Антенно-фидерные устройства. АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА РТ. Антеннофидерные устройства
 Скачать 7.65 Mb.
|
|
3.3. Основные типы антенн длинных и средних волн. Характеристики и особенности антенн длинных и средних волн. Из-за особенностей распространения СДВ, ДВ и СВ максимум излучения антенн этих диапазонов должен быть направлен вдоль поверхности Земли. Соответствующими ДН обладают несимметричные вертикальные вибраторы, создающие вертикально поляризованное поле. Применение горизонтальных антенн, создающих горизонтально поляризованное поле, нецелесообразно, так как они слабо излучают вдоль поверхности Земли. Высота антенных опор определяется технико-экономическими соображениями (стоимость опоры растет примерно пропорционально кубу высоты. Обычно на СДВ и ДВ приемлемая высота опор составляет 150… 250 м. Некоторые средневолновые антенны имеют высоту дои даже дом. Из-за малой относительной высоты СДВ и ДВ антенн их ДН в вертикальной плоскости по существу не отличается от ДН элементарного вибратора. В средневолновом диапазоне высота антенны может быть соизмерима с длиной волны и равна обычно (0,16 … 0,63)λ. Поэтому СВ антенны в вертикальной плоскости обладают относительно хорошими направленными свойствами, что особенно важно для устранения излучения под большими углами к горизонту, увеличения зоны уверенного приема и удаления от передатчика зоны ближнего фединга. Антенны, применяемые для радиовещания преимущественно в каком- либо определенном направлении или радиосвязи между двумя пунктами, должны обладать однонаправленными свойствами в горизонтальной плоскости, что достигается применением двух или нескольких излучателей связанные вибраторы. Благодаря малой относительной высоте СДВ и ДВ антенн их сопротивление излучения мало (десятые доли или единицы Ом оно может быть соизмеримо с сопротивлением потерь, а в ряде случаев значительно меньше последнего, вследствие чего КПД антенны без применения специальных мер оказывается весьма низким. Для излучения такими антеннами большой мощности токи в них должны быть большими, что приводит к большим потерям энергии в земле, элементах настройки, изоляторах и т. д. Реактивная составляющая входного сопротивления короткой антенны весьма велика (может достигать нескольких тысяч Ом) и имеет емкостный характер. Поэтому напряжение в точках питания антенны также велико 2 2 0 0 * вх вх Х R I U , где R вх =R изл +R п , 120 п – сопротивление потерь в точках питания антенны. Так как вх вх R Х , то приближенно можно положить, что U 0 ≈I 0 *X вх Во избежание электрического пробоя изоляторов, факельного истечения (явление короны) и т. д. напряжение на зажимах антенны, а также напряжения между различными ее точками и землей, не должны превышать допустимую величину. Этим ограничивается величина мощности, которую можно подвести к антенне. Для увеличения сопротивления излучения без увеличения высоты антенны, снижения потенциалов в антенне и расширения ее полосы пропускания СДВ и ДВ антенны выполняют в виде Т, Г-образных или зонтичных излучателей с состоящими из нескольких параллельных проводов горизонтальными и вертикальными частями. При этом горизонтальная часть предназначена только для увеличения емкости антенны и почти не принимает участия в излучении, так как создаваемое ею поле компенсируется полем ее зеркального изображения. Опорные мачты стальные или деревянные) удерживаются в вертикальном положении с помощью нескольких ярусов оттяжек. Длина горизонтальной части может достигать 250 ми более. Один из зажимов генераторов присоединяется к системе закопанных в землю проводов—заземлению (риса. Волновое сопротивление антенны с развитой горизонтальной и вертикальной частями может составлять 150.. .200 Ом. Однако даже при таком низком волновом сопротивлении полоса пропускания антенны получается весьма узкой из-за малого сопротивления излучения. Рисунок 94. Так как на СВ нет необходимости в развитой горизонтальной части антенн, то обычно СВ вещательные антенны выполняются в виде антенн- мачт (рис. б. В ряде случаев для увеличения действующей высоты 121 антенны-мачты снабжаются емкостной нагрузкой на верхнем конце. Эта нагрузка представляет собой либо металлический (сплошной или проволочный) диск, либо часть верхнего яруса оттяжек. Добавление емкостной нагрузки на вершине позволяет на 20.. .30% уменьшить высоту антенны. Таким образом, получается несимметричный вертикальный заземленный вибратор риса. При расчете характеристик направленности и входных сопротивлений несимметричных вибраторов, применяемых на километровых (длинных) и гектометровых (средних) волнах, землю можно считать идеально проводящей и заменять ее действием зеркального изображения. Такая замена сводится к переходу от несимметричного вибратора длиной l (рис. б) к симметричному. При этом токи в обоих вибраторах одинаковы. По характеристику направленности несимметричного вибратора в вертикальной плоскости можно рассчитать по формуле где β— угол между нормалью коси вибратора и Направлением на точку наблюдения. Рисунок 95. В ночное время, когда вместе приема кроме поверхностной появляется пространственная волна, прием сопровождается глубокими замираниями селективного характера. Это приводит к необходимости применения так называемых антифединговых антенн, которые должны иметь диаграммы направленности в вертикальной плоскости, сильно прижатые к Земле. Таким требованиям удовлетворяют несимметричные вертикальные антенны высотой 0,53…0,58λ (рис. 96). Если выполняется неравенство l эк (l эк — эквивалентная длина антенны, то сопротивление излучения в точках питания где l эк (рис. 97), R изл.п сопротивление излучения в пучности тока. 122 Рисунок 96. Рисунок 97. Если l э, сопротивление излучения можно определить по приближенной формуле где в — волновое сопротивление вертикальной части антенны. Другой путь увеличения R изл – применение сложных антенн из нескольких в связанных вибраторов (антенны со многими снижениями). Такие антенны используют на мощных сверхдлинноволновых радиостанциях. На рис. 98 показана схема сложной антенны, состоящей как бы из трех прилегающих друг к другу Т-образных антенн. Переменными индуктивностями все снижения настраивают так, что токи в них оказываются синфазными и примерно равными. Вследствие того, что токи во всех снижениях синфазны, примерно равны и расстояния между снижениями малы по сравнению с длиной волны (составляют несколько сотен метров) наведенные сопротивления оказываются близки к собственным 123 сопротивлениям. Поэтому полное сопротивление излучения одного снижения R изл1 ≈n*R изл11 , где R изл11 – сопротивление излучения снижения n — число снижений. Полное сопротивление излучения всей антенны R изл1 =n(R изл1 +R изл2 +…+R изл n )≈n*R изл11 Рисунок 98. Таким образом, сопротивление излучения антенны со многими (n) снижениями увеличивается примерно враз по сравнению с сопротивлением излучения одной вертикальной антенны такой же длины. При разработке СДВ, ДВ, СВ антенн стремятся уменьшить потери электромагнитной энергии и увеличить КПД антенны. Для уменьшения потерь в земле устраивается система заземления или противовеса, идея которой состоит в уменьшении токов, текущих непосредственно в верхнем, слое почвы. Желательно приданном сопротивлении излучения вибратора R изл получить максимальную мощность излучения Р изл =I 2 m *R изл /2. Для увеличения I m вибратор настраивают в резонанс, включая удлинительную катушку L удл индуктивное сопротивление которой Х удл =ω L удл численно равно и противоположно по знаку емкостному сопротивлению Х вх Удлинительной катушка называется потому, что она удлиняет собственную волну о = 4l до длины волны генератора λ. Способы питания и конструктивные особенности антенн ДВ и СВ. В ряде случаев желательно для радиовещания на СВ применять антенны, обладающие направленным действием в горизонтальной плоскости. Это позволяет распределить излучаемую мощность по заданным направлениям, а также уменьшить взаимные помехи радиостанций. Для обеспечения вещанием территории, имеющей форму сектора, разработана антенная система, состоящая из четырех антенн-мачт шунтового 124 питания, расположенных по вершинам квадрата. Две из них питаются от передатчика, две другие выполняют роль пассивного рефлектора. Комбинируя с помощью соответствующей коммутации различным образом вибраторы, работающие в качестве антенн и рефлекторов, можно получить четыре обслуживаемых сектора. Питание антенны-мачты производится по-разному, в зависимости оттого, изолирована она от земли или имеет заземленное основание. В первом случае используется схема