3.5. Некоторые ограничения параметров антенно-фидерных устройств

В области антенной техники установлено несколько основных ограничений, которые необходимо знать для более глубокого понимания работы антенн и учитывать при создании антенных устройств. Эти ограничения присущи антенне как устройству, преобразующему электрические колебания в электромагнитные волны. Здесь будут четыре ограничения, три из которых связаны с понятием добротности антенны.

Как известно, под добротностью высокочастотного резонансного контура понимают отношение реактивной энергии, запасенной контуром, к энергии, которая теряется в нем за период колебаний. Добротность равна отношению резонансной частоты контура к полосе его пропускания по уровню 0,7 по напряжению, или, что одно и то же, по уровню 0,5 по мощности.

Под добротностью антенны также понимают отношение реактивной мощности в поле, создаваемом антенной, к мощности, излучаемой ею в пространство (активной мощности). В том случае, когда могцность потерь сравнима с излучаемой, при определении добротности под активной мощностью следует понимать сумму мощностей излучения и потерь.

Одно из ограничений - принципиальная невозможность выполнения антен. ны, очень малой по сравнению с длиной волны, но имеющей достаточно широкую полосу частот. Пределы уменьшения размеров антенн обусловливаются соотношениями между размерами антенн и длиной волны в окружающей среде. Как уже отмечалось, если размер антенны во много раз меньше длины волны, то ее сопротивление излучения очень мало и для излучения значительной мощности в пространство необходимо, чтобы в ней проходили большие токи. Это приводит к высокой напряженности электрического (и магнитного) поля в непосредственной близости от антенны (в так называемой ближней зоне антенны). Энергия, заключенная в этой зоне, в основном является реактивной, т, е. она не излучается в пространство, а возвращается в источник, питающий антенну. Чем меньше антенна по сравнению с длиной волны, тем больше отношение реактивной мощности к мощности, излучаемой в виде электромагнитных волн в пространство, и тем больше ее добротность. Для очень малых антенн добротность, как показывает теория, изменяется обратно пропорционально третьей степени размера антенны (при условии, что длина волны остается постоянной). Поэтому короткая антенна не может быть широкополосной.

Второе ограничение состоит в том, что входное сопротивление антенны нельзя точно согласовать с линией передачи в полосе частот с помощью реактивных элементов (емкостей и индуктивностей).

В 1950 г. Р. Фано показал, что для заданного изменения входного сопротивления антенны существует предельная максимальная полоса частот, для которой коэффициент бегущей волны не ниже определенного предела. Эта полоса достигается в идеальном случае согласующим устройством из бесконечно большого числа согласующих реактивных элементов.

Применение большого числа элементов нецелесообразно из-за трудностей При их настройке, и поэтому обычно ограничиваются тремя элементами настройки, которые обеспечивают удовлетворительное согласование.

Третье ограничение, связанное с добротностью антенны, заключается в невозможности создания сверхнаправленной антенны с достаточно устойчивыми

2-75 33

электрическими характеристиками. Под сверхнаправленной антенной понимают антенну, коэффициент направленного действия которой превышает коэффициент направленного действия той же самой антенны при ее равномерном возбуждении (с одинаковой амплитудой и фазой).

Как показывает теория синтеза антенн, по заданной диаграмме направленности при заданных размерах антенны теоретичестки возможно найти такое распределение амплитуды и фазы возбуждающего тока, при котором антенна создает заданную диаграмму направленности сколь угодно малой ширины, обеспечивает сколь угодно большой коэффициент направленного действия.

Однако для того, чтобы обеспечить высокую сверхнаправленность, необходимо, чтобы амплитуды и фазы поля в раскрыве антенны изменялись очень быстро на интервалах, много меньших длины волны. При этом сильно ьоз-растают протяженность ближней зоны антенны и реактивная мощность в этой зоне и, следовательно, возрастает добротность антенны, уменьшается полоса пропускания, увеличиваются потери в проводниках и диэлектриках антенны. Большие трудности возникают и в обеспечении точного распределения амплитуд и фаз полей в раскрыве, так как даже небольшие их изменения приводят к з.чачнтельиым изменениям в диаграмме направленности. Все это делает практическую реализацию сверхнаправленных антенн (в особенности для раз-:мероз /-< (0,5 ... 0,75)?!,) нерациональной.

