Передающие средневолновые антенны

Обычно СВ вещательные антенны выполняют в виде антенн - мачт (рис. 3.1.а) или антенн-башен (рис. 3.1.б). Основание антенны-башни кре­пится к земле с помощью изоляторов; оттяжки для крепления этой антенны не требуются. Антенны-мачты поддерживаются в вертикальном положении небольшим числом оттяжек. Высота антенн-башен обычно составляет 60...200 м, а антенн-мачт 60...350 м. Положительными свойствами этих ан­тенн по сравнению с проволочными являются: наличие только одной мачты

или башни (в случае проволочных антенн требуются минимум две мачты), что экономит площадь антенного поля; меньшее искажение ДН в связи с отсутствием большого числа оттяжек, подъемных тросов и т.д.; большая механическая прочность.

Питание антенн-мачт (башен) с изолирован­ным основанием осуществ­ляется несимметричными концентрическими фидерными линиями, выполненными из проволочных цилиндров. Внутренний цилиндр фидера подсоединяет­ся непосредственно к нижнему концу мачты или башни, внешний - к системе заземления. КПД антенны в значительной степени определяется потерями в поверхностном покрове почвы, который входит непосредственно в цепь тока антенны. Рациональная конструкция системы заземления позволяет снижать эти потери и увеличивать КПД до 0,9. Обычно система заземления выполняется из 80...120 радиально расходящихся проводов, соединенных между собой в центре. Длина каждого провода выбирается равной или несколько превосходящей (на 10...20%) высоту мачты (башни). При этом система за­земления охватывает площадь, на которой концентрируется основная часть поля ближней зоны антенны. Чем больше число проводов и их длина, тем большая часть замыкающихся на землю токов течет по проводам и тем меньше потери энергии в земле. Провода системы заземления укладываются в землю на небольшой глубине (около 0,5м). Антенны мачты (башни) обла­дают антифединговыми свойствами в диапазоне l/λ=0,52...0,54 (l - высота мачты). Со стороны меньших значений l/λ ухудшение антифединговых свойств вызывается расширением ДН, со стороны больших значений - рос­том бокового лепестка, образующегося в ДН вибратора из-за появления в распределении тока противофазного участка вблизи точек питания при l/λ>0,5. В ДН антенны с l/λ=0,52...0,54 боковой лепесток еще сравнительно мал и направлен под большим углом к горизонту (около 75°), поэтому излу­ченные в боковом лепестке и затем отраженные от ионосферы волны прихо­дят к земле на небольшом расстоянии от передатчика, где напряженность по­ля земной волны велика. С ростом l/λ УБЛ возрастает и направление его мак­симума сдвигается в сторону меньших углов Δ, что ведет к нарастанию зами­раний. Антифединговые антенны получили практическое применение в средневолновом вещательном диапазоне (λ = 187...571 м), так как на более длинных волнах требуются антенны большой высоты (500...1000 м). В ряде случаев для увеличения действующей высоты антенны-мачты или антенны-башни снабжают емкостной нагрузкой на верхнем конце. Эта нагрузка пред­ставляет собой либо металлический (сплошной или проволочный) диск, либо часть верхнего яруса оттяжек. Добавление емкостной нагрузки на вершине позволяет на 20...25% уменьшить высоту антенны без ухудшения антифедин­говых свойств. В конструкции антенны предусмотрена согласующая LC-цепь, с помощью которой осуществляется настройка антенны. Недостатком антенн-мачт (башен) является то, что изо­лятор не только отделяет антенну от земли, но и является опорой мачты (башни). Вследствие этого изолятор должен обладать не только высокой электрической, но и ме­ханической прочностью, так как масса опи­рающейся на изолятор мачты составляет 100...200т. Вследствие неравномерного распределения давления по поперечному сечению изолятора и по другим причинам возможны механические повреждения опорных изоляторов, что может привести к серьезной аварии. Применение опорных изоляторов удорожает стоимость антенны, понижает надежность ее работы, усложняет грозозащиту. Поэтому значительный  интерес  представляют не требующие опорных изоляторов антенны-мачты с заземленным основанием, которые устанавливают на металлических подпятниках, укрепленных на прочном железобетонном основании. Существуют два типа антенн-мачт с заземленным основанием с шунтовым питанием и с верхним питанием. В случае антенны с шунтовым питанием (схема антенны и распределение тока на ней изображены соответственно на рис. 3.2.а,б) на­пряжение высокой частоты подводится к некоторой точке а мачты с помо­щью наклонного провода, являющегося продолжением внутреннего провода коаксиальной линии. При этом нижняя l₁ (шунт) и верхняя l₂ части мачты включены относительно фидера параллельно. Распределение тока вдоль мач­ты оказывается неравномерным (уменьшается действующая высота), что яв­ляется недостатком такой антенны. Если длина (высота) мачты l₁ + l₂ = l со­ставляет λ/4, то реактивные сопротивления отрезков l₁ и l₂ компенсируют друг друга. Входное сопротивление антенны в этом случае чисто активно и может быть определено по формуле R_BX = (W_a² / R_Sn) sin² kl₁, где R_Sn - полное сопротивление излучения антенны, отнесенное к току в пучности. Подбором точки присоединения питания (а) можно сопротивление R_BX сделать равным W_Ф фидера и согласовать таким образом антенну с фидером без дополнитель­ных согласующих устройств. Если R_BX имеет комплексный характер, то его реактивная со­ставляющая компенсируется переменным реак­тивным сопротивлением, включаемым в на­клонный провод. Так как наклонный провод, нижняя часть мачты и земля образуют как бы рамочную антенну, излучение которой наклады­вается на излучение антенны-мачты, то ДН последней несколько искажается. Широкое применение получили антенны-мачты шунтового питания с пониженным волновым сопро­тивлением. Электрическая схема такой антенны показана на рис. 3.3. Заземленная  мачта окружается системой излучающих проводов, расположенных по образующей внешнего цилиндра радиуса R. У основания эти провода изолируются от ствола мачты и соединяются с соби­рательным кольцом, к которому подводится питание. Шунтом l₁ служит часть ствола мачты от основания до перемычки П, которая соединяет его с системой излучающих проводов. Увеличение поперечного сечения мачты с помощью проволочного цилиндра снижает волновое сопротивление антенны, что позволяет вмещать в нее большую мощность и улучшать ее диапазонные свойства. Конструктивно для понижения волнового сопротивления использу­ется часть тросов верхнего яруса оттяжек вместе с дополнительными прово­дами. Наличие наклонных проводов оттяжек приводит к увеличению излуче­ния под высокими углами. Поэтому шунтовые антенны-мачты с пониженным волновым сопротивлением не используются в качестве антифединговых  антенн. Высота шунтовых антенн - мачт обычно выбирается в пределах 0,15 £ l/λ £ 0,5. Антенна-мачта верхнего питания представляет собой заземленную мачту, внутри которой снизу вверх проходит не­симметричный концентрический фидер. Экран фидера имеет электрический кон­такт с телом мачты, а внутренний провод, выходя за пределы внешнего цилиндра и самой мачты на некоторую (незначитель­ную) высоту, подсоединяется к так назы­ваемому зонтику. В качестве последнего используются верхние части оттяжек, крепящиеся к верхнему концу мачты через изоляторы. Схематично такая антенна показана на рис. 3.4. Длина лу­чей зонтика равна примерно половине высоты мачты. Лучи зонтика состав­ляют с мачтой угол 45°. Входное сопротивление антенны с верхним питани­ем приближенно можно рассматривать как последовательное соединение ем­костного сопротивления зонтика и сопротивления вертикального излучателя (мачты). Преимущества антенны с верхним питанием по сравнению с антен­нами нижнего питания особенно проявляются при малой высоте антенн (l < λ/4), так как в этом случае антенна-мачта верхнего питания имеет более равномерное распределение тока и, следовательно, большие действующую длину и сопротивление излучения, чем антенна-мачта нижнего питания. С целью расширения рабочего диапазона антенн-мачт, улучшения их антифединговых свойств и повышения коэффициента усиления были разработаны антенны с регулируемым распределением тока (АРРТ). Принципиальная схема одного из вариантов АРРТ приведена на рис. 3.5. Как видно, АРРТ представляет собой антенну-мачту высотой около 260 м, изолированную у основания. Нижняя часть мачты Н, составляющая примерно 1/3 ее высоты l, окружена цилиндрическим экраном диаметром около 10м, состоящим из не­скольких проводов. Нижние концы этих проводов присоединяются к оболоч­ке проволочной коаксиальной линии, идущей от генератора. Верхняя часть мачты также окружается проволоч­ным цилиндром, изолированным от нижнего, но имею­щим электрические контакты в нижней и верхней своих частях с мачтой. Точками включения генератора можно считать точки а, b. Излучение создается токами, теку­щими по проводам нижнего и верхнего цилиндра. Заме­тим, что ток, вышедший в точке b на наружную поверх­ность нижнего цилиндра, совпадает по фазе с током, текущим по верхней части антенны. Распределение тока можно регулировать включенным между землей и ниж­ним концом проволочного экрана переменным реактивным сопротивлением Х_н. Оно выполняется в виде короткозамкнутого шлейфа, в качестве которого используется внешний экран питающей линии. Одна антенна с регулируе­мым распределением тока может обслужить весь радиовещательный диапа­зон (λ = 200...2000 м). В диапазоне 600...2000 м длина короткозамкнутого шлейфа устанавливается равной нулю. В этом режиме антенна имеет повы­шенное сопротивление излучения. Антифединговые свойства сохраняются в диапазоне 240...570 м. Разработаны и другие варианты АРРТ, в том числе ан­тенна высотой 320 м с двумя точками питания, имеющая более узкую ДН в вертикальной плоскости и малый уровень бокового излучения. Для обеспе­чения вещанием территории, имеющей форму сектора, разработана антенная система, состоящая из четырех антенн мачт, расположенных по вершинам квадрата. Две из них питаются от передатчика, две другие играют роль пас­сивного рефлектора. Комбинируя с помощью соответствующей системы коммутации различным образом вибраторы, работающие в качестве антенн и рефлекторов, можно получить четыре обслуживаемых сектора. Обычно используют АРРТ, расположенные в вершинах квадрата со стороной 70 м. Для обслуживания вещанием территорий, удаленных на значительные расстоя­ния, разработана СВ антенная система, состоящая из восьми антенн-мачт, расположенных в два ряда. Четыре мачты, расположенные в одном ряду, пи­таются от передатчика, четыре другие играют роль пассивного настроенного рефлектора. Расстояние между рядами составляет 75 м. Антенна имеет управляемую ДН в секторе ±30°. Коэффициент усиления антенной системы в диапазоне 185...575 м изменяется от 28 до 5. В качестве излучателей выбра­ны антенны-мачты шунтового питания с пониженным волновым сопротив­лением (W_a=150 Ом). Развитие техники прочных полимерных пленок соз­дало условия для разработки новых конструкций антенн. Г.З. Айзенбергом и В.Н. Урядко разработана пневматическая антенна-мачта из прочных поли­мерных материалов. Она представляет собой усеченный конус высотой 60 м, выполненный из высокопрочного полимера, поддерживаемый избыточным давлением воздуха (давление в баллоне несколько выше атмосферного). В качестве излучателей используют либо металлические оттяжки, предназна­ченные в то же время и для поддержки антенны в вертикальном положении, либо систему проводов, облегающих цилиндр. Преимущество таких антенн состоит в быстроте установки, возможности регулирования высоты и др.3.3.

Передающие антенны ДВ и СДВ диапазонов Основными типами антенн, используемых в ДВ диапазоне, являются так называемые Т-образные, Г-образные и зонтичные излучатели с верти­кальными и горизонтальными частями, состоящими из нескольких парал­лельных или слабо расходящихся проводов (рис. 3.6), и развитой системой заземления, но с тем отличием, что длина проводов заземления увеличивает­ся по мере приближения к проекции горизонтальной

части антенны на землю и примерно на высоту мачты должна превосходить значение это проекции. В ДВ и СДВ передатчиках большой мощности иногда применяют сложные (секционированные) заземления. С помощью таких заземлений, а также спе­циальных мер для уменьшения потерь, в элементах настройки удается даже на СДВ получить КПД антенны близкий к 90%. Горизонтальное полотно антенны имеет длину до 250 м и более и служит лишь для того, чтобы сделать распределение тока на вертикальной части более равномерным и тем самым увеличить действующую высоту антенны и ее сопротивление излучения. Токи, распределенные на горизонтальной части, практически не излучают, так как их действие компенсируется противофазным зеркальным изо­бражением. Излучение вертикальной части антенны, называемой снижением, за счет влияния земли, напротив, усиливается. Диаграммы направленности в горизонтальной плоскости оказываются практически равномерными, а в вер­тикальной - такими же, как у вертикального диполя Герца. Распределение тока по вертикальной l и горизонтальной b частям антенны показано на рис. 3.7. Для определения действующей высоты l_д нагруженного (т.е, имеющего горизонтальную часть) вертикального вибратора заменим его эквива­лентным вибратором длиной l_э = l + b_э (рис. 3.8) так, чтобы распределение тока на участках обоих вибраторов было одинаковым. Для этого входные сопротивления в точке А действительного вибратора (см. рис. 3.7) (Х_А=-W_Гctg(kb)) и в точке В эквивалентного вибратора (Х_В= -W_Bctg(kb_Э)) должны быть равны,  т.е. W_Гctg(kb) = W_Bctg(kb_Э), где W_Г и W_B - соответственно волно­вые сопротивления горизонтальной и вертикальной части проводов; b_Э - эквивалентное удлинение, определяемое из выражения ctg(kb_Э)=(W_Г/W_B)ctg(kb). В случае Г-образной антенны Х_А= -[W_Г ctg(kb)]/2. Ток в эквивалентной антенне распределен по закону I(z) = I₀sink(l_Э-z), где l_э= l + b_Э; z-координата, отсчитываемая вдоль вибратора, начиная с точки входа. Величина l_д определяется по формуле l_д = (coskb_Э - coskl_Э)/(k sinkl_Э). Если l/λ < 0,1, то сопротивление излучения R_S» 1600(l_д/λ)². Если l ³ 0,2λ, то R_S определяют методом вектора Пойнтинга. При этом полагают, что ток по вибратору рас­пределен по синусоидальному закону и излучает только вертикальная часть вибратора. Если длина ненагруженного вибратора примерно равна l_э нагру­женного вибратора, то ДН и сопротивления излучения этих вибраторов при­мерно одинаковы. Таким образом, добавление горизонтального провода по­зволяет уменьшать длину вибратора, не ухудшая его направленных свойств и не изменяя величины R_S. Реактивную составляющую входного сопротивле­ния нагруженного вибратора можно рассчитать по формуле Х_вх = W_Bctg kl_Э. Если l_э< λ/4, то k(l+b_Э) < π/2 и сопротивление Х_вх емкостное. Если l+b_Э > λ/4, то k(l+b_Э)>π/2 и сопротивление Х_вх индуктивное. Длину волны λ₀, при которой Х_вх=0, называют собственной. Она определяется из условия 2πl_Э/λ₀=π/2. При b_Э=0 имеем λ₀ = 4l. Обычно стремятся к тому, чтобы Х_вх=0. При этом ток и напряжение на входе вибратора оказываются в фазе и задан­ная мощность достигается при меньшем напряжении на зажимах. Кроме то­го, при чисто активном входном сопротивлении создаются оптимальные ус­ловия для работы генератора. Поэтому, если ан­тенна работает не на волне λ₀, для настройки ан­тенны в резонанс вблизи точек питания последо­вательно с генератором включают реактивные элементы настройки. Если антенна работает на волне λ>λ_p (λ_p - рабочая длина волны), то для на­стройки в резонанс включают индуктивность (режим удлинения). Если λ_р<λ₀, то для настрой­ки антенны в резонанс включают емкость (режим укорочения). Полотно антенны обычно содержит 2...16 проводов, отстоящих на 1...3 м друг от друга. Большое число проводов приводит к снижению волнового сопротивления антенны и тем самым потенциала, что позволяет увеличивать излучаемую антенной мощность. В рассматриваемых диапазонах снижение волнового сопротивле­ния практически не приводит к улучшению диапазонных свойств антенны, как это имеет место в более коротковолновых диапазонах. Узость полосы пропускания связана, в основном, с малостью сопротивления излучения. Данный недостаток усугубляется в СДВ диапазоне. Для увеличения сопро­тивления излучения в СДВ диапазоне используются более сложные антенны, являющиеся комбинациями нескольких Г- или Т- образных антенн, прилегающих друг к другу и имею­щих синфазно возбужденные вертикальные части. Схемы одной из таких ан­тенн (антенны Александерсена, или антенны со многими снижениями) пока­зана на рис.4.9. Питание подводится к нижней точке среднего снижения. Другие снижения являются пассивными, они снабжены реактивными настро­ечными сопротивлениями, с помощью которых добиваются синфазности то­ков во всех снижениях. Расстояния между вертикальными частями антенны малы (сотни метров) по сравнению с длиной волны. По этой причине взаим­ные сопротивления вертикальных частей близки к собственным и токи во всех снижениях оказываются равными по амплитуде, а излучаемая мощность в n² раз больше (n - число снижений), чем мощность, излучаемая аналогич­ной антенной с одним снижением при той же амплитуде тока. Таким обра­зом, сопротивление излучения для антенны с n снижениями возрастает в n² раз. Очевидно, сопротивление потерь возрастает примерно в n раз, так что КПД сложной антенны увеличивается. В целях увеличения КПД антенн СДВ диапазона для их размещения выбирают территорию с высокой проводимо­стью почвы, устраивают разветвленную систему заземления и предпринима­ют ряд других мер, направленных на снижение потерь при этом достижим КПД около 0,9.