нижнего питания (риса, в котором фидер, идущий от передатчика, включается между основанием мачты и землей. Рисунок 99. В антеннах с заземленным основанием применяют другие способы возбуждения. На рис. б изображена схема верхнего питания, предложенная Г. З. Айзенбергом. Коаксиальный фидер, по которому подводится питание от передатчика, входит у основания в тело полой мачты и проходит внутри нее до вершины. Здесь наружный провод фидера соединяется с мачтой, а внутренний—с зонтом, расположенным над мачтой. Таким образом, питание производится между вершиной зонта (аи вершиной мачты (b). В результате ток антенны замыкается по цепи наружная поверхность тела мачты — земля — воздух (ток смещения) — зонт — точка а — внутренний провод фидера — передатчик — внутренняя поверхность наружного провода фидера — точка b — мачта. Пучность тока находится у заземленного основания антенны, а питание подводится вне пучности тока а. Распределение тока по высоте h при этом близко к равномерному (рис. 100), и действующая высота оказывается незначительно меньше геометрической h. 125 Рисунок 100. Приемные длинноволновые и средневолновые антенны. Приемные СДВ, ДВ и СВ антенны значительно отличаются от передающих по конструктивному исполнению. Для них отсутствуют проблемы, связанные с подведением больших мощностей к антенне и возникновением в ней больших потенциалов. В рассматриваемых диапазонах волн атмосферные и промышленные помехи, а также помехи от других радиостанций очень большие, и для увеличения отношения сигнал-помеха необходимо применять антенны, обладающие более или менее значительным направленным, действием. Однако применение таких антенн из-за их больших размеров возможно только при профессиональном радиоприеме, да и тоне всегда. Основными видами приемных антенн являются рамочные антенны различных типов, антенны бегущей волны, ненаправленные вертикальные несимметричные антенны. Последние отличаются от передающих только меньшими размерами и конструктивным исполнением. Рамочные антенны Рамочная антенна представляет собой один или несколько последовательно соединенных витков провода. При этом витки могут иметь различную форму (круглую, прямоугольную, треугольную и т. д. Плоскости витков располагаются перпендикулярно поверхности земли (вертикальная рамка. Рамочные антенны применяют в качестве приемных антенн для радиосвязи, радиовещания и различных специальных целей. Размеры рамочных антенн изменяются в широких пределах от маленьких (десятки сантиметров) многовитковых рамок с магнитодиэлектрическими сердечниками, помещаемых внутри приемников, до наружных, устанавливаемых на антенном поле рамок, линейные размеры которых могут превышать 100 м. Размеры всех (даже самых больших) рамочных антенн, 126 применяемых в диапазонах СДА, ДВ и СВ, малы по сравнению с длиной волны. Если на прямоугольную одновитковую рамку (рис. 101), боковые стороны которой аи перпендикулярны горизонтальной плоскости, падает плоская вертикально поляризованная волна, направление прихода которой составляет угол φ с плоскостью рамки, то напряженность электрического поля в точке а где Е — напряженность поля в центре рамки. Соответственно в точке с напряженность поля Рисунок 101. ЭДС, наводимые в проводах 1 и 2 рамки, определяются выражениями Эти ЭДС одинаковы по величине, но сдвинуты по фазе из-за разности хода лучей и действуют навстречу друг другу. Результирующая ЭДС на зажимах рамки равна их разности Так как размеры рамки малы и b/λ<<1, то синус можно заменить его аргументом. Тогда 127 Как следует изданной формулы, ДН рамки должна представлять собой правильную восьмерку. Если волна приходит с направления, перпендикулярного плоскости рамки (φ = 90°), наводимые в ней ЭДС имеют одинаковые фазы (разность хода лучей до проводов 1 и 2 равна нулю) и результирующая ЭДС равна нулю. Максимум приема получается в том случае, когда направление прихода волны совпадает с плоскостью рамки (φ=0). Применяя понятие действующей длины к рамочной антенне, получаем h д =Э р /Е 0 =kS p , где S p =hb – площадь, охватываемая рамкой. Так как действующая длина рамки мала, сопротивление излучения также мало (даже у больших наружных рамок оно составляет только десятые доли Ома. Сопротивление излучения такой антенны, значительно меньше сопротивления потерь, и КПД