Антенные устройства и распространение радиоволн

теги:


Рассмотрим наиболее распространенные антенны для коротких и метровых волн (а иногда и для средних волн), используемые как в качестве передающих, так и в качестве приемных.

Штыревая и вертикальная антенны. Переносные и передвижные радиостанции для работы на небольшие расстояния пользуются штыревой антенной, представляющей собой металлический вертикальный стержень, составленный из нескольких частей (колен) и установленный обычно на самой радиостанции (рис.1 а).

Штыревая антенна и распределение тока в ней
Рис.1 — Штыревая антенна и распределение тока в ней

Для увеличения дальности действия на верхушку штыря насаживается звездочка или метелка, которая несколько увеличивает емкость антенны и изменяет распределение тока в штыре. Без звездочки на верхнем конце штыря будет узел тока (I = 0), а при наличии звездочки узел тока сместится на концы ее лучей и, следовательно, на конце штыря ток и излучение не будут равны нулю (рис.1 б).

Противовесом для штыревой антенны обычно служит металлический корпус радиостанции.

Большую дальность действия дает вертикальная антенна в виде металлической мачты или в виде вертикального провода, подвешенного на деревянной мачте (рис.2). Противовес для вертикальной антенны обычно делается из нескольких проводов, расположенных невысоко над землей.

Вертикальная антенна
Рис.2 — Вертикальная антенна

Штыревая и вертикальная антенны не обладают направленным действием в горизонтальной плоскости. Антенны типа «диполь». Эти антенны у переносных радиостанций малой мощности представляют собой два провода одинаковой длины, растянутые в одну линию (рис.3). Низко расположенный диполь дает наибольшее излучение и наилучший прием в направлении, в котором растянуты лучи, а наименьшее излучение и наихудший прием в направлении, перпендикулярном лучам.

Антенна типа «диполь»
Рис.3 — Антенна типа «диполь»

При работе на малых расстояниях лучи диполя, если они сделаны из изолированного провода, могут даже быть растянуты на земле. Для повышения дальности действия луч, включенный в качестве антенны, поднимают в наклонное положение, и тогда максимальное излучение будет в сторону противовеса.

Для связи на больших расстояниях диполь располагают высоко над землей, а также применяют антенны, состоящие из нескольких вибраторов. Длина вибратора должна быть выбрана в зависимости от отношения длины волны λ к диаметру провода d. Так, например, если λ/d = 40, то L = 0,47 (лямбда), а при λ/d = 1000 длина вибратора должна составлять 0,485 *λ. Вибратор из тонкого провода обладает более высокой добротностью, а следовательно, узкой полосой частот пропускаемых колебаний. Если желательно расширить эту полосу, чтобы вибратор работал хорошо в пределах некоторого диапазона, его делают из стержней или трубок диаметром 10—30 мм.

Антенны с питанием стоячей волной

Рис.4 — Антенны с питанием стоячей волной

При небольшом расстоянии от передатчика или приемника до антенны могут применяться фидеры со стоячей волной. Например, антенны с короткими фидерами, работающими в режиме стоячих волн, применяются для передвижных радиостанций на автомашинах, самолетах и т.д. Простейшие антенны с такими фидерами показаны на рис.4. В антенне (рис.4 а), вибратор имеет симметричное питание в пучности тока (питание током), в которой его входное сопротивление получается порядка 80 ом. Длина фидера при индуктивной связи с контуром передатчика или приемника должна быть равна целому числу полуволн,, чтобы в катушке связи Lа была пучность тока. Практически длину фидера всегда берут на 5—10% меньше расчетной.

Несимметричное питание антенны напряжением показано на (рис.4 б). Фидер подключается только одним проводом к концу вибратора. Так как в пучности напряжения Zвх очень велико (как у разомкнутой линии с длиной ½*λ ), то фидер работает в режиме стоячих волн и его длина должна составлять нечетное число четвертей волны.

На (рис.4 в), показано питание вибратора напряжением с помощью коаксиального кабеля. Сам вибратор при питании по (рис.4 б и е), может располагаться под углом от 90 до 180° к фидерной линии. Питание напряжением может быть симметричным, если оно применяется для двух синфазных вибраторов. Такая схема питания широко используется в сложных синфазных антеннах (рис.4 г), дающих остронаправленное излучение. Подобные антенны впервые были разработаны и исследованы проф. В.В. Татариновым. Они имеют несколько вибраторов-антенн, в которых токи совпадают по фазе, и обычно такое же количество вибраторов-рефлекторов.

Вибраторы могут быть расположены как горизонтально, так и вертикально. Учитывая поляризацию волн, надо соблюдать условие, чтобы вибраторы передающей и приемной антенн были параллельны друг другу. Для упрощения конструкции в качестве зеркала часто применяют металлическую сетку, расположенную на расстоянии ¼*λот активных вибраторов. Зеркалом может служить также металлический лист, но сетка имеет меньший вес и на нее меньше давление ветра, что важно при значительных размерах антенны.

Сложная синфазная антенна из 16 вибраторов с зеркалом (сетка зеркала полностью не показана)

 

Рис.5 — Сложная синфазная антенна из 16 вибраторов с зеркалом (сетка зеркала полностью не показана)

Питание активных вибраторов в сложных антеннах обычно производится при помощи разветвленной системы фидеров. На рис.5 показана сложная синфазная антенна с 16 вибраторами, расположенными горизонтально, и зеркалом в виде сетки. Для получения синфазной работы вибраторов каждый фидер, идущий от одной пары вибраторов к другой паре, перекрещивается. Это необходимо для компенсации сдвига фаз на 180 , получающегося вследствие того, что расстояние между двумя соседними парами вибраторов составляет ½*λ.

Фидеры, распределяющие энергию в подобной антенне, работают в режиме смешанных волн так как фидер подключается к двум синфазным вибраторам в пучностях напряжения, в которых входное сопротивление вибратора велико. Оно составляет тысячи Ом, т. е. много больше волнового сопротивления фидера.

При значительном удалении антенны от передатчика фидер должен работать в режиме бегущей волны, что достигается согласованием фидера с антенной. Наиболее простым является питание вибратора током при помощи коаксиальной линии имеющей Zo = 70-80 ом, т.е. примерно равное Zвх вибратора (рис.5 а) . Однако коаксиальная линия, будучи несимметричной, нарушает симметричность вибратора и ухудшает его работу.

На (рис.5 б и в), показано питание вибраторов двухпроводным и однопроводным фидерами, подключенными в точках А и Б находящихся между пучностью тока и пучностью напряжения В этих точках входное сопротивление вибратора является средним между его наименьшим значением Zвх=80 Ом в пучности тока и наибольшим значением в пучности напряжения. Точки А и Б подобраны так, что Zвх = Zo. Размеры, показанные на рис.5 относятся к работе антенн на основной волне, но можно возбуждать их и на некоторых гармониках.

Антенна на (рис.5 б) является симметричной. Часть фидера с расходящимися проводами является трансформатором сопротивления (его иногда называют дельта-трансформатором). По мере увеличения расстояния между проводами 20 линии возрастает и в точках А и Б оно равно Zвх вибратора.

Большими преимуществами обладает широко распространенная петлевая или шлейф-антенна, предложенная А. А. Пистолькорсом Она представляет собой два близко расположенных параллельных полуволновых вибратора, замкнутых друг с другом на концах, с питанием током в пучности одного из них (рис.6). Токи обоих вибраторов совпадают по направлению, и поэтому такая антенна эквивалентна одному вибратору с удвоенным током.

Петлевой вибратор А.А.Пистолькорса
Рис.6 — Петлевой вибратор А.А.Пистолькорса

Сопротивление излучения, а следовательно, и входное сопротивление петлевой антенны примерно в четыре раза больше, чем у обычного вибратора, и составляет около 320 ом. При такой величине Zвx можно получить согласование с симметричным фидером, у которого отношение расстояния между проводами к диаметру проводов составляет b/d = 6-8. Петлевая антенна является более широкополосной, чем обычный вибратор.

