Антенны километровых и гектометровых волн

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 59Следующая ⇒

Километровые и гектометровые волны (длинные и средние) используются для радиосвязи, радиовещания, навигации и других целей.

На длинных и средних волнах земная поверхность имеет обычно хорошую проводимость. У поверхности же хорошего проводника электрическое поле может быть направлено только перпендикулярно его поверхности. Поэтому как передающие, так и приемные антенны для этих волн должны обладать развитой вертикальной частью. Для того чтобы антенна была резонансной и имела достаточно большие сопротивление излучения и коэффициент полезного действия (КПД), ее размеры должны приближаться, по крайней мере, к 0, 25 , т.е. на длинных волнах (ДВ) ее высота должна быть равна нескольким сотням метров [2]. Практически удается построить антенны (мачты) высотой не более 200...300 м. Поэтому на волнах длиннее 1000 м, как правило, приходится работать с антеннами длиной меньше резонансной. Вследствие этого входное сопротивление антенны имеет реактивную составляющую емкостного характера, для компенсации которой последовательно с антенной приходится включать катушку индуктивности (рис. 1.17, а). Эти катушки часто называют удлинительными (L_y). Сопротивление излучения у антенн с малой электрической длиной весьма мало. В то же время активное сопротивление удлинительных катушек довольно значительно. Поэтому сопротивление потерь в цепи антенны становится больше или того же порядка, что и сопротивление излучения, и КПД антенны получается довольно низким.

На средних волнах (СВ) при работе антенны в широком диапазоне частот может оказаться, что частота подводимых к ней колебаний ниже резонансной. В этом случае реактивная составляющая ее входного сопротивления имеет индуктивный характер, и для настройки антенны приходится применять конденсатор, который принято называть укорачивающим. В общем случае цепь настройки диапазонной антенны должна содержать как емкость, так и индуктивность.

Применение элементов настройки не изменяет сопротивления излучения антенны, которое определяется только ее электрической длиной, и поэтому при работе с короткими антеннами сопротивление излучения всегда невелико. Поэтому для получения большой мощности излучения в таких антеннах приходится возбуждать большие токи. Малое сопротивление излучения приводит также к тому, что резонансная характеристика антенны становится очень острой; вследствие этого антенна очень критична в настройке. Кроме того, при низком сопротивлении излучения приходится особенно тщательно выполнять заземление нижнего конца антенны, где проходит большой ток, так как в противном случае резко снижается КПД системы.

Для увеличения КПД вместо использования катушки индуктивности часто увеличивают длину антенны до резонансной и сгибают ее на высоте мачты под прямым углом, образовав оставшейся частью горизонтальный участок. Такая Г-образная антенна излучает лучше, чем прямая антенна с удлинительной катушкой, но она требует установки второй мачты (рис. 1.17, б). Если высота подвеса Г-образной антенны невелика, то горизонтальная часть ее практически не излучает, так как она образует со своим зеркальным изображением двухпроводную линию. Однако при этом распределение тока в излучающей вертикальной части существенно улучшается. В ней укладывается часть стоячей волны тока, близкая к пучности, к тому же пучность располагается ближе к верхнему концу, который находится в наиболее благоприятных для излучения условиях (рис. 1.17, в, г).

Рис. 1.17. Устройство антенны длинных и средних волн:

а - заземленный вибратор с удлинительной катушкой; б - Г-образная антенна; в - распределение тока в антенне с катушкой; г - распределение тока в Г-образной антенне; д - Т-образная антенна; е - зонтичная антенна

Рис. 1.18. Конструкция антенны- башни: 1 - опорный изолятор; 2 - емкостная шапка

Рис. 1.19. Устройство антенны-мачты:

1 - опорный изолятор; 2 – световое ограждение мачты; 3 - изоляторы

Увеличить амплитуду тока на конце антенны можно также, создав дополнительную горизонтальную часть в виде двух горизонтальных лучей (Т-образная антенна на рис. 1.17, д) или в виде многих лучей (зонтичная антенна на рис. 1.17, е). Во всех случаях горизонтальные элементы образуют с землей некоторую емкость. Благодаря этому амплитуда тока на конце вертикальной части антенны уже не равна нулю, и распределение тока вдоль нее становится более равномерным. Площадь тока, а следовательно, и действующая высота антенны увеличиваются.

Конструктивно антенны ДВ и СВ очень часто выполняются в виде установленных на изоляторы стальных свободно стоящих антенн-башен (рис. 1.18) и антенн-мачт (рис. 1.19). Ток от передатчика подводится к нижнему концу башни или мачты, которая является непосредственным излучателем энергии. Для радиовещания применяются антенны высотой 75...300 м. Для увеличения емкости антенны на вершине башни или мачты устанавливается емкостная шапка из металлических трубок [2].

Недостатком передающих антенн-мачт и антенн-башен, имеющих высоту до 300 м и более, является их высокая стоимость. Кроме того, во многих случаях применение высоких антенн недопустимо вследствие близости радиоцентров к аэропортам. Во всяком случае, все антенны этого типа оборудуются системой светового ограждения мачт.

На СВ на расстояниях 100...300 км поля поверхностной и пространственной волн могут оказаться соизмеримыми по амплитуде и случайными по фазе. Здесь наблюдаются замирания (фединги) селективного характера. В рабочей полосе отдельные частоты замирают по-разному, вызывая искажения передаваемого сигнала. Чтобы отодвинуть дальше от передающей станции зону, подверженную замираниям, необходимо на передаче применять антенны со специальной формой диаграммы направленности в вертикальной плоскости. Эти антенны должны иметь максимум излучения, направленного вдоль поверхности Земли, и малое излучение под углом более 55°. Антенны с подобной диаграммой направленности называются антифединговыми. Такими, например, являются несимметричные вертикальные вибраторы высотой (0, 53...0, 6) .

В отличие от передающих, приемные антенны, как правило, не настраиваются на частоту принимаемых радиостанций. Для вещательного приема часто используются вертикальные Г-, Т-образные и зонтичные антенны.

Антенны декаметровых волн

Чем короче волна, тем больше разнообразие используемых типов антенн. Для коротких волн (КВ) проводимость почвы ухудшается, и вследствие этого возрастают потери в заземлении. Поэтому на этих волнах обычно избегают использования заземленных вибраторов. Только около больших водных поверхностей или при расположении радиостанции на сырых почвах заземленные вибраторы дают хорошие результаты.

В диапазоне декаметровых (коротких) волн (10... 100 м) отношение длины антенны к длине волны может быть получено достаточно большим. Поэтому обеспечение большого сопротивления излучения и высокого КПД не вызывает затруднений. Более актуальным при построении коротковолновых антенн является вопрос о диаграмме направленности, к которой предъявляются следующие требования:

1. Она должна быть по возможности неизменной во всем диапазоне волн, в котором поддерживается связь в течение длительного времени. Это требование вызвано тем, что по условиям распространения приходится производить смену волн даже в течение одних суток связи. Антенны, имеющие неизменные диаграммы направленности в широком диапазоне частот, называются диапазонными, в отличие от настроенных.

2. Направление максимального излучения и приема должно быть таким, чтобы число отраженных волн от ионосферы и Земли было минимальным, так как каждый скачок волны сопровождается потерями энергии. Поэтому угол возвышения луча следует уменьшать по мере удлинения линии связи. Например, для линий протяженностью 600 км рекомендуется выбирать угол 30...45°, а для линий длиной 3000 км - 10...25°.

3. В связи с неустойчивостью состояния ионосферы направленное действие антенны не должно быть чрезмерно большим во избежание того, что излучаемая волна окажется вне сферы действия приемной антенны. Поэтому ширину угла диаграммы направленности коротковолновой антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях рекомендуется устанавливать равной 10...30°.

4. Для ослабления влияния промышленных помех на радиоприем максимум диаграммы направленности приемной антенны не должен быть слишком близок к земной поверхности. С этой точки зрения в коротковолновых антеннах предпочтительнее применять горизонтальные вибраторы, а не вертикальные. Однако симметричный горизонтальный вибратор не рассчитан на работу в широком диапазоне частот, так как его входное сопротивление сильно зависит от частоты, что приводит к нарушению согласования с питающим фидером.

Входное сопротивление вибратора будет изменяться в меньших пределах, если уменьшить его волновое сопротивление. Это может быть достигнуто за счет увеличения диаметра излучающих проводов. В диполе С.И. Надененко (антенны типа вибратор горизонтальный диапазонный (ВГД)) плечи вибратора образованы системой из 6-12 проводов, расположенных по образующей цилиндра диаметром 1…3 м (рис. 1.20).

С изменением частоты входное сопротивление такого вибратора изменяется в небольших пределах и согласование с фидером обеспечивается в более широком диапазоне частот. Рабочий диапазон волн диполя С.И. Надененко составляет (1, 7...3, 3)l. Эта антенна находит применение на передающих и приемных станциях, если требуется слабонаправленная диапазонная антенна.

Симметричные вибраторы широко используются как элемент более сложных антенн, состоящих из нескольких вибраторов. Такие многовибраторные антенны обеспечивают остронаправленные излучения и прием.

Рис. 1.20. Конструкция диполя С.И. Надененко

Рис. 1.21. Синфазная горизонтальная антенна

Антенная система состоит из горизонтальных полуволновых вибраторов, расположенных рядами в несколько этажей. Расстояние между этажами /2, а между вибраторами . Если токи во всех вибраторах возбуждаются в фазе, такую антенну называют синфазной.

На рис. 1.21 изображена синфазная горизонтальная антенна [2]. Рассмотрим, чем будет определяться диаграмма направленности такой антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Предположим, что такая антенна используется как приемная. Диаграмма направленности каждого вибратора в вертикальной плоскости представляет собой окружность. На рис. 1.22 показаны горизонтальные полуволновые вибраторы, расположенные в два этажа (плоскость чертежа совпадает с вертикальной плоскостью) на расстоянии l= /2.

При достаточном удалении источника принимаемых волн линии r₁ и r₂, соединяющие вибраторы с этим источником, можно считать параллельными. Поэтому токи от вибраторов будут складываться в общей линии, присоединенной к ним. Если угол прихода (φ = 90°, то r₁ и r₂равны и токи складываются с одинаковой фазой. При φ ≠ 90° появляется разность расстояний r₁ и r₂, представленная на рис.1.22, а отрезком d. Если же d= , то токи в вибраторах окажутся в противоположных фазах, суммарный ток будет равен нулю и приема сигналов с этого направления не будет.

Таким образом, система из двух горизонтальных вибраторов, расположенных на разных высотах (этажах) относительно Земли, даст диаграмму направленности в вертикальной плоскости, изображенную на рис. 1.22, б сплошной линией. Чем больше этажей, тем eже диаграмма направленности.

Рис. 1.22. К пояснению влияния числа вибраторов на диаграмму направленности синфазной горизонтальной антенны в вертикальной плоскости:

а - расположение горизонтальных полуволновых вибраторов;

б - диаграмма направленности в вертикальной плоскости

Для магистральной связи в качестве приемных и передающих антенн применяются антенны с узкими диаграммами направленности в обоих плоскостях, содержащие 32 и более вибраторов. Коэффициент усиления этих антенн более 160. С изменением длины волны расстояние между этажами будет отличаться от значения 0, 5 . В результате вибраторы разных этажей будут питаться токами разных амплитуд и фаз. Все это искажает диаграмму направленности. Поэтому такие антенны могут применяться в узком диапазоне волн ( 1, 35 для двухэтажной; 1, 15 для четырехэтажной).

Для того чтобы получить остронаправленную диапазонную антенну, необходимо обеспечить без перестройки элементов антенно-фидерной системы постоянство направления максимального излучения, а по возможности и всю диаграмму направленности при изменении длины волны. Это может быть успешно решено, если во всей антенной системе создать режим бегущих волн. К такому типу антенн относится ромбическая антенна, изображенная на рис. 1.23. Она состоит из четырех горизонтальных проводов 1-4, образующих стороны ромба. Генератор подключается к проводам 1 и 3 с помощью фидера, волновое сопротивление которого равно волновому сопротивлению антенны. Концы проводов 2 и 4 замкнуты на активное сопротивление, также равное волновому. Таким образом, во всей антенной системе создается режим бегущих волн.

Рис. 1.23. Устройство ромбической антенны

Каждый провод антенны создает излучение, максимум которого направлен под углом к проводу. Если острый угол ромба равен 2 , то основные лепестки (а₁, а₂, а₃, а₄) диаграммы направленности всех четырех проводов совпадают по форме и направлению. При этом максимум излучения совпадает с направлением большой диагонали ромба.

При достаточно большой длине провода (l > 4 .) изменение длины волны существенно не изменяет угол , следовательно, направление максимального излучения ромбической антенны сохраняется постоянным в широком диапазоне волн. Рабочий диапазон волн ромбической антенны составляет (0, 8...2, 5) . Для перекрытия всего диапазона коротких волн достаточно иметь две ромбические антенны.

Недостатком ромбической антенны является сравнительно низкий КПД, обусловленный тем, что часть энергии, поступающей от передатчика, поглощается в сопротивлении нагрузки и не расходуется на излучение, а диаграмма направленности характеризуется довольно большими боковыми лепестками (b₁-b₄на рис. 1.23).

