Основные типы широкодиапазонных слабонаправленных антенн

Систематическое изучение широкополосных антенн и разработка практических конструкций началась, по сути дела, лишь в 40-х годах. Основное внимание вначале уделялось проблеме широкополосного согласования антенны с фидером, а впоследствии - получению эллиптической поляризации излучения. Были разработаны различные по конструкции антенны как с линейной, так и с эллиптической поляризациями, работающие в основном в диапазонах с коэффициентами перекрытия 1,5-2,0.

В ряде работ, публиковавшихся начиная с 1957 г., были сформулированы принципы, позволяющие в дальнейшем создавать антенны новых типов - широкополосных, как по своим входным сопротивлениям, так и по другим параметрам (с коэффициентом перекрытия до 10:1).

1. Волноводно-рупорные антенны [1]

Простейшими и наиболее распространенными широкополосными антеннами сантиметрового диапазона волн являются волновод-но-рупорные антенны (рис. 1). Эти антенны применяются для обе-

спечения диаграмм направленности шириной от 100-140° (в волново- дах с раскрывом специальной фор-

мы) до 20-30°. Возможность дальнейшего сужения диаграммы рупоров ограничивается необходимостью резкого удлинения рупора. Рабочий диапазон подобных антенн лимитируется возможностью возбуждения волн высших типов и составляет несколько десятков процентов. Раскрыв таких антенн достаточно велик в долях длины волны; это обеспечивает хорошее согласование антенны со свободным пространством (КСВ не выше 2,0). В антеннах этого типа довольно просто получить эллиптическую поляризацию излучения, применяя волноводные фазирующие секции, в которых волны с взаимно ортогональными векторами Е распространяются с неодинаковыми фазовыми скоростями; при правильном возбуждении и компенсации частотных уходов такие секции достаточно широкополосны.

Рис. 1. Типичная волноводная антенна с эллиптической поляризацией

и расширенными диаграммами / - прямоугольный волновод; 2 - переход иа квадратное сечение; 3 - ди-•лектрическая пластина (по диагонали сечения); 4 - фланец и штырь для расширения диаграммы

2. Стержневые антенны поверхностных волн

Стержневые антенны поверхностных волн (диэлектрические, спиральные, ребристые - рис. 2) относятся к числу широкополосных антенн, используемых для получения относительно направленных осесимметричных диаграмм (шириной 25-50°). Диэлектрические стержневые антенны применяются главным образом на волнах короче 30 см, а спиральные и ребристые - на волнах длиннее

Рис. 2. Типичные стержневые антенны поверхностных волн

а - спиральная (/ - согласующий трансформатор; 2 - диск-противовес; 3 - сгиральный излучатель); б - диэлектрическая (4 - диэлектрический стержеиь; 5 - возбуждающий волновод); в - ребристая (5- рупорный возбудитель; 7 - оребреиный стержень)

10 см, вплоть ДО метровых. Поскольку эти антенны осевого излучения, то ширина их диаграммы составляет около 50° при длине антенны всего лишь - Я/2. Дальнейшее сужение диаграммы, однако, связано со значительным удлинением антенны, и поэтому практически предельными для этих антенн являются диаграммы шириной 25-30°, достигаемые при длине антенны L ~ 2 min. Следует отметить, что у большинства антенн этого типа диаграммы обладают значительной частотной зависимостью; при Я, Ятш они расширяются примерно пропорционально (ЯДтш)- Коротковолновая граница Ящш рабочего диапазона этих антенн, определяемая условием (р - ) L = я (р - фазовая постоянная поверхностной волны), довольно резко выражена: при Я < Ятш диаграмма

направленности антенны теряет регулярный характер, становясь м ноголе пестково й.

Наиболее распространены среди антенн этого типа конструктивно простые однозаходные цилиндрические спирали, выполняемые в виде нескольких витков диаметром D ~ у Я,ср и

углом подъема а - 10-20°, размещенных над металлическим диском - противовесом - 1,2 А, и возбуждаемых кабелем. Отклонение максимума диаграммы от оси можно устранить, применяя двухзаходную спираль [2].