Антенна с рефлектором и директором
Рис.7 — Антенна с рефлектором и директором

Для получения более острой направленности часто применяют антенну с рефлектором и директором (рис.7), а также с несколькими директорами (рис.8), называемую антенной типа «волновой канал», или директорной антенной.

Директорная антенна

Рис.8 — Директорная антенна

В таких антеннах основным излучателем служит обычный полуволновой вибратор, или петлевая антенна. Для получения наилучших результатов нередко производят регулировку антенны опытным путем, определяя характер ее излучения при помощи индикатора напряженности поля. Наличие пассивных вибраторов (рефлекторов и директоров) снижает входное сопротивление антенны. Практически расстояние между вибраторами может быть в пределах от 0,1λ до 0,25λ. Размеры, показанные на рис.7 и 8, являются не единственно возможными, а примерными.

Направленное действие антенн характеризуют коэффициентом направленного действия (кнд), введенным А. А. Пистолькорсом в 1929 г. Он показывает, во сколько раз нужно увеличить мощность излучения при переходе от направленной антенны к ненаправленной для сохранения неизменной напряженности поля в месте приема.

При этом под ненаправленной антенной понимают некоторую воображаемую антенну, излучающую во все стороны одинаково. Практически такая антенна не существует даже полуволновой вибратор, у которого направленность наименьшая по сравнению с другими типами антенн, имеет кнд, равный 1,64. Значения кнд, конечно, относятся к случаю, когда радиосвязь осуществляется в направлении главного максимума диаграммы направленности.

У директорных антенн величина кнд примерно равна числу директоров, умноженному на 5. Для современных сложных остронаправленных антенн кнд может иметь значения до нескольких тысяч.

Если предполагается при помощи направленной антенны вести радиосвязь в различных направлениях, то антенну вращают

при помощи тросов из помещения, в котором расположена радиостанция.
Для согласования фидерной линии с антенной применяются различные устройства, из которых рассмотрим два наиболее распространенных.

1. Четвертьволновый трансформатор представляет собой четвертьволновую линию, включенную между главной линией и антенной и работающую как трансформатор сопротивлений (рис.9).

Согласование линии с нагрузкой через четвертьволновый трансформатор
Рис.9 — Согласование линии с нагрузкой через четвертьволновый трансформатор

Предположим, что главная линия имеет волновое сопротивление Zo, а сопротивление нагрузки R не равно Zo. Оказывается, что входное сопротивление трансформирующей четвертьволновой линии, т. е. сопротивление в точках А и Б, равно

Входное сопротивление трансформирующей четвертьволновой линии

где Zoт —волновое сопротивление трансформирующей линии.

Подобрав величину Ζот, можно получить Zаб = Zo. Тогда в основной линии (слева от точек А и Б) получится режим бегущей волны, а режим смешанных волн будет только в короткой трансформирующей линии (справа от точек А и Б). Определить требуемое Ζот можно по формуле

Волновое сопротивление трансформирующей линии

Например, если Ζο = 320 ом, а сопротивлением нагрузки является Ζвх вибратора, равное 80 ом, то Ζοτ=160 ом. Для этого случая на рис.9, показаны распределение тока и напряжения вдоль линии. В трансформирующей линии

Коэффициент

Поэтому ток и напряжение вдоль этой линии изменяются в два раза, причем ток к концу линии возрастает, а напряжение уменьшается. На конце линии

Сопротивление входа вибратора

В начале линии напряжение в два раза больше, а ток в два раза меньше, чем в конце линии. Отсюда

Входное сопротивление трансформирующей четвертьволновой линии

Таким образом, четвертьволновая линия преобразовывает нагрузочное сопротивление 80 ом в 320 ом и создает в основной линии кбв = 1. А без согласующегося устройства в основной линии получился бы кбв = 0,25.

