Диапазонные и резонансные антенны

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 = 0,014 l, d₂ = 0,028 l, d₃ = 0,1 l 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.