> Техника, страница 58 > Лучевая антенна
Лучевая антенна
Лучевая антенна, антенна, которая излучает энергию преимущественно в каком-либо одном направлении. Пространство, внутри которого распространяется эта излученная энергия, называется «лучом». Образование луча является следствием интерференции между собою всех колебаний, вызванных в какой-либо точке пространства различными элементами антенны. В одних точках пространства эти колебания взаимно усиливаются, в других—уничтожаются. Задача конструирования Л. а. заключается в таком выборе ее элементов, чтобы точки пространства, где колебания взаимно усиливаются, лежали вблизи от направления, по которому задано передать энергию, и чтобы в точках, находящихся в стороне от этого направления, колебания взаимно уничтожались. В зависимости от целей, для которых сооружается Л. а., лучу можно придать ту или иную «форму», то есть сделать луч более или менее расходящимся, широким и низким или же узким и высоким, иначе
говоря, направить луч так, чтобы он распространялся главным образом в горизонтальной плоскости или, наоборот, преимущественно в вертикальной плоскости.
Чтобы получить заметный эффект от интерференции, размеры антенны должен быть сравнимы с длиною волны, которую она излучает. Только тогда колебания, вызванные различными ее частями, будут заметно отличаться между собою по фазе. Пусть например два одинаковых вибратора! и,2(фигура 1), в которых циркулируют синфазные равные токи, частоты ω0 (длина волны Л„), находятся друг от друга на расстоянии а м. Колебания в некоторой точке О на расстоянии х от первого вибратора будут:
е1=Esin α>(< — ί,), (1)
где ίχ—время, затраченное колебаниями на пробег расстояния ж; если скорость распространения будет с м/ск, то ^=“. Преобразовывая ур-ие (1), получим:
е1^Е sin Ζπ (-L - Щ=Е sin Ζπ,
или ех= Esin Ζπ ^ (2)
Если путь от второго вибратора до той же точки О будет длиннее на нек-рую величину S, то колебания в ней будут:
е2=E sin Ζπ
Иначе говоря, фаза между этими двумя колебаниями будет θ=Ζπ ~. Если <5=^, то
θ=0 и -4- е2= 0, то есть колебаний в точке
О не будет совсем. Если рассматривать горизонтальную плоскость и взять точку О в направлении под углом φ к плоскости 2-1, то фаза Θ определится след. обр. (при х очень больших по сравнению с а, когда линии 1-т и 2-п, идущие от вибраторов в точку О, можно считать параллельными):
θ=Ζπ°-
Взяв вибраторы на расстоянии α= ~, получим 6=jicosφ, то есть в плоскости 1-2, при φ=0, энергия распространяться не будет совсем (е!+е2=0); максимум излучения будет при ф=90°. Приняв за начало координат середину между вибраторами, найдем:
e=+ е2=2 sin Ζπ ^ J · cos (π ^ =
. ( a cos ψ /α4
= A COS (π-;---J -, (3)
Если сумму e=ег + е2 будем откладывать в виде какого-нибудь отрезка вдоль по направлению к той точке О, где эта эдс е действует, то получим отрезок ΟχΕ, конец которого Е лежит на кривой ΟχΕΕ2, соответствующей уравнению (3) и называемой диаграммой излучения (фигура 2). Подобные расчеты можно сделать для любого расположения вибраторов в пространстве. фиг· 2·
Наиболее простой по конструкции будет сеть из вибраторов, образующих один виток (самоиндукцию), концы которого приключены к конденсатору. При большом диаметре та
кая катушка будет излучать. Явление будет представлять собою аналогичные явления диффракции света. На сферической поверхности, центр которой совпадает с центром витка, зоны максимальной и минимальной эдс будут расположены по кругам широты, а плоскостью экватора будет плоскость витка. Та же аналогия с диффракцией света будет и в других случаях.
