Антенны с уголковым рефлектором

Антенны с уголковым рефлектором достаточно просты в изготовлении и по этой причине раньше пользовались у радиолюбителей большой популярностью. Эти антенны имеют усиление, сравнимое с усилением, которое обеспечивает антенна Уда—Яги, но по сравнению с последними требуют применения большего количества материалов.

Схема уголковой антенны (так иногда называют рассматриваемые антенны) приведена на рис. 6.53. Излучающим элементом обычно служит полуволновый диполь. Обычно этот элемент выполняют с малым отношением l/d, что способствует расширению диапазона рабочих частот. Уголковый рефлектор выполняется из набора диполей длиной H ≥ 0,6λ, размешенных на расстоянии G = 0,1λ друг от друга. Длина стороны рефлектора L зависит от расстояния S между вибратором и вершиной отражателя, а также от угла раскрыва уголкового рефлектора.

Рис. 6.53. Схема антенны с уголковым рефлектором

Рассмотрим процесс отражения волны от уголкового рефлектора. Волна, падающая в точку A рефлектора, после отражения распространяется параллельно оси рефлектора. Волна, падающая на рефлектор выше или ниже точки A, после отражения распространяется под некоторым углом к оси рефлектора (см. рис. 6.53б).

Для рефлектора с углом раскрыва α = 90° длина стороны рефлектора достигает значения 2S. В этом случае точка A находится на расстоянии 1,41S от вершины рефлектора. Если уменьшить угол раскрыва рефлектора с 90° до 60°, то точка A будет отстоять от вершины рефлектора уже на расстояние 1,73S. Поэтому в этом варианте, при котором не меняется длина стороны рефлектора, а только уменьшается угол раскрыва, усиление антенны не изменится. Усиление увеличится, если одновременно уменьшить угол раскрыва и удлинить до значения 3S длину стороны рефлектора.

Уменьшение высоты рефлектора H от 0,6λ до 0,3λ приводит вначале к уменьшению усиления, а потом и к изменению направления излучения главного лепестка диаграммы направленности.

Для того чтобы расширить полосу рабочих частот уголковой антенны, следует использовать широкополосный вибратор и выбирать антенну со следующими размерами S = 0,5 и L = 1,0λ. Обычно эффективная площадь поверхности раскрыва уголковых антенн Aэфф = (1...2)λ2 зависит от угла раскрыва антенны и длины сторон рефлектора.

Анализ уголковой антенны можно провести, пользуясь методом зеркальных изображений, согласно которому стороны рефлектора исключаются из рассмотрения, а их взаимодействие с реальным источником излучения заменяется рядом мнимых источников. На рис. 6.54а, б приведены эквивалентные схемы антенн, имеющих угол раскрыва соответственно 90° и 60° Схема, эквивалентная уголковой антенне с углом раскрыва 90°, имеет один реальный излучатель и три мнимых, причем фаза возбуждения мнимых диполей 2 и 4 отличается на 180° от фазы возбуждения реального диполя, а фаза возбуждения третьего мнимого диполя совпадает с фазой реального диполя. Диполи 2 и 4 отстоят от диполя 1 на расстояние 1,41S, а расстояние между этими диполями вдоль оси антенны составляет S. Результирующая диаграмма направленности четырехэлементной системы, у которой амплитуды токов в элементах одинаковы, а фазы возбуждения определены выше, является диаграммой излучения уголковой антенны.

Рис. 6.54. Эквивалентные схемы антенн с уголковым рефлектором

Результирующая диаграмма направленности шести излучателей, один из которых является реальным излучателем, а пять — мнимыми, определяет диаграмму направленности уголковой антенны, имеющий угол раскрыва 60°.

Из графиков, приведенных на рис. 6.55, следует, что изменение расстояния S приводит к изменению формы диаграммы направленности. Диаграмма направленности в плоскости E уголковой антенны значительно шире, чем в плоскости H, для которой рефлектор играет основную роль.

Рис. 6.55. Влияние расстояния S на направленные свойства уголковой антенны

О влиянии расстояния S на форму диаграммы направленности можно судить по рис. 6.55б, на котором представлены диаграммы в плоскостях E и H для уголковой антенны с углом раскрыва 90°. Изменяя угол раскрыва и расстояние S, можно регулировать усиление антенны. При малых расстояниях S усиление антенны изменяется так, как показано на рис. 6.56а, а при больших — как на рис. 6.56б, в. Значение усиления нормировано относительно усиления полуволнового диполя, размещенного в свободном пространстве. Угол 180° означает, что рефлектор выполнен плоским. Пунктирной линией показаны реальные значения усиления, отличающиеся от теоретических из-за наличия сопротивления потерь Rпот = 1 Ом. Из графиков, приведенных на рис. 6.56б, в, следует, что изменение усиления антенны в зависимости от отношения S/λ носит осциллирующий характер: усиление сначала растет с увеличением S/λ, а затем уменьшается, далее вновь растет и т. д.

Рис. 6.56. Усиление уголковых антенн

Входное сопротивление RA зависит от расстояния S и угла раскрыва антенны. Для анализа влияния этих параметров на RA можно воспользоваться графиками, приведенными на рис. 6.57а для малых значений S/λ и рис. 6.57б, в для больших значений S/λ. Анализ графиков показывает, что при больших значениях отношения S/λ входное сопротивление уголковой антенны, излучателем которой является полуволновый диполь, приближается к входному сопротивлению полуволнового диполя, размещенного в свободном пространстве.

Рис. 6.57. Зависимость вхдного сопротивления уголковой антенны от отношения S/λ

В табл. 6.8 сведены основные параметры уголковой антенны, предназначенной для работы в диапазонах 145 и 432 МГц.

ТАБЛИЦА 6.8. Размеры и параметры уголковой антенны УКВ диапазона
Частота, МГц 145 145 432 432 432
Угол раскрыва 90 60 90 60 45
Длина плеча L, мм 1370 2060 460 700 830
Расстояние S, мм 683 1035 228 345 414
Ширина плеча, мм 1250 1250 420 420 420
Длина вибратора, мм 970 970 320 320 320
Расстояние G, мм 125 125 40 40 40
Усиление, дБ 10 12,5 10 12,5 14,5
Входное сопротивление, Ом 60 75 60 75 50