Антенные системы

Известно, что удвоение усиления антенны требует удвоения ее размеров. Применительно к дипольным антеннам высказанное суждение означает увеличение примерно вдвое длины антенны. Дальнейший рост усиления можно также осуществить путем увеличения длины антенны. Ясно, что предельное усиление в этом случае определяется только конструктивными соображениями.

Тот же самый эффект (эффект удвоения усиления) можно получить и другим способом, а именно устанавливая рядом с первой вторую такую же антенну. В этом случае необходимо решать такие проблемы, как осуществление фазированного питания антенны, трансформация сопротивлений, подбор расстояния между отдельными антеннами. Ясно, что данный принцип может быть использован и при дальнейшем увеличении усиления антенной системы.

Несколько слов об обозначениях, принятых для многоэлементных антенных систем. Система двух пятиэлементных антенн, расположенных одна над другой, обозначается «5 на 5». Если те же антенны расположены рядом в одной плоскости, то система имеет обозначение «5+5». Четыре пятиэлементные антенны: две из которых расположенные сверху, а две под ними, получили обозначение «4×5». Если встретилось обозначение «32×12», то речь идет о решетке, содержащей 32 антенны, каждая из которых имеет 12 элементов.

Расположение антенн друг над другом приводит к сужению диаграммы направленности антенной системы в вертикальной плоскости. Если же антенны расположены в горизонтальной плоскости, то уменьшается ширина диаграммы направленности антенной системы в горизонтальной плоскости. И, наконец, если антенная решетка содержит антенны, расположенные и по вертикали и по горизонтали, то результирующая диаграмма направленности антенной системы является более узкой в обеих плоскостях по сравнению с диаграммой одиночной антенны.

Важно знать, что дополнительное усиление антенной системы зависит от расстояния между отдельными антеннами. Эта зависимость показана на рис. 6.9. Наибольшее усиление получаем тогда, когда сечения апертур одиночных антенн A_h1 и A_h2 касаются друг друга, т. е. при S_h = 0,5(A_h1 + A_h2), если антенны расположены одна под другой, и при S_e = 0,5(A_e1 + A_e2), если антенны расположены в одной горизонтальной плоскости. Значения A_h, и A_e для некоторых типов антенн приведены в § 2.3. Можно воспользоваться данными табл. 6.4, в которой приведены сведения о минимальном расстоянии по вертикали между двумя антеннами S_h. Расстояние по горизонтали следует выбирать примерно вдвое большим, т. е. S_e ≈ 2S_h.

ТАБЛИЦА 6.4. Приближенные значения минимальных расстояний между антеннами, расположенными по вертикали

Число элементов в антенне	3	4	5	6	7	8	9	10
Расстояние по вертикали λ	0,70	0,77	0,86	0,95	1,05	1,13	1,2	1,3

При изменении расстояния между антеннами изменяется большинство параметров антенной системы (усиление, уровни бокового и заднего излучения, ширина диаграммы направленности).

Целенаправленным изменением этого параметра можно изменять в нужную (желаемую) сторону характеристики антенны. Например, для четырехэлементной антенны наиболее низкий уровень бокового излучения будет при S_h = 0,5λ, а для десятиэлементной антенны — при S_h = 0,65λ.

Можно несколько сдвигать отдельные антенны вдоль направления их осей. Используя этот прием и выдвигая половину антенн вдоль оси на расстояние λ/4, подбирая соответствующую систему фазирования, мы практически не уменьшим усиление антенной системы, зато значительно уменьшим уровень излучения в заднем направлении, т. е. значительно увеличим отношение F/B.

Теоретически каждое удвоение числа элементов должно приводить к увеличению на 3 дБ усиления системы. Практически из-за потерь в линиях фазирования, а также из-за ошибок в реализации требуемого фазового соотношения между элементами системы реальная прибавка в усилении составляет 2,0...2,5 дБ. Если все антенны, входящие в антенную систему, одинаковы, то результирующее усиление системы можно определить, пользуясь графиками на рис. 6.10а.

При объединении в антенную систему двух различных антенн, имеющих различные усиления G₁ и G₂, условиями получения максимального усиления от антенной системы являются точное фазирование и равенство сопротивлений в общей точке питания. Дополнительный прирост усиления ΔG зависит от разности G₁ — G₂ и может быть определен с помощью номограмм на рис. 6.10б. Результирующее усиление антенной системы определяется в данном случае по формуле G = G1 + ΔG.

В радиолюбительских антенных системах очень часто встречаются досадные ошибки, связанные с неправильным проектированием системы фазирования отдельных антенн, а также с неправильным решением вопроса согласования. Это одна из характерных групп ошибок, приводящая к тому, что антенная система дает не те результаты, на которые надеялся радиолюбитель, приступая к конструированию и изготовлению такой сложной системы. Надо сказать, что эти ошибки поправимы и всегда достаточно быстро отыскиваются при внимательном рассмотрении. Но иногда трудности, связанные с реализацией проектных характеристик антенной системы, имеют совсем другую природу. Объясняется это тем, что при проектировании антенны, состоящей из одинаковых антенн, невольно подразумевается, что все элементы антенной системы находятся в равных условиях. Однако дело обстоит несколько другим образом. Например, антенны, расположенные в нижних рядах антенной системы, в большей степени подвержены влиянию земли, нежели антенны, расположенные на большем расстоянии от поверхности земли. Другой пример — антенны, расположенные в центре антенной решетки и на ее периферии, также находятся в различных условиях (степень взаимного влияния всех соседних элементов антенны на рассматриваемые элементы оказывается различной).

Даже эти два примера должны нас убедить в том, что не все элементы антенной системы работают в равных условиях. Поэтому в системе возникают не предусмотренные при проектировании ошибки в фазировании, изменение токов в отдельных антеннах и т. п., что и приводит к отклонению выходных характеристик антенной системы от ожидаемых.

В профессиональных антенных системах, которые могут содержать очень большое число элементов, встречаются те же трудности. Поэтому при разработке сложных (и дорогих) антенных систем проводятся очень сложные расчеты, в которых учитывается эффект взаимного влияния элементов, земли и т. п. После изготовления антенной системы она подвергается достаточно сложной и весьма трудоемкой настройке при помощи регулировки амплитуды и фазы каждого элемента, входящего в состав антенны.

В радиолюбительских антенных системах дело обстоит несколько проще, так как число элементов в антенне значительно меньше, а регулированию подлежит только фаза возбуждения каждого элемента (амплитуда возбуждения каждого элемента считается постоянной величиной, причем все элементы антенны имеют, как правило, равные амплитуды). Регулировка фазы возбуждения осуществляется изменением длины линии фазирования.

Как правило, в основе фазирования, осуществляемого в радиолюбительских антенных системах, лежит принцип равенства длин линий разветвления, а также равенство сопротивлений в месте ветвления линии.

Длины l_g и сопротивления Z_g ветвей должны трансформировать входное сопротивление антенны Z_A в точку В таким образом, чтобы можно было получить полное согласование с линией питания, имеющей волновое сопротивление Z₀. Чаще всего используется разветвление на две ветви. В этом случае должно выполняться соотношение Z_B/2 = Z₀. Такое решение соответствует параллельному соединению ветвей, при котором выбор длин l_g не влияет на условия фазирования. Другое техническое решение, т. е. последовательное соединение, при котором Z₀ = 2Z_B, используется гораздо реже, так как в этом случае необходимо выполнить условие l_g = nλ/2.

Схемы и расчет трансформаторов сопротивлений приведены в § 3.2. Так как в антенных системах обычно выполняется условие S ≥ λ/2, то в качестве трансформаторов используются линии длиной l_g = 3Kλ/4.

На рис. 6.11 приведены две схемы антенной системы, в которых расстояние между антеннами по вертикали составляет 0,7λ. Питание антенн осуществляется с помощью Т-образного шлейфа, подобранного таким образом, чтобы входное сопротивление антенны было равно R_A = 240 Ом. Линия фазирования длиной 1_в= 3Kλ/4 с волновым сопротивлением Z_g = 380 Ом осуществляет трансформацию сопротивления R_A в сопротивление R_B = 600 Ом в точке В.

Параллельное соединение двух ветвей (двух антенн) (рис. 6.11а) понижает сопротивление R_B до величины 300 Ом, что позволяет использовать в качестве линии питания двухпроводную линию в ленточном диэлектрике с волновым сопротивлением Z₀ = 300 Ом.

Другое решение использовано в схеме антенной системы, показанной на рис. 6.11б. Здесь каждая из антенн возбуждается с помощью гамма-трансформатора, вследствие чего в точках А сопротивление R_A = 70 Ом. Длины фазирующих линий могут быть произвольными, но должны подчиняться требованию l_g1 = l_g2, т. е. должны быть идентичными. Сопротивление фазирующих линий равно 70 Ом. Параллельное соединение двух фазирующих линий, каждая из которых согласована со своей антенной, вдвое снижает сопротивление схемы: R_B = 35 Ом. Поэтому для согласованного питания системы с коаксиальным кабелем, имеющим волновое сопротивление 70 Ом, применяют четвертьволновый трансформатор, имеющий Z_T = 50 Ом.

И в более сложных антенных системах можно использовать описанные способы соединения линий фазирования. Здесь элементы системы сначала фазируются попарно, затем пары фазируются между собой, потом фазируются четверки элементов и т. д. Очевидно, что такой способ соединения имеет наибольшее преимущество для антенн, у которых число элементов равно 2ⁿ (n — число натурального ряда).