ДИАПАЗОННЫЕ И РЕЗОНАНСНЫЕ АНТЕННЫ

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 20Следующая ⇒

Антенна должна выполнять свои функции не на одной частоте, а применительно к некоторой полосе частот, к некоторому непрерывному участку спектра частот, который определяет ее рабочий диапазон. При этом антенна и ее фидерный тракт не должны вносить заметных искажений в распределение энергии между отдельными частотами спектра. Насколько антенна оправляется с поставленной задачей, показывает ее частотная характеристика, а точнее — частотные характеристики зависимости входных сопротивлений антенны от частоты и к.н.д. от частоты.

Деление антенны на диапазонные и недиапазонные в известной мере носит условный характер. В настоящее время антенны, перекрывающие двукратный диапазон рабочих частот

К = l_max/l_min = f_max/f_min = 2,

относят к диапазонным антеннам.

Диапазонные антенны не требуют изменения геометрических размеров при переходе с одной частоты на другую и во многих случаях позволяют существенно расширить возможности приема и передачи радиоволн. Кроме этого, при изготовлении они допускают отклонения от заданных номинальных размеров без заметного изменения своих электрических параметров, что является немаловажным фактором при изготовлении и отладке таких антенн в любительских условиях.

Подавляющее большинство простых и сложных антенн имеют в своей основе вибраторный излучатель того или иного типа. Поэтому диапазонные свойства сложной антенны во многом зависят от аналогичных свойств излучателей-элементов, из которых она составлена. Kaк уже отмечалось, диапазонность антенны определяется допустимыми пределами изменения ее входного сопротивления и КНД. Что касается вибраторного излучателя-элемента, то его диапазонные свойства обусловлены, главным образом, частотной зависимостью входных сопротивлений.

Входное сопротивление вибратора зависит от распределения в нем тока и напряжения. Чем тоньше вибратор (чем меньше его поперечные размеры), тем больше разница между минимальным и максимальным значениями тока на нем (распределение тока близко к стоячей волне) и тем больше пределы изменения его входных сопротивлений в диапазоне частот.

С увеличением поперечных размеров вибратора уменьшается энергия, отраженная от его концов, сглаживается различие между минимумами и максимумами тока (распределение тока все больше напоминает бегущую волну), уменьшаются пределы изменения входных сопротивлений от частоты, т. е. появляется возможность широкополосного согласования вибратора с фидером. Отметим, что при увеличении поперечных размеров, проводников увеличивается их распределенная емкость, чем снижается волновое сопротивление вибратора, которое характеризуется отношением напряжения к току в бегущей волне. Распределение тока, близкое к бегущей волне, и связанные с этим апериодические свойства антенны можно получить не только путем увеличения поперечных размеров проводников, но и за счет увеличения их длины.

Таким образом, получение диапазонных свойств антенны по входным сопротивлениям связано с необходимостью увеличения поперечных размеров или длины проводников, а следовательно, с увеличением габаритных размеров, массы, парусности и стоимости антенны. Сказанное можно проиллюстрировать на примере. Характеристика направленности элементарного диполя, как известно, имеет форму тороида. Его КНД = 1, 5. По мере увеличения длины плеча от 0 до 0.625l направленность антенны изменяется незначительно, увеличиваясь примерно в четыре раза. По этому параметру диапазонность вибратора практически безгранична.

Оценим теперь изменение активной составляющей R_a входного сопротивления вибратора в том же диапазоне частот 0 < l/l < 0, 625. При l/l » 0 R_a » 0 и говорить о вибраторе как об антенне нереально. По мере увеличения отношения l/l значение R_a тоже увеличивается. Так, при l/l » 0, 2 R_a » 35 Ом, а при l/l =0, 25 R_a » 75 Ом. При дальнейшем увеличении отношения l/l для оценки, значений R_a необходимо уже учитывать диаметр d плеча вибратора. Так, при l/l » 0, 5 для диаметров d₁ = 0, 014l, d₂= 0, 028l, d₃= 0, 1l активные составляющие входного сопротивления вибраторов соответственно равны R_a₁ = 1200 Ом, R_a₂ = 820 Ом, R_a = 420Ом.

Эти цифры говорят о том, что по диапазону частот значения входного сопротивления вибратора могут изменяться в сотни и даже тысячи раз. Это обстоятельство вынуждает практически сокращать пределы изменения l/l до тех пор, пока не будет достигнуто соотношение R_a _max/R_a _min » 10.

Для вибратора, имеющего диаметр d₁= 0, 014/, перекрытие по частоте составит К @l_max/l_min » 1, 65, а для вибратора, имеющего диаметр d₃=0, 1lсоответственно равно К » 2, 2. Таким образом, приходим к выводу, что первый вибратор нельзя отнести к диапазонным, а второй можно. Достигнуто это семикратным увеличением диаметра второго вибратора по отношению к первому.

Вопросы, связанные с изменением входного сопротивления антенны, определяют задачи ее литания, в частности, задачи согласования антенны с фидером, о которых будет сказано ниже.

ПИТАНИЕ АНТЕНН ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ

НАЗНАЧЕНИЕ ФИДЕРНЫХ ЛИНИЙ И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ

Устройства, предназначенные для передачи высокочастотной энергии от передатчика в антенну или от антенны к приемнику, называют фидерами (линиями передачи энергии). Качество фидерной линии во многом определяет работоспособность радиотехнического устройства в целом, поэтому к фидеру предъявляют ряд требований: передающий фидер не должен излучать, а приемный — возбуждаться под действием электромагнитных волн. Кроме того, передача энергии вдоль фидера должна осуществляться с наименьшими потерями, наименьшим напряжением и с наименьшими искажениями передаваемых сигналов.

