18079

АКТИВНІ ПЕРЕДАВАЛЬНІ АНТЕНИ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

ЛЕКЦІЯ №7 з навчальної дисципліни ПРИКЛАДНІ ПИТАННЯ АНТЕННИХ ПРИСТРОЇВ ТЕМА 3: Активні антени. ЗАНЯТТЯ 1: Активні передавальні антени. 1. НАВЧАЛЬНІ ПИТАННЯ Загальні відомості про активні передавальні антени. Ант...

Украинкский

2013-07-06

351 KB

10 чел.

PAGE  2

ЛЕКЦІЯ №7

з навчальної дисципліни

ПРИКЛАДНІ ПИТАННЯ АНТЕННИХ ПРИСТРОЇВ

ТЕМА 3: Активні антени.

ЗАНЯТТЯ 1: Активні передавальні антени.


1. НАВЧАЛЬНІ ПИТАННЯ

  1.  Загальні відомості про активні передавальні антени.

  1.  Антени-підсилювачі потужності.

3. Антени-генератори.

II. НАВЧАЛЬНА ТА ВИХОВНА МЕТА

  1.   Вивчити особливості функціонування активних передавальних антен.
  2.   Вивчити особливості функціонування антен-підсилювачів потужності.
  3.   Вивчити особливості функціонування антен-генераторів.

III. ЛІТЕРАТУРА ТА НАВЧАЛЬНО-МАТЕРІАЛЬНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

  1.  Чернышов В.П. Антенно-фидерные устройства радиосвязи и радиовещения. – М.: Связь, 1987.
  2.   Кочержевский Г.Н. и др.. Антенно фидерные устройства. – М.: Радио и связь, 1989. 
  3.   Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны. Ч.П. Антенны. – М.: Радио и связь, 1983.
  4.   В. Рамзей . Частотно независимые антенны. М.: Мир 1968.
  5.    Найденко Є.П. Електродинаміка та техніка НВЧ, конспект лекцій. – Житомир: ЖВІРЕ, 1998.
  6.   Должиков В.В. и др. Активные передающие антенны. – М.: Радио и связь, 1984.
  7.   Цыбаев Б.Г., Романов Б.С. Антенны-усилители. – М.: Радио и связь, 1980
  8.   Б.А.Панченко, Е.И. Нефёдов. Микрополосковые антенны. – М.: Радио и связь 1986. 
  9.   Проблемы антенной техники/ под ред. Л.Д. Бахраха, Д.И. Воскресенского. – М.: Радио и связь, 1989.
  10.   Ямпольский В.Г., Фролов О.П. Антенны и ЭМС. – М.: Радио и связь, 1989.
  11.  В.И. Болшаченков, И.Д. Прилепский. Электродинамика и техника СВЧ.
  12.  Діапозитиви.
  13.  Наочні посібники (буклеты, проспекты, рекламные материалы).
  14.  Технічні засоби навчання.

  1.  Загальні відомості про активні передавальні антени

Прагнення поліпшити енергетичні параметри антен, зменшити їхні габаритні розміри й масу привело до появи активних слабо направлених антен.

Активні антени - це пристрої, що поєднують власну антену (пасивна частина) і активні елементи підсилення, перетворення або генерації сигналів. У цьому випадку об'єднання функцій таких пристроїв (прийому або передачі радіохвиль і підсилення, перетворення або генерація сигналів уведеними в антену активними елементами) не реалізуються звичайним послідовним з'єднанням ряду функціонально закінчених вузлів, а забезпечуються єдиним електричним пристроєм.

По функціональному призначенню активні антени підрозділяють на три типи: прийрисьні, передавальні і прийрисьно-передавальні.

Активні передавальні антени, у свою чергу, можна розділити на

антени-генератори (АГ) і

антени-підсилювачі потужності (АПП).

В АГ здійснюється генерація й випромінювання, в АПП- посилення потужності сигналу, що надходить від автономного генератора (передавача), і випромінювання. Активна частина в передавальних активних антенах може включати каскади множення частоти сигналу.

Як було відзначено вище, поділ активної антени на пасивну й активну частини неможливо внаслідок інтегральної суті пристрою. Активна антена виконується у вигляді одного функціонально закінченого блоку. 

У загальному випадку цей нелінійний і невзаємний пристрій, що поряд із традиційними параметрами, що характеризують пасивні антенні пристрої

(діаграма спрямованості, коефіцієнт спрямованої дії й ін.), описується ще й параметрами, що враховують наявність активного елемента

(потужність випромінювання на частотах гармонік, потужність, споживана від джерел живлення, і т.д.) Зауважимо, що питання про набір параметрів, які найбільш повно характеризують АПА як функціональний пристрій (зовнішні параметри АПА), повинно вирішуватися з урахуванням типу й особливостей функціонування даної антени.

До теперішнього часу визначився ряд напрямків переважного використання АПА.

Для АГ - це опромінювачі антен,

випромінювачі вимірювальних установок і

систем вбудованого контролю.

Застосування високо стабільних АГ обмежене рівнем потужності випромінювання (сотні міліват), тому що з ростом потужності істотно знижується стабільність частоти. 

Антени-підсилювачі потужності доцільно використовувати як рисогабаритні антени компактних передавачів і випромінювачів потужних передавачів з винесеною антеною. Обидва типи антен широко застосовуються як модулі активних фазованих антенних решіток.

2. Антени-підсилювачі потужності

На рис.1.1 наведені приклади побудови слабо направлених активних передавальних антен. На рис. 1.1,а, б показані відповідно АПП і АГ, у яких активний прилад (АП) 2 внесений безпосередньо у випромінювач 1.

Дана конструкція АПА дозволила трохи зменшити габаритні розміри випромінювача й реалізувати потужність випромінювання, практично рівну гранично можливої для використовуваного АП. Структурна схема АПА такого типу показана на рис. 1.2, де СТЦ1 і СТЦ2 — відповідно вхідний й вихідний узгоджуючо - трансформуючі елементи; И - випромінювач; ГВ - генератор збудження. Більш істотне зменшення габаритних розмірів випромінювача стало можливим при вбудовуванні АП у структуру випромінювача, наприклад АПП у вигляді несиметричного вібратора з вбудованим у розтин транзистором [5, 6] (див. рис. 1.1,в, г [6]) або активні вібраторно-рамкові АПП [7], спрощені схеми яких показані на рис. 1.3. Моделювання таких антен приводить до складної структурної схеми АПА внаслідок того, що стає неможливим подання випромінювача у вигляді еквівалентного двополюсника, а електронної схеми АПА - у вигляді чотириполюсника. Тому доцільно представлення вузлів, що входять до складу АПА, багатополюсниками.

Рис. 1.1. Варіанти побудови АПА:

1 —- випромінювач; 2 — активний прилад; 3 — діелектрична підложка; 4, 5 — елементи кіл узгодження; 6 — генератор збудження

Рис. 1.2. Структурна схема найпростішої АПА

На рис. 1.4 показана структурна схема, що дозволяє описувати досить різноманітні варіанти побудови активних передавальних антен. У даній схемі АПА представляється у вигляді з'єднання трьох лінійних і одного нелінійного багатополюсників. Два перших описують відповідно генератори збудження (багатополюсник ЛЧС-1 і джерела ЕРС ехх), випромінювач (багатополюсник ЛЧС-2). багатополюсник ЛЧС-3 описує лінійну частину електронної схеми АПА (лінії передачі, узгоджуючи кола, фазообертачі й т.д.). У багатополюсник НЧС об'єднані всі активні й пасивні нелінійні елементи (НЕ).

Рис. 1.3. Можливі схеми включення транзистора у вібраторно-рамкових АПА

Дане представлення структурної схеми АПА разом з декомпозицією ЛЧС-3 на окремі базові елементи (БЕ), взаємодія між якими враховується кінцевомірною лінійною матрицею [12], дозволяє використовувати математичні моделі НЕ, випромінювачів і БЭ різного рівня складності й, залежно від обставин, у широких межах варіювати як точністю одержуваних результатів і часом розрахунків, так і складністю принципової схеми аналізованої антени.

Рис. 1.4. Узагальнена структурна схема АПА

Наявність у схемі нелінійних елементів приводить до залежності зовнішніх параметрів АПА таких, як потужність випромінювання на основній частоті й частотах гармонік, коефіцієнт корисної дії, коефіцієнт підсилення АПА й інші, від напруг живлення і рівня вхідної потужності. Це явище викликає необхідність аналізу АПА у два етапи.

На першому етапі розраховують режим схеми АПА, результатом якого є визначення струмів і напруг на затискачах багатополюсників як на основній частоті, так і на частотах гармонік. У ході даних розрахунків для опису багатополюсників, еквівалентних випромінювачу АПА й генераторам збудження, використовують тільки параметри, що характеризують дані багатополюсники з боку входів схеми АПА. Як правило, це матриця власних і взаємних опорів або провідності випромінювача, вхідні опори й потужність генераторів збудження.