очень мал. По этой причине рамочные антенны не применяют обычно в качестве передающих. Для увеличения действующей длины рамочной антенны применяют многовитковые рамки, те. рамки из ряда последовательно соединенных витков. Для увеличения действующей длины рамки применяют магнитодиэлектрические сердечники (рис. 102). Наводимую в рамке с таким сердечником ЭДС можно определить по формуле где n в —число витков. Введение в рамку сердечника из материала, обладающего магнитными свойствами, увеличивает действующую длину рамки враз. Действующая длина рамки и ЭДС увеличиваются враз только при стержне бесконечной длины. В реальных случаях увеличение действующей длины рамки происходит в эф раз, причем эф < μ вследствие концевого эффекта (размагничивание концов сердечника. Таким образом, Величина эф зависит от относительной магнитной проницаемости материала сердечника и от его формы. Размагничивающее действие концов стержня и, следовательно, уменьшение эф по сравнению стем больше, чем меньше отношение длины стержня L к его поперечному сечению (рис. 103). Действующая длина рамочной антенны пропорциональна площади рамки, однако увеличивать площадь рамки невыгодно, так как при этом эф уменьшается. Число витков нельзя брать слишком большим при этом растет собственная емкость катушки (рамки) и затрудняется настройка на прием конденсатором. Рамки с магнитодиэлектрическими сердечниками магнитные антенны) широко применяют в качестве антенн вещательных 128 приемников, малые габаритные размеры таких антенн позволяют помещать их непосредственно внутри приемника. Применение таких антенн не ограничивается диапазонами ДВ и СВ. Область их использования расширяется в сторону более коротких волн по мере улучшения параметров магнитодиэлектриков и достигает УКВ диапазона. Рисунок 102. Рисунок 103. 129 3.4. Антенны коротких волн. Особенности антенн КВ. Коротковолновый (декаметровый) диапазон м) используется для радиосвязи телефон, телеграф, фототелеграф, радиовещания, а также для специальных целей (радионавигация и др. На коротких волнах сравнительно просто построить антенны, размеры которых превышают длину волны в несколько рази обусловливают значительные направленные свойства. Сопротивление излучения таких антенн существенно превосходит сопротивление потерь, вследствие чего в большинстве случаев их КПД близок к единице. Условия прохождения коротких волн определяются состоянием ионосферы, зависящим от времени суток, времени года, солнечной активности и т. д. Поэтому для обеспечения непрерывной радиосвязи необходимо иметь несколько рабочих волн, значительно отличающихся друг от друга. В связи с этим желательно применять антенны диапазонного типа, что позволяет повышать маневренность радиоцентров частотами при минимальном числе антенн. Вследствие непрерывного изменения состояния ионосферы в точку приема могут попадать волны, распространяющиеся различными путями. Диаграммы направленности антенн должны иметь максимум под такими углами и такую ширину, чтобы обеспечить наиболее интенсивное излучение прием) радиоволн под наиболее вероятными углами прихода. На протяженных линиях связи следует применять антенны, обладающие достаточно узкими (примерно 6… 10° по половинной мощности) и прижатыми к земле ДН. Для уменьшения помех, создаваемых близкими по частоте радиостанциями, а также уменьшения помех грозового, промышленного и др. происхождения уровень боковых лепестков ДН приемных антенн должен быть мал. Для борьбы с замираниями прием ведут на две или натри пространственно разнесенные антенны или на антенны с взаимно перпендикулярной поляризацией (поляризационный разнос. Питание коротковолновых антенн осуществляется главным образом с помощью симметричных воздушных двух и четырехпроводных линий, значительно реже коаксиальных фидеров. 130 Простые вибраторные КВ антенны. В качестве простых антенн на коротких волнах применяют горизонтальные симметричные вибраторы, диапазонные вибраторы Надененко, шунтовые диапазонные вибраторы, уголковую антенну Пистолькорса и др. Сокращенно эти антенны обозначаются как ВГ Н. Здесь длина плеча вибраторам Н—высота подвесам. Вибратор выполняется из медного или биметаллического провода диаметром 3…6 мм и имеет волновое сопротивление порядка 1000 Ом (рис. 104). Рисунок 104. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости, которая проходит через центр вибратора и перпендикулярна ему, определяется множителем, учитывающим влияние Земли, и зависит от относительной высоты антенны Н. Высота подвеса Н выбирается равной λ/2…λ; при этом угол места максимального излучения β max составляет 30…15°. Симметричный вибратор предназначается для работы в диапазоне 0.2…0.25≤l/λ≤0.63…0.67 (узкополосная антенна. Симметричный вибратор обычно питается двухпроводным фидером (Ом. Приуменьшении отношения l/λ падает активная и увеличивается реактивная составляющие входного сопротивления вибратора, вследствие чего уменьшается КБВ. Для работы в более широком диапазоне волна также при подведении большой мощности применяют вибраторы с пониженным волновым сопротивлением—диполь Надененко (рис. 105) и диапазонные шунтовые вибраторы. На коротких волнах применяют два варианта антенн последнего типа. В первом варианте, предложенном Г. З. Айзенбергом, были использованы жесткие трубы (рис. 106). Такое выполнение позволяет крепить вибратор к металлической мачте или башне без изоляторов в точке 0, которую можно заземлять. Второй вариант представляет собой проволочный вибратор, аналогичный диполю Надененко, но имеющий шунтирующий шлейф. 131 Рисунок 105. Рисунок 106. Рисунок 107. Диполь Надененко (ВГД) выполняется из 6—8 параллельных медных или биметаллических проводов диаметром 3…4 мм, расположенных равномерно по образующей, цилиндра радиусом 0.5…0.75 м. Волновое сопротивление ВГД реализуется в пределах 250…600 Ом. Для лучшего согласования вибратора с питающим фидером переход от фидера к вибратору должен выполняться плавным, без резкого изменения распределенных (погонных) емкостей. С этой целью, начиная с расстояний порядками ближе по отношению к точкам питания, провода вибратора образуют конус, вершина которого соединяется с фидером. Для ВГД рабочий диапазон волн считают равным 132 те. антенна имеет частотный диапазон примерно с двукратным перекрытием. В подвижных радиостанциях ВГД используют в более широком диапазоне с перекрытием 2,5, те. Проволочный вариант шунтового вибратора ВГДШ Н, разработанный Г. З. Айзенбергом и В. Д. Кузнецовым и получивший широкое распространение в диапазоне коротких волн, изображен на рис. 107. ВГДШ рекомендуется использовать в частотном диапазоне Синфазные антенны. Синфазные решетки, составленные из симметричных вибраторов, называют синфазными антеннами. На рис. 108 показано полотно синфазной антенны. Оно включает n рядов (этажей) вибраторов. Каждый этаж состоит из р полуволновых вибраторов (или из n р симметричных волновых вибраторов. Расстояние между этажами составляет половину длины волны. В этой антенне обеспечивается синфазность возбуждения всех вибраторов на любой длине волны благодаря тому, что расстояние от точек присоединения главного фидера до любого вибратора совершенно одинаково. Поэтому при изменении частоты направленные свойства не ухудшаются резко. Диапазонность антенны по входному сопротивлению обеспечивается тем, что вибраторы имеют пониженное волновое сопротивление Ом) из-за выполнения их по типу вибратора СИ. Надененко или по схеме диапазонных шунтовых вибраторов. Для создания однонаправленного излучения антенна снабжается рефлектором, причем в основном применяют пассивные рефлекторы двух типов настраиваемые и апериодические. Настраиваемый рефлектор (РН) выполняется в виде полотна из вибраторов аналогично полотну антенны и возбуждается благодаря пространственной электромагнитной связи между полотнами. Рефлектор устанавливается на расстоянии d рот антенны. Его полотно обычно с помощью рей крепится к тем же мачтам, что и полотно антенны. Присоединив генератор к настроенному рефлектору и превратив полотно антенны в рефлектор, можно реверсировать антенну изменить направление излучения или приема на обратное. Апериодический рефлектор (РА) представляет собой плоский экран, выполненный из горизонтальных проводов с шагом (0.035…0.07)λ 0 , параллельных осям вибраторов, и устанавливаемый сзади антенны на расстоянии d р 133 Рисунок 108. Рассмотренные антенны обозначаются СГД p n РН синфазная, горизонтальная, диапазонная, рефлектор настроенный, имеет n этажей и р вибраторов в каждом этаже) или СГД p n РА. Диаграмма направленности синфазной антенны в горизонтальной плоскости