Сеть, составленная из вибраторов, параллельных друг другу и колеблющихся син-фазно (знакопостоянная сеть, фигура 3), вполне
Фигура з. аналогична плоской диффракционной решетке. На фигуре 4 дана половина диаграммы излучения такой сети (т. н. сеть Франклина). Если сзади такой сети расположить вторую, тождественную первой, то энергия будет излучаться только в одну сторону (в направлении от второй к первой, перпендикулярно к их плоскостям). Вторая сеть называется рефлектором. Рефлектор не уничтожает боковых лучей. При точном расположении он срезает одну половину диаграммы
излучения, увеличивая другую вдвое. Роль рефлектора изображена диаграммой фигура 5 (сплошная линия). Примем расстояние от начала координат до пересечения оси×с диаграммой за 2. Тогда радиус-вектор, взятый по какому-нибудь направлению, укажет, насколько надо уменьшить диаграмму излучения в этом направлении. Мы видим, что только в направлении (—X) излучение равно нулю. Значит, рефлектор в совершенстве отража- : ет только центральный
(главный) луч и притом лишь при условии до- _χстаточно большой узости пучка; боковые же лучи проникают и в сторону отрицательных ж-ов.
Такой эффект рефлектор будет иметь лишь в том случае, когда расстояние Фигура 5. d между ним и сетью и фаза токов Ψ будут правильны и токи равны; например d—~ и Ψ=γ, что возможно лишь при независимом возбуждении токов в рефлекторе; если d=и Ψ — ζ, диаграмма примет вид, показанный пунктирной линией фигура 5. Если же в установке, фазе и силе токов будут незначительные от-
клонения, то сзади рефлектора вновь возникнет луч. Такие неточности возникают, когда рефлектор возбуждается непосредственно первой антенной (индукцией); при л Д
расстоянии d=- нарушается правильность фазы токов. Сетью по указанной схеме работают Англия с Австралией и Германия с Буэнос-Айресом. Для получения наиболее узкого пучка (луча) следует увеличивать число вертикальных вибраторов, растягивая длину, самой сети по горизонтали. Расположение нескольких сетей по вертикали одна над другой (многоэтажная сеть), как применяется у Маркони, не увеличит узости пучка, а увеличит лишь силу поля в основном луче в соответствии со взятым числом вибраторов и вызовет дополнительные боковые лучи в вертикальной плоскости. Увеличивать горизонтальную длину сети полезно, но увеличение расстояния между вибраторами ведет к тому, что при а > будет получаться не один главный луч, а два или более.
Если токи в вибраторах, образующих по-прежнему плоскую сеть, будут отличаться по фазе при переходе от одного вибратора к другому всегда на 180°, то получим знакопеременную сеть. Такая сеть излучает энергию в своей плоскости. Диаграмма излучения приведена на фигуре 6, где цифрами вдоль оси OY отмечены вибраторы. Сеть дает широкий и низкий луч. Если через ψ обозначим угол, внутри которого лежит наш
пучок, то для знакопостоянной сети при а= λ
„ ψ N — 2
а для знакопеременной cos -=-, где
N—число вибраторов в сети. Эта сеть, как и первая, дает ряд боковых, более слабых лучей. У обеих сетей лучи, равно отстоящие от главного луча, одинаковы по своей интенсивности. Знакопеременная сеть также допускает устройство рефлектора аналогичной сети, помещенной в той же плоскости. Расстояние между ближними краями обеих сетей должно быть при этом равно нечет-л ному числу -- ·
Комбинации двух описанных сетей, выполненные в виде серии различных рамок, могут образовать пространственные сети, дающие различно направленные главные лучи, сопутствуемые всегда большим или меньшим числом боковых лучей. Как на интересный пример многоэтажной сети, составленной из наклонных вибраторов, следует указать на сеть Ширекс-Мени, применяемую в экспло-атации для работы Франции с Канадой. Действия горизонтальных составляющих токов двух смежных вибраторов компенсируются, как действия взаимно противоположные, тогда как действия вертикальных составляющих взаимно усиливаются. Эта сеть изображена ниже на фигуре 7.
Если сеть составлена из двух вибраторов, причем частота возбуждаемых в них токов будет отличаться на небольшую величину, то фаза токов будет все время периодически меняться. Иначе говоря, если в какой-нибудь момент токи будут одного направления,— сеть будет знакопостоянной; через некоторое время эти токи будут противоположны по фазе, и сеть превратится в знакопеременную. Если сначала сеть излучала в направлении, перпендикулярном своей плоскости, то ьо второй момент она
будет излучать в направлении, совпадающем с ее плоскостью; иначе говоря, луч будет вращаться в пространстве, он будет описывать полукруги. Главный луч будет раздваиваться, и одна половина пойдет по часовой стрелке, а другая—против. Угловая частота вращения будет равна —>
где ω1 и ω2—угловые частоты токов, питающих вибраторы. При числе вибраторов, большем двух, получим пульсирующие лучи. Вращающиеся лучи получатся лишь в том случае, если фаза будет постоянно изменяться на одну и ту же величину при переходе от одного вибратора к другому.
Отметим наконец свойства некоторых из перечисленных антенн не только распределять энергию в пространстве определенным образом, но и излучать большую или меньшую ее долю. Сопротивление излучения Rs уединенного вибратора, получаемое гсак
(ΡΣ—излучаемая мощность, а I—ток в пучности его), равно Rz=72,6 Ω. При расположении один вблизи другого вибраторы не могут избегнуть взаимного влияния. Их сопротивление излучения становится неодинаковым, уменьшаясь в среднем (для каждого вибратора) для одной сети и увеличиваясь для другой. Приводимая таблица дает величину этого среднего сопротивления: N — число вибраторов, R — полное сопротивление всей сети и Rcp_—среднее сопротивление одного вибратора (в Ω).
| Знакопостоянная сеть | Знакопеременная сеть | ||||
| N | R | Rep. | N | R | Rep. |
| 2 | 121,8 | 60,9 | 2 | 171,4 | 85,7 |
| 3 | 178,5 | 59,5 | 3 | 277,6 | 92,5 |
| 4 | 231,8 | 58,0 | 4 | 387,2 | 96,8 |
| 5 | 287,3 | 57,4 | 5 | 499,2 | 99,8 |
| 6 | 341,4 | 56,9 | 6 | 612,8 | 102,1 |
| 7 | 395,6 | 56,5 | 7 | 727,2 | 103,9 |
Лит.: Татаринов В. В., Исследование сдвига фаз в прямолинейных вибраторе и резонаторе, «ТиТбП», 1925, стр. 534, 5 (32); Турлыгин С., О некоторых соотношениях в сложных плоских передающих сетях (Beam System), «Вестник теоретической и эксперим. электротехники», М., 1928, 2, стр. 69—77;
его же, Направленное действие сложных передающих антенн как функция их размеров и рабочей длины волны, там же, стр. 343—351, 9; Т у р л ы-гин С. и Пономарев М., Сложные передающие антенны «ТиТбП», 1928, 3 (48); Пистоль-к о р с А, Излучение направленной антенны, там же, 1928, стр. 540—551, 10 (55); Chireix Н., Nouvelle antenne directive simple pour ondes courtes, «QST», p, 1927, t. 8, 37, p. 43—46; D e 1 i n g e r J. H., The Possibilities of Directional Radio Transmission, «Journ. of the Franklin Inst.», Philadelphia, 1927, Aug., p.239— 243, 1927; U d a S., On the Wireless Beam of Short Electric Waves, «Experimental Wireless a. Wireless Engineer», L., 1927, p. 639; Meissner A., Richt-strahlung mit horisont. Antennen, «Ztschr. f. Hochfre-quenztechnik», B., 1927, B. 30, p. 77—79; P 1 e n d 1 H., Bereclmung v. Richtstrahl Antennen, ibid., p. 80—82; Green E., Calculation of the Polar Curves of Extend Aerial Systems, «Experim. Wireless a. Wireless Engineer», L., 1927, p. 587—594; Mesny R., Sur 1’energie гауоппёе par les rdseaux electromagnetiques, «CR», 1927, t. 184, p. 1047—1050; Bergmann L., Messungen im Strahlungsfelde einer in Grand- u. Ober-schwingungen erregten stabformigen Antenne, «Ann. d. Phys.», 4, Folge 1927, v. 82, p. 504—540; Ballanti-n e S., Discussion on Radiation Resistance of a Vortical Antenna, «Proc. of thelnst. of RadioEngin.», N. Y., 1927, v. 15, p.245—247; Roos O., Discussion on Resistance of a Straight Vertical Unloaded Antenna Radiating of One of Its Harmonies, ibid., v. 15, May, p. 439—443; В ο n t s c h-B rouewitsch M., Die Strahlung d. komplizierten rechtwinkelungen Antennen mitgleich-beschafenen Vibratoren, «Annalen der Physik», 1926, v. 81, p. 425—453; Tatarinoff W., Zur Konstruk-tion d. Radiospiegel, «Ztschr. f. Hochfrequenztechnik»,