Другий етап - розрахунок зовнішніх параметрів активної передавальної антени. Вихідними даними при розрахунках на цьому етапі є результати рішення попереднього завдання й зовнішні характеристики випромінювача АПА такі, як система парціальних діаграм спрямованості [8], його ККД. У результаті повинні бути визначені всі зовнішні параметри АПА - діаграма спрямованості, коефіцієнт спрямованої дії й ін. Нижче послідовно розглядаються обидва ці етапи.

2.1. Побудова та параметри АПП

Зменшення габаритних розмірів антен, збільшення їх діапазоності й ефективності є важливими завданнями, які можна частково вирішити за допомогою активних антен. Проведемо оцінку функціональних можливостей АПП, базуючись на результатах досліджень енергетичних параметрів антен цього типу в метровому й нижній частині дециметрових діапазонів хвиль.

Розглянемо спочатку АПП з безпосереднім з'єднанням випромінювача й АП. У таких АПП випромінювач відіграє роль вихідного контуру підсилювача. Отже, енергетичні параметри АПП у значній мірі залежать від значення повного вхідного опору випромінювача. Визначимо вимоги, пропоновані до повного вхідного опору випромінювачів АПП у смузі пропускання, ґрунтуючись на частотних характеристика оптирисьних опорів навантаження транзистора КТ911Б (рис 4.1, крива г), обмірюваних в (режимі імпульсної модуляції.

Частотні залежності повних вхідних опорів випромінювачів АПП 

Для забезпечення максимальної потужності випромінювання в смузі пропускання повний вхідний опір випромінювача Za повинний бути комплексно-сполученим з вихідним опором АП. З наведених на рис. 4.1, крива г даних показує, що

для ефективної передачі потужності в діапазоні робочих частот АПП необхідно забезпечити слабку залежність модуля вхідного опору випромінювача від частоти. Причому активна частина повного вхідного опору Za повинна становити одиниці омів при індуктивному характері реактивної складової. У випадку лінійних випромінювачів невеликі значення активної складової досягаються застосуванням коротких вібраторів. Тобто при безпосереднім з'єднанні випромінювача й АП є принципова можливість зменшення габаритних розмірів антени. Для реалізації необхідної реактивності необхідно використовувати малі вібратори, у яких частота першого резонансу менше нижньої частоти смуги пропускання АПП. Для цих цілей можуть бути використані способи штучного збільшення електричної довжини. Перспективним напрямком у створенні АПП є застосування не виступаючих і рисо виступаючих смужкових  випромінювачів.

На рис. 4.2 наведені спрощені конструкції АПП, реалізованих на базі транзистора КТ911Б и працюючих у режимі імпульсної модуляції при скважності 200, тривалості імпульсу 1,5 мкс й вхідної потужності 0,5 Вт. Як випромінювачі АПП використані не виступаючі резонансно-щілинні (РЩВ) (рис. 4.2, а, б) і несиметричний смужковий Г- подібний випромінювач (рис. 4.2, в). Частотні залежності повного вхідного опору цих випромінювачів АПП наведені на рис. 4.1

З порівняння кривих а-г рис. 4.1.слідує, що в певній області частот досягається близьке до оптирисьного узгодження транзистора й випромінювача, що дозволяє при реалізація АПП використовувати принцип безпосереднього з'єднання.

Рис.4.2. Загальний вид АПП дециметрового діапазону хвиль

1 - резонатор, 2 - збудник РЩВ, 3 - підсилювач потужності, 4 - діелектричні стрижні, 5 - смужкова плата, 6 - обтічник.

Електрична схема антени рис. 4.2, а, у якої підсилювач вбудований усередину РЩВ, показана на рис. 4.3. Вхідний пристрій узгодження АПП являє собою двох ланковий фільтр. Одна з його індуктивностей виконана з відрізка несиметричної смужкової лінії, що з'єднує вхід АП і конденсатор С1, інша — реалізується за допомогою конденсатора С2 (КТ4—21 Б-4/20), що обґрунтовано результатами вимірів повного вхідного опору цього конденсатора. В антені застосований збудник смужкової конструкції. Максимальний розмір АПП в 1,5 рази менше, ніж у використовуваних у цей час пасивних щілинних антен такого ж діапазону частот. 

Рис. 4.3. Принципова електрична схема АПП із РЩВ

Експериментально обмірювана частотна залежність потужності випромінювання й ККД АПП наведені на рис. 4.4 і 4.5 (криві а). Інші параметри АПП зведені в табл. 4.1.