Спиральная антенна в диапазоне с перекрытием до 1,6 излучает поле эллиптической поляризации, имея хорошо сформированную диаграмму направленности и довольно постоянное входное сопротивление (100-140 ом). Это объясняется тем, что волна, возбуждаемая в спирали, оказывается хорошо согласованной со свободным пространством и излучается практически без отражений от конца. В очень коротких спиралях (один-два витка) бегущая волна не успевает сформироваться и их обычно нагружают на омические сопротивления. С целью расширения полосы применяют конические спирали; качество электрических характеристик последних, однако, хуже, чем у цилиндрических спиралей. У диэлектрических и ребристо-стержневых антенн входное сопротивление и поляризационные характеристики целиком определяются возбуждающим устройством. Более резкая частотная зависимость диаграммы направленности, чем у спиральных антенн, а также падение эффективности возбуждения с частотой приводят к тому, что рабочий диапазон таких антенн оказывается ьесколько уже (коэффициент перекрытия 1,3-1,4).

3. Антенны, выполняемые на базе структу р,

конфигурация которых определяется углами [2,3]

Известно, что при изменении всех размеров антенны пропорционально длине волны ее электрические характеристики остаются неизменными (если потери невелики). Отсюда следует, что антенна будет частотно независима, если ее характеристические размеры, выраженные в долях длины волны, остаются неизменными при изменении частоты. А это возможно лишь в том случае, когда конфигурация антенны полностью определяется только углами («угловой принцип»). Однако подобные конфигурации осуществимы лишъ при бесконечных размерах. Реальные антенны вследсувие конечной протяженности имеют один конечный характеристический линейный размер; это приводит к ограничению рабочего диапазона главным образом со стороны низких частот.

Если распределение тока в такой антенне с ростом частоты приближается к току в бесконечной структуре, то на всех часто-

тах, выше некоторой, антенна будет практически частотно независима.

Угловому принципу, в частности, удовлетворяет плоская логарифмическая (равноугольная) спираль. Представляя уравнение этой спирали в виде

г/А, = ехр[ а(ф -ф-1-фр)], ф=-1пА„

видим, что изменение длины волны Я как бы эквивалентно повороту всей спирали на угол ф. Отсюда следует, что входное сопротивление антенн, выполненных на базе этих структур, должно

Рис. 3. «Углдаые» аитениы

о - плоская и б - коническая двухзаходные логоспиральиые аитеивы; t - серповидная аитеииа (/ - серповидный излучатель; 2 - диск-противовес)

быть частотно независимо (с отмеченным выше ограничением), а характеристики излучения (диаграмма направленности, поляризационные характеристики) при изменении частоты будут поворачиваться в пространстве вокруг оси. Максимум диаграммы при этом сохраняет свою ориентацию, если он направлен вдоль оси или диаграмма осесимметрична. Простейшая антенна, выполняемая на базе логарифмической спирали, представляет собой две одинаковые металлические ленты, развернутые на 180° друг относительно друга и образованные двумя спиралями с одинаковыми «а» и различными фо (рис. 3, а). При этом отношение радиус-векторов точек на краях ленты, соответствующих одинаковому ф, постоянно и равно /С=ехр [а(фо2-Ф01)], т. е. с увеличением ф лента расширяется. Антенна возбуждается так же, как и обычный симметричный вибратор. Применяется и двойственная к последней конфигурация в виде двух щелевых спиральных плеч, прорезанных в плоском металлическом экране. Число плеч, образующих антенну, может превышать два, в этом случае возможны различные типы их возбуждения; для возбуждения типа N (N - число плеч) «набег» фазы при обходе входов плеч по замкнутой окружности равняется

2 лр; р = 1 соответствует режиму осевого излучения, для остальных п диаграмма будет иметь провал по оси.

Ток в логоспиральных антеннах имеет вид бегущей волны, причем на расстоянии около Я, от центра вдоль спирального плеча амплитуда тока резко спадает (примерно на 20 дб), и конечность размера антенны не имеет значения. Благодаря этому для всех частот, при которых длина плеча L > Я, свойства антенны оказываются частотно независимыми.