Основным параметром линии передачи является волновое сопротивление Z_o= . Оно характеризуется погонными (приходящимися на единицу длины) индуктивностью L и емкостью С линии.

Волновое сопротивление на радиочастотах является величиной чисто активной и определяется формой и относительными поперечными геометрическими размерами линии, а при наличии диэлектрика и его параметрами.

Ливия передачи может быть образована параллельными проводами, пластинами, коаксиальными или другими проводниками, разделенными изоляторами. В любительских условиях наибольшее распространение получили коаксиальные и двухпроводные симметричные линии. На рис. 15 показаны графики, которые позволяют выбрать геометрические размеры для построения линий по заданному волновому сопротивлению или определить последнее по геометрическим размерам имеющейся линии с воздушным заполнением.

В коаксиальной линии, состоящей из внутреннего и внешнего проводников (внешней концентрической оболочки), электромагнитное поле сосредоточено внутри линии. Внешний проводник выполняет роль экрана и поэтому в таких конструкциях нет потерь на излучение. Двухпроводная линия не имеет этого свойства. С ростом частоты у нее увеличиваются потери на излучение. Для уменьшения потерь двухпроводные линии иногда помещают в экран либо стремятся уменьшить их длину.

Рис.15. Зависимость волнового сопротивления фидерных линий

от поперечных размеров.

Во всем диапазоне УКВ для передачи электромагнитной энергии на значительные (по сравнению с l) расстояния применяют, как правило, гибкие коаксиальные кабели различных типов, которые отличаются волновыми сопротивлениями и способом крепления центрального проводника.

Эффективность передачи энергии по линии определяется погонным затуханием β, выраженным в децибелах или неперах на метр, и длиной линии (КПД фидера η _ф).

Так как по пути движения волны часть переносимой ею энергии расходуется на потери в линии, то полезная мощность Р_к на конце линии меньше полной мощности в ее начале Р_н, и максимальный КПД равен

η _ф _mах = Р_к/Р_н=е^{-2β l}, (27)

где l — длина линии. Из формулы следует, что чем меньше коэффициент погонного затухания линии β и ее длина l, тем больше КПД.

Рис.16. Коэффициент рассогласования нагрузки с фидером.

Если к фидерной линии подключить нагрузку (в частном случае антенну), сопротивление которой, например R_н, не равно волновому сопротивлению Z_o фидера, то часть энергии, подведенной к нагрузке, отразится обратно и полезная мощность, выделенная на ней, станет меньше Р_к.

Оказывается, что η _ф будет максимальным, если сопротивление нагрузки равно волновому сопротивлению фидера R_K = Z₀. Считают, что в этом случае фидер полностью согласован с нагрузкой. Степень согласования фидера с нагрузкой характеризует КБВ = К. Коэффициент бегущей волны (КБВ) может изменяться в пределах от 0 до1: K= R_н/Z_o, если R_н < Z_o и К=Z_o/R_н, если R_н > Z_o. При неполном согласовании фидера с нагрузкой η _ф становится меньше η _ф _max. На рис. 16 дана зависимость параметра m от КБВ в фидере, который позволяет оценить КПД фидера как

η _ф » η _ф _max m = е ^{-2β l}m. (28)

В любительской практике выполнять задачи согласования антенн с питающим фидером затруднительно, так как им сопутствуют сложные измерения. Радиолюбители нередко недооценивают важности этапа согласования при построении направленных антенн — антенных решеток и допускают на этом этапе некоторые просчеты, один из которых иллюстрируется примером, приведенном на рис. 17.

Рис.17. Роль согласования с фидером при передаче мощности в приемник.

Рис.18. Зависимость поглощаемой мощности P_Σ, эффективной поверхности S_эфф на входе приемника P_пр от числа n элементов антенной решетки

Будем считать, что имеем антенну, представляющую собой один (п=1) излучатель с эффективной площадью S_o _эфф, полностью согласованный (К=1) с питающим фидером (без потерь), волновое сопротивление которого равно Z_o (рис. 17а). Такая антенна поглощает из падающей на нее плоской электромагнитной волны мощность Р_S, = Р_о и полностью (без потерь) канализирует ее на вход приемника.

Мощность на входе приемника P_пр1 = Р_S, = Р_о. Увеличим вдвое эффективную площадь антенны за счет построения решетки из двух (п=2) таких излучателей, волновое сопротивление питающего фидера оставим прежним, т. е. Z_o (рис. 17, 6). При этом антенна поглощает мощность Р_S, — 2P_o, а к приемнику подводится только часть этой мощности, так как в питающем фидере после параллельного подключения излучателей одного к другому

К = 1/n = 0, 5.

При п=2 Р_пр2 = Р_S,

m = 2Р₀0, 89 = 1, 78Р_о,

где т взято по графику рис. 16 для К = 0, 5. Сходный эффект получается и при параллельном соединении трех элементов (рис. 17, в). Если продолжить рассуждения, то можно получить зависимость, приведенную на рис. 18. Из рисунка видно, что эффективная площадь антенны прямо пропорциональна числу п излучателей в решетке. Мощность же, подводимая к приемнику, с ростом числа п асимптотически приближается к 4Р_о.Этот пример наглядно показывает бесплодность попыток увеличивать эффективность антенной решетки без учета согласования ее. элементов с фидером. Трудности, связанные с согласованием, можно разрешить или применением специальных согласующих устройств, или обойти специальным выбором типов облучателей и фидеров. Второй путь в ряде случаев оказывается предпочтительнее. Ниже эти вопросы будут рассмотрены подробнее.

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