Четвертое ограничение касается поляризационных характеристик антенн, •излучаюших во всех направлениях, или, как говорят, в полном телесном угле. В 1959 г. было показано, что любая передающая антенна, не имеющая в своей диаграмме направленности направлений с нулевыми провалами, создает в дальней зоне (под различными углами) поля всех видов поляризаций.

Это ограничение необходимо учитывать при проектировании и создании радиосистем передачи информации между летательными аппаратами или между летательным аппаратом и землей. Если аппарат может произвольно менять ориентацию, то даже при установке на нем всенаправленной передающей антенны всегда имеется такая ориентация аппарата, при которой на выходе приемной антенны (например, на земле) будет нулевой сигнал из-за того, что ее полиризация не будет соответствовать поляризации подающего на нее поля, излучаемого передающей антенной.

Глава 4.

ЛИНЕЙНЫЕ АНТЕННЫ 4.1. Общие сведения

Линейными антеннами называются антенны, выполненные из протяженных проводников (металлических стержней или проводов), вдоль которых проходят токи высокой частоты. При этом обычно поперечные размеры проводников во много раз меньше длины волны.

Линейные антенны и длинные открытые двухпроводные линии имеют ряд аналогичных особенностей. Они являются системами с распределенными параметрами, вдоль которых распространяются электромагнитные волны. В линейных антеннах и длинных открытых двухпроводных линиях при отсутствии

о 6

a) б) 6)

Рис. 4.1. Преобразование линий передачи в антенны

нагрузки на концах проводов имеет место почти полное отражение и на них устанавливается режим стоячей волны, при котором на концах проводов и через каждое -целое число полуволн от конца наблюдается максимум напряжения и минимум тока. Если же провод линейной антенны имеет нагрузку, при которой отсутствует отражение, то в нем, как и в линии передачи, устанавливается бегущая волна. Таким образом, распределение напряжения и тока в линейной антенне имеет тот же характер, что и в линии передачи. Это подтверждается теорией и экспериментальными наблюдениями. В инженерных расчетах для распределения напряжения и тока вдоль линейных антенн пользуются методами расчета линий передачи.

Для уменьшения излучения линии стремятся уменьшить расстояние между ее проводами, сделав его как можно меньши.м по сравнению с длиной волны. Тогда поля излучения токов, проходящих по обоим проводам линии, но направленных в разные стороны (рис. 4Л,аиб), взаимно компенсируются.

Для улучшения эффективности излучения антенны стремятся обеспечить отсутствие такой компенсации и, более того, создают такие условия, чтобы излучения обоих проводов складывались.

Имеется довольно много способов решения этой задачи. Здесь упомянем только те из них, которые обычно применяются:

разводят провода питающей двухпроводной линии под прямым углом к ней и под углом 180° один к другому (рис. 4.1,е);

разводят провода питающей двухпроводной линии под прямым углом к ней и под углом 90° один к другому (рис. 4.1,г);

один из проводов питающей двухпроводной линии отрезают (рис. 4.1,д);

выводят центральный проводник питающей коаксиальной линии наружу, отгибая оплетку в противоположную сторону и натягивая ее на кабель (рис. 4.1,е);

выводят центральный проводник коаксиальной линии питания над плоским экраном, присоединенным к оплетке кабеля (рис. 4.1,да;).

Диаграммы направленности (по полю) прямолинейных проводов со стоячей и бегущей волнами тока (если пренебречь затуханием) приведены на рис. 4.2. Из него следует, что распределение интенсивности поля имеет осевую симметрию относительно провода, а следовательно, в каждой плоскости, проходящей через провод (меридиональной плоскости), диаграмма направленности Имеет одну и ту же форму и строго симметрична относительно провода.

Вдоль провода излучение отсутствует. Это объясняется тем, что элемен-зрные вибраторы, из которых состоит провод, не излучают вдоль своих осей.