Последний недостаток в значительной степени устраняется в двойной ромбической антенне (РГД). Антенна состоит из двух полотен ромбических антенн, смещенных по горизонтали в направлении малой диагонали и соединенных параллельно в вершинах острых углов. Высота подвеса ромбов отличается на 2...3 м, что исключает возможность замыкания между проводами антенны. Это позволяет уменьшить интенсивность боковых лепестков и значительно увеличить коэффициент усиления антенны.

Для получения диаграммы направленности с одним главным направлением излучения или приема рассмотрим систему, состоящую их двух вибраторов 1 и 2, удаленных друг от друга на расстояние d=0, 25 , токи в которых равны по амплитуде, а фазы сдвинуты относительно друг друга на 90° (рис. 1.24, а) так, что ток вибратора 2 опережает ток вибратора 1. Следовательно, в любой момент около вибратора 2 формируется поле Е2, опережающее по фазе на 90° поле Е1, излученное вибратором 1. За время прохождения полем Е2 расстояния d=0, 25 от вибратора 2 до вибратора 1 произойдет отставание по фазе на угол 90°. Имевшееся опережение по фазе окажется скомпенсированным, и около вибратора 1 поля Е1 и Е2 обоих излучателей будут иметь одинаковые фазы. Таким образом, в направлении вибратора 1 будет распространяться волна с удвоенной напряженностью поля (левая векторная диаграмма на рис. 1.24, а).

При распространении в направлении вибратора 2 поле Е1 вибратора 1, пройдя путь d=0, 25 до вибратора 2, получит отставание по фазе на угол 90° и окажется в противофазе с полем Е2 вибратора 2 (φ ₁ = -90°, φ ₂= +90°). Здесь поля взаимно компенсируются, и излучения в этом направлении не будет (правая векторная диаграмма на рис. 1.24, а). В рассмотренной системе вибратор 2 является отражателем и называется рефлектором или зеркалом. Рефлектор, который питается непосредственно от генератора, называется активным рефлектором.

Для упрощения конструкции антенн вибратор 2 часто выполняется пассивным. К нему не подводят питания. Пассивный вибратор возбуждается в этом случае полем активного вибратора. Рассмотрим, например, систему, состоящую из активного вибратора 1 и пассивного вибратора 2 (см. рис. 1.24, б). Предположим, что в вибраторе 1 генератором возбуждается ток I1. В вибраторе, как и в разомкнутой на конце линии с малыми потерями, устанавливается режим стоячей волны, при котором напряжение U1 отстает от тока I1 на угол, близкий к 90° (векторная диаграмма на рис. 1.24, б). Напряжение U1 создает около вибратора 1 поле Е1, совпадающее с ним по фазе. При распространении поля Е1 до пассивного вибратора 2 произойдет запаздывание фазы поля на угол 90° и поле у вибратора 2 - E12 будет отставать по фазе от тока I1 на 180°. Поле Е12 в вибраторе 2 наведет ЭДС е2, совпадающую по фазе с Е12.

Рис. 1.24. Устройство антенн, состоящих из двух вибраторов:

а - вибратор с активным рефлектором; 6 - вибратор с пассивным рефлектором; в - вибратор с пассивным директором

Пассивный вибратор 2 должен иметь плечо l > 0, 25 , т.е. общую длину, несколько большую 0, 5 . Реактивное сопротивление такого вибратора имеет индуктивный характер, и ток I2, обусловленный ЭДС е2, будет отставать от нее на угол, близкий к 90°. В результате ток I2 пассивного вибратора 2 оказывается отстающим от тока I1 активного вибратора 1 на угол, близкий к 270°, что эквивалентно опережению на 90°. Пассивный вибратор с длиной 2l₂ > 0, 5 , в рассматриваемой системе ведет себя как пассивный рефлектор.

Если пассивный вибратор взять короче 0, 5 (см. рис. 1.24, в), то его реактивное сопротивление будет иметь емкостный характер. Теперь ток 12 будет опережать ток I1 на угол, близкий к 90°. Максимум излучения будет направлен в сторону пассивного вибратора 2. За активным вибратором поле будет ослаблено. Такой пассивный вибратор называется директором.

Отметим, что антенны, использующие вышеописанный принцип работы, широко применяются и в диапазоне МВ. Наибольшее применение они нашли в качестве приемных телевизионных антенн метрового и дециметрового диапазонов.

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 789 10 11 12 Следующая ⇒