Більш широка смуга пропускання була досягнута в АПП із РЩВ, зображеним на рис. 4.2,б. Частотні характеристики цієї АПП представлені на рис. 4.4, 4.5, криві б. Антена зібрана за схемою аналогічної застосовуваної в пристрої рис. 4.2, а, Підсилювач активної антени розміщений поза випромінювачем.

Принципова електрична схема активної передавальної антени (див. рис. 4.2,в), у якій використаний смужковий Г- подібний випромінювач, показана на рис. 4.6. Вхідний коло узгодження антени реалізовано за допомогою відрізка смужкової лінії, яке еквівалентно індуктивності й включеного між входом АП і ємністю  С1, і двох конденсаторів підстроювання. Елементи L1 і С2 становлять фільтр кола живлення транзистора по постійному струмі, що подається через коаксіальний кабель. Наведені на рис. 4.7 експериментальні криві випромінюваної потужності (суцільні криві) отримані при вбудовуванні в АПП трьох довільно обраних транзисторів з однієї партії. Тут же наведений графік оптирисьної потужності в навантаженні транзистора. При найкращому узгодженні потужність випромінювання практично досягає оптирисьного значення Р.

Рис. 4.4. Частотні залежності потужності випромінювання АПП з РЩВ

Рис. 4.5. Частотні залежності ККД  АПП з РЩВ

Необхідно відзначити, що поза залежністю від застосовуваного транзистора випромінювана потужність у центрі смуги пропускання перебуває в межах області розкиду значень Р застосовуваного типу транзистора. Аналогічні залежності отримані при вимірі електронного ККД АПП (рис. 4.8).

Таблиця 4.1 Параметри АПП

Достоїнствами цих АПП є:

відсутність вихідних кіл узгодження,

мінімальні втрати потужності, що дозволяє реалізувати потужність випромінювання, приблизно рівну максирисьної вихідної потужності АП,

невеликі габаритні розміри підсилювача. Крім того, в АПП (див. рис. 4.2, а-в) застосовні рисогабаритні випромінювачі, а в антені (див. рис. 4.2,а) підсилювач вбудований усередину випромінювача, що наочно демонструє можливість зменшення за допомогою АПП обсягу, займаного радіо передавальною апаратурою. Слід також зазначити, що у двох з розроблених антен (див. табл. 4.1) досягнута

смуга пропускання більше 10%.

З огляду на вплив великої кількості дестабілізуючих факторів на антени в умовах експлуатації, були проведені випробування макетів АПП при впливі високих і низьких температур і зміни напруги живлення. Результати випробувань (див. табл. 4.1) свідчать про можливість

досягнення доброї стабільності параметрів АПП.

Рис. 4.6. Принципова електрична схема АПП з Г-подібним випромінювачем

Рис. 4.7. Частотні залежності випромінюваної потужності АПП з Г-подібним  випромінювачем:

Рис. 4.8. Частотна залежність ККД АПП з Г-подібним випромінювачем

Описані результати дозволяють оцінити можливості АПП по смузі пропускання, стабільності параметрів, визначити їх переваги в порівнянні з пасивними антенами. Однак результати досліджень АПП будуть неповними, якщо не зупинитися на питаннях поза смугового випромінювання.

Недолік. Інтегральна структура, яка складається з безпосередньо з’єднаних випромінювача та АП, має обмежені можливості по фільтрації гармонік. Оптимальне узгодження на частоті 1,025 ГГц при цьому коефіцієнт фільтрації другої гармоніки дорівнює-29 дБ.

3. Антени-генератори

Будова антен-генераторів з малогабаритними вібраторними

випромінювачами

Антени-генератори (АГ) виконуються на базі автогенераторів і являють собою малопотужні передавальні пристрої, у яких випромінювачі відіграють роль елемента коливальної системи. Можливі варіанти побудови схем АГ без кварцової стабілізації частоти зручно розглянути, взявши як випромінювач АГ короткий несиметричний вібратор із вхідним опором Za, реактивна частина якого обумовлена ємністю

(6.1)

де с — швидкість світла; ,  — хвильовий опір вібратора і його довжина відповідно.

Базовим електронним пристроєм (БЕП) антени-генератора виберемо, як один з найбільш стабільних, автогенератор, виконаний за схемою Клаппа (рис. 6.1,а). Перехід від схеми автогенератора до схеми АГ з несиметричним вібратором можна здійснити, використовуючи випромінювач як ємності С2 або С1, які включені між електродами транзистора й «землею». Для схеми Клаппа ємності С1, С2 визначаються зі співвідношень:

(6.2); (6.3)

де р — коефіцієнт включення контуру; k — коефіцієнт зворотного зв'язку; Ск — повна ємність контуру, яка визначається співвідношення [78]

(6.4)

У схемах автогенераторів на транзисторах завжди виконуються умови , k<l. Якщо прийняти, то за допомогою (6.1) — (6.4) легко встановити, що навіть при невеликих значеннях  ємність вібратора буде менше ємностей С1 або С2. Отже, короткий лінійний вібратор при  може бути використаний тільки як частина однієї з вищевказаних ємностей контуру цієї схеми для чого скористаємося виразом

(6.5)

де  — внесений в контур опір випромінювання антени;  — власний опір втрат контуру.