Граница рабочего диапазона такой антенны со стороны коротких воли определяется размерами применяемого кабеля питания и точностью выполнения конфигурации антенны в области возбуждения. Экспериментально установлено, что антенна сохраняет свои характеристики вплоть до частот, иа которых поперечник области возбуждения D - Я. Таким образом, границы Ят!п и Яах рабочего диапазона антенны оказываются независимыми друг от друга, поскольку Ятах- L, Ят,п - D. В практически выполнимых антеннах двустороннего излучения (т. е. в виде плоской спирали в свободном пространстве) можно получить коэффициент перекрытия рабочего диапазона Ятах/Ят!п -10: 1 за счет применения миниатюрных кабелей и повышения точности выполнения центральной части спирали. Правда, при размещении спирали над металлическим экраном с целью обеспечения однонаправленного излучения широ-кополосность антенны резко снижается (примерно до 2: 1). Входное сопротивление плоских спиральных антенн в пределах рабочего диапазона довольно постоянно (КСВ -< 2,0).

Величина Zbx зависит от многих факторов; в частности, если структура спирали - самодополнительна (т. е. идентична двойственной себе), то теоретическая величина Zbx = /?вх= 180 ом.

Логоспиральная антенна эквивалентна кольцу с бегущей волной тока и частотно-независимым периметром - Я; благодаря этому коэффициент эллиптичности антенны мало отличается от единицы не только в направлении главного максимума, но практически и в пределах всего главного лепестка. В режиме р = 1 ширина пространственного лепестка в различных сечениях составляет от 60° до 80°.

Помимо описанных антенн, практическое применение нашли серповидные вибраторы, представляющие собой одноплечевую спираль, установленную перпендикулярно плоскости металлического экрана (рис. 3, в).

Частотно независимы также многозаходиые конические спиральные антенны, получающиеся путем проецирования плоской спирали на поверхность кругового конуса (рис. 3, б). В этих антеннах, изменяя угол при вершине конуса и угол намотки спирали, можно управлять диаграммой направленности в довольно широких пределах. Максимум излучения этой антенны в режиме р = 1 направлен в сторону вершины конуса; в зависимости от величин упомянутых углов ширину диаграммы можно изменить от 80° до, пример-

но, 180°. В режиме р = 2 можно получить диаграммы, имеющие в сечении вид двух лепестков, отклоненных от оси на угол, величиной которого можно управлять. Поляризация поля этих антеин близка к круговой в пределах всего основного лепестка.

Следует отметить, что известный конический вибратор также относится к классу частотно независимых антенн, поскольку конфигурация конуса удовлетворяет угловому принципу; однако у нее частотно независимо лишь входное сопротивление (диаграмма направленности биконуса изменяется, как у рупорной антенны).

4. Широкодиапазониые антенны

с размерами излучающей области, постоянными в долях длины волны [3]

Для обеспечения постоянства ширины диаграммы иаправлеи-ности антенны в какой-либо плоскости применяют различные приемы. Так, в известной степени можно стабилизировать по ширине диаграмму направленности зеркальной антенны с рупорным облучателем (с ростом частоты диаграмма направленности рупора сужается; это приводит к уменьшению коэффициента использования поверхности зеркала, компенсируя увеличение его размера в долях Я).

В рупорных антеннах с эллиптической поляризацией можно уравнять по ширине диаграммы направленности в £- и Я-плоско-стях, применяя систему продольных клиновидных металлических вставок (рис. 4, а). Выполняя боковые стенки рупорной антенны из стержней, расстояния между которыми линейно возрастают по мере удаления от горловины, можно обеспечить постоянство эффективного размера излучающего раскрыва в долях Я (рис. 4, б). Однако все эти антенны применимы лишь в диапазоне сантиметровых волн; их рабочий диапазон к тому же не очень широк. За последние годы разработаны значительно более широкополосные антенны, обладающие аналогичными свойствами, но пригодные для применения на более длинных волнах, включая и метровые.

В простейшем случае эти антенны выполняются в виде плоской двухзаходной арифметической спирали (рис. 4, б). Из-за неравенства длин проводников заходов спирали (поскольку один из них навивается с большим радиусом кривизны)между токами в них от витка к витку нарастает сдвиг фаз. С учетом фаз возбуждения эти токи окажутся синфазными при периметре витка, равном Я в случае противофазного и 2Я - в случае синфазного возбуждения заходов. Такие витки вместе со смежными образуют кольцевую полосу интенсивного излучения, тогда как излучение остальных витков взаимно компенсируется. За пределами первого резонансного витка ток сильно спадает, и поэтому излучение последующих резонансных БИТКОВ (периметром Зл или 4л и т. п.) несущественно. Таким