Чтобы получить нужное волновое сопротивление, подбирают расстояние между проводами трансформирующей линии b или диаметр провода d или то и другое так, чтобы отношение b/d соответствовало нужному значению Zот. Для коаксиальных линий нужная величина Zот получается путем подбора отношения диаметров.

2. U-колено служит для согласования несимметричного коаксиального фидера с симметричной антенной. Устройство U-колена в наиболее простом варианте показано на рис.10. Она представляет собой отрезок коаксиального кабеля, подключенный своим началом в точке А к концу коаксиального фидера и к одной половине вибратора. Другой конец U-колена присоединен к проводу второй половины вибратора (точка Б).

Схема устройства U-колена
Рис.10 — Схема устройства U-колена

Наружные провода (оболочки) фидера и U-колена замкнуты накоротко.

Чтобы волна, прошедшая через U-колено в точку Б, отстала по фазе на 180° от волны в точке А, длина U-колен а должна составлять

Необходимая длина U колена рассчитывается по этой формуле

где λ — рабочая длина волны, a ε — диэлектрическая проницаемость изолятора, примененного в кабеле. У большинства коаксиальных кабелей, имеющих сплошной диэлектрик между внутренним проводом и оболочкой, є = 2,3 и поэтому L = 1/3 λ.

Так как в точках А я Б фазы противоположные, то к этим точкам можно присоединить симметричную нагрузку в виде вибратора. При этом, если волновое сопротивление фидера равно Zo, то сопротивление между точками А и Б равно 4Zo. Для получения согласования Z8Х вибратора также должно быть равно 4 Zo. Например, при применении коаксиального фидера с волновым сопротивлением 80 ом через U-колено удобно питать одиночный петлевой вибратор, имеющий Ζвх = 320 ом. Если Ζвх вибратора значительно отличается от 4Zo, необходимо между U-коленом (точки А и Б) и вибратором включить согласующий четвертьволновый трансформатор.




Чем короче волны, тем легче осуществляется направленная передача. Необходимое направленное действие может быть достигнуто устройством антенн в виде системы нескольких вибраторов. Применяя вибраторы с определенным сдвигом фаз между токами в них и располагая вибраторы на определенных расстояниях друг от друга, можно достичь того, что излучаемые ими волны будут складываться в нужном направлении и почти полностью взаимно уничтожаться в других направлениях.

Рассмотрим направленность излучения одиночного полуволнового вибратора. Теоретически и практически установлено, что вибратор дает наибольшее излучение в направлении, перпендикулярном проводу самого вибратора, и совершенно не излучает в направлении вдоль провода.

Направленное действие антенны показывают с помощью характеристик или диаграмм направленности. Они наглядно изображают изменение напряженности поля излучаемых волн в зависимости от направления. Эти диаграммы показывают обычно в двух плоскостях. Одна из них, в которой лежит сам вибратор, называется меридиональной плоскостью. Вторая плоскость, перпендикулярная проводу, называется экваториальной плоскостью. Для вертикального вибратора эти плоскости показаны на рис.1.

Меридиональные и экваториальная плоскости

 

Рис.1 — Меридиональные (а) и экваториальная (б) плоскости

Если измерить на одном и том же расстоянии от вибратора, но по разным направлениям, наиряженность поля излучаемых волн, то возможно построить характеристику направленности. Практически нужно обойти вокруг вибратора по окружности в интересующей нас плоскости с каким-либо измерителем или индикатором напряженности поля.

Диаграммы направленности вибратора в экваториальной и меридиональной плоскостях

Рис.2 — Диаграммы направленности вибратора в экваториальной (а) и меридиональной (б) плоскостях

Полуволновой вибратор в экваториальной плоскости не обладает направленным действием, т.е. излучает во все стороны одинаково. Его характеристика направленности в этой плоскости изображается окружностью, центр которой совпадает с серединой вибратора (рис.2 а). Величина напряженности поля, получающаяся в том или ином направлении, пропорциональна длине радиуса, проведенного из центра к этой окружности. Так как все радиусы одинаковы по длине, то ясно, что диаграмма показывает отсутствие направленности.

В меридиональной плоскости диаграмма направленности вибратора изображается фигурой, напоминающей восьмерку, каждая половинка которой близка к окружности (рис.2 б). На этом графике напряженность поля, получающаяся в том или ином направлении, пропорциональна длине вектора, проведенного от центральной точки О к кривой. При этом надо помнить, что радиусы различной длины, например ОА и ОБ на рис.2 б, изображают напряженность поля на одном и том же расстоянии от вибратора, но по разным направлениям от него.

На характеристиках направленности удобно величину напряженности поля откладывать в относительных единицах, т.е. наибольшую напряженность поля и соответствующий ей радиус ОА принимать за единицу, а радиусы в других направлениях брать соответственно меньше. Так, например, если в направлении ОБ напряженность поля в два раза меньше наибольшей напряженности поля, то радиус ОБ должен составлять 0,5 радиуса ОА.

Пространственная диаграмма .излучения вибратора
Рис.3 — Пространственная диаграмма .излучения вибратора

Если восьмерку рис.2 б, повернуть вокруг вибратора, как вокруг оси, то получается пространственная характеристика направленности в виде так называемого тороида, показанного в разрезе на рис.3 и напоминающего «бублик» без отверстия. Любой радиус, проведенный из центральной точки тороида О к его поверхности, характеризует относительную величину напряженности поля в данном направлении. Так как у антенн из нескольких вибраторов пространственные диаграммы направленности получаются весьма сложными, то обычно рассматривают направленность только в двух наиболее важных плоскостях. Иногда даже достаточно диаграммы направленности в одной плоскости.

Благодаря свойству обратимости антенн характеристика направленности излучения остается в силе и при использовании антенны для приема. В экваториальной плоскости (рис.2 а) вибратор принимает одинаково волны, пришедшие с разных направлений. В меридиональной плоскости (рис.2 б) лучше всего принимаются волны, приходящие в направлении АО, хуже — в направлении БО, а в направлении вдоль вибратора волны совсем не принимаются.

Различное взаимное расположение приемного и передающего вибраторов
Рис.4 — Различное взаимное расположение приемного и передающего вибраторов

Приведенные диаграммы показывают, что одиночный вибратор обладает слабо выраженной направленностью. Новее же ее необходимо учитывать при установке антенн. Для наилучшей связи вибраторы приемной и передающей антенн должны быть параллельны друг другу (рис.4 а). Если они расположены под прямым углом (рис.4 б), то вследствие направленного действия вибраторов связи не будет. При ином расположении вибраторов под прямым углом (ряс.4 в) связи также не будет, так как волны, излучаемые одним вибратором, имеют не ту поляризацию, какая .необходима для приема их вторым вибратором. Если, например, излучает левый вибратор, то его волны поляризованы вертикально. Но тогда они не создают ЭДС в правом приемном вибраторе, расположенном горизонтально. Во всех промежуточных случаях расположения вибраторов связь будет хуже, чем в случае, показанном на рис.4 а.

На практике характеристики направленности и поляризация несколько искажаются из-за отражения волн от местных предметов, окружающих антенну, а также из-за того, что провод вибратора не бывает точно прямолинейным. Вследствие этого даже для случаев, приведенных на рис.4 б и в, связь все же получается. Этому также способствуют преломление, отражение и искривление пути радиоволн, наблюдающиеся при распространении их в атмосфере.

Направленное излучение в экваториальной плоскости двух синфазных вибраторов

Рис.5 — Направленное излучение в экваториальной плоскости двух синфазных вибраторов

На рис.5 показана диаграмма направленности в экваториальной плоскости двух параллельных вибраторов, которые расположены на расстоянии ½*λ друг от друга и имеют токи, совпадающие по фазе (такие вибраторы называются синфазными). В этом случае вместо окружности, характерной для одиночного вибратора (для сравнения она показана на рис.5 штрихом), получается сплющенная восьмерка, что объясняется следующим образом.

В направлениях ОА и ОБ волны от обоих вибраторов приходят в какую-либо удаленную точку путями одинаковой длины. Поэтому они совпадают по фазе и складываются. Если токи в вибраторах одинаковы, то суммарная напряженность поля в этих направлениях Емакс получается удвоенной по сравнению с напряженностью поля от одного вибратора Е1. В направлениях ОВ и ОГ волны вибраторов идут с противоположными фазами, так как волна от одного вибратора проходит лишний путь, равный ½*λ, и за счет этого отстает по фазе на 180°. Ясно, что в этих направлениях волны взаимно уничтожаются, т. е. излучения нет. В других направлениях получается некоторый промежуточный сдвиг фаз между 0 и 180° и суммарная напряженность поля оказывается меньше, чем Емакс = 2Е1.

Диаграмма направленности вибратора с рефлектором

 

Рис.6 — Диаграмма направленности вибратора 1 с рефлектором 2

Наличие двух противоположно направленных максимумов излучения часто нежелательно. Применив другую систему двух вибраторов, можно получить максимум излучения только в одну сторону. Этот важный случай показан на рис.6. На нем дана диаграмма направленности в экваториальной плоскости Двух параллельно расположенных вибраторов, находящихся на расстоянии ¼*λ друг от друга, причем ток вибратора 1 отстает по фазе на 90° от тока вибратора 2.

По направлению ОА волна от вибратора 2 проходит лишний путь, равный ¼ (лямбда) и у нее получается отставание по фазе на 90° от тока вибратора 2. Но так как эта волна излучается вибратором, в котором ток опережает по фазе на 90° ток вибратора 1, то волны обоих вибраторов движутся в направлении ОА, совпадая по фазе, и напряженность поля удваивается (Емакс = 2Е1). В обратном направлении (ОБ) волна от вибратора 1 излучается с отставанием по фазе на 90° относительно тока вибратора 2 и, проходя лишний путь в ¼ *λ, дополнительно отстает по фазе еще на 90°.

Таким образом, она отстает по фазе на 180° от волны, излучаемой вибратором 2, и в результате обе волны взаимно уничтожаются, т.е. излучение в этом направлении отсутствует (Емин =0). По направлениям ОВ и ОГ волны от вибраторов движутся со сдвигом фаз 90°, и суммарная напряженность поля получается равной 1,4 Е1.

Диаграмма направленности двух таких вибраторов представляет собой кривую, называемую кардиоидой, и показывает наглядно, что имеется только один максимум излучения в направлении, в котором расположен вибратор с током, отстающим по фазе (для сравнения на рис.6 показана штрихом характеристика направленности одиночного вибратора). Получается, что вибратор 2 как будто отражает волны, излучаемые вибратором 1. Поэтому вибратор 1 принято называть антенной, а вибратор 2 — зеркалом, или рефлектором.

Когда от передатчика энергия подводится к рефлектору по фидерной линии, так же как и к антенне, то рефлектор называется активным. Подобные рефлекторы встречаются только в специальных антеннах. Зато часто применяется пассивный рефлектор, ни с чем не соединенный и несколько удлиненный по сравнению с вибратором, выполняющим роль антенны.

Пассивный рефлектор получает энергию от электромагнитных волн, излучаемых вибратором — антенной. Эти волны проходят путь в ¼*λ, за счет которого создается их отставание по фазе на 90°. Электродвижущая сила, индуктируемая в рефлекторе, отстает еще на 90° от создающего ее электромагнитного поля. Из-за того, что длина рефлектора больше, чем нужно для резонанса, его сопротивление имеет индуктивный характер (подобно разомкнутой линии с длиной больше четверти волны) и так в нем; отстает от ЭДС еще на 90°. В результате ток в рефлекторе отстает от тока в антенне примерно на 270°, что равносильно опережению на 90°. А это и есть условие получения максимума.излучения в сторону, противоположную рефлектору.

Конечно, пассивный рефлектор действует несколько хуже, чем активный, так как ток в нем получается меньше, чем в антенне, и сдвиг фаз не точно равен 90°. Поэтому характеристика направленности имеет примерно вид, показанный на рис.7 (для сравнения штрихом показана кардиоида). Как видно, не получается удвоенная напряженность поля в направлении наибольшего излучения и не уничтожается полностью излучение в обратную сторону. На практике подбором длины рефлектора и расстояния между ним и антенной стараются добиться наименьшего излучения в сторону рефлектора и наибольшего в сторону антенны.

Диаграмма направленности вибратора с пассивным рефлектором

 

Рис.7 — Диаграмма направленности вибратора с пассивным рефлектором

Возможен и другой вариант получения наибольшего излучения в одну сторону. Если к вибратору 2 (рис.6) подвести энергию от передатчика, а вибратор 1 сделать пассивным (не соединенным ни с чем) и несколько укоротить его длину, то получится характеристика направленности, подобная изображенной на рис.7. В этом случае вибратор 2 является антенной, а вибратор 1 называют директором, так как он направляет излучение в свою сторону.

Роль вибратора-директора объясняется следующим образом. Волны от антенны проходят к директору путь в ¼*λ, и вследствие этого отстают по фазе на 90°. Индуктированная в директоре эдс отстает еще на 90°, но ток, созданный этой эдс, опережает ее на 90°, так как сопротивление укороченного вибратора имеет емкостный характер (подобно разомкнутой линии, у которой длина меньше ¼*λ). В результате ток директора отстает примерно на 90° от тока антенны, и характеристика направленности получается примерно такая же, как на рис.7. Наилучшая направленность достигается подбором длины директора и его расстояния от антенны.

Практически антенны обычно располагаются вблизи земли или каких-либо массивных металлических предметов (корпус корабля, самолета, автомашины и т. д.), которые принято также называть землей. Эти проводящие поверхности отражают радиоволны и оказывают поэтому сильное влияние на направленные свойства антенн. При исследовании этого влияния землю приближенно считают идеальным проводником, так как учет действительной проводимости земли весьма сложен.

Диаграммы направленности вертикального вибратора с учетом влияния земли

Рис.8 — Диаграммы направленности вертикального вибратора с учетом влияния земли

Характеристики направленности антенн, приведенные выше, не учитывали влияние земли. Некоторое представление о направленности антенн с учетом влияния земли дают следующие примеры Если вибратор В расположен непосредственно над землей, то диаграмма направленности в вертикальной плоскости представляет собой половину вытянутой восьмерки (рис.8 а). Другая половина отсутствует потому, что вглубь земли, конечно, никакого излучения нет. В этом случае излучение в горизонтальном направлении увеличивается вдвое по сравнению с уединенным вибратором.

Более сложная направленность получается, если вибратор расположен на некоторой высоте над землей, например на высоте h = λ (рис.8 6). Тогда максимум излучения в горизонтальном направлении остается, но появляется несколько максимумов излучения под некоторыми углами к горизонту. Между этими максимумами получаются нули излучения. Диаграмма направленности приобретает многолепестковый вид, что объясняется следующим образом.

Для некоторых направлений разность путей волн, идущих непосредственно от вибратора, и волн, отраженных от земли, составляет четное число полуволн (или целое число волн) и тогда волны идут, совпадая по фазе, т. е. складываются друг с другом ,и дают максимумы; по другим направлениям эта разность путей составляет нечетное число полуволн, за счет чего создается сдвиг фаз на 180° и получаются минимумы.

Чем больше высота вибратора над землей по сравнению с длиной волны, тем больше максимумов и минимумов и диаграмма направленности имеет больше лепестков. Это особенно характерно для антенн укв, для которых часто
h >> λ. Направленность в горизонтальной плоскости у вертикального вибратора, расположенного над землей, отсутствует в силу его полной симметрии по отношению ко всем возможным направлениям.

Действительная диаграмма направленности с учетом неидеальной проводимости земли
Рис.9 — Действительная диаграмма направленности с учетом неидеальной проводимости земли

Так как в действительности земля не является идеальным проводником, то отраженные от нее волны имеют уменьшенную амплитуду за счет некоторого поглощения в земле. Поэтому в направлениях максимумов излучение несколько уменьшается, а в направлениях минимумов не получается нуль излучения. В результате этого многолепестковая диаграмма направленности приобретает расплывчатый вид (рис.9). Следует учитывать, что диаграмма направленности искажается и от влияния местных предметов.




Фидерные линии, работающие в режиме стоячих (вернее, смешанных) волн, применяются только в случае, если длина фидера невелика, например равна ¼*λ, или ½*λ. Такие фидеры, в частности, используются для распределения энергии между отдельными элементами сложных направленных антенн.

В линиях со стоячей волной потери энергии выше, а кпд ниже, чем у линий с бегущей волной. Линия со стоячей волной должна быть строго определенной длины, равной целому числу (четному или нечетному) четвертей волны.
Линии с бегущей волной имеют ряд существенных преимуществ. Потери энергии в них меньше, и поэтому кпд выше, что важно при значительной длине линии. Напряжение и ток в случае бегущих волн меньше, чем при стоячих волнах. При меньшем напряжении предъявляются менее жесткие требования к изоля1ций линии.

Удобно то, что при линии с бегущей волной генератор нагружен на постоянное и чисто активное сопротивление, равное волновому сопротивлению линии и не зависящее от ее длины. Поэтому линия с бегущей волной может быть сделана любой длины независимо от длины волны. Вся энергия волн, передаваемых по линии, за исключением небольшой ее доли, теряющейся в самой линии, отдается в передающую антенну.

Чтобы получить режим бегущей волны, надо обеспечить равенство нагрузочного сопротивления и волнового сопротивления линии, т. е. согласовать линию с нагрузкой. Однако такое согласование, при котором коэффициент бегущей волны кбв = 1, получить трудно. Практически уже хорошо, если кбв = 0,8-0,9. При этом ухудшение работы линии незначительно. Во многих случаях довольствуются даже величиной кбв = 0,5-0,7.

Типы симметричных фидерных линий

 

Рис.1 — Типы симметричных фидерных линий

Несколько типичных конструкций cимметричных фидеров показаны на рис.1. Для фидеров по рис.1 а и б, изолирующие распорки делают из высококачественного диэлектрика. Фидер с перекрещивающимися проводами (рис.1 б) применяется для приемных антенн. Он обладает меньшим антенным эффектом. В простейшем случае для приемных антенн используется фидер, рис.1 в, состоящий из двух свитых вместе изолированных проводов (в виде шнура). Очень удобны симметричные кабели ленточного типа (рис.1 г), имеющие два провода, запрессованные в ленту из гибкой пластмассы.

Для уменьшения емкости лента между проводами делается тонкой или имеет отверстия. На рис.1 д, показан симметричный экранированный кабель, у которого антенный эффект отсутствует. Симметричные кабели, выпускаемые промышленностью, обычно имеют 20 от 30 до 300 ом.

Как видно, некоторые типы симметричных фидеров могут быть изготовлены самостоятельно из двух проводов (рис.1 а, б и в).Применяемые для несимметричных фидеров коаксиальные кабели изготовляются исключительно в заводских условиях. Промышленность выпускает много различных типов коаксиальных высокочастотных кабелей. Большинство из них имеет волновое сопротивление от 50 до 90 ом и рассчитано на пробивное напряжение от 1 до 15 кв. Устройство наиболее распространенного кабеля со сплошной изоляцией показано на рис.2.

Коаксиальный кабель для фидерной линии

 

Рис.2 — Коаксиальный кабель для фидерной линии

В таких кабелях в качестве изоляции применяется гибкая пластмасса, вносящая малые потери на высоких частотах (например, полиэтилен). Внутренний провод бывает одножильный или многожильный. Внешний провод сделан в виде оплетки из медных проволочек и покрыт сверху защитной пластмассовой оболочкой.



Стр. 1 из 212


radionet