3.1. Полуволновый вибратор с контррефлектором

В качестве облучателей в зеркальных антеннах применяют простейшие излучатели электромагнитной энергии в виде вибраторов, рупоров, щелевых антенн, открытого волновода. Чтобы облучатель не искажал характеристику направленности антенны, он должен обладать односторонней направленностью и всё его излучение должно попадать на поверхность рефлектора. Другими словами, ширина главного лепестка диаграммы направленности облучателя должна быть согласована с углом раскрыва параболического рефлектора и, в идеальном случае, они должны быть равны. [3].

В десятисантиметровом диапазоне волн этот облучатель является наиболее удобным в конструктивном отношении. Он легко согласуется с коаксиальным фидером, так как имеет входное сопротивление, близкое к волновому сопротивлению фидера. К недостаткам такого облучателя следует отнести то обстоятельство, что фактически, ввиду конечных размеров, такой облучатель имеет сферический фронт волны только в дальней зоне. Однако при больших фокусных расстояниях в пределах небольшого телесного угла фронт волны облучателя можно считать близким к сферическому.[2].

Кроме того, полуволновый симметричный вибратор имеет излучение, направленное вперед и назад, что ухудшает форму диаграммы направленности зеркала. Для "гашения" излучения вперед применяется контррефлектор в виде пассивного вибратора, диска или части сферы. В технике сантиметровых волн чаще используется рефлектор в виде диска, так как он лучше уничтожает излучение вперед. Для облучателя рассматриваемого типа характерно, что ось его диаграммы направленности из-за несимметричности питания вибратора при применении коаксиального фидера без симметрирующего устройства не совпадает с осью зеркала. Это явление перекоса успешно используется для целей пеленгации. При вращении облучателя вокруг своей оси лепесток диаграммы описывает конус, создавая эффективную равносигнальную зону вдоль оси параболоида. Рассмотрим расчет облучателя с контррефлектором в виде диска.[2].

а) Выбор размеров облучателя.

Диаметр вибратора выбирают из условий получения нужного диапазона частот и достаточной механической прочности. Практически диаметр вибратора часто полагают равным диаметру внутреннего провода питающей коаксиальной линии, чтобы уменьшить неоднородность в точке подключения вибратора, а также для удобства сборки. Диаметр контррефлектора рекомендуется брать . Такой контррефлектор дает достаточно хорошую экранировку переднего лепестка диаграммы вибратора и в то же время не слишком "затемняет" параболическое зеркало. Располагают рефлектор от вибратора на расстоянии , что создает оптимальные условия для сложения поля активного вибратора и поля, отраженного от контррефлектора. Изображение контррефлектора и облучателя представлено на рисунке 3.1.[2].

Рисунок 3.1 Выбор размеров контррефлектора и облучателя.

В результате при заданной частоте рассчитаем значение диаметра:

б) Расчет диаграммы направленности облучателя.

Воспользуемся принципом зеркального изображения и заменим действие металлической поверхности контррефлектора пассивным вибратором, расположенным на расстоянии от активного и несущим ток, сдвинутый по фазе на 180° относительно тока в активном вибраторе. Тогда в любой точке пространства поле будет определяться, как сумма полей обоих вибраторов и может быть рассчитано умножением диаграммы одиночного полуволнового симметричного вибратора на множитель решетки .[3].

Где – количество вибраторов (в рассматриваемом случае их 2);

– расстояние между вибраторами выраженное в длинах волнах ( );

– сдвиг фаз между точками в вибраторах (в периодах);

– угол между линией расположения вибраторов и рассматриваемым направлением.

После преобразования множитель решетки имеет вид:

Для одиночного, горизонтально расположенного вибратора диаграмма направленности горизонтальной плоскости определяется выражением:

– поле в рассматриваемом направлении;

– поле в направлении максимального излучения;

– угол отсчитываемый от нормали к вибратору.

Рисунок 3.2 Зеркальное изображение вибратора с контррефлектором в виде диска.

Окончательно диаграмму направленности в горизонтальной плоскости вибратора с контррефлектором можно записать в виде:

Диаграмма направленности вибратора с контррефлектором в горизонтальной плоскости представлена на рисунке 3.3.

.

Рисунок 3.3 Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости контррефлектора.

Диаграмма направленности системы в вертикальной плоскости определяется одним только множителем , так как излучение одиночного горизонтального вибратора в этой плоскости ненаправленное, представлена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 Диаграмма направленности в вертикальной плоскости контррефлектора.

Учитывая, что форма диаграммы направленности как в горизонтальной, так и вертикальной плоскостях для большинства применяющихся облучателей мало отличается друг от друга в пределах угла раскрыва зеркала, для упрощения в дальнейших расчетах используется в обоих плоскостях более широкая из диаграмм направленности.

в) Расчет входного сопротивления.

Входное сопротивление полуволнового вибратора с контррефлектором в виде диска, расположенного на расстоянии , рассчитывается как сумма:

– собственное сопротивление вибратора Ом;

– наведенное сопротивление, вносимое пассивным вибратором в сопротивление активного вибратора.

Так как в рассматриваемом случае в пассивном вибраторе ток противоположен по фазе току в активном , то величина наведенного сопротивления связывается с величиной взаимного сопротивления следующим образом:

Величину взаимного сопротивления можно определить по графикам, приведенным в книге Г.З. Айзенберга:

Таким образом, наведенное сопротивление можно записать так:

Величина входного сопротивления вибратора с контррефлектором в виде диска определится из выражения:

Для согласования вибратора с питающим фидером желательно, чтобы входное сопротивление вибратора было чисто активным. Для получения чисто активного входного сопротивления вибратор укорачивают; подбор величины укорочения вибратора рекомендуется производить экспериментальным путем.

г) Расчет коэффициента направленного действия.

Коэффициент направленного действия облучателя в виде вибратора с диском по сравнению с ненаправленным излучением можно рассчитывать по формуле:

Где – сопротивление излучения облучателя;

– функция, характеризующая диаграмму направленности облучателя;

– значение функции в направлении максимального излучения.

Для полуволного вибратора с диском величина:

.

Поэтому числовое значение коэффициента направленного действия равно: