Простые слабонаправленные излучатели

 

Вибратор в антенной теории – это излучатель в виде тонкого проводника (электрический вибратор) или узкой длинной щели в металлическом экране (щелевой вибратор).

Симметричный вибратор (СВ) – линейная антенна, состоящая из двух одинаковых по длине отрезков провода, соизмеримых с длиной волны и подключенных к источнику возбуждения или к приемнику в средних точках.

Длину каждого плеча обозначим l, ширину зазора между ними – D. Т.к. обычно D«l, общая длина антенны равна (рис. 6).

 

Рис.6. Симметричный вибратор

 

Строгое решение задачи нахождения тока в плечах вибратора затруднено, поэтому используют метод интегродифференциальных уравнений, предложенный Гелленом и развитый в дальнейшем Леонтовичем и Левиным [1].

СВ можно получить из разомкнутой 2-х проводной линии при развороте ее проводов на 180°. В этом случае распределение токов в проводах практически не изменится, но их ориентировка в пространстве станет другой.

В разомкнутой линии распределение тока представляется суперпозицией двух бегущих волн: падающей и отраженной [2], амплитуды которых равны. При этом функция распределения тока имеет вид:

, (2.1)

где – ток на входе линии, , – коэффициент затухания, – коэффициент фазы, z – координата вдоль линии отсчета от входных точек СВ, а само распределение показано на рис. 7.

 

Рис. 7. Распределение тока в СВ

Как видно из рис. 7, ток на концах вибратора всегда равен нулю, а все другие нулевые значения отсутствуют. При этом в плечах наблюдается полная симметрия распределения тока.

Для нахождения ДН СВ представим его в 3-х мерной системе координат (рис. 8).

Рис.8. СВ в сферической системе координат

 

В этом случае суммарная напряженность электрического поля, которая создается всеми элементами, на которые можно разбить вибратор, равна

. (2.2)

Из (2.2) следует, что амплитудная ДН симметричного вибратора

, (2.3)

причем первый множитель в правой части – это ДН элементарного электрического вибратора, а второй – множитель системы. Из анализа (2.3) можно сделать вывод: амплитудная ДН не зависит от азимутального угла φ. Следовательно, ДН СВ в его экваториальной плоскости (θ = π/2, плоскость Н) представляет собой окружность. Вид амплитудной ДН в плоскости, проходящей через ось вибратора (плоскость Е) зависит только от отношения l/ λ. При любой длине плеча СВ не излучает вдоль своей оси.

На рис. 9 изображена объемная ДН СВ.

 

Рис. 9. Объемная ДН симметричного вибратора

 

На рис. 10 приведены некоторые амплитудные ДН для различных отношений l/ λ.

 

 

Рис. 10. ДН симметричного вибратора для различных отношений l/ λ

 

Коэффициент направленного действия (КНД) симметричного вибратора можно определить из выражения для амплитудной ДН (2.3):

. (2.4)

Вычисление интеграла обычно производят численными методами, а наибольшее значение КНД СВ равно 3,36 при отношении l/ λ=0,625. Т.к. омические потери в вибраторах малы, то можно считать, что коэффициент усиления (КУ) численно равен КНД, т.е. .

 

Первая практическаяантенна в виде несимметричного вибратора была предложена изобретателем радио А. С. Поповым в 1895. Несимметричный (относительно точки подвода питания) вибратор представляет собой длинный вертикальный провод, между нижним концом которого и заземлением включается передатчик или приемник (рис. 11, а).

Рис. 11. Вертикальный несимметричный вибратор: а — схема: 1 — провод (излучатель); 2 – клеммы, присоединяемые к передатчику; 3 — направление в точку наблюдения; 4 — система заземления; 5 — поверхность земли; б — диаграмма направленности в вертикальной плоскости; в — диаграмма направленности в горизонтальной плоскости

Заземление обычно выполняется в виде системы радиально расположенных проводов, которые закапывают в землю на небольшую глубину. Эти провода соединены общим проводом с одной из клемм передатчика или приемника. Диаграмма направленности вертикального несимметричного вибратора, длина которого мала по сравнению с λ, имеет в вертикальной плоскости (при высокой электрической проводимости земли) вид полувосьмерки (рис. 11, б); в горизонтальной — форму круга. КНД такой антенны равен 3. Как видно из рис. 11, б, вертикальный несимметричный вибратор обеспечивает интенсивное излучение вдоль поверхности земли и поэтому получил широкое применение в радиосвязи и радиовещании на длинных и средних волнах. На этих волнах свойства почвы близки к свойствам высокопроводящей среды и обычно требуется обеспечить интенсивное излучение вдоль поверхности земли.

Одной из важных характеристик антенн такого типа является сопротивление излучения R_изл. При длине вибратора l = ¹/₄ λ под сопротивлением излучения обычно подразумевают отношение излученной мощности к квадрату эффективного значения силы тока, измеренного у нижнего конца вибратора. Чем больше R_изл, тем больше излучаемая мощность (при заданном токе в вибраторе), выше КПД, шире полоса пропускаемых частот и ниже максимальная напряженность электрического поля, возникающая у поверхности провода антенны при заданной подводимой мощности. Т. к. максимальная напряженность поля, во избежание ионизации окружающего воздуха и пробоя изоляторов, поддерживающих антенну, не должна превосходить определённого значения, то чем больше R_изл, тем больше максимальная мощность, которую можно подвести к антенне. R_изл увеличивается с ростом отношения l /λ, а также с повышением равномерности распределения тока по длине вибратора. Расширение полосы пропускаемых частот и снижение максимальной напряженности поля достигаются также увеличением диаметра провода антенны или применением нескольких параллельно соединенных проводов (снижение волнового сопротивления антенны).

Одной из разновидностью несимметричного вибратора является антенна наклонный луч (НЛ), излучающий провод которой находится под некоторым углом α относительно поверхности земли.

Петлевой вибратор. Для получения низкого КСВ в питающем фидере необходимо, чтобы входное сопротивление R_вх было чисто активным и близким к волновому сопротивлению фидера Z_в. Обеспечить указанные требования можно, если вибратор выполнить по петлевой схеме, предложенной Пистолькорсом. Такой вибратор состоит из двух параллельных проводов, находящихся на расстоянии d/ λ = 1/20…1/40. Концы проводов короткозамкнутые, длина петлевого вибратора составляет примерно λ/2 (рис. 12).

 

Рис. 12. Петлевой вибратор Пистолькорса

 

Распределение тока в петлевом вибраторе можно сравнить с распределением тока в короткозамкнутой двухпроводной линии. Провода вибратора возбуждаются в фазе.

Известно [3], что R_вх петлевого вибратора составляет ≈292 Ом и является чисто активным. Реактивную составляющую можно обратить в ноль, если настроить вибратор в резонанс. Для этого его длину несколько укорачивают по сравнению с λ/2. Питание петлевого вибратора осуществляется типовым симметричным фидером с Z_в = 300 Ом. В этом случае КСВ близок к единице.

Крепление антенны осуществляется к опоре с помощью металлического стержня, прикрепленного к середине верхнего провода. В центре – узел напряженности электрического поля, поэтому наличие стержня крепления в этой точке не влияет на работу вибратора.

Петлевой вибратор широко используются в диапазонах дециметровых и метровых волн (например, в качестве телевизионных приемных антенн).

Необходимость расширения рабочего диапазона вибраторных антенн привела к конструкции, предложенной Айзенбергом (рис. 13). Антенна выполнена из двух частей, которые имеют различные частотные зависимости входных сопротивлений.