определяется формулой (23.1) Здесь F 1 (φ) — диаграмма направленности одиночного вибратора F сн (φ) — множитель синфазной решетки р) — множитель рефлектора. При определении диаграммы направленности синфазной антенны под одиночным вибратором будем понимать симметричный вибратор. Приняв это условие, получим (для СГД p n РА): 134 Здесь l — длина плеча симметричного вибратора (рис. 108); φ— угол в горизонтальной плоскости, отсчитанный от нормали к плоскости полотна антенны р — число вибраторов водном этаже n c — число симметричных вибраторов водном этаже (число секций d 1 — расстояние между центрами симметричных вибраторов водном этаже (расстояние между центрами вертикальных распределительных фидеров d p — расстояние между полотнами антенны и рефлектора m, Ф — отношение амплитуд и сдвиг фаз токов рефлектора и антенны. Ширина главного лепестка диаграммы направленности в горизонтальной плоскости синфазной антенны определяется числом вибраторов водном этаже. С увеличением числа вибраторов в этаже диаграмма направленности сужается. При р φ 0 =30°; при р φ 0 =15°. Диаграмма направленности синфазной антенны в горизонтальной плоскости для 4 и 8 вибраторов водном этаже показана на рисунке а. Рисунок 109. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости определяется произведением где F сн (β) – нормированный множитель системы синфазных излучателей п) – множитель учитывающий влияние рефлектора F гз (β) — множитель, учитывающий влияние Земли 135 Здесь число этажей в антенне d з расстояние между этажами (рис. 108); Н ср – средняя высота подвеса антенны угол в вертикальной плоскости, отсчитываемый от поверхности Земли. Диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости определяется в основном числом этажей и средней высотой подвеса антенны. С увеличением числа этажей сужается основной лепесток диаграммы направленности в вертикальной плоскости, ас увеличением средней высоты подвеса антенны направление максимума излучения прижимается к земле. На рис. б показаны диаграммы направленности в вертикальной плоскости соответственно для двух- и четырехэтажной синфазной антенны при высоте подвеса нижнего этажа, равной 0,5λ. Коэффициент направленного действия антенны можно определить через ее эффективную поверхность. Для синфазной антенны с рефлектором она приближенно определяется по формуле Тогда КНД без учета влияния Земли определяется выражением Коэффициент усиления (КУ) антенны с апериодическим рефлектором примерно на 5…15% больше КУ антенны с настроенным рефлектором. В рабочем диапазоне волн КУ изменяется примерно в Зраза. Антенны СГД рекомендуется использовать для радиовещания, так как благодаря высокому КПД и сравнительно низкому уровню боковых лепестков эти антенны при достаточно высоком КУ могут обслуживать значительный сектор пространства. Антенны СГД получили также распространение в радиосвязи Ромбические антенны. В диапазоне коротких волн для радиосвязи широко применяются ромбические горизонтальные антенны (РГ), представляющие собой двухпроводную симметричную линию, выполненную в форме ромба. К одному из острых углов ромба подводится сигнал высокой частоты, к другому присоединяется нагрузочное сопротивление, равное волновому сопротивлению ромбовидной линии, вследствие чего в проводах антенны устанавливается режим бегущей волны. Антенна подвешивается горизонтально на четырех опорах. Изображенная на рис. 110 антенна состоит из четырех проводов 1, 2, 3, 4, образующих стороны ромба. Генератор подключается к началу проводов 1 и 3 с помощью фидера, волновое сопротивление которого равно волновому сопротивлению антенны Концы проводов 2 и 4 замкнуты на активное сопротивление Рисунок 110. Ромбическая антенна обозначается так РГ= от от h l Ф , где Ф — половина тупого угла ромба в градусах, от =l/λ 0 и h от =h/ λ 0 — соответственно относительные длина одного провода и высота подвеса 137 антенны, выраженные через длину волны при которой антенна имеет наиболее выгодные параметры. Ромбическая антенна является диапазонной как по направленным свойствам, таки по входному сопротивлению. Она может работать на любой фиксированной волне примерно в диапазоне 2.5:1, сохраняя при этом удовлетворительные направленные свойства и почти неизменный высокий КБВ в питающей линии. Диапазонность такой антенны по входному сопротивлению объясняется тем, что она работает почтив режиме бегущей волны и ее входное сопротивление примерно равно волновому сопротивлению ромбовидной линии. Чтобы сделать изменение волнового сопротивления R в.