Коротковолновые антенны

Диапазон волн, в котором может быть использован симмет­ричный вибратор длиной l, находится в пределах

0,8<l<4 l. (4.1)

Угол наклона первого (относительно земной поверхности) мак­симума диаграммы направленности бшзх вибратора определяется выражением

sind_max=l/4h. (4.2)

Максимальная дальность связи R, обеспечиваемая горизон­тальным вибратором, расположенным на высоте h над землей, при отражении радиоволн от ионизированного слоя высотой Н будет

(4.3)

Входное сопротивление синфазной горизонтальной антенны, со­стоящей из полуволновых вибраторов,

(4.4)

где R _åа — сопротивление излучения всей антенны, отнесенное к току в пучности.

При параллельном питании полуволнового вибратора для сог­ласования фидер с волновым сопротивлением Z _в.ф подключается к точкам вибратора, удаленным от его середины на расстояние x, согласно равенству

(4.5)

Эквивалентный радиус диполя Надененко r _э, т. е. радиус сплош­ного вибратора, имеющего такое же волновое сопротивление, как диполь Надененко, составляет

(4.6)

где r' - радиус проводов, расположенных по образующим цилинд­ров диполя; п - число проводов в цилиндре; r - радиус цилиндрической поверхности.

Волновое сопротивление диполя Надененко, имеющего длину l и эквивалентный радиус r _Э:

. (4.7)

В ромбической антенне острый угол ромба, сторона которого l, равен 2j_max, причем

(4.8)

Высота h ромбической антенны связана с оптимальным углом наклона луча d_mах зависимостью

(4.9)

где λ ₀—длина волны, при которой антенна имеет максимальный коэффициент усиления.

Оптимальный коэффициент замедления волны в антеннах бе­гущих волн

. (4.10)

Коэффициент замедления волны

(4.11)

где с =3×10⁸— скорость света, м/с; u_ф - фазовая скорость волны в данной среде.

Задачи

4.1. Почему коротковолновые антенны желательно иметь диа­пазонными?

4.2. Почему важно отсутствие обратного излучения и боковых лепестков в диаграммах направленности коротковолновых антенн?

4.3. Из каких соображений выбирается длина и высота под­веса симметричного горизонтального вибратора (ВГ)?

4.4.* Какую длину должен иметь тонкий горизонтальный виб­ратор ВГ для работы в диапазоне волн λ _min=20 м, λ _max=50 м?

4.5.* Тонкий вибратор ВГ имеет длину 15 м. В каком диапазо­не волн может работать этот вибратор?

4.6.* Определить угол наклона луча d_mах и дальность связи R в случае применения вибратора ВГ, расположенного на высоте h= λ /2, при отражении волн от ионизированного слоя, находящегося на высоте Н =300 км.

4.7. На какой высоте h должен быть подвешен вибраторВГ,чтобы при отражении электромагнитной волны от ионизированного слоя высотой H =350 км и длине волны λ =40 м обеспечитьсвязьна расстояние R = 1000 км?

4.8. На каком расстоянии х от середины вибратора ВГ, волно­вое сопротивление которого равно 570 Ом, следует включить концы двухпроводного фидера, имеющего волновое сопротивление 600Ом, если согласование вибратора с фидером производится по схеме параллельного питания на волне λ =30 м?

4.3. Вибратор СГ изготовлен из бронзового провода диаметром 4мм. Длина волны равна 40 м. На каком расстоянии х от се­редины вибратора следует подключить концы двухпроводного фи­дера с волновым сопротивлением 600 Ом для согласования его с вибратором по схеме параллельного питания?

4.4.* Какое должно быть установлено соотношение между радиусом вибратора и длиной волны, чтобы волновое сопротивле­ние вибратора было равно 300 Ом?

4.11.* Имеется диполь Надененко ВГД 2, стороны которого образованы восемью проводами диаметром 3 мм. Определить волновое сопротивление диполя.

4.5. Диполь Надененко длиной 30 м изготовлен из шести проводов радиусом 1,5 мм, расположенных по образующим цилиндра радиусом 0,75 м. Каково волновое сопротивление диполя?

4.13.* Определить среднее значение сопротивления излучения R _å1, приходящегося на один вибратор антенны СГ P (R _åА=1117 Ом ). Почему каждое из этих сопротивлений больше, чем для одиночного вибратора?

4.14. Определить входное сопротивление антенн СГ P (R _åА=1117 Ом ) и СГ P (R _åА =2300 Ом ), полагая, что волновое сопротивление одного вибратора Z _В.А.=1000 Ом.

4.15.* Рассчитать коэффициенты стоячих волн на всех участ­ках фидеров, питающих антенну СГ P (см рис. 5), при условии, что волновое сопротивление фидера Z _В.ф=600 Ом, а волновое сопротив­ление вибраторов Z _В.А.=1000 Ом.

Примечание. Сопротивление излучения всей антенны R _åА дано в прил.5.

4.16. Определить k_С.В. на всех участках фидеров, питающих антенну СГ Р, при условии, что волновое сопротивление фиде­ра Z _В.Ф=600 Ом, а волновое сопротивление вибраторов Z _В.А.=1000 Ом ..

Рис. 5.

4.17.* Мощность, излучаемая антенной СГ Р, равна 10кВт. Определить амплитуды токов и напряжений вибраторов в пучностях, полагая, что волновое сопротивление вибратора равно 1000 Ом.

4. 18. Амплитуда напряжения в пучности одного вибратора антенны СГ Р равна 2 кВ. Определить мощность, излучаемую антенной, полагая, что волновое сопротивление вибратора 1000 Ом.

4. 13. Чем объясняется, что антенны СГ не обладают диапа­зонными свойствами?

4.20. Чем достигается равенство токов (по амплитуде) и их синфазность в вибраторах антенны кратных волн (КГ) при работе антенны в широком диапазоне волн?

4.21. Как осуществляется согласование антенны КГ с фидером при работе без перестройки на двух кратных и на двух произ­вольно выбранных волнах?

4.22. Почему ромбическая антенна наиболее полно удовлет­воряет требованиям, предъявляемым к диапазонным антеннам? В чем преимущества и недостатки простых ромбических антенн?

4.23. Расшифруйте следующие обозначения: РГ 1; РГ 0,5; РГД 1,25.

4.24.* Определить оптимальные углы ромба при длине каж­дой стороны его l =2 λ; 3 λ; 4 λ; 5 λ; 6 λ; 8 λ; 10 λ.

4.25. Определить высоту h ромбической антенны в длинах волн при оптимальном угле наклона луча d=15°.

4.26. Определить высоту h ромбической антенны в длинах волн при оптимальном угле наклона луча d=30°.

4.27.* Выбрать стандартную ромбическую антенну для связи на расстоянии 2000 км.

4.28.* Определить длину стальной линии, которая использует­ся в качестве поглощающего сопротивления ромбической антенны, излучающей мощность Р _å=40 кВт при КПД антенны h_a=65% и максимальной длине волны λ _mах=60 м, считая, что в линии по­глощается 99% поступающей в нее мощности.

4.23. Какая мощность P_R рассеивается на поглощающем со­противлении передающей ромбической антенны, к которой подво­дится мощность Р =35 кВт и КПД которой равен 60%? Потерями на нагрев проводов ромба пренебречь.

4.30.* Определить фазовую скорость u_ф, которую целесооб­разно установить в линии антенны бегущей волны, имеющей длину 91,2 м и работающей в диапазоне волн λ =14…25 м.

4.31. При какой фазовой скорости в собирательной линии антенна бегущей волны имеет максимальный коэффициент усиле­ния, если длина собирательной линии равна 100 м, а длина вол­ны 25 м?

4.32.* Рассчитать фазовую скорость волн в собирательной линии антенны бегущей волны Б ×16, полагая, что волновое сопротивление линии при отключенных вибраторах равно 600 Ом ..

