Директорные антенны

Директорная антенна представляет собой линейную антенную решетку вибраторов с осевым излучением (рис.1.11). Вибратор, к которому подводится питание, называется активным. Необходимый режим питания пассивных вибраторов, при котором обеспечивается коэффициент замедления близкий к оптимальной величине: (L – длина антенны), обеспечивается подбором их длин и расстояний и . Один из вибраторов настраивается в режим рефлектора, то есть он создает преимущественное излучение в направлении активного вибратора. При обычно выбираемом значении , его сопротивление должно быть индуктивным, что обеспечивается увеличением длины волны вибратора по сравнению с полуволновым.

Рефлектор, как правило, один, так как последующие будут находится в минимуме поля и не окажут заметного влияния на улучшение характеристик излучения антенны. Конструктивно он выполняется или в виде одиночного стержня или в виде Н-образного вибратора или сетчатой конструкции. Последние две разновидности используются для уменьшения заднего излучения.

Количество директоров может достигать десяти и более. Однако, при увеличении их числа, реактивное (емкостное) сопротивление настройки увеличивается, что требует укорочения директоров. Это приводит, в свою очередь, к уменьшению токов на них, особенно на далеко удаленных от активного вибратора. По этой причине сужение диаграммы направленности директорной антенны с увеличением её длины происходит значительно медленнее, чем у антенн с осевым излучением и элементами, возбуждаемыми с одинаковой интенсивностью, например антенн бегущей волны. Вторым препятствием использования директорных антенн с большим числом директоров является необходимость увеличения фазовой скорости, что приводит к возрастанию требований к точности изготовления антенны, так как оптимальное значение все меньше отличается от критического замедления , при котором излучение вдоль антенны вообще отсутствует.

Конструктивно наиболее удобным являются антенны с числом директоров не более 5-10. Директоры, как и рефлектор, крепятся обычно к металлической продольной штанге, которая не оказывает влияния на поле, так как перпендикулярна ему.

Обычно выбирают . В этом случае для обеспечения емкостного характера сопротивления директоры должны быть короче полуволновых вибраторов. Их длины уменьшаются по мере удаления от активного вибратора.

Из-за влияния пассивных вибраторов входное сопротивление активного полуволнового вибратора падает до 20-30 Ом, что затрудняет его согласование с питающей линией. По этой причине активный вибратор обычно выполняют петлевым, у которого входное сопротивление примерно в четыре раза выше, чем у обычного. Петлевой вибратор, кроме этого, обладает лучшими частотными свойствами и может крепиться к металлическому стержню в точке нулевого потенциала без изолятора.

В качестве простых излучателей в составе антенных решеток используются директорные антенны с числом элементов (активный вибратор плюс директоры и рефлекторы) от 3 до 7.

При заданной геометрии антенны амплитуды и фазы токов во всех вибраторах, необходимые для расчета ДН, можно рассчитать на основании теории связанных вибраторов, решая систему уравнений Кирхгофа. Задача синтеза директорной антенны является достаточно сложной и обычно решается численными оптимизационными методами.

В настоящее время разработано большое число различных конструкций директорных антенн метрового и дециметрового диапазонов [5]. На рис.1.12 приведена ДН трехэлементной антенны (один активный петлевой вибратор, один рефлектор, один директор) в двух плоскостях. Видно, что диаграмма не имеет боковых лепестков, но имеет значительный задний лепесток. Уровень заднего лепестка (УЗЛ) составляет несколько больше 0, 2 (-14дБ). В плоскости вектора Е диаграмма имеет четко выраженные нули, так как вибратор вдоль своей оси не излучает, а в плоскости вектора Н нулей нет. Аналогичный вид имеют и ДН директорных антенн с большим числом элементов.

В таб.1.3 приведены нормированные к длине волны геометрические размеры и основные параметры ДН директорных антенн с одиночным рефлектором, используемых в телевизионном вещании в МВ и ДМВ диапазонах [5]. Длину активного вибратора l _a во всех случаях можно брать равной λ /2.

Таблица 1.3

Число элементов									УЗЛ, дБ	Коэффициент усиления по сравнению с λ /2 вибратором, дБ
	0, 55/0, 15	0, 41/0, 1	-	-	-	-	68º	110º	-14
	0, 62/0, 27	0, 43/0, 075	0, 42/0, 23	-	-	-	63º	95º	-14
	0, 62/0, 27	0, 43/0, 075	0, 43/0, 2	0, 42/0, 17	-	-	58º	80º	-14
	0, 59/0, 27	0, 43/0, 027	0, 43/0, 2	0, 42/0, 19	0, 4/0, 2	-	53º	70º	-16
	0, 58/0, 27	0, 43/0, 06	0, 43/0, 2	0, 42/0, 2	0, 42/0, 2	0, 42/0, 2	51º	65º	-16	8, 5
	0, 58/0, 27	0, 43/0, 12	0, 43/0, 22	0, 43/0, 2	0, 43/0, 2	0, 43/0, 2	46º	55º	-15	9, 7