Рис. 7.1.1
Чтобы определить, о чем речь в этой главе потребовался целый раздел. Но дело того стоит. Антенны продольного излучения при относительно небольших габаритах обладают высоким усилением и однонаправленной ДН. Поэтому они широко распространены. Более того, основная масса направленных КВ антенн – это именно антенны продольного излучения с пассивными элементами.
Честно предупреждаю, что раздел 7.1 сугубо теоретический. Из него вы узнаете, как и почему работают антенны продольного излучения, и чего от них ждать. Но практических антенн в этом разделе нет. Если вас интересует только готовые антенны, перейдите сразу к следующим разделам, в которых мы займемся практическими конструкциями. Правда понять их работу без раздела 7.1 не удастся.
На заре развития радиотехники синфазные антенны (гл. 6) считались оптимальными, а их большие размеры неизбежной платой за высокое усиление. Но в 30-е годы 20-го века сразу несколько групп экспериментаторов задались вопросом, а что будет, если запитать элементы несинфазно? Ответ, казалось, был теоретически очевиден: ДН повернется на некоторый угол (из простейших геометрических соображений, волны, излученные обоими элементами, будут складываться в фазе уже не перпендикулярно элементам, а под углом, зависящим от разности фаз и расстояния между элементами) и снизится усиление (за счет искажения формы основного лепестка и роста уровня боковых лепестков). Однако исследователи (а это вообще очень упрямый народ) не поверили теоретикам и после множества неудачных попыток обнаружили то, что не укладывалось в тогдашние взгляды: сильное излучение вдоль элементов в системе из двух противофазно запитанных диполей.
Давайте повторим эти исследования. Возьмём файл синфазной системы из двух l/2 диполей (материал без потерь, свободное пространство) и запустим оптимизацию по критерию максимального усиления. Позволим MMANA менять фазу и амплитуду второго источника, а также расстояние между диполями. Иными словами мы спросим у машины: "Как надо расположить и питать пару диполей, чтобы получим от этой системы максимально возможное усиление?".
Через несколько секунд программа выдаст ответ, на поиск которого ученым 30-х годов потребовались годы экспериментов. Оказывается, максимальное усиление достигается при почти противофазном питании диполей и очень малом (< 0,1l) расстоянии между ними. Усиление достигает при этом 7,49 dBi (файл …/2el_pop.gaa), против максимально возможных при синфазном питании 6,98 dBi (см. рис. 6.1.8), т.е. выигрыш составляет 0,5 дБ. Причем достигается это при небольшом (сотые доли l) расстоянии между элементами (а у синфазной системы - при 0,7l). При этом излучение направлено вдоль плоскости обоих диполей (отчего назвали такие системы антеннами продольного излучения) и имеет один главный лепесток (а не два, как в синфазных системах).
Теперь перед нами, как и перед теоретиками 30-х годов прошлого века, встала необходимость объяснить полученные результаты. Обратимся к рис. 7.1.1.
Разберемся для начала, куда эта антенна излучать не может.
Во-первых, в оба бока. Просто потому, что оба диполя туда не излучают, имея "восьмерочную" ДН.
Во-вторых, в направлении, указанном на рис 7.1.1 стрелкой "Назад". От правого (по рис. 7.1.1) диполя в этом направлении излучается волна с фазой 1840. От левого - с фазой 40 , т.к. сам диполь излучает с фазой 00, а еще 40 набирается "по дороге" - пока волна проходит 0,012l расстояния между элементами ее фаза поворачивается как раз на 40 (разность хода). Таким образом, в заднем направлении волны, излученными обоими элементами, оказываются точно противофазными (1840 – 40 = 1800) и взаимно компенсируют друг друга. Иными словами, антенна система не излучает в этом направлении.
А теперь прикинем, куда же излучению деваться? Назад нельзя, в оба бока тоже. Остаются направления вперед и вверх-вниз. Причем направление вперед предпочтительней, т.к. туда разность фаз волн от обоих диполей составляет 1880 (00 от левого, 1840 + 40 от правого, где 40 – всё та же разность хода) и отличается от точной противофазности на целых 80. Это уже далеко от компенсации, поэтому туда идет основное излучение. Вверх-вниз излучение тоже есть, но меньше, т.к. в этих направлениях разность фаз составляет 1840 (00 от левого, 1840 от правого, разности хода нет, лучи от обоих диполей проходят одинаковые расстояния) и отличается от точной противофазности на 40. Этого недостаточно для глубокой компенсации, но все же излучение предпочитает более легкий путь вперёд, где отличие от точной противофазности вдвое больше.
Происходит примерно то же самое, что и с водопроводным краном, выходное отверстие которого почти полностью заткнуто пальцем. Мы перекрываем воде (излучению) все пути (назад, вправо, влево), кроме одной оставленной свободной маленькой дырочки (вперед). Поэтому воде (излучению) не остается ничего другого как вырываться в эту дырочку (вперед) с большим напором (усилением). Поиграйте с краном, и вы хорошо поймете принцип работы рассматриваемых антенн.
Диаграммы направленности рис. 7.1.2 подтверждают наши рассуждения. Антенна действительно излучает в основном вперед и немного вверх-вниз. Излучение же в оба бока и назад очень мало.
Можно понять работу такой антенны и по-иному. Очевидно, что излучение в заданном направлении тем больше, чем сильнее отличается сдвиг фаз от обоих элементов от точной противофазности в этом направлении. В направлении вперед это отличие наибольшее, поэтому и излучение туда максимально. А чем больше мы от этого направления отклоняемся (в любую сторону), тем больше приближаемся к противофазности и, соответственно, теряем в уровне излучения.
Остается понять, почему при столь широкой ДН (рис. 7.1.2) Ga на 0,5 дБ больше, чем у лучшей из двухэлементных синфазных антенн (l/2 диполи на расстоянии 0,7l, рис. 6.1.7). Ведь в ДН последней лепестки намного более узкие.
Причина в том, что ДН синфазной антенны имеет два лепестка, а продольного излучения - один. Одна и та же энергия передатчика излучается не в две стороны, а в одну. При одинаковой ширине главного лепестка ДН это должно было бы давать прибавку усиления 3 дБ (удвоение плотности потока мощности). Но в данном случае ширина главных лепестков разная. В синфазной антенне излучения отдельных элементов аккуратно складываются в фазе, давая узкие лепестки (по уровню –3 дБ ширина составляет 450 в азимутальной плоскости и 800 в зенитной). А в антенне продольного излучения сложение в направлении главного лепестка происходит со значительным фазовым сдвигом (т.е. по сути как придется, лишь бы вырваться из цепей взаимной компенсации хотя бы в одном направлении). Из-за этого главный лепесток получается весьма широким (по уровню –3 дБ ширина 670 в азимутальной плоскости и 1200 в зенитной). Поэтому Ga возрастает не на 3, а лишь на 0,5 дБ.
Таким образом, антенны продольного излучения обеспечивают однонаправленное излучение и при равном числе элементов дают большее усиление при значительно меньшем расстоянии между элементами. Именно поэтому, антенны продольного излучения на практике применяются во много раз чаще, чем синфазные. И это, несмотря на изрядное количество недостатков, рассмотрением которых и способов борьбы с ними мы и займемся в следующем параграфе.