4.33. Рассчитать коэффициент замедления и фазовую скорость волн в собирательной линии антенны Б ×16, полагая, что, волновое сопротивление линии без шунтирующих элементов равно 600 Ом.

5. Антенны ультракоротких волн

Антенна типа «волновой канал» с общей длиной l _а имеет коэф­фициент направленного действия

(5.1)

где k ₁=5…10 коэффициент, зависящий от числа директоров.

Коэффициент направленного действия антенн бегущихволн с оптимальной активной длиной l _а

(5.2)

Максимальный и минимальный диаметры стержня диэлектриче­ской антенны (рис. 6):

(5.3)

где e—относительная диэлектрическая проницаемость материала стержня.

Рис. 6.

Для цилиндрической спиральной антенны (рис. 7) сдлинойспирали по ее оси l _а, длиной одного витка l _с:

ширина диаграммы направленности на уровне 0,7 по напряжен­ности поля

(5.4)

коэффициент направленного действия

(5.5)

входное сопротивление, Ом

(5.6)

Коэффициент усиления синфазной щелевой антенны (рис.8)

(5.7)

где п— число щелей в антенне.

Для Н-плоскостного рупора оптимальных размеров (рис.9, а):

соотношение между длиной l и шириной раскрыва а'

(5.8)

Рис.7.

ширина диаграммы направленности в Е и Н плоскостях

(5.9)

где G – коэффициент усиления.

Для Е-плоскостного рупора оптимальных размеров (рис. 9, б):

(5.10)

Для пирамидального рупора оптимальных размеров (рис. 9, в)

(5.11)

Для конического рупора оптимальных размеров (рис.9г):

(5.12)

(5.13)

Рис. 8.

Толщина незонированной диэлектрической линзы (рис. 9,а) равна

, (5.14)

где f - фокусное расстояние; п - показатель преломления линзы; d - диаметр (длина) линзы.

Рис. 9.

Ширина ступеньки зонированной диэлектрической линзы (рис.10, б) при длине волны l равна

(5.15)

Полоса пропускания зонированной диэлектрической линзы

(5.16)

где f ₀—несущая частота радиосигнала; k— число зон в линзе.

Профиль ускоряющей линзы определяется уравнением

(5.17)

где х, у — прямоугольные координаты точек преломляющей по­верхности линзы (начало координат находится на вер­шине линзы).

Рис. 10.

Толщина ускоряющей незонированной металлопластинчатой линзы (рис. 10, в).

(5.18)

Коэффициент преломления ускоряющей металлопластинчатой линзы

(5.19)

где а _пл—расстояние между соседними пластинами.

Коэффициент преломления линзы из искусственного диэлектри­ка с металлическими элементами в виде дисков или лент

(5.20)

(5.21)

где N— число дисков в единице объема или число лент на единице площади; R — радиус диска; а— ширина ленты.

Между углом раскрыва y, диаметром d и фокусным расстоя­нием f антенны в виде параболоида вращения имеется зависимость

(5.22)

Коэффициент направленного действия антенны

(5.23)

где D_E,, D_H— коэффициенты направленного действия той же ан­тенны соответственно в плоскостях E и H.

Задачи

5.1. Антенна типа «волновой канал» состоит из активного виб­ратора, рефлектора и трех директоров и имеет общую длину l _А=6 м. Длина волны l =6 м. Определить коэффициент направлен­ного действия антенны.

5.2.* Определить коэффициент замедления волны в диэлек­трической антенне в виде полистиролового (e=2,5) стержня, имею­щего максимальный диаметр d _mах=5 см и минимальный диаметр d _min=3,5 см, если длина волны l =10 см.

Примечание. Зависимость отношения фазовой скорости u_ф к скоро­сти света с от отношения среднего диаметра стержня d к длине волны l при данном значении e показана на рис. 11.

5.3. Определить оптимальные значения максимального и ми­нимального диаметров диэлектрического стержня e =2,3, который излучает волны с длиной l= 12 см.

5.4. Определить фазовую скорость u_ф волны в диэлектриче­ской антенне оптимальных размеров и коэффициент направленного действия антенны D, если излучающий стержень имеет длину l _а= 30 см при длине волны l =60 см.

5.5.* Рассчитать диэлектрическую антенну в виде стержня оп­тимальных размеров с коэффициентом усиления G³30

(G³14,7 Дб ) при длине волны l =7 см. В процессе расчета определить длину l_a,, максимальный d _max и минимальный d _min диаметры стержня (см. рис. 7); фазовую скорость в нем, пользуясь зависимостью этой скорости u_ф от отношения среднего диаметра стержня d к длине волны l (см. рис. 30); затухание, вызванное тепловыми потерями в стержне; коэффициенты направленного действия; построить диа­граммы направленности в плоскостях Е и Н и определить их ши­рину.

5.6.* Рассчитать цилиндрическую спиральную антенну (см рис. 7), работающую в режиме бегущих волн в диапазоне волн l _min=6 см, l _mах=10 см.

В процессе расчета определить длину и число витков спирали, шаг намотки, коэффициент усиления и входное сопротивление ан­тенны; построить диаграмму направленности антенны и определить ее ширину.

Рис. 6.

5.7. Спиральная антенна с осевым излучением (см. рис. 2) имеет длину одного витка l _с =15 см и длину спирали по ее оси l _а =60 см. Опре­делить ширину диаграммы направленности 2j^/, коэф­фициент направленного дей­ствия D и входное сопротив­ление антенны R _вх при дли­не волны l =15 см.

5.8.* Рассчитать антен­ну поверхностных волн с за­медляющей структурой в ви­де прямоугольных канавок при средней волне рабочего диапазона l _ср=3 см и воз­буждения структуры рупо­ром, раскрыв которого имеет ширину а =30 мм (рис. 12). Коэффициент направлен­ного действия антенны D должен быть не менее 34.

5.3. Определить длину l _а и коэффициент замедления k антен­ны поверхностных волн с замедляющей структурой в виде ребри­стой поверхности оптимальных размеров (рис. 12), если коэф­фициент направленного действия антенны D =30 при длине вол­ны l =5 см.

5.4.* Рассчитать волноводно-щелевую антенну (рис. 8), которая имеет на волне l =3,2 см коэффициент усиления G =12,6 (G =11 Дб ) и излучает мощность Р _å=50 кВт.

5.11. Определить коэффициент усиления G щелевой антенны, состоящей из шести синфазных полуволновых щелей.

5.5. Определить коэффициент усиления G H -плоскостно-го секториального рупора оптимальных размеров, который при раскрыве а'= 60 см и b'= 6,4 см (см. рис. 9, а) принимает волны дли­ной l =20 см.

5.13. Определить оптимальные значения размера b' раскрыва и длины l E-плоскостного секториального рупора (см. рис. 9,6), который при длине волны l =5 см и размере a ¢=3,55 см имеет коэффициент усиления G =25.

5.14.* Рассчитать пирамидальный рупор, который при возбуждении прямоугольным волноводом МЭК-100 на волне l =3 смимеет коэффициент усиления G ³ (G ³16 Дб).

5.15. Пирамидальный рупор оптимальных размеров (см. рис. 18, в) рассчитан на работу при длине волны l=9 см и имеет длину рупора l =36 см. Определить размеры раскрыва а', b' и коэффициент усиления антенны.

5.16. Определить угол расширения q и диаметр d конического рупора оптимальных размеров, который имеет длину l =40 см, длина волны l =8 см (см. рис. 18, г).

Рис. 12.

5.17. Определить коэффициент усиления и ширину диаграммы направленности в плоскостях Е (угол 2j¢_E) и Н (угол 2j¢_H) кони­ческого рупора по данным задачи 5.16.

5.18. Определить ширину диаграммы направленности в плос­костях Е и Н по данным задачи 5.5.

5.13. Определить ширину диаграммы направленности антен­ны в плоскостях E и H по данным задачи 5.13.

5.20. Определить ширину диаграммы направленности антен­ны в плоскостях Е и Н по данным задачи 5.15.

5.21. Определить коэффициент направленного действия D ан­тенны с рефлектором в виде параболоида вращения диаметром d=60 см при длине волны l= 2 см и коэффициенте использования поверхности антенны g =0,55.

5.22. Какое из трех значений угла раскрыва параболической антенны y=35, 90,130° является наиболее приемлемым, если в ка­честве облучателя используется диполь?

5.23. Определить ширину диаграммы направленности 2j¢_E 2j¢_H антенны с рефлектором в виде параболоида вращения диамет­ром d=50 см, облучателем в виде полуволнового вибратора с плоским контррефлектором, если длина волны, на которой рабо­тает антенна, l=2,5 см.

5. 24.* Определить толщину т незонированной (рис 10,а) и зонированной (рис. 10, б) диэлектрических линз, изготовленных из полистирола (показатель преломления n =1,6) и рассчитанных на излучение волн с l =6 см. Размеры линзы: диаметр d =120 см, фокусное расстояние f =120 см, для зонированной линзы размер m ²=2 см.

5.25. Определить, во сколько раз уменьшится толщина диэлек­трической линзы, изготовленной из полистирола (n =1 6) и имею­щей диаметр d =150 см, фокусное расстояние f =160 см, если при­менить в ней зонирование при длине волны l= 8 см, и размере т" =1,5 см (см. рис. 5,б).

5.26. Определить полосу пропускания D f _пр зонированной ди­электрической линзы, если линза имеет 10 зон (k =10) и рассчита­на на несущую частоту радиосигнала f _о=3 ГГ ц.

5.27.* Определить толщину ускоряющей металлопластинчатой линзы при расстоянии между пластинами a _пл=5,5 см, длине волны l =10 см, фокусном расстоянии f= 180 см и размере d =180 см (рис. 10,б).

5.28. Какой станет толщина линзы т, данные которой приве­дены в задаче 5.27*, если эту линзу зонировать?

5.23. Какое расстояние а _пл должно быть между металличе­скими пластинами незонированной ускоряющей линзы (см. рис 10, в),чтобы показатель преломления ее был равен 0,5 при длине волны l =4 см?

5.30. Дисковая линза из искусственного диэлектрика имеет показатель преломления n=l,55. Сколько дисков N должно быть в каждом 1 см³ ее объема, если радиус одного диска равен 0,5 см?

5.31. Линза из искусственного диэлектрика образована метал­лическими лентами шириной 0,6 см каждая, впрессованными в пе­нистый полистирол. Сколько таких лент N должно приходиться на 1 см² площади продольного сечения линзы, чтобы показатель преломления линзы был равен 1,6?

5.32.* Определить фокусное расстояние параболоида враще­ния, имеющего угол раскрыва 30° и коэффициент направленного действия 400 при длине волны 3 см и коэффициенте использования поверхности раскрыва антенны 0,6.

5.33. Определить угол раскрыва y параболоида вращения, имеющего фокусное расстояние 20 см и коэффициент направленного действия 1000 при длине волны 4 см и коэффициенте использо­вания поверхности антенны 0,5.

5.34.* Определить основные геометрические размеры и на­правленные свойства антенны в виде параболоида вращения, облу­чаемого полуволновым вибратором с дисковым контррефлектором (рис. 13), если известно, что при данных размерах антенны и длине волны l =12 см достигнут наибольший коэффициент направлен­ного действия D =350.

Примечание. В данном случае коэффициент D имеет максимум при угле раскрыва рефлектора y=(30—35)°; принимаем y=32° и коэффициент использования поверхности раскрыва g=0,55.

Рис. 13.

5. 35.* Рассчитать H-плоскостной рупор с корректирующей металлопластинчатой линзой. Коэффициент усиления антенны G =15 при длине волны l =8 см.