Особенности распространения радиоволн

ПРЕДИСЛОВИЕ

С созданием в нашей стране телевизионных передающих центров, излучающих электромагнитные волны с вертикальной поляризацией, возникла необходимость в антеннах вертикальной поляризации. По сравнению с хорошо изученными и освоенными в телевидении антеннами горизонтальной поляризации они практически не известны большинству радиолюбителей.

В связи с этим возникает необходимость в пояснении тех особенностей, которыми отличаются антенны одной поляризации от другой. Здесь в первую очередь необходимо отметить влияние земли на диаграммы направленности антенн, способы питания антенн (особенно несимметричных) коаксиальным кабелем. Варианты конструкций антенн вертикальной поляризации достаточно просты и эффективны для использования в условиях любительской практики.

Немаловажным представляется и тот факт, что условия приема (и транс­ляций) телепередач различны, следовательно, необходимо предусмотреть, возможность большого набора конструкций, способных работать в этих усло­виях.

В первую очередь здесь имеются в виду различия в дальностях трасс «телецентр — телевизор», а также различия в числе одновременно передаваемых сигналов, их частот и поляризаций. Поэтому в книге рассмотрены как простые слабо направленные антенны, так и более сложные — умеренно направленные, как резонансные, так и диапазонные.

С учётом интересов радиолюбителя уделено внимание основным законо­мерностям, определениям и понятиям, присущим антенно-фидерным устройст­вам, без которых нельзя вести изложение специальных вопросов.

 

ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

Электромагнитная волна, излученная антенной в пространство, не обменивается энергией с ее источником, не направляется какими-либо линия­ми передачи (фидерами) и распространяется с конечной скоростью в про­странстве.

Свободно распространяющиеся электромагнитные волны называются радио­волнами. Их используют в радиотехнике для передачи сообщений. Для излучения и приема радиоволн применяют специальные устройства, называемые антеннами.

Антенной называется радиотехническое устройство, предназначенное для излучения или приема электромагнитных волн. Антенна является одним из важнейших элементов любой радиотехнической системы, связанной с излучением или приемом радиоволн. К та­ким системам относят: системы радиосвязи; радиовещания; теле­видения; радиоуправления; радиорелейной связи; радиолокации; радиоастрономии; радионавигации и др.

В конструктивном отношении антенна представляет собой про­вода, металлические поверхности, диэлектрики, магнитодиэлектрики. Назначение антенны поясняется упрощенной схемой радиоли­нии. Электромагнитные колебания высокой частоты, мо­дулированные полезным сигналом и создаваемые генератором, пре­образуются передающей антенной в электромагнитные волны и излучаются в пространство. Обычно электромагнитные колебания подводят от передатчика к антенне не непосредственно, а с по­мощью линии питания (линия передачи электромагнитных волн, фидер ).

При этом вдоль фидера распространяются связанные с ним электромагнитные волны, которые преобразуются антенной в рас­ходящиеся электромагнитные волны свободного пространства.

КЛАССИФИКАЦИЯ АНТЕНН

Антенны можно классифицировать по различным признакам:

по диапазонному принципу;

по характеру излучающих элементов (ан­тенны с линейными токами, или вибраторные антенны;

по виду радиотехнической системы, в которой используется антенна (антенны для радиосвязи, для радиовеща­ния, телевизионные и др.);

антенны, излучающие через раскрыв – апертурные антенны, антенны по­верхностных волн.

Будем придерживаться диапазонной классификации. Хотя в различных диапазонах волн очень часто применяют антенны с одинаковыми (по типу) излучающими эле­ментами, однако конструктивное выполнение их различное; значи­тельно отличаются также параметры этих антенн и требования, предъявляемые к ним.

Устройства, аналогичные антеннам, применяют также для возбуждения электромаг­нитных колебаний в различ­ных типах волноводов и объ­емных резонаторов

Рассматриваются антенны следующих вол­новых диапазонов (названия диапазонов даются в соответствии с рекомендациями “Регламента радиосвязи”; в скобках указыва­ются названия, широко распространенные в литературе по антенно-фидерным устройствам):

мириаметровые (сверхдлинные) волны ();

километровые (длинные) волны ();

гектометровые (средние) волны ();

декаметровые (короткие) волны ();

метровые волны ();

дециметровые волны ();

сантиметровые волны ();

миллиметровые волны ().

Последние четыре диапазона иногда объединяют общим названием “ ультракороткие волны ” (УКВ).

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ АНТЕНН

Диаграммы направленности

Антенные устройства вне зависимости от диапазона волн и конкретных особенностей приемно-передающей аппара­туры служат либо для излучения электромагнитной энергии в пространство (передающие антенны), либо для приема этой энергии из пространства (приемные антенны).

В радиолокационных станциях одна и та же антенна по­очередно выполняет функции передающей (посылка зонди­рующего импульса) и приемной (прием сигнала, отражен­ного от цели).

Большинство антенн, применяемых на сверхвысоких ча­стотах, — направленные т. е. обеспечивают прием или излу­чение только в пределах определенных секторов.

Способность антенн концентрировать излучаемую элек­тромагнитную энергию характеризуют специальные графики, называемые диаграммами направленности. Обычно диа­граммы направленности строят для двух плоскостей: гори­зонтальной и вертикальной.

Диаграмма направленности антенны представляет собой график зависимости напряжения сигнала на входе прием­ника от угла поворота данной антенны в соответствующей плоскости при работе этой антенны либо на передачу, либо на прием.

Следует иметь в виду, что диаграмма направленности антенны не зависит от того, применяется ли антенна в каче­стве передающей или приемной, т. е. любая антенна яв­ляется обратимой.

На рис. 5 для примера приведена диаграмма направлен­ности, построенная в полярных координатах. У этой диа­граммы направление максимального сигнала совмещено с направлением начала отсчета углов поворота антенны (θ = 0), а сам максимальный сигнал принят за единицу, т. е. в направлении радиусов векторов здесь отложена не сама величина интенсивности сигнала Е, а пропорциональ­ная ей величина Е/Е_тлх.

Рис.5. Диаграмма направленности антенны

в полярной системе координат

Из рис.5 видно, что диаграмма направленности имеет характерную лепестковообразную форму. Лепесток, соответствующий максимальному сигналу (в данном случае θ = 0), называют главным лепестком диаграммы направленности, а все последующие — боковыми лепестками. Часто боковые лепестки нумеруют по порядку в направлении от главного лепестка. Так, например, лепестки диаграммы на рис. 5, ле­жащие под углами θ₁ = 60 и 300°, называют первыми боко­выми лепестками; следующие за ними — вторыми боковыми лепестками (θ₂ = 120 и 240°) и т. д.

Как правило, величина боковых лепестков уменьшается по мере роста их номера.

Направления, в которых антенна не принимает и не излу­чает, называются нулями диаграммы направленности. По­бочные максимумы и нули диаграммы направленности всегда чередуются.

Антенны, применяемые на сверхвысоких частотах, часто обладают столь узкими диаграммами направленности, что их графическое изображение в полярной системе координат становится затруднительным. В этих случаях диаграммы строят в прямоугольной системе координат, откладывая по вертикали величину Е/Е_тлх, а по горизонтали — угол пово­рота антенны. Примером такой диаграммы может служить кривая 1на рис. 6, построенная для той же антенны, что и на рис. 5.

В описаниях различного типа аппаратуры часто вместо диаграмм направленности приводят их числовую характе­ристику, указывая углы раствора главного лепестка в вер­тикальной и горизонтальной плоскостях, местоположение боковых лепестков и их интенсивность

Под углом раствора диаграммы направ­ленности в данной плоскости принято понимать угол главного лепестка, лежащий между направлениями, в которых напряжение сигнала падает до значения Е_сигн = = 0,707 от максимальной величины Е_тах. В соответствии со сказанным угол раствора главного лепестка у диаграмм, по­казанных на рис. 1 и 2, составляет θ_о = 50°.

В некоторых случаях диаграммы направленности строят не в относительных величинах напряжения E/E_mах, а в отно­сительных величинах мощности. Так как мощность пропор­циональна квадрату напряжения, то диаграмма направлен­ности по мощности может быть получена при возведении в квадрат соответствующих величин Е/Е_тах. Такимпутем, в ча­стности, была построена кривая 2 на рис. 2, представляющая диаграмму по мощности той же самой антенны, что и кривая 1.

Измерять угол раствора главного лепестка у такой диа­граммы необходимо на уровне (Е/Е_тах)² = ( V)² = 0,5. Поэтому очень часто говорят, что угол раствора главного лепестка диаграммы направленности определяется по точкам половинного зна­чения мощности.

В дальнейшем мы будем обозначать угол раствора диа­граммы направленности в вертикальной плоскости через θ₀, а в горизонтальной плоскости через Ф₀.

МНОЖИТЕЛЬ ОСЛАБЛЕНИЯ

РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

ВДОЛЬ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ

При распространении радиоволн в свободном пространстве влияние его различных областей на процесс передачи электромагнитной энергии различно. На распространение радиоволн между пунктами передачи и приема основное влияние оказывает область пространства, примыкающая к линии кратчайшего расстояния между ними.

Рис. 1. Образование зон Френеля

С помощью принципа Гюйгенса—Френеля определена область, существен­ная для распространения радиоволн. Наглядно представить ее можно, восполь­зовавшись понятием зон Френеля. На рис.1 показана схематично трасса дли­ной rмежду передающей А и приемной Б антеннами. Если линию АБ пере­сечь плоской поверхностью S. перпендикулярной АБ, то на этой поверхности можно выделить кольцевые участки 1, 2, 3 ит. д., на кото­рых фаза поля будет отличать­ся не более чем на 180°. Эти участки и есть зоны Френеля. В точке приема Б соседние зо­ны Френеля создают противо­фазные поля. Если перемещать плоскость S вдоль линии АБ, то зоны Френеля опишут по­верхности эллипсоидов враще­ния, образуя пространственные зоны Френеля.

Вследствие взаимной компенсации противофазных полей соседних зон Фре­неля, в точке Б остается действие, эквивалентное лишь действию волн, прохо­дящих,в пределах 1/3 первой зоны Френеля, на участке с радиусом

р_с = . (20)

Эта величина имеет важное значение, так как она определяет размеры области, существенной для распространения радиоволн при наличии на трассе препятствий, например в виде полуплоскости.

Как видно, р_с, а с ним и площадь существенной для распространения радиоволн области зависят от длины волны и от того места на трассе, которое она занимает. Максимальный радиус получается на середине трассы

р _{с max} = . (21)

Для небольших расстояний r_км £ 20 поверхность земли можно считать плоской. Когда высоты расположения антенн оказываются небольшими (поряд­ка длины волны) излучаемые передающей антенной волны поглощаются на всем пути. Потери энергии частично восполняются ее притоком из верхних уча­стков фронта волны.

Аналитическое выражение для множителя ослабления поля земной волны включает в себя параметры радиолиний: длину трассы r, длину волны излу­чения l, а также параметры почвы: относительную диэлектрическую проницае­мость e и проводимость s.

Модули множителя ослабления |F| земной волны для двух поляризаций вертикальной и (для сопоставления) горизонтальной и ряда значений пара­метра Q = e/60ls приведены на рис. 2 в логарифмическом масштабе. Здесь по оси абсцисс отложен удвоенный модуль так называемого численного расстояния:

2x = — для вертикальной поляризации

2x = — для горизонтальной поляризации.

Как видно из графика, при малых значениях 2х кривые приближаются к значению |F|=1, т. е. поле земной волны убывает примерно по закону обрат­ной пропорциональности от расстояния.

Для 2x > 50 множитель ослабления принимает вид: | F| —1/2x. Это выражение было впервые получено академиком Шулейниным М.В. Тем самым для больших численных расстояний напряженность поля земной волны убывает значительно сильнее — обратно пропорционально квадрату расстояния.

Большое значение для рассматриваемой темы имеет тот факт, что для вертикальной поляризации при увеличении проводимости земли или длины вол­ны излучения величина х уменьшается (при прочих равных условиях), а мно­житель ослабления, как следствие этого, растет. Это происходит потому, что уменьшается глубина (в долях l) проникновения высокочастотной энергии в землю и снижаются потери в ней. Что касается горизонтальной поляризации волны, то здесь величина х для тех же параметров земли и расстояний значи­тельно больше, а множитель ослабления значительно меньше, чем в случае вертикальной поляризации. В пределе (при идеальной проводимости земли s = ¥) для антенн с вертикальной поляризацией напряженность поля удваи­вается по сравнению с напряженностью поля свободного пространства.

Электрические параметры земли зависят от ее состава, влажности и темпе­ратуры. Значения относительной диэлектрической проницаемости e и прово­димости s основных видов почв (грунтов) и воды приведены в табл. 1. Ими можно воспользоваться для оценок численного расстояния 2х и значений множителя ослабления | F |по рис. 2, учитывая местные условия. Это тем более правомерно, что наиболее определяющими являются концевые участки трассы, на которых расположены антенны.

Рассмотренные закономерности свидетельствуют в пользу применения полей и соответственно антенн вертикальной поляризации для передачи сигналов зем­ной волной.

Табл.1

Виды почвы (грунта) и воды	e	s,См/м
Сухие пески, пустыня, лед, вечномерзлая почва	2,5 - 3	0,0001
Песчаная почва, песчаники с влажностью до 20%	3 - 5	0,001
Супесчаная почва, глина с влажностью до 20%	7 - 9	0,01 – 0,2
Суглинки и глина с влажностью до 60%, солончаки	9 - 15	0,05 – 0,1
Торфяники влажные	15- 25	0,1 – 0,5
Пресная вода рек и озер		0,001 – 0,02
Морская вода		1 – 4,3

 

НАПРАВЛЕННЫЕ АНТЕННЫ

Под направленностью антенны, как правило, понимают ее способность концентрировать энергию излучения в заданном направлении, совмещенном с главным направлением максимального излучения, или, на приеме, извлекать энергию электромагнитных волн. В дальнейшем будем придерживаться этого понимания. Иногда под направленностью антенны понимают ее способность не принимать электромагнитное излучение с какого-либо направления.

Для оценки степени направленности антенну сопоставляют с некоторым «эталоном». За такой эталон принята антенна, излучающая энергию электро­магнитных волн равномерно по всем направлениям пространства. Она носит название изотропного излучателя. Характеристика направленности изотропного излучателя имеет форму сферы. Тем самым след от сечения этой сферы любой плоскостью, проходящей через ее центр, будет иметь вид окружности (диа­граммы направленности изотропного излучателя имеют форму окружности). Ко­эффициент направленного действия изотропного излучателя принят за единицу направленности.

Изотропного излучателя с такой диаграммой направленности в природе нет. По направленным свойствам к нему приближается уголковый вибратор Пистолькорса: симметричный вибратор, плечи которого образуют между собой пря­мой угол. Обычный симметричный вибратор, длина плеча которого ι «l(элемен­тарный вибратор), уже имеет некоторую направленность (см. рис. 5). Его КНД = 1,5. По мере увеличения отношения ι/ l направленность симметричного вибратора растет и достигает значения КНД = 1,64 при ι/ l =0,25. Значение к.н.д. антенны функционально связано с некоторой площадью S_эфф, называемой эффективной площадью антенны, составляет

КНД = 4π S_эфф /l². (22)

Так как все реальные антенны имеют определенную поверхность своих провод­ников и изоляторов, то имеется возможность говорить о геометрической пло­щади антенны. Обычно под S_геом понимают ту площадь, которая создает максимальную «парусность» антенны (максимальные ветровые нагрузки). От­ношение эффективной площади антенны к ее геометрической площади носит название коэффициента использования поверхности (КИП)

КИП = S_эфф / S_геом. (23)

Коэффициент использования поверхности является важной характеристикой антенны. Он показывает, насколько рационально использован материал, затра­ченный на ее постройку. Тем самым к.и.п. отражает и электрические, и кон­структивные, и экономические качества антенны. Определим S_{эфф (l/2)} для полуволнового вибратора. Согласно (22) будем иметь

S_{эфф (l/2)} = 1.64l²/4π ~0,131l². (24)

Можно представить, что полуволновой вибратор извлекает из падающей на него плоской волны всю мощность электромагнитного излучения, переносимого участком фронта этой волны с площадью, равной S_{эфф (l/2)}.

На рис.12 заштрихованная область S_{эфф (l/2)} имеет форму прямоуголь­ника.

S_{эфф (l/2)} = 0,131l².

Одна сторона этого прямоугольника равна l /2.

Другая a = 0,131l² (2/l)» 0,26l.

Поверхность S_эфф более правильно представлять в виде эллипса, большая ось которого параллельна оси вибра­тора и несколько превышает его длину.

Рис.12. Эффективная площадь полупроводникового вибратора.

Рис.13. Способы размещения вибраторов в антенной решетке.

 

Очевидно, что для увеличения направленности антенны (для увеличения ее КНД), надо увеличивать ее S_эфф. Построения на рис. 13 помогают понять, как это можно сделать с использованием двух симметричных вибраторов. Ан­тенна, выполненная из двух симметричных вибраторов, может иметь S_эфф £ 2S_{эфф (l/2)}. При этом она может быть построена по схемам рис. 13,а или б. В первом случае вибраторы расставлены в плоскости поляризации Н, а во втором — в плоскости поляризации Е. Схемы антенн, показанные на рис. 13, позволяют сделать следующие выводы. Существуют оптимальные расстояния между излучателями (которые являются составными элементами антенны). Они дают возможность получить максимально возможное для этой антенны S_эфф при минимальных размерах самой антенны. Действительно, разносить вибраторы по рис. 13,а на расстояния, меньшие 0,26l, нецелесообразно, так как при этом S_эфф < 2S_эфф(l/2), и, следовательно, не будет достигнута мак­симально возможная для данной антенной системы степень направленности. Разносить же вибраторы на расстояния, большие 0,26l, тоже нецелесообразно, так как при этом S_эфф =2S_эфф(l/2), будет получено при размерах данной антенной системы, превышающих оптимальные, что утяжелит ее, затруднит эксплуатацию и увеличит стоимость. То же самое можно повторить и по поводу расстановки вибраторов по рис. 13,б.

Оптимальная расстановка излучателей в антенне оказывается различной для плоскостей Е и Н. Это связано с их диаграммами на­правленности в этих плоскостях поляризации. Чем меньше ширина диаграммы направленности излу­чателя в заданной плоскости поляризации, тем длиннее в этом направлении будет сторона эффек­тивной поверхности антенны. Если характеристика направленности антенны осесимметрична, то ее эффективная поверхность имеет форму круга, пло­щадь которого согласно (17) определяется КНД антенны.

На рис. 14 показана фронтальная проекция известной зигзагообразной антенны с плоским ре­флектором, вписанная в ее эффективную поверх­ность. На l_max максимальной рабочей длине волны антенна имеет КНД = 10 и осесимметричную характеристику направленности.

Диаметр круга, площадь которого равна S_{эфф(зиг)}, равен примерно l_max. Значение КИП для этой антенны на l_max составляет:

КИП = S_{эфф(зиг)} /S_{геом(зиг)}» 2,5.

С изменением рабочей частоты, как правило, изменяется форма характеристики направленности любой антенны и значение ее КНД и, как следствие этого, изменение площади и формы S_эфф антенны.

 

 

Рис.14. Эффективная площадь зигзагообразной антенны.

Наряду с выражением (17) для определения КНД антенны существует полуэмпирическая формула

КНД = 36000/q°_0,5,j°_0,5, (25)

где q°_0,5, j°_0,5— углы раскрыва в градусах диаграмм направленности антенны, снятых в главных плоскостях поляризации.

Приравнивая (22) и (25), можем получить

4π S_эфф /l² = 36000/q°_0,5,j°_0,5 или (S_эфф /l²) q°_0,5,j°_0,5 = 2870 = const. (26)

Соотношение (26) показывает связь S, выраженной в относительных еди­ницах (отнесенная к длине волны l²), с шириной главного лепестка диаграммы направленности антенны, выраженной в угловых градусах; связывает форму S_эфф с формой сечения этого лепестка; позволяет определить, что для антенны с единичной эффективной площадью S_эфф = l² ширина диаграммы направлен­ности антенны равна примерно 1 рад. (q°_0,5 = j°_0,5 = 54°); показывает, что для достижения узконаправленного излучения (например, q°_0,5 = j°_0,5 = 1°) сторона S_эфф должна быть значительной (a = 54 l).

Для увеличения направленности антенн необходимо геометрически сумми­ровать в дальней зоне векторы напряженности электрического поля в главном направлении излучения антенны от всех ее токоведущих элементов. Другими словами, рекомендуется складывать S_эфф от всех токоведущих элементов. Прин­ципиально можно получить наперед заданную степень направленности антенны (КНД = N), если взять соответствующее число n = N/1,64 симметричных полу­волновых вибраторов, расставить их в пространстве, пользуясь рекомендациями рис. 13 и обеспечить вибраторам надлежащее питание. Ниже будет показано, в чем заключается основное затруднение при создании направленных антенн как совокупности некоторого множества слабонаправленных излучателей, полу­чивших название антенных решеток.

Для целей радиолюбительского приема (или передачи) обычно целесообраз­но выбирать одиночный (парциальный) излучатель антенной решетки таким образом, чтобы его собственная направленность была по возможности выше. Однако следует иметь в виду, что существуют причины, ограничивающие сте­пень направленности одиночного излучателя. В известной мере условно можно считать, что граница направленности одиночного излучателя определяется КНД» 50 ÷ 100.

Возможны следующие качественные градации антенн по степени их направленности:

слабо направленные антенны — антенны, КНД которых не превосходит десяти (S_эфф <l²);

антенны умеренной направленно­сти — антенны, КНД которых не превосходит ста (l²< S_эфф < 10l²);

направлен­ные антенны — антенны, КНД которых больше ста (S_эфф > 10l²).

Приведенные соотношения позволяют уяснить основную связь геометри­ческих размеров антенны с ее КНД и, зная КПД, с коэффициентом усиления. Учитывая, что к.и.п. антенн с большим значением КНД, как правило, меньше единицы, становятся ясными трудности реализации таких антенн.

 

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^{-2 βl} , (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 ^{-2 βl} 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. 17 а). 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 = 2 Р₀ 0,89 = 1,78 Р_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 4 Р_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.

 

 

ВИБРАТОРНЫЕ АНТЕННЫ

У вибраторных антенн основными излучающими элементами являются линейные проводники — вибраторы, или, как их называют, диполи. В этом отношении вибраторные антенны по принципу действия подобны коротковолновым, основные типы которых — диапазонные вибраторы, плоскостные синфазные, зигзагообразные — применяются и на сверхвысоких частотах.

Однако по своему конструктивному выполнению эти антенны часто существенно отличаются от своих коротковолновых прототипов.

Одиночные вибраторы

На СВЧ одиночные вибраторы в качестве самостоятельных антенн применяются очень редко. Чаще всего они являются составными элементами более сложных антенн.

Под симметричным вибратором понимают антенну, состоящую из двух проводников, или, как говорят, двух плеч равной длины, расположенных на одной оси и питаемых в середине.

Входное сопротивление такого симметричного вибратора и его диаграмма направленности зависят в основном от длины его плеч и в меньшей степени от диаметра проводников, из которых выполнен вибратор.

При длине плеч, близкой к четверти волны, вибратор с точки зрения входного сопротивления ведет себя подобно последовательному контуру, а когда на каждом из плеч вибратора укладывается около полуволны, входное сопротивление антенны изменяется с частотой, как у параллельного кон-тура, составленного из L, С и R.

Известно, что при понижении волнового (характеристического) сопротивления параллельного контура p = и сохранении неизменным сопротивления R качество (Q = p/ R) такого контура падает, а его полоса пропускания увеличивается. Одновременно входное сопротивление контура понижается и становится менее зависимым от изменения частоты. На использовании этого принципа основано действие диапазонной коротковолновой антенны, так называемого «диполя Надененко», изображенного на рис. 13.

Каждое из плеч этого вибратора l₁ = l₂ состоит из 4—8 проводов, прикрепленных к металлическим кольцам диаметром от 1 до 2,5 м. Образующие плечи вибратора про­вода в точках подключения к питающему фидеру делаются сходящимися на конус для уменьшения величины шунтиру­ющей емкости между торцами вибратора.

Указанный способ увеличения диапазонных свойств виб­раторов за счет понижения их волнового сопротивления, раз­работанный учеными В. В. Татариновым, С. И. Надененко, В. Н. Кессенихом и др., широко используется при конструировании виб­раторных антенн на сверхвысоких частотах.

В отличие от коротковолновых антенн вибраторы на сверхвысоких частотах выполняются не только в виде ци­линдрических трубок, подобных диполю Надененко, но и в виде пластин различной конфигурации, конусов, каплеобраз­ных и сигарообразных тел.

Для уменьшения веса вибраторы часто делают пустоте­лыми.

Выбор той или иной формы вибраторов определяется как конструктивными соображениями (удобством их крепления и изготовления), так и требуемой полосой пропускания. Наибольшей полосой пропускания обладают вибраторы с плавно изменяющимися поперечными размерами. Резонансные длины вибраторов, т. е. те длины, при которых реактивная составляющая Х_А их входного сопротивленияравна нулю, оказываются несколько короче кратного числа четвертей длин волн. Так, например, у тонкого «полу-волнового» вибратора общая его длина 2 l, при которой Х_А = 0, составляет не 0,5l, а 0.475l, т. е. на 5% короче полуволны. При понижении волнового сопротивления эта степень укорочения возрастает.

Увеличение поперечных размеров вибраторов оказывает влияние не только на входное сопротивление, но и на форму диаграмм направленности рассматриваемых антенн. На рис. 14 приведена своеобразная таблица диаграмм направленности симметричных цилиндрических антенн различ­ных диаметров d, эксперимент