1.Кратки теоретични сведения

Основни характеристикиКОМПЛЕКСНА ВЕКТОРНА ДИАГРАМА НА НАСОЧЕНОСТ

Комплексната векторна диаграма F ( , ) на насоченост може да се представи като произведение на три функции на ъгловите сферични координати, описващи съответно амплитудното, фазовото и поляризационното разпределение на излъченото от антената електромагнитно поле:

F ( , ) = E(r, , )/ Emax (r,max ,max ) = F ( , ). exp{j(,)}. p ( , ) (1)Където:

F ( , ) се нарича амплитудна диаграма на насоченост по напрегнатост на полето;

(,) се нарича фазова диаграма; p ( , ) – векторна функция, описваща поляризационното състояние на

електромагнитното поле по повърхността на въведената сферична повърхност.

КОЕФИЦИЕНТ НА НАСОЧЕНО ДЕЙСТВИЕ

Коефициентът на насочено действие D(,) на антената показва колко пъти трябва да се увеличи, или намали излъчената мощност P0 от идеален изотропен излъчвател, в сравнение с излъчената мощност на антената P, за да се създаде в произволно избрана точка от далечната зона същата плътност на мощността (или напрегнатост на полето), както тази създадена от дефинираната антена:

D(,) = P0 / P

КОЕФИЦИЕНТ НА УСИЛВАНЕ

Коефициентът на усилване G(,) на антената се определя както коефициента на насочено действие, но сравнението се извършва по отношение на входните мощности на двете антени. Тъй като изотропната антена е идеална, входната и мощност е равна на излъчената. Следователно:

G(,) = P0 / PА ВХОДНО СЪПРОТИВЛЕНИЕ

Входното съпротивление описва свойствата на предавателните жични антени и се отнася към класа на вътрешните антенни характеристики. Въвежда се като отношение на напрежението и тока измерени на входните клеми на жичната антена:

Zвх = Uвх/Iвх = Rвх + jXвх (25)

То е комплексна величина, реалната част на която съответствува на съпротивлението на излъчване и съпротивлението на загубите на антената:

Rвх = R + RЗ (26)

Реактивната компонента съответствува на запасената реактивна мощност в антенния обем. Тя може да има индуктивен, или капацитивен характер. Когато запасените индуктивна и капацитивна мощности в пространството около антената са равни, входното съпротивление на антената е активно, а антената се счита за настроена в резонанс (Xвх = 0).

Диполна антена (симетричен вибратор)

Симетричният вибратор представлява тънък праволинеен проводник, захранен в средата (Фиг.6). Поради пълната си геометрична симетрия високочестотните токове протичащи по повърхността на двете му рамена имат една и съща амплитуда и фаза, ако са равноотдалечени от точките на захранване (от средата му).

Разпределението на тока е:I(z) Im.sin(l-|z|)

Разпределението на заряда:Q(z) = (Im/j) cos (l - |z|)

На Фиг. по-долу са изобразени резултатите за разпределението на тока и заряда по дължината често срещани в практиката симетрични вибратори.

Z

+z

Va 2l 2а<< 2l 2b 2a<< I(z) = I(-z)-z

2aФиг.6

ДИАГРАМА НА НАСОЧЕНО ДЕЙСТВИЕ НА ДИПОЛНА АНТЕНА

Електрическото поле на симетричен електрически вибратор, разположен в началото на координатната система и ориентиран в посока z ( Фиг. 8) може да се определи като сума от полетата , които създават елементарни излъчватели dz на които може да се раздели излъчващата токопроводяща повърхност на симетричния излъчвател. Известно е , че електрическото поле на такъв излъчвател може да бъде определено по известната стойност на протичащия то него ток Iz с помощта на формулата:

dE = j ( Iz Zw / 2) (dzI / ) sin ( e-jr / r )

Електрическата компонента на електромагнитното поле на симетричен електрически излъчвател може да се определи като се интегрира (34) по дължината на вибратора ( - l, l ). Ако разпределението на тока по дължината на вибратора се счита за синусоидално , резултатът от интегрирането има следния вид:

Ем (r ) =

Ем (r ) = j ( Im Zw / 2 ) ({ cos(l cos) – cos l}/sin)(e-jr /r) Максималното значение на тока Im по симетричния вибратор е свързани с

