9 Антенны кв диапазона

• Название: 9 Антенны кв диапазона
• Дата: 19.12.2021
• Размер: 0.79 Mb.
• Имя файла: 11.docx
• Тип: Документы; #309506
• страница: 2 из 6

Горизонтальная ромбическая антенна (рисунок 9.23) пред- ставляет собой длинную (по сравнению с длиной волны) двухпровод- ную линию, выполненную в форме ромба подвешенного параллельно поверхности Земли на четырёх опорах и нагруженную на активное сопротивление R_А, равное волновому сопротивлению _А. В техниче-

ской литературе антенну принято обозначать

РГ ^Фo  ^h, где  –

l_o _o ^o

длина волны на средней частоте рабочего диапазона; ^o – половина

тупого угла ромба; l– длина стороны ромба; h– высота подвеса ром- ба над поверхностью земли.
280

h









Рис. 9.23. Ромбическая антенна Брюса

По конструктивным и эксплуатационным соображениям длина стороны ромба выбирается в пределах 50–150 м, а высота подвеса в пределах 15–30 м. При этом к одному из острых углов ромба под- ключается симметричный фидер, а к другому – нагрузочное сопро- тивление, равное волновому сопротивлению ромба. Вследствие этого в проводах антенны устанавливается режим бегущей волны тока и, как следствие, формируется узкая однонаправленная ДН.

Входное сопротивление антенны РГ является активным и слабо зависит от частоты. Поэтому антенна имеет хорошее согласование с ^{фидером (КБВ} ^{0,5) в диапазоне частот с коэффициентом перекрытия} 2,5–3.

Принцип формирования диаграммы направленности антенны РГ легко понять, опираясь на теорию одиночного длинного провода с бе- гущей волной тока, показанного на рисунке 9.24.

I_x

𝑙

Рис. 9.24 ДН одиночного провода

Если одиночный провод представить в виде решетки из Nучаст-

ков длиной

d_x, расположенных на одной линии, то при наличии в

281

проводе бегущей волны тока питание соседних элементов будет осу-

ществляться со сдвигом фазы

  kd_x.

Ранее было показано, что ДН такой системы может быть опре- делена по правилу перемножения как для отрезока проводника с бе- гущей волной тока.

 
_{F } sin _kl_cos 1__{ sin .} klcos 1

(9.21)

Диаграмма направленности такого провода имеет вид воронки с нулем вдоль оси провода (рис. 9.24). При этом направление макси- мального излучения провода можно определить из выражения (9.22):

cos  _m

 1  ^

2l

. (9.22)

Чем больше длина провода по сравнению с , тем меньше угол

 _m, тем ближе максимум излучения к оси провода и тем меньше из-

меняется угол максимального излучения при изменении l .

Если четыре провода, работающих в режиме бегущей волны то- ка, соединить между собой в форме ромба так, чтобы каждая его сто-

рона образовала с большой диагональю угол _o  _m, то излучаемые

каждым проводом поля вдоль диагонали будут складываться синфаз-

но, формируя в этом направлении главный лепесток диаграммы на- правленности (рис. 9.25).

В остальных направлениях поля проводов ромба частично или полностью компенсируются, в результате чего образуется ряд боко- вых лепестков диаграммы направленности. Так как вторые лепестки излучения сторон ромба не компенсируются, то в антенне РГ имеет место относительно высокий уровень боковых лепестков, величина которых может составлять 40  50 % от главного.

282

Рис. 9.25. Формирование диаграммы направленности антенны РГ
В вертикальной плоскости максимум диаграммы направленно- сти РГ будет формироваться под определенным относительно по- верхности земли углом θ (рис. 9.26), величина которого зависит от высоты подвеса, относительной длины плеча ромба и параметров почвы.






Рис. 9.26. Диаграмма направленности антенны РГ в вертикальной плоскости

Для длинного провода с бегущей волной тока направление мак- симума относительно оси провода мало изменяется при изменении длины волны. Поэтому диаграмма направленности ромбической ан- тенны мало изменяется в широком диапазоне частот. Входное сопро-

283

тивление антенны остается при этом неизменным и равным волново- му, поэтому РГ можно отнести к классу диапазонных. Ромбическая антенна излучает и принимает горизонтальную (поперечную) состав- ляющую электрического поля.

Оптимальные значения электрических параметров можно полу- чить путем выбора размеров антенны, определяемых соотношения- ми:

^hopt

 ^o ,

4sin _o

^opt

^{ }_o,

^lopt

_ _o

2sin² _o

. (9.23)

_o  ^{2min max }, (9.24)

^min

 _max 

где

^min

^{и }max

– минимальная и максимальная длины волны рабо-

чего диапазона радиолинии.

Антенна РГ работает в 2  2,5-кратном диапазоне частот при уменьшении усиления на крайних частотах диапазона в два раза. Ос- новные параметры некоторых стандартных антенн РГ приведены в таблице 9.2.

Таблица9.2

Параметры антенн РГ

Дальность радиолинии, км	Тип антенны	Gm	Dm	0
600 – 1 000	РГ 57/1,7·0,5	28	75	15
2 000 – 3 000	РГ 65/4 · 1	52	115	10
3 000 и более	РГ 70/6 · 1,25	75	160	8
	РГ 75/6 · 1,25	150	280	5

Волновое сопротивление антенны у входных зажимов имеет ве- личину порядка 600_–700 Ом.

По сравнению с другими типами антенн ромбическая антенна обладает важными достоинствами, к которым относятся:

– сохранение параметров антенны в широком диапазоне частот;

284

• 
  легкость согласования с двухпроводным фидером и, как след- ствие, легкость настройки выходного каскада передатчика;
  
• 
  простота конструкции и эксплуатации.
  

Главный недостаток антенны РГ является значительный уровень боковых лепестков. Для устранения этого недостатка Г. З. Айзенбер- гом было предложено применить систему из двух горизонтальных

ромбических антенн с поперечным сдвигом фазно.

Д  _o, питаемых син-

Двойная ромбическая антенна (РГД) (рис. 9.27) является в на-

стоящее время распространенным типом передающих антенн стацио- нарных радиоцентров для магистральных КВ радиолиний средней и, особенно, большой протяженности. Благодаря увеличению попереч- ных размеров антенна РГД имеет в горизонтальной плоскости более узкий, по сравнению с антенной РГ, главный лепесток. Кроме того, поскольку оба ромба включаются параллельно, волновое сопротивле- ние РГД оказывается вдвое меньшим, что приводит к увеличению ее КПД примерно на 10 %. В результате снижения уровня боковых ле- пестков и повышения КПД коэффициент усиления РГД увеличивает- ся по сравнению с КУ антенны РГ примерно в 1,5–2 раза.




Рис. 9.27. Двойная ромбическая антенна (РГД)

В подвижных КВ радиостанциях с целью повышения их мо- бильности применяются антенны облегченных конструкций. Наклон-

ная V-образная антенна (VН lh) состоит из двух проводов, расходя-

щихся от вершины мачты к поверхности земли (рис. 9.32).

Возможен вариант выполнения наклонной V-образной антенны без нагрузочного сопротивления. В этом случае лучи антенны выпол-

285

няют в виде проволочных полотен с волновым сопротивлением, из- меняющимся вдоль полотна по экспоненциальному закону. Такие ан- тенны (рис. 9.29) условно обозначают VHЭ.

l

2φ₀

R_H=ρ/2

R_H= ρ/2

Рис. 9.28. Наклонная V-образная антенна (VН)



Рис. 9.29. Наклонная V-образная экспоненциальная антенна VHЭ lh

По принципу работы V-образная антенна аналогична ромбиче- ской антенне, однако имеет более высокий уровень боковых лепест- ков и по КУ примерно в 5 раз уступает антенне РГ такой же длины. Максимум излучения у таких антенн формируется под некоторым

углом

_o к горизонту в плоскости, проходящей через биссектрису уг-

ла, образованного лучами антенны. В этом направлении антенны VН принимают и излучают горизонтальную составляющую поля. Харак- теристика направленности антенн VН описывается громоздкими вы- ражениями, поэтому необходимые размеры выбираются по результа- там серии расчетов на ЭВМ.

286

В качестве приемной антенны подвижных КВ-радиостанций при обеспечении связи пространственными волнами с дальними коррес- пондентами широкое применение также находит однопроводная ан- тенна бегущей волны.

1. 
   Вибраторные антенны УКВ диапазона
   

1. 
   Антенна волновой канал (АВК)
   

Одиночный вибратор обладает слабой степенью направленности излучения (приема). С целью повышения направленности применяют системы одинаково ориентированных вибраторов – решетки вибрато- ров.

В вибраторы в решетках располагаются на сравнительно не- больших расстояниях друг от друга, и между ними имеет место суще- ственная электромагнитная связь. В результате происходит не только повышение (по сравнению с одиночным вибратором) степени на- правленности, но и изменение входного сопротивления вибраторов. Рассмотрим систему из двух вибраторов (рис. 9.30).

Комплексные амплитуды напряжений и токов на входах вибра-

торов обозначим

U^&₁ ,U^& ₂ ,I^&₁ ,I^&₂ соответственно.

По аналогии со связанными колебательными

контурами для системы из двух вибраторов можно записать систему из двух уравнений

U^&₁  I^&₁Z^&₁₁  I^&₂Z^&₁₂ ;

U^&₂  I^&₁Z^&₂₁  I^&₂Z^&₂₂ ,

(9.25)

где

^Z& 11^{, Z&} 22

– собственные входные сопротив-

Рис 9.30

ления вибраторов;

^Z& 12^{, Z&} 21

– взаимные сопро-

тивления, обусловленные электромагнитной связью между вибрато-

рами.

Разделив левую и правую части первого уравнения (9.25) на ток I^&₁, найдем входное сопротивление первого вибратора

287

^Z&вх1 ^{ Z&}11 ^{ I}&^{2 Z&}12 ^{ Z&}11 ^{ Z&}внос^,

_I&₁

(9.26)

где

^Z&внос ^

_I&<sub>2

I</sub>&₁

^Z&12

– вносимое сопротивление.

При равенстве токов в вибраторах _I^&₁  I^&_{2 } вносимое сопротив- ление равно взаимному.

Если вибраторная решетка содержит nвибраторов, то по аналогии

с (2) входное сопротивление одного из вибраторов решетки

Z^&_вх1  Z^&₁₁  ^I&2 Z^&₁₂  ^I&2 Z^&₁₃  ... ^I&nZ^&_1n.



(9.27)

_I&<sub>1

I</sub>&<sub>1

I</sub>&₁

На основе использования метода наводимых ЭДС, предложен- ного в 1922 году одновременно Д.А. Рожанским и Л. Бриллуэном, В.В.Татаринов в 1936 году рассчитал таблицы и построил графики для активной и реактивной составляющих взаимного сопротивления полуволновых параллельно расположенных вибраторов при различ- ных значениях d(рис. 9.31)


Рис.9.31

Из графиков видно, что зависимость взаимного сопротивления

от величин ^d



носит осциллирующий затухающий характер. Активная

и реактивная составляющие взаимного сопротивления могут быть как

положительными, так и отрицательными. Следовательно, под влия-

288

нием соседнего вибратора мощность излучения данного вибратора может как уменьшаться, так и увеличиваться.

Система из активного и пассивного настроенного вибраторов была предложена В.В. Татариновым. Она нашла применение в каче- стве облучателя зеркальных антенн и составной части директорных антенн. К активному вибратору подключается питающий фидер. Ток

в пассивном вибраторе

_I&_п

наводится под воздействием электромаг-

нитного поля активного вибратора. В зависимости от расстояния ме- жду вибраторами d и длины (настройки) пассивного вибратора 2l_П диаграмма направленности системы может быть различной.

Для получения необходимой ДН величина 2l_П может изменяться в некоторых пределах, но она мало отличается от длины активного вибратора и половины длины волны. Поэтому, используя для расчета множитель системы из активного и пассивного вибраторов получим

где

^fсист ^{ }

1  A²  2 Acos__П  kdcos_,

(9.28)

A  ;

    arctg<sup>

x</sup>12

^  arctg<sup>

x</sup>22 ^ _.

п ^ _R ^{ } _R ^

 12   22 

Величины

^R12 <sup>и

X</sup>12

берутся из таблиц взаимных сопротивле-

ний полуволновых вибраторов, а величина

^Z&22

 R₂₂ 

jX₂₂

вычис-

ляется по формуле (1). Графики множителя системы для различных

значений ^d



и 2l_П приведены в таблице 9.3.

289

Таблица9.3.

Графики множителя системы

	arctg x22 R22	-45˚	-22,5˚	-0˚	22,5˚	45˚
	d 0.1 
	d 0.25 

Из анализа графиков следует, что при фиксированной величине

^dв зависимости от величины ^2l_П и ^arctg ^{x22 } пассивный вибратор




_  _R 

 22 

действует либо как директор (максимум множителя системы направ- лен в сторону пассивного вибратора), либо как рефлектор (максимум множителя системы направлен в сторону активного вибратора). При

фиксированной величине

2l_П

путем изменения dможно также полу-

чить как директорное, так и рефлекторное действие вибратора.

Результирующая ДН системы из двух вибраторов в магнитной плоскости, перпендикулярной вибраторам, с точностью до постоян- ного коэффициента совпадает с множителем системы

f_Н_  60 f_{сист }_

(9.29)

ДН в электрической плоскости равна произведению ДН отдель- ного полуволнового вибратора на множитель системы

cos^{ π} sinθ ^

 ₂ 

290

f_Е_  60

  _

cosθ

f_{сист }_^{. (9.30)}

Входное сопротивление активного вибратора при наличии пас- сивного равно

^Z&вх

^{ Z&}11 ^{ Z&}внос

 Z^&₁₁  Z^&₁₂e^jП

(9.31)

Укорочение активного вибратора осуществляется с целью уст- ранения реактивной составляющей сопротивления и согласования его с фидером. КНД системы из двух вибраторов составляет Dmax =4 … 6.

Наряду с пассивным вибратором в облучателях зеркальных ан- тенн и в директорных антеннах роль рефлектора (отражателя) часто играет металлический экран, расположенный вблизи активного виб- ратора. На метровых и дециметровых волнах экран имеет обычно прямоугольную форму и для уменьшения веса и парусности выпол- няется перфорированным или сетчатым. На сантиметровых волнах рефлектор обычно выполняется в виде сплошного диска.

При расчете основных характеристик системы из активного вибратора и плоского рефлектора используют метод зеркальных от- ражений. В соответствии с этим методом рассматриваемая система представляется системой из двух вибраторов – реального активного вибратора и его зеркального изображения относительно экрана.

Диаграмма направленности системы из двух вибраторов рассчи- тывается аналогично ДН системы из двух вибраторов.

Расчет показывает, что при

^d 0.25



ДН имеет один лепесток,

направленный по нормали к рефлектору. Его ширина лежит в преде-

лах от 70 ˚ до 140 ˚.