 

Рис. 13. Диапазонный шунтовой вибратор: а) – схема включения; б) – упрощенная эквивалентная схема. 1,2 – точки питания, 3,4,5,6,7 – шунты

 

Шунт 3-7-4 одновременно выполняет функции крепления. При определенном подборе геометрических размеров вибратора и шунта реактивная составляющая разомкнутого отрезка линии 3-5-6-4 компенсируется реактивным входным сопротивлением замкнутого отрезка 3-7-4. В этом случае КСВ лежит в пределах 3÷3,5 в пятикратном диапазоне длин волн (0,15≤ l/ λ≤0,65). Угол φ не должен быть больше 45°, а при его увеличении возрастает неравномерность ДН в плоскости Н (максимум излучения направлен в противоположную шунту сторону).

Для снижения массы вибраторов большого диаметра можно изготавливать их полыми (в виде трубок). Однако в диапазоне метровых волн антенна все равно имеет значительную массу. В этом случае целесообразно использовать диполь Надененко, который выполнен из проводов по образующей цилиндра (рис. 14).

Рис. 14. Диполь Надененко: 1 — диполь; 2 — симметричная линия питания; 3 — изоляторы; 4 — мачта с секционированными оттяжками; 5 — поверхность земли

 

Эта антенна имеет малое волновое сопротивление, вследствие чего ее входное сопротивление в широком диапазоне волн мало зависит от длины волны, что позволяет обеспечить хорошее согласование с питающим фидером в более чем 2-кратном диапазоне волн без перестройки. КНД диполя Надененко (с учетом влияния земли, устраняющей излучение в нижнее полупространство) лежит в пределах от 6 до 12.

Биконические антенны весьма широкополосны как по направленным свойствам, так и по входному сопротивлению (рис.15).

 

Рис. 15. Биконическая антенна

 

При малых значениях θ₀ входное сопротивление биконических антенн сильно зависит от частоты. При увеличении θ₀ эта зависимость сглаживается, активное входное сопротивление имеет величину , где Z_B – волновое сопротивление бесконечной биконической линии.

Улучшить степень согласования биконической антенны с фидером можно за счет применения согласующих шунтов, которые расположены в апертуре вибратора S.

К широкополосным вибраторным антеннам относятся плоские вибраторы с плечами треугольной формы. Практически антенну из плоских конусов выполняют по схеме, представленной на рис.16, а.

 

Рис.16. Плоские треугольные вибраторы

 

Металлические шунты, замкнутые на краях конусов, играют аналогичную роль, как и в биконической антенне. Угол θ₀ лежит в пределах 35…50°. Такие антенны работают в очень широкой полосе частот. Их длина L несколько превосходит длину биконических антенн (0,3λ и 0,2λ соответственно). Это условие необходимо для обеспечения согласования на граничных частотах.

Для уменьшения длины плоских вибраторов без ухудшения согласования шунты можно подключать по схеме, изображенной на рис. 16,б. Роль дополнительного согласующего элемента играет емкостное сопротивление, значение которого определяется зазором между торцом вибратора и металлической перемычкой, а также размерами самой перемычки.

В диапазонах СДВ, ДВ и СВ часто применяются несимметричные вибраторы, которые называются Г -, Т - и П – образными антеннами (рис.17).

 

Рис. 17. а) – Г-образная, б) – Т-образная, в) – П-образная антенны

 

Г-образная антенна состоит из горизонтальной и вертикальной частей соответствующей длины: l_Г и l_В. Горизонтальная часть практически не излучает, так как поля токов, обтекающих ее, компенсируются полем противофазных токов зеркального изображения, находящихся на удалении 2 l_В, которое на ДВ намного меньше λ. Излучателем является вертикальная часть (иногда называемая снижением), поле которой складывается с полем его зеркального изображения. Для снижения потерь используют заземление, состоящее из системы проводов, уложенных в земле на небольшой глубине.

На подвижных, например, автомобильных радиостанциях, вместо заземления применяют противовес, который состоит из системы проводов, подвешенных над землей. Однако потери в такой антенне возрастают.

Аналогично устроены Т - и П - образные антенны. Разновидность подобных антенн является зонтичная антенна, которая имеет одно снижение и горизонтальную часть в виде зонтика из нескольких радиальных проводов [4].

В диапазоне ДВ и СДВ реактивное входное сопротивление антенны Х_вх обычно имеет емкостной характер, поэтому для ее настройки в резонанс включают «удлинительную» катушку, индуктивность которой , где ω – циклическая рабочая частота.

На СВ из-за значительных размеров антенны (относительно λ), реактивное сопротивление может быть индуктивным. В этом случае для настройки антенны используют «укорачивающий» конденсатор, емкость которого равна .

К вибраторным антеннам можно отнести и дискоконусную антенну, отличительной чертой которой является ее сверхширокополосность. Такая антенна представляет собой (рис. 18) вертикально поляризованный излучатель с горизонтальной круговой ДН, во многом аналогичной ДН вертикального полуволнового вибратора.

 

Рис. 18. Дискоконусная антенна и ее разновидности: а) – однородная, б) – скелетная,

в) – смешанная

 

Дискоконусная антенна (ДКА) проста по своему устройству и нечувствительна к отклонениям от номинального размера. Поэтому ДКА широко используются в коммерческом вещании в диапазоне ДМВ и МВ.

ДКА состоит из металлического конуса с диском на вершине (рис. 18,а). Она относится к антеннам с верхним питанием, и поэтому снабжена концевой емкостью в виде диска и конусообразным внешним проводником. В таком виде антенна используется в диапазоне ДМВ. В КВ и МВ-диапазонах применяют скелетные формы (рис.18, б). Тем самым обеспечивается снижение массы и ветрового сопротивления, снижаются затраты на производство без ущерба для электрических свойств.

Питание ДКА осуществляется коаксиальным кабелем, проложенным внутри конуса к его вершине. Там экранный провод припаивается к конусу, который в этом случае является продолжением экрана. Внутренняя жила фидера припаивается к центру диска, который изолирован от корпуса.

Угол раскрыва α может лежать в широких пределах и от его величины зависит КСВ антенны. Однако изменение КСВ весьма незначительны, поэтому угол α при изготовлении ДКА предпочитают брать равным 60°. При этом осевое сечение конуса является равносторонним треугольником.

ДН в плоскости Н является круговой на всех рабочих частотах и не зависит от угла раскрыва.

Коэффициент усиления дискоконусной антенны составляет 0 дБ по отношению к полуволновому вибратору или 2,15 дБ к изотропному излучателю. Общие потери в диапазоне рабочих частот не превышают 3,3 дБ [5].

 

C

Для приема на длинных и средних волнах, помимо несимметричных вибраторов, пользуются рамочной антенной (рис. 19) и так называемыми магнитными антеннами, а также сложной антенной, представляющей собой композицию из рамочной антенны и вертикального симметричного вибратора.

Рис. 19. Квадратная рамочная антенна и распределение тока

 

Рамочную антенну можно рассматривать как два поэтажно расположенных и синхронно возбуждаемых полуволновых вибратора, поэтому излучение сфокусировано в плоскости Н. Из рис. 19 видно, что горизонтальные отрезки антенны возбуждаются синфазно, что свидетельствует о линейной поляризации электромагнитной волны. На входе антенны ток распределяется аналогично полуволновому вибратору. Излучатель запитывается в пучности тока. На внешних концах D и B ветвей вибратора по обе стороны от клемм питания находятся узлы тока, где изменяется его направление, поэтому горизонтальные ветви возбуждаются синфазно, а вертикальные – противофазно.

Серьезным недостатком рамочной антенны является наличие в ней антенного эффекта – нежелательного излучения или приема электромагнитных волн проводниками электрического тока, не предназначенными для этих целей. Врамочной антенне антенный эффект – это искажение ее диаграммы направленности, возникающее при нарушении симметрии в конструкции самой рамки или соединительных проводах и присоединяемых устройствах, что приводит к появлению нежелательного приема в направлении нормали к плоскости рамки. Искажение ДН при наличие антенного эффекта поясняется на рис. 20.

 

Рис. 20. ДН рамочной антенны: а) – антенный эффект отсутствует, б) – расплывчатость минимумов, в) – излом оси минимумов, г) – общий случай антенного эффекта

 

 

Простейшая рамочная антенна вертикально-поляризованных волн — это рамка из одного или нескольких витков провода, расположенных в вертикальной плоскости. Если сторона (диаметр) витка много меньше λ, то диаграмма направленности рамочной антенны имеет вид восьмерки и ЭДС, наведенная в рамке, составит:

, (2.5)

где h_д—действующая высота рамки, имеющей N витков сечением S, выражается формулой:

. (2.6)

ЭДС, наводимые в вертикальных плечах рамочной антенны, пропорциональны значениям поля Е. В положении 1 на рис. 21 при обходе контура рамки по стрелке эти ЭДС вычитаются, но их разность не равна нулю, так как Е1≠Е2. В этом положении сечение антенны пронизывают линии переменного магнитного поля Н, наводя дополнительно ЭДС индукции. Общая ЭДС e _р будет суммой результатов воздействия полей E и Н. В положении 1 амплитуда е _р максимальна. В положении 2 плоскость рамочной антенны параллельна фронту волны (плоскость хоу), поэтому в вертикальных плечах наводятся одинаковые ЭДС, которые взаимно уничтожаются. Линии поля Н не пронизывают сечение витка. В этом положении e _р=0. Действующая высота рамочной антенны много меньше ее физических размеров.

 

Рис. 21. Пояснение принципа действия рамочной антенны

 

Наиболее эффективное средство устранения антенного эффекта — экранирование рамки. Экран 2 делают в виде кольца из металлической трубы с разрезом 1 (рис. 22). В трубке укладывают витки рамки 3. Трубу заземляют симметрично относительно разреза. Конструкция обеспечивает высокие механические качества рамочной антенны и устраняет антенный эффект. Индуктивность и действующая высота рамочной антенны не изменяются, но увеличивается собственная емкость и несколько падает ее добротность из-за потерь в экране.

Рис. 23. Прием рамкой горизонтально-поляризованной волны: 1 – фронт волны, 2 – плоскость рамки

Рис. 22. Экранированная рамка: 1 – разрез, 2 – экран, 3 – провод

Прием горизонтально-поляризованных волн возможен при наклоне плоскости рамки 2 к фронту волны 1 (рис. 23), при этом получается отличный от нуля сдвиг фаз между ЭДС, наведенными в горизонтальных плечах рамки, и при сложении они взаимно не уничтожаются, как это было бы в случае е _р = 0. ЭДС e _р максимальна, если плоскость рамочной антенны перпендикулярна плоскости распространения, и минимальна, когда эти плоскости совпадают. Диаграмма направленности рамочной антенны при приеме горизонтально-поляризованной волны имеет вид восьмерки, смещенной на 90° относительно диаграммы для вертикально-поляризованной волны (рис. 24). Ошибка пеленга Δп из-за влияния горизонтальной составляющей поля E называется поляризационной ошибкой.

Рис. 24. ДН рамочной антенны: а) – при вертикальной поляризации, б) – при горизонтальной поляризации, в, г) – общий случай, Dп – ошибка пеленга

Индукционная ферритовая антенна, кратко называемая магнитной, представляет собой многовитковую оболочку, расположенную на разомкнутом ферритовом сердечнике (рис.25). Использование ферритового стержня, обладающего высокой магнитной проницаемостью, приводит к концентрации магнитных силовых линий внешнего поля в сердечнике, а, следовательно, к увеличению индуктивности.

Рис. 25. Ферритовая (магнитная) антенна

 

Рабочую частоту антенного контура следует выбирать гораздо ниже собственной резонансной частоты, т.к. в резонансной области эффективность индукционной антенны падает из-за шунтирующего влияния собственной ёмкости.

Поскольку индукционную ферритовую антенну можно рассматривать как малогабаритную, многовитковую рамочную антенну с ферритовым заполнением, то ЭДС, наводимую в антенной обмотке внешним полем сигнала, на основании известного закона электромагнитной индукции можно записать в следующем виде: A(t) = -dФ/dt, где Ф = BS_эффW – магнитный поток, пронизывающий виток антенной обмотки; W – число витков антенной обмотки; B = μH_С – магнитная индукция; μ = μ'μ₀ – абсолютная магнитная проницаемость среды, равная произведению относительной магнитной проницаемости μ' и магнитной проницаемости вакуума μ₀, если в антенне не применяются магнитные материалы, то μ' = 1; H_C – напряженность магнитного поля сигнала; S_эфф – эффективная площадь сечения антенной обмотки.

Так как ЭДС, наводимая в рамке, зависит от угла поворота рамки относительно направления на передающую станцию, эффективную площадь рамки можно записать как S_эфф = Scosθ или S_эфф = Scosφ, где S – геометрическая площадь витков антенной обмотки; θ - угол, составленный плоскостью витков антенны и направлением прихода радиоволн. При гармоническом характере изменения внешнего магнитного поля сигнала H_c = H_0C+H_mcsinφ_сt, где H_mc – амплитудное значение; H_0C – постоянная составляющая; φ_с– частота сигнала выражение для ЭДС на зажимах магнитной антенны можно привести к следующему виду: E(t)= - μ₀μ_Д W_x sinφ cosθ, где μ_Д – действующее значение относительной магнитной проницаемости сердечника, показывающее, во сколько раз увеличивается магнитный поток обмотки с сердечником по сравнению с потоком, проходящим через обмотку без сердечника, при одной и той же напряженности магнитного поля сигнала. Направленные свойства ферритовой антенны описываются множителем:

F(θ) = cosθ,

F(φ) = cosφ,

в зависимости от выбранного отсчета углов θ и φ. Диаграмма направленности магнитной антенны в плоскости, проходящей через ее ось, имеет форму «восьмерки» и показана на рис.26. Пространственная диаграмма направленности – тороид.

Рис.26. ДН магнитной ферритовой антенны

 

Как видно из рис. 26 (положение 1), нуль диаграммы направленности магнитной антенны совпадает с осью антенны (сердечника).

При распространении волны с этого направления (θ=90⁰ или φ=0⁰) магнитный поток не пересекает плоскости витков обмотки антенны и ЭДС в них не наводится. ЭДС имеет максимальную величину в случае, когда направление прихода радиоволн (и направление вектора Пойтинга П_С) совпадает с осью антенны (положение 2). В этом случае через витки антенной обмотки проходит максимальный магнитный поток.

Благодаря наличию нулей в диаграмме направленности поворотом магнитной антенны, например, из положения 1 в положение 2, можно осуществить пространственную селекцию и, таким образом, отстроиться от наиболее мешающей станции, либо определить ее направление (пеленг) по исчезновению слышимости.

Приемная ферритовая антенна преобразует энергию электромагнитного поля в электрические колебания, усиливаемые далее приемником. Качество этого преобразования может быть оценено действующей высотой антенны h_C – коэффициентом, связывающим напряженность электрического поля с величиной ЭДС, развиваемой антенной E= h_CE'.

Действующая высота ферритовой антенны определяется величиной магнитного потока в сердечнике и степенью связи этого потока с антенной катушкой. В соответствии с этим в расчетную формулу, определяющую действующую высоту h_Д, входят действующая проницаемость сердечника μ_Д, площадь его поперечного сечения S, длина рабочей волны λ и число витков антенной катушки W

. (2.7)

Антенная обмотка магнитной антенны используется обычно в качестве индуктивности входного контура, который подключается непосредственно ко входу приемника. При этом, если входное сопротивление усилительного элемента первого каскада приемника значительно превосходит эквивалентное сопротивление входного контура, не оказывая шунтирующего действия на него, то напряжение на контуре увеличивается в Q раз.

Из характеристики магнитной антенны очевидно, что использование таких антенн, как приемных, наиболее выгодно там, где предъявляются жесткие требования к габаритам антенн, например, в самолетной радиоаппаратуре, а так же в радиовещательных приемниках. Введение ферромагнитного сердечника позволяет резко уменьшить геометрические размеры рамочной антенны, а свойства магнитного сердечника концентрировать магнитные силовые линии позволяет устанавливать ферритовые антенны заподлицо с металлическими поверхностями.

В 1969 г. классическая рамочная антенна была преобразована в новый элемент треугольной формы, который был назван Delta-Loop или антенна-дельта. Подобная антенна имеет вид равностороннего треугольника со стороной λ/3 (рис. 27). Питание антенны осуществляется в нижней вершине.

 

Рис. 27. Дельтаобразная антенна и распределение тока

 

В изображенном на рисунке исполнении антенна является самонесущейся конструкцией и по сравнению с рамочной антенной дает экономию материалов и имеет механические преимущества.

Расчетное усиление антенны-дельты составляет 0,67 дБ и несколько уступает квадратной рамке; сопротивление излучения R_S равно 106 Ом, а входное сопротивление лежит в пределах 90 – 100 Ом. Резонансная длина антенны-дельта рассчитывается по выражению: . При этом предполагается, что сама антенна расположена над поверхностью земли на высоте не менее λ/2.

Антенна-дельта излучает радиоволны в двух противоположных направлениях в обе стороны от плоскости элемента при ширине главного луча в плоскости Е около 80˚ и его слабой фокусировки в плоскости Н и по своей форме близка к ДН рамочной антенны. При горизонтальной поляризации антенны можно получить слабое вертикально поляризованное поле, распространяющееся в направлении главного луча. Это объясняется тем, что токи, текущие по сторонам А и В, хотя и компенсируют друг друга, имеют некоторый угол относительно земной поверхности, и поэтому вносят лишь незначительный вклад в горизонтально поляризованную составляющую. Кроме вышеперечисленных достоинств в дельтаобразной антенне слабее выражен антенный эффект.

Для расширения рабочего диапазона дельтаобразных антенн рамка с периметром λ разрывается против клемм питания, и в разрыв включается запирающий контур, настроенный на удвоенную частоту. Он слабо влияет на резонансную частоту, но запирает удвоенную (рис. 28).

Рис. 28. Двухдиапазонная антенна-дельта

 

Дельтаобразные и рамочные антенны используются как самостоятельно, так и совместно, образуя сдвоенные, строенные и т.д. рамочные антенны. Одной из таких разновидностей является антенна «швейцарский квадрат».

 

 

Рис. 29. Антенна «швейцарский квадрат»

 

Антенна состоит из двух параллельных квадратов со сторонами λ/4 и удаленными друг от друга на 0,1λ. Участки в средней части обеих горизонтальных сторон согнуты под углом 45˚, поэтому средние точки этих сторон сходятся в одной плоскости к опорной мачте.

В точках пересечения обеих трубок течет максимальный ток, поэтому контакт между ними должен быть надежным. Малое напряжение в пучности тока позволяет соединять эти точки рамки с несущей мачтой без изоляторов.

Оригинален способ питания антенны. Рефлекторы, как правило, возбуждают пассивно, т.е. за счет связи излучения. Вследствие сплошного питания энергия равномерно распределяется по всем элементам, а сопротивление излучения лежит в пределах 30 – 40 Ом (рис. 30).

Рис. 30. Питание «швейцарского квадрата» с использованием сдвоенного Т-образного согласования	Рис. 31. Диаграмма направленности антенны «швейцарский квадрат»

ДН антенны имеет вид (рис. 31). Обратное излучение подавляется на 13 дБ. Благодаря питанию рефлектора усиление составляет порядка 6 дБ.

«Швейцарский квадрат» используют для радиообмена на длинных радиотрассах в диапазоне коротких и средних длин волн.

С развитием техники радиосвязи, радиовещания и телевидения появилась необходимость передачи и приема радиоволн с круговой или вращающейся поляризацией. В связи с этим были разработаны соответствующие типы антенн.

Простейшей антенной с вращающейся поляризацией является турникетная антенна. Она состоит из двух симметричных электрических вибраторов, расположенных перпендикулярно друг к другу (рис. 32). Возбуждение вибраторов осуществляется токами равной амплитуды, но сдвинутыми по фазе на 90°.

Рис. 32. Турникетная антенна

 

В точке А, расположенной на оси z, векторы электрического поля, излучаемого вибраторами, ортогональны друг другу, имеют равные амплитуды и сдвинуты по фазе на 90°, что обеспечивает в этой точке круговую поляризацию результирующего поля. При отклонении точки наблюдения от оси фазовые соотношения между компонентами полей сохраняются, а амплитудные – нарушаются. Например, в точке В амплитуда компоненты поля, созданного вибратором, ориентированным вдоль оси y, уменьшается, в связи с чем поле имеет эллиптическую поляризацию. В точках, расположенных в плоскости xoy, поляризация линейная, т.к. оба вибратора создают в этих точках одну пространственную компоненту электрического поля, причем в точках на оси каждого вибратора (C, D, E, F) поле создается только за счет излучения другого вибратора. ДН в данной плоскости имеет круговую форму.

Особенностью турникетной антенны является зависимость фазы излученного поля от угловых координат точки наблюдения. Так, поля в точках C и D равны по амплитуде, но различны по фазе на π/2. Т.о., турникетная антенна не имеет фазового центра.

Питание антенны осуществляется к каждому вибратору коаксиальным кабелем с использованием симметрирующих устройств, входы которых соединены вместе.

Следующей разновидностью антенн с круговой поляризацией являются спиральные антенны, которые широко применяются в диапазонах сантиметровых, дециметровых и реже метровых волн. На рис. 33 изображена цилиндрическая спиральная антенна.

Ось

Экран

Рис. 33. Цилиндрическая спиральная антенна

 

Она состоит из спирального провода, который соединен с внутренним проводником возбуждающего фидера. Оплетка припаивается к экрану, роль которого – препятствование проникновения тока, текущего по внутренней поверхности, на его наружную поверхность. Помимо этого экран является рефлектором, уменьшая излучение антенны в заднее полупространство.

Для обеспечения режима осевого излучения диаметр спирали D выбирают так, чтобы длина витка L была примерно равна длине волны λ. Для обеспечения максимальной широкополосности угол α лежит в пределах 12…15° (S=0,15…0,3λ). Радиус экрана выбирается из условия (0,5…0,8)А. При выполнении указанных требований ДН цилиндрической спиральной антенны по половинной мощности не меньше 20…25°.

Улучшить диапазонные свойства спиральных антенн удается за счет применения конических спиралей (рис. 34). В этом случае осевое излучение антенны формируется не всей ее длиной, а только лишь активной областью, т.е. витками, длина которых близка к λ. С изменением частоты активная область перемещается вдоль антенны.

 

Рис. 34. Коническая спиральная антенна

Свое применение нашли и плоские спиральные антенны, выполненные в виде архимедовой спирали (рис. 35,а) или в виде логарифмической спирали (рис. 35,б).

 

а)	б)
Рис. 35. Плоские спиральные антенны

 

Питание подобных антенн выполняется либо двухпроводной линией, либо коаксиальным кабелем, проложенным вдоль одного из плеч (вдоль другого плеча прокладывают холостой кабель для обеспечения симметрии).

ДН состоит из двух широких лепестков, которые ориентированы нормально к плоскости спирали. Для получения одностороннего излучения позади антенны устанавливается экран на расстоянии λ/4, однако при этом несколько сужается рабочая полоса частот.

Формирование поля круговой поляризации различных разновидностей спиральных антенн пояснено на рис. 36.

 

Рис. 36. Получение круговой поляризации

Щелевая антенна представляет собой узкую щель, прорезанную в стенке волновода, р<