входния ток Ia :Ia = Im sinl СледователноЕм (r ) = j ( Iа Zw / 2 sinl) ({ cos(l cos) – cos l}/sin)(e-jr /r) Множителят , който зависи от координатата представлява не нормираната

амплитудна диаграма на насочено действие на симетричния електрически вибратор f() = ({ cos(l cos) – cos l}/sin)За симетрични вибратори с дължина 2l<5/4 след нормировката спрямо

максималната и стойност ( = 900) за нормираната амплитудна диаграма на насоченост на симетричния електрически вибратор получава следният резултат:

F() = ({ cos(l cos) – cos l}/sin) / (1 - cosl)

z r EM ( r ) dz r0 zI

y

x

EI M ( r )

Фиг.8

КОЕФИЦИЕНТ НА НАСОЧЕНО ДЕЙСТВИЕ

Коефициентът на насочено действие на симетричния електрически вибратор се определя по формулата

(42)

Нормираната диаграма на насоченост F() може да се определи по формулата

F() = ({ cos(l cos) – cos l}/sin) / (1 - cosl) (43),

когато дължината на симетричния вибратор 2l<5/4.

Резултатите от интегрирането (Фиг.10) показват, че коефициентът на насочено действие на симетричният електрически вибратор нараства с увеличаване на дължината му и достига екстремална стойност D = 3.4 (5,1 dB) за l = 0.64., след която намалява с увеличението на размерите на антената. Този ефект се дължи на появата на относително големи противофазни участъци по дължината на излъчвателя, намаляващи интензитета на излъченото електромагнитно поле в посока = 900. Максималната стойности на коефициентът на насочено действие на елементарния електрически излъчвател е De = 1.5 (1.78dB), на полувълновия – D/2 = 1.64 (2.15 dB), за вълновия - D

= 2.4 (3.8 dB).

ВХОДНО СЪПРОТИВЛЕНИЕ

Входното съпротивление на симетричния електрически излъчвател е комплексна величина, която представлява отношение между значенията на комплексното напрежение и комплексния ток измерени в точките му на захранване:

Zвх = Va / Ia = Ra + j Xa (48)Активната част на входното му съпротивление може да се определи като сума от

съпротивлението му на излъчване R и съпротивлението на загубите R, което обикновено е равно на съпротивлението на омическите загуби в проводника.

Ra = R + R (49)

D, D |dB|

5.13.8

2.15

1.78

0 0.25 0.5 0.64 l/

Фиг.10

Ако омическите загуби и загубите на мощност в околното пространство могат да бъдат пренебрегнати (в диапазоните на УКВ и СВЧ ), активната част на входното съпротивление на тънък симетричен електрически вибратор може да бъде определено сравнително лесно с помощта на получените стойности на съпротивлението на излъчване отнесено към максималното значение на тока по дължината на вибратора :

Ra = P/ Im2 sin2l = Rm / sin2l (50)Коефициентът му на полезно действие е равен на = R /Ra = 1 / (1 + R / R ) (51)В диапазона УКВ и СВЧ той може да се счита приблизително равен на 1, а в

диапазона на ДВ и СВ може да д приеме стойности по малки от 0.5.Реактивната част на входното съпротивление на вибраторната антена се

определя сравнителни сложно. Ако, обаче, симетричния вибратор се представи като модифицирана линия с характеристично съпротивление Zc (Фиг.12), то може да се определи приблизително като входно съпротивление на отворена в края симетрична двупроводна линия.

Xa = -j Zc ctg l (52)а = Zc = 120 ln (2l/a –1)

Следователно, за входното съпротивление ще се получи резултата:Zвх Rm / sin2l-j Zc ctg l (53)

Тази формула не може да се използва в точки близки до резонанса, затова често се използва друга подобна формула , която дава по добър резултат: Zвх Rm /{ (Rm /Za)2 +sin2l} –j(Za/2) sin l /{ (Rm /Za)2 +sin2l}(54)в която

а = Za = 120(ln/r – 0.577) (55)

2.Методика на проектирането:

l

2l

Zc =120 ln(2l/2 –1)

2a

Фиг.12

3.Резултати от изчисленията

f 100MHz 200MHz 300MHz 400MHz 500MHz

[]

КСВ

Амплитудна диаграма на насоченост.

F = 100MHz

F= 200MHz

F= 300MHz

F= 400MHz

F= 500MHz