1926, B. 28, p. 117—120; B 0 u t h i 1 1 ο n L., Opti-que et radioelectricitS, «L’Onde electrique», P., 1926, p. 577; Franklin C. S., Short Wave Directional W. Telegraphy, «Wireless World a. Radio Review», L., 1922; В all an tine S., An Optimum Transmit-ling Wave Length for a Vertical Antenna over Perfect Earth, «Proc. of the Inst, of Radio Eng.», N.Y., 1924, v. 12, p. 833—841; В a 11 a n t i n e S., On the Radiation Resistance of a Simple Vertical Antenna at Wave Lengths below the Fundamental, p. 823—833; Howe G. W., The Problem of Directive Transmission in RadioTe-legraphy, «Electrician», L., 1924, v. 93, p. 662; F 1 e-ming J. A., Approximate Theory of the ilot Projector (Franklin) Aerial Used in the Marconi Beam System of Wireless Telegraphy, «Experim. Wireless a. Wireless Engineer», L., 1927, p. 387—392; U d a S-, On the Wireless Beam Short El. Waves, ibid., 1928, p. 103, 472, p. 1201—1219; d ’ A i 1 1 у G. F., La thSorie du rayon-nement de la Beam Antenne, «QST», P., 1928, June, p. 14—19; Wells N., Beam Wireless Telegraphy, «Electr. Review», L., 1928, May a. June, p. 898—902, 940—943; Tourlighin S. u. Ponomareff M., Zusammengesetzte Rahmenantennen, «Ztschr. fiir techn. Phys.», Lpz., 1928, Jg. 9, p. 357—363; J a g i H., Beam Transmission of Extra Short Waves, «Proc. of the Inst, of Radio Eng.», N. Y., 1928, v. 16, p. 715— 741; W a 1 m s 1 e у T., Polar Diagrams Due to Plan Aerial Reflected System, «Experim. Wireless a. Wireless Engin.», London, 1928, v. 5, p. 575—577; W i 1-motte R. a. M c Petrie, A Theoretical Investigation of the Phase Relations in Beam System, «Journ. of the Inst, of the Electr. Engin.», L., 1928, v. 66, p. 949—954; W i 1 m о 11 e R. M., General Consideration of the Directivity of Beam System, ibid., p. 955— 961; Chireix H., French System of Directional Aerials for Transmission on Short Waves, «Experim. Wireless a. Wireless Engin.»,London, 1929, p. 235—244; S t e n z e 1 H., Uber die Richtcharakteristik von in einer Ebene angeordneten Strahlen, «Elektr. Nach-richten-Technik», Berlin, 1929, p. 165 — 181; Pisto 1 k о rs A., The Radiation Resistance of Beam Antenna, «Proc. of the Inst, of Radio Engin.», N. Y.,
1927, v. 15, p. 562—579; G resky G., Die Wir-kungsweisev. Reflektoren bei kurzer elektrischen Wel-len, «Ztschr. f. Hochfrequenztechnik», B., 1928, B. 32, p. 149 — 162; Go the A., Uber Drahtreflektoren, «Elektr. Nachrichten-Technik», B., 1928, p. 427—430; В ohm O., Die Biindelung d. Energie kurzer Wellen, ibid., 1928, 413—421; Moser W., Versuche fiber Richtantennen bei kurzer Wellen, «Ztschr. f. Hochfrequenztechnik», 1929, B. 34, p. 19—26; Chireix H., System» franpais d’airiens-projecteurs pour emission sur ondes courtes, «Bull, de la Soci6t6 francaise des dlectriciens», 1929, Mai, p. 79—96; Mesny R., Les ondes dirigOes et leurs applications, «Revue scientifi-que», 1929, Oct.; Bechmann R., Berechnung d. Strahlungsdiagramme v. Antennenkombinat.ionen, «Te-lelunken-Ztg.», B., 1929, Dec., p. 54—60. С. Турлыгии.