Внесене в контур опір випромінювача

(6.6)

Де  — характеристичний опір контуру;

Використовуючи вираз (6.6), одержимо ККД контуру

(6.7)

Коефіцієнт включення де RHi — опір навантаження транзистора на частоті першої гармоніки.

Значення коефіцієнта включення в транзисторних автогенераторах завжди невелике. Наприклад, при використанні транзистора КТ904А и =200 Ом коефіцієнт включення . Крім того, при малих розмірах антени параметри  й Ха, а також Ra і Rh. є величинами одного порядку, тому ККД контура розглянутої схеми АГ у найкращому разі дорівнює всього декільком відсоткам.

        

a)      б)

Рис. 6.1. Схема Клаппа (а); антена-генератор на базі схеми Клаппа (б)

Рис. 6.2. Схема АГ з поліпшеним ККД контуру

Таким чином, проведений вище аналіз показав, що при використанні в якості БЕП схеми Клаппа малогабаритні антени-генератори є малоефективними пристроями.

Як слідує з (6.6), (6.7), для збільшення ККД контуру АГ необхідно схему БЕП побудувати так, щоб випромінювач підключався до тієї частини ємнісної кола контуру, опір якої близько до характеристичного.

Даній вимозі задовольняє схема АГ, представлена на рис. 6.2. Режим роботи пропонованої схеми й величини , L, З4, р можна розрахувати, використовуючи відомі вирази [78]. Ємності С3 і С2 знаходять із умов:

де Свх — вхідна ємність транзистора; С — паразитна ємність котушки індуктивності.

Величина ємності С1  при обраному коефіцієнті зв'язку визначається з вираження, отриманого за допомогою методу вузлових

3.2. Випромінювачі АПА

Вимоги до випромінювачів АПА.

АПА працюють у складі конкретних РТС, тому такі їхні основні параметри, як форма ДС, коефіцієнт підсилення, КНД, повинні забезпечити необхідні характеристики системи. Слабо направлені АПА звичайно застосовуються в радіосистемах мобільних об'єктів, що пред'являє до них підвищені вимоги й особливо до їх випромінювачів, оскільки останні, як правило, піддаються численним зовнішнім впливам. Вони повинні мати

високу механічну міцність,

невеликі габаритні розміри й масу,

високий ККД, а також мати

достатню електричну міцність і працездатність при можливих коливаннях температури й атмосферного тиску. Крім зазначених загальних рекомендацій вимоги до випромінювачів

повинні враховувати специфіку їх роботи в АПА. Бажано, щоб у робочій смузі частот їх вхідний опір був близьким до величини оптимального навантаження активного елемента. У цьому випадку можливе підключення випромінювача до виходу АП або безпосередньо, або із застосуванням простого кола узгодження з невеликим числом елементів. Крім того, випромінювач і його СТЦ повинні мати фільтруючі властивості для ослаблення до прийнятного рівня поза смугового випромінювання АПА.

Як випромінювачі АПА метрового й дециметрового діапазонів хвиль найбільше широко поширені

вібраторні й

резонаторно-щілинні випромінювачі.

Вібраторні випромінювачі

прості у виготовленні,

мають невелику масу й

малий аеродинамічний опір, що важливо для застосування їх на рухливих об'єктах.

У дециметровому діапазоні довжин хвиль переважно використовуються

несиметричні вібраторні випромінювачі або

їх модифікації:

Г-подібні,

зонтичні,

шлейфні й т.д., а в метровому-укорочені вібратори, що настроюються за допомогою відповідного пристрою узгодження. Укорочені вібраторні випромінювачі мають ще одну істотну перевагу в порівнянні з деякими іншими типами, наприклад рамковими. Зі скороченням лінійних розмірів вібратора його опір випромінювання в смузі частот змінюється набагато повільніше, чим у рамкових, що важливо при їхньому узгодженні з виходом АП,

Резонансно-щілинні випромінювачі (РЩВ) використовуються часто в метровому й дециметровому діапазонах як бортові антени для навігаційних і зв'язних системах літальних апаратів. Звичайно щілинна антена встановлюється в рівень з обшивкою літального апарата, а щілина закривається шаром діелектрика, що зберігає аеродинамічну форму апарату. Разом з тим вбудовування такого випромінювача зменшує механічну міцність конструкції корпуса апарата, тому завдання зменшення розмірів таких антен особливо актуальна в метровому діапазоні хвиль. Зменшити габаритні розміри пристроїв дозволяє застосування РЩВ в складі АПА. Щілинні випромінювачі розмірів менше резонансних мають індуктивний вхідний опір, що в метровому діапазоні хвиль звичайно корисно для узгодження з АП.

У наступних параграфах розглядаються деякі способи розрахунку параметрів вібраторних і резонаторно-щілинних випромінювачів, часто застосовуваних у складі АПА.

3.3. Вібраторні випромінювачі

Розглянемо випромінювання симетричного електричного вібратора, що представляє прямолінійний циліндричний провідник довжиною й радіусом а, який живиться в центрі генератором напруги Vo високої частоти. Будемо вважати, що вібратор поміщений в однорідний ізотропний простір з параметрами  й орієнтований таким чином, що вісь циліндра сполучена з координатною віссю z, а його центр — з початком координат (рис. 3.1). У крапках  симетрично щодо центра вібратора прорізані вузькі поперечні щілини, що розсікають його плечі, а в розсічки включені зосереджені комплексні опори Zn. Геометричні розміри вібратора співвідносяться між собою й довжиною хвилі як  При дотриманні цих умов і з урахуванням осьової симетрії вібратора припустимі наступні припущення [39J.

1. На поверхні вібратора існує тільки електричний струм, що тече паралельно його осі. Поверхнева щільність струму h(z) рівномірно розподілена по окружності поперечного перерізу, тому повний струм /z(2)=:2jta/z(2). Цей струм уважається безперервною функцією в області збудливого зазору й розсічок з навантаженнями й змінюється до нуля на кінцях вібратора, тобто задовольняє умовам

Рис.8. Симетричний вібратор із включеними навантаженнями

Можлива також аксіальна апроксимація струму на вібраторі, коли поверхневий струм заміняється нескінченно тонкою ниткою поздовжнього електричного струму, розташованого на осі вібратора.

3. Дотична складова вектора E2(z), створювана струмом Iz(z) на; бічної поверхні вібратора, тобто при р = а, звертається в нуль (ідеально провідний вібратор) або, у випадку провідника з розподіленим поверхневим опором, відповідно до наближеної граничної умови Леонтовича дорівнює

До елементів цієї матриці додають доданки, що враховують опори навантажень.

Знайдені з (3.8) амплітуди струмів  дозволяють розрахувати всі параметри вібратора:

вхідний опір

діаграму спрямованості

діюча довжина

де  — напрямок головного максимуму ДС;

опір випромінювання

Якщо втрати потужності в розподіленому поверхневому опорі Z вібратора відсутні, то опір випромінювання розраховується по формулі

Коефіцієнт спрямованої дії й ККД

У багатьох випадках як випромінювачі АПА метрового й дециметрового діапазонів хвиль доцільно використовувати вкорочені вібратори. 

Відомо, що зі зменшенням електричної довжини 

активна складова  вхідного опору вібратора падає пропорційно квадрату довжини , 

а реактивна  має ємнісний характер і збільшується (по модулю) пропорційно .

Несиметричний вібратор з довжиною плеча менш 0,1 являє собою високо добротне навантаження для кінцевого каскаду активного елемента АПА. Узгодження вібратора з виходом АП зводиться до компенсації великого реактивного опору вібратора й трансформації активного опору в кілька разів. Реалізація СТЦ на елементах з кінцевими втратами приводить до зниження ККД АПА в цілому.

На рис. 3.3 і 3.4 показана залежність активної частини вхідного опору Za вібратора, що відповідає крапці послідовного резонансу (Ха = 0), від zL/l для вібраторів з довжиною плеча = 0,15; 0,1 і 0,05 і коли в крапці zL в обидва плечі включені котушки індуктивності q L = XH /w і добротністю Q.

Із графіків слідує, що збільшення Ra тим більше,

ніж ближче індуктивності до кінців вібратора, чим нижче їхня добротність і

чим коротше плече вібратора.

Значна частина вхідного опору обумовлена втратами в котушці, що особливо сильно проявляється для вібраторів малої довжини.

Вхідний опір є сумою збільшеного опору випромінювання й опори, обумовленого втратами в котушці. Остання складова опору не є точно опором котушки, оскільки струм у крапці розміщення навантаження відрізняється від струму порушення [43]. У меншому ступені збільшення вхідного опору Ra залежить від радіуса вібратора. Так, зміна , в 3 рази ( від 0,001 до 0,003) приводить до зниження Ra приблизно на 20% при  Q = 100 і на 10% при Q = 250 для  = 0,05.

Таким чином, включення резонансної індуктивності в розсічку вібратора дозволяє істотно підвищити вхідний опір Ra і полегшити завдання його узгодження з навантаженням.

Рис.3.3. Залежність активного вхідного опору від місця включення Хъ

Рис. 3.4. Залежність активного  вхідного опору від місця включення XBi

Коефіцієнт корисної дії вібратора визначається її відношенням між потужністю випромінювання й потужністю теплових втрат в активних опорах котушок, що укорочують. Розглянемо залежність ККД навантаженого лінійного вібратора про його розмірів  і , місця підключення котушок, що укорочують, і їхньої добротності. На рис. 3.5 і 3.6 показана залежність ККД від положення  резонансної котушки при тих же значеннях параметрів, що й на рис. 3.3, 3.4. Криві, що характеризують залежність  (рис. 3.5 і 3.6) для всіх значень Q мають тупий максимум при =0,24-0,4.

Рис. 3.5. Залежність ККД від місця включення Лн1

Рис. 3.6. Залежність ККД від місця включення XBi

Наявність максимуму говорить про те, що укорочуючі котушки, які включені в розсічку плеча вібратора, є ефективний засіб компенсації реактивної складової вхідного опору вібратора, тому що поряд з підвищенням ККД спостерігається ріст активної складової вхідного опору.

Для одержання більшого значення Rа можна рекомендувати вибирати значення = 0,7...0…0,8, де спостерігається істотний ріст Ra, a падає ще незначно.

Зменшення розмірів  і , а також зменшення добротності Q приводить до зниження ККД випромінювача. Реально досяжна величина ККД вібратора  при застосуванні укорочуючих котушок з добротністю Q = 250 становить 35-40%;. Смуга пропускання коротких навантажених вібраторів оцінюється по формулі [43]

Зменшення розмірів  і ,  приводить до звуження смуги пропускання вібраторів. Застосування укорочуючи котушок дозволяє  збільшити на величину 1/Q. Так, вібратор з довжиною; плеча , що використовує укорочуючи котушку з добротністю Q = 250, має миттєву смугу пропускання менш 1%.

У ряді практично важливих випадків необхідно, щоб АПА працювала в широкому діапазоні частот. Для підтримування сталості переданої потужності в простір необхідно забезпечити прийнятне узгодження виходу АП з випромінювачем у всій смузі робочих частот. В [44, 45] показано, що можна істотно зменшити залежність вхідного опору від частоти вібраторних випромінювачів нанесенням на їх поверхню резистивного шару. Для аналізу властивостей широкосмугових вібраторних випромінювачів [44] досліджений циліндричний вібратор у вигляді керамічних циліндрів з тонкою резистивною оболонкою, між якими встановлені діелектричні тефлонові шайби, що утворять зосереджені ємності (рис. 3.7,а). Теоретичні дослідження проводилися чисельно шляхом рішення інтегрального рівняння Халлена.

Розрахунки показали, що найкращі параметри вібратора виходять при збільшенні резистивної і ємнісної навантажень до кінця вібратора.

Рис. 3.7. Частотна залежність вхідної провідності вібратора з RC-навантаженням.

На рис. 3.7,б показані залежності вхідної провідності вібратора із двома варіантами розподілу RC-навантаження. З наведеного малюнка слідує, що вхідна провідність випромінювачів слабко змінюється в діапазоні частот з перекриттям 3:1. Вібратор з збільшуваним до кінця резистивним навантаженням ( рис. 3.7,6) має ККД 0,82-0,9 у всій смузі частот.

Аналогічні дослідження широкосмугості вібраторів з резистивно-ємнісним розподіленим навантаженням описані в [45], де представлені розрахункові й експериментальні характеристики циліндричного вібратора у вигляді скляного стрижня довжиною 15 см і діаметром 0,7 см, покритого сплавом з нікелю, хрому, заліза й титана. Товщина шару змінюється від 240нм у середині вібратора до нуля на його кінцях. Закон зміни товщини шару обраний таким, що уздовж вібратора поширюється біжуча хвиля струму, завдяки чому він є широкосмуговим і зберігає необхідні характеристики в діапазоні 0,7-2 ГГц.

Дротові випромінювачі складної форми

У метровому та дециметровому діапазонах хвиль застосовуються вигнуті вібраторні антени; наприклад, у літаковій апаратурі використовуються похилі й Г-подібні вібратори. Перевага таких антен складається не тільки в зниженому лобовому опорі, але й у малій висоті, що дозволяє встановлювати такі антени в нижній частині обшивки літаків і вертольотів. Крім того, зміною геометричної форми дротового випромінювача можна домогтися необхідного його вхідного опору в робочій смузі частот і на частотах поза смугового випромінювання.

Рис. 9. Вхідний опір Г- і Т-подібних вібраторів:

а) Г и Т-подібні вібратори; б) залежність вхідного опору від електричної довжини вертикальної частини

Із графіка треба, що реактивна складова вхідного опору Г-подібного випромінювача близька до нуля, що істотно полегшує узгодження його з виходом активного приладу.

Недоліком вигнутих укорочених вібраторів є більше вузька смуга пропускання в порівнянні з резонансним штирем, що в ряді випадків може обмежити їхнє застосування.

Резонансно щілинні випромінювачі. Визначення вхідної провідності РЩВ в загальному випадку, з обліком всіх конструктивних особливостей, являє собою завдання, строге рішення котре зустрічає більші труднощі, обумовлені складною геометрією РЩВ. Найбільше повно досліджений РЩВ, збуджений ниткою струму, розташованої безпосередньо в площині щілини. Існує велика кількість конструкцій, у яких збудник розташований у порожнині резонатора.

Викладач кафедри

   О.Р. Рихальський


EMBED Equation.3  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

2408. Исследование нелинейной автономной двухкомпонентной системы с дискретным временем 1.18 MB
  Из проведенного анализа двухкомпонентной нелинейной автономной системы видно, что процессы, наблюдаемые в таких системах могут быть весьма разнообразными. Так в системе возможны периодические и хаотические колебания.
2409. Экономика как наука изучающая отношения в сфере производства 512.57 KB
  Экономика – совокупность отношений между людьми в сфере производства, распределения, обмена и потребления продуктов труда, соответствующая данной степени развития общества. Воспроизводство – неповторимо повторяющиеся процессы производства, а также распределения, обмена и потребления.
2410. Основы физики. Теория и практика 307.77 KB
  Закон сохранения заряда. Закон Кулона. Диэлектрическая проницаемость вещества. Применение теоремы Гаусса к расчёту некоторых электрических полей в вакууме. Проводники в электрическом поле. Распределение зарядов в проводнике. Закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах. Магнитный момент кругового тока. Закон Ампера.
2411. Особенности системы автоматизированного проектирования 101.5 KB
  Неавтоматизированное проектирование - проектирование осуществляется человеком; автоматизированное проектирование, при котором отдельные этапы или задачи осуществляются взаимодействием человека и ЭВМ, автоматическое проектирование, при котором все этапы и задачи осуществляются ЭВМ без участия человека.
2412. Иновационные информационные технологии 96.36 KB
  Факторы, оказывающие сдерживающее влияние на процесс становления рынка программных продуктов. Технология ASP. Объекты ADO. Пакетная модификация. Перемещение между записями в результирующем множестве ADO. Специальные значения свойства ADO Recordset.
2413. Выбор методом анализа иерархий с помощью MathCAD по 4 видам и 4 признаком. Методы очистки сточных вод 3.72 MB
  Элементы задачи сравниваются попарно по отношению к их воздействию (весу, или интенсивности) на общую для них характеристику. Сравнивая набор составляющих проблемы друг с другом, получается квадратная матрица вида.
2414. Сучасні системи математичної обробки інформації. Система Mathcad. Програмування в середовищі Mathcad 327.72 KB
  Задачі обробки одновимірних та двовимірних масивів. Приклад розв'язування транспортної задачі в середовищі Mathcad. Локальний екстремум. Організація обчислень з розгалуженнями. Локальний оператор присвоєння. Принцип програмування в Mathcad. Панель програмування.
2415. Особенности использования автоматизированных и человекоуправляемых систем научных исследований 1.03 MB
  Научные исследования позволяют выявлять и исследовать неявные качества и закономерности свойственные исследуемым объектам. К таким объектам, наиболее часто относятся определенные системы и процессы. Особый интерес для науки и прикладных задач представляет автоматизация научных исследований, то есть создание автоматизированных систем научных исследований (АСНИ).
2416. Сущность организации и предприятия, их признаки и функции. Понятие экономики предприятия. 217.5 KB
  Экономика предприятия - это дисциплина изучающая, как определённые и ограниченные ресурсы для производства полезной продукции и услуг распределяются и используются в рамках отдельно взятого предприятия.