а. ‚ а вдоль антенны менее существенным, каждую сторону ромба выполняют из двух расходящихся к тупому углу проводов (рис. 111). При этом R в.а. выравнивается по длине антенны (R в.а. ≈700Ом). При питании такого ромба от фидерной линии с R в.ф. =700 Ом КБВ в ней получается высоким во всем рабочем диапазоне. Основными недостатками ромбической антенны являются высокий уровень боковых лепестков (значительно больший, чему антенны СГД), сравнительно низкий КПД, большая площадь размещения. Рисунок 111. Для улучшения электрических параметров антенны Г. З. Айзенбергом была предложена двойная ромбическая антенна (РГД) из двух горизонтальных, наложенных один на другой ромбов (с небольшим разносом по вертикали, смещенных относительно друг друга в направлении малой диагонали на расстояние d 1 порядка λ (рис. 112). 138 Рисунок 112. Уровень боковых лепестков ДН антенны РГД в горизонтальной плоскости значительно ниже, чему антенны РГ таких же размеров (рис. 113). Так как оба ромба, входящие в антенну РГД, включаются параллельно, волновое и входное сопротивления антенны оказываются в 2 раза меньше, чему антенны РГ, что приводит к увеличению КПД до 65…85%. Коэффициент усиления увеличивается примерно в 1.5…2 раза вследствие снижения уровня боковых и повышения КПД. Ромбические антенны с некоторыми конструктивными различиями используют в качестве как передающих, таки приемных. Рисунок 113. Приемные коротковолновые антенны бегущей волны. В качестве диапазонных приемных антенн применяют антенны бегущей волны, представляющие собой систему вибраторов (рис. 114), 139 равномерно расположенных в пространстве и подключенных через сопротивления связи к четырехпроводной собирательной линии. С одного конца эта линия (посредством фидера) подключается к приемнику, ас другого замыкается на сопротивление, равное волновому. Плоскость полотна антенны параллельна поверхности Земли. Рисунок 114. Диаграмма направленности антенны бегущей волны в горизонтальной формуле р, где F 1 (φ) – диаграмма направленности единичного симметричного вибратора Формула для расчета диаграммы направленности вертикальной плоскости определяется произведением F(β)=F р (β)*F з (β), где — множитель решетки, 140 множитель, учитывающий влияние Земли. Требования к диаграмме направленности и рабочий диапазон волн определяют выбор основных размеров антенны. Длину симметричных вибраторов желательно брать большой, при этом увеличивается мощность, отдаваемая в приемник. Увеличение длины плеча сверх 0.64λ все же нежелательно, поскольку это приводит к увеличению интенсивности боковых лепестков. При таких условиях для работы в диапазоне волн 12.5.. .70 м длина плеча вибратора выбирается равной около 0,64λ min =8 м. Длина полотна антенны L (собирательной линии) определяет величину коэффициента направленного действия. Ориентировочно а. Входное сопротивление вибраторов, шунтирующих собирательную линию, значительно изменяется с изменением длины волны и может оказаться очень малым, например, при 1=0.25λ R в =73.1Ом. Чтобы уменьшить шунтирующее действие вибраторов, их подключают к собирательной линии через сопротивления связи. В качестве такого сопротивления связи может использоваться активное сопротивление, конденсатор или индуктивность. В соответствии с этим антенны бегущей волны обозначаются БС, БЕ и БИС увеличением сопротивления связи уменьшается влияние вибратора на собирательную линию, но вместе стем ухудшается коэффициент полезного действия. Установлено, что оптимальное сопротивление связи в каждом плече вибратора св Ом. Коэффициент полезного действия антенны бегущей волны мал. На максимальных частотах диапазона он равен примерно 50% и с увеличением длины волны падает до значений меньше 10%. Низкий КПД такой антенны бегущей волны позволяет использовать ее только на приеме. При необходимости увеличения КИД применяют антенны БС-2, в которых два полотна БС располагают рядом и соединяют параллельно с помощью фидерных трансформаторов. Диаграммы направленности антенн БС и БС-2 для разных длин воли и разных высот подвеса h приведены на рис. 115. В практике радиосвязи большое распространение получила приемная антенна типа БС-2 5 4 200 8 21 25. Lанное обозначение им ет следующую расшифровку антенна бегущей волны (Б) с активным сопротивлением связи Сиз двух параллельно соединенных полотен (2). Каждое полотно имеет по 21 симметричному вибратору с длиной плечами расстоянием между ними 4/5 м. Сопротивление связи в каждом плече вибратора по 200 Ом. Полотна антенны имеют высоту подвеса над землей 25 м. 141 Рисунок 115. Логопериодические антенны. Логопериодическая антенна (ЛПА) представляет собой широкодиапазонную антенну (коэффициент перекрытия достигает 10:1 и более. Такая диапазонность получается благодаря тому, что на каждой волне излучение (прием) осуществляется только частью антенны (рабочей областью. При изменении длины волны рабочая область перемещается вдоль антенны без изменения своих относительных (в долях волны) размеров. Упрощенно рабочую область логопериодической антенны можно рассматривать как трехэлементную антенну типа волновой канал с активным питанием (рис. 116). Вибраторы 1, 2 и З этой области имеют разные размеры. Возбуждается активная область со стороны короткого вибратора 1 и излучает однонаправлено в строну своего начала, те. в направлении к короткому вибратору. Рассмотрим работу активной области. Если принять фазу тока короткого вибратора 1 условно за нулевую, тогда фаза тока, питающего вибратор 2 за счет питающей линии длиной L 12 ≈0.25λ, запаздывает на угол kL 12 ≈0.5π, аза счет перекрещивания линии получит опережение на угол π. Результирующая фаза питания второго вибратора опережает фазу первого на 0.5π. В этом случае при распространении волны, излучаемой вибратором 2 в направлении начала антенны (вибратора 1) и далее, поля от вибраторов 2 и 1 будут складываться в фазе, так как опережение по фазе за счет питания компенсирует отставание по фазе за счет распространения волны от вибратора 2 до вибратора 1. 142 Рисунок 116. Вибратор З за счет длины питающей линии L 12 +L 23 ≈0.5λ имеет фазу питающего тока –k(L 12 +L 23 )≈-π. При распространении волны от вибратора З в направлении начала антенны произойдет дополнительное запаздывание фазы на π и полное запаздывание нате. на целый периода это эквивалентно совпадению фаз. Следовательно, поля от всех трех вибраторов в направлении короткого вибратора и далее складываются в фазе и создают в этом направлении основной лепесток диаграммы направленности. С изменением частоты рабочая область антенны оказывается другой, но всегда из трех-четырех вибраторов. Изменение рабочей области антенны с изменением частоты обеспечивает стабильность формы диаграммы направленности и входного сопротивления антенны. Размеры вибраторов антенны выбираются из соотношения ст, где ст — безразмерный период структуры. Максимальная и минимальная длины вибраторов определяют рабочий диапазон волн антенны. В коротковолновом диапазоне применяют пространственные и плоские логопериодические антенны горизонтальной поляризации с проволочными трапециидальными, треугольными и линейными вибраторами. Для постоянства ДН в плоскости на любой фиксированной длине волны в пределах заданного диапазона полотно антенны располагается под некоторым углом к поверхности земли. С помощью пространственной ЛПА большой длины можно получить более узкую и прижатую к земле ДН в вертикальной плоскости (рис. 117), чем с помощью плоской ЛПА. Плоские ЛПА по конструкции значительно проще пространственных. Из-за расходящегося фидера диаграммы направленности пространственных антенн имеют больший уровень боковых лепестков. 143 Применение логопериодических антенн с широким диапазоном рабочих частот дает существенные преимущества. Уменьшается число требуемых антенн и фидеров, упрощается коммутация антенн, повышается надежность в эксплуатации. Сохранение формы диаграммы направленности при переходе с одной волны на другую обеспечивает неизменность облученной территории на поверхности земли, что особенно важно при радиовещании. Коэффициент полезного действия логопериодических антенн высоки при расчетах может быть принят за 100%. Рисунок 117. К недостаткам логопериодических антенн следует отнести то, что при работе на данной частоте используется небольшая часть антенны. Вследствие этого ЛПА обладают сравнительно слабыми направленными свойствами. 144 |