Лекція № 15: “Проводові антени”

1. Симетричні вібраторні антени

Згідно з рівняннями Максвелла, первинними джерелами елект­ромагнітного поля є змінні електричні струми та заряди, що існують у провідниках. Тому відрізки проводів зі струмами високої частоти та зарядами на кінцях можна використати для створення антенних пристроїв різного призначення.

Найпростішим антенним пристроєм є півхвильовий симетричний вібратор (рис. 1,а). Джерело сигналу підмикається до точок, що містяться між його плечима довжиною ℓ = λ / 4 кожне. У вібраторі встановлюється стояча хвиля струму I(z) із пучністю I_п = 2I_m в його центрі та нулями на кінцях:

(1)

Рис. 1 Проводові антени

Якщо кожне плече симетричного вібратора подати у вигляді су­купностей диполів Герца з відповідними розподілами струмів, то знайдемо в далекій зоні значення комплексної амплітуди напруженості інтерференційного електричного поля та пов'язаної з нею напруженості магнітного поля:

(2)

де (3)

(4)

Таким чином, у даному разі ХН не залежить від кута φ:

(5)

(6)

У загальних співвідношеннях (1) та (6) позначено:

- E_{п max -} максимальне амплітудне значення напруженості елек­тричного поля на відстані r від ізотропної антени, що збуджується струмом амплітудою I_a = I_n sinβℓ

- f ( , φ) — амплітудна характеристика спрямованості симет­ричного вібратора довжиною 2ℓ = λ / 2

- Ψ ( , φ) — фазова характеристика спрямованості.

Зі співвідношