері бағыттағы өрісті нашарлатады. Қанша рефлектор қолдану маңызды емес, себебі бірінші рефлекторден кейінгі рефлекторлер нашар жұмыс істейді. Бірінші директор келесі директор бағытындағы өрісті күшейтеді. Егер бірнеше директорлар орнататын болсақ, барлық директорлар қарқынды түрде жұмыс істейді. Директордың ұзындығы мен арақашықтығы әрбір келесі вибратордағы ток, фаза бойынша алдыңғы вибратордағы токтан шамасында артта қалатындай таңдап алынады. Мұндай антеннаны төмендетілген фазалық жылдамдықтағы АБВ(c∕v>1) деп қарауға болады. Сәулелену максимумы антенна өсімен (θ ) сәйкес келеді.

12.2. Ток шапшаң толқын заңы бойынша өзгеретін сымның сәулеленуі

Ток шапшаң толқын заңы бойынша өзгеретін L ұзындықтағы сымды қарастырайық. Сөнуді ескерместен, , мұнда сымның басындағы ток амплитудасы; z−ағымдағы координата. (12.12) формуласынан өріс бастауын үздіксіз таралу жағдайындағы жүйе көбейткіші бізге белгілі. Бағыттылық сипаттамасын көбейту ережесі негізінде сымның мөлшерленген бағыттылық сипаттамасы:

(12.20)

мұндағы: sin −сым элементінің бағыттылық сипаттамасы.

(12.20) формуласындағы жүйе көбейткіші кезінде максималды (егер v=c). Бірақ сымның салдарлы өрісі өсінде нөлге тең, өйткені (12.20) формуласындағы sin нөлге айналады. Бұл жағдай элементар вибратор өз өсін бойлай сәулелендірмейтіндігімен түсіндіріледі. Мұның себебі, жүйе көбейткіші сым өсі бағытында максималды, ал сым элементі бағыттылығының сипаттамасы сым өсіне перпендикуляр бағытта максималды болады. Салдарлы өріс сымның өсімен бұрышын жасайтын кейбір аралық бағыттарда максималды болады. Негізі, мұндай бағыт екеу болса керек (бірінші және төртінші квадрантта (дөңгелек ширегінде)).

Сымның үлкен мәндегі салыстырмалы L∕2 ұзындығында, жүйе көбейткішінің санауышы (бірінші максимумы) максималды болған уақытта, бағыттылық сипаттамасы максималды мәнге жуық болады. Сондықтан да максималды сәулелену бұрышын төмендегі формула арқылы анықтаймыз

(12.21)

Сурет 12.4 - Шапшаң толқынды токты сымның БД

Сымның L∕ℷ салыстырмалы ұзындығы артқан сайын, бұрышы азаяды. L∕ℷ артқан сайын бағыттылық диаграммасының басты лепестогы тарылады, бірақ боковой лепесток деңгейінің саны көбейе түседі. Бағыттылық деңгейінің басты лепестогы сым толқыны қозғалысына қарай иілген (сурет 12.4), яғни кеңістіктегі бағыттылық диаграммасы конус түрінде болады. Антенна техникасында айтарлықтай бағыттылық қасиеттеріне ие сымдардан жасалған комбинациялар көптеп қолданылады. Оған мысал ретінде ромбы тәрізде антеннаны келтіруге болады.

Бақылау сұрақтары:

1. Антенналық тор дегеніміз не?

2. Жүгірпе толқынды антенналарды жұмыс режимдерін түсіндіріп беріңіз?

3. Шапшаң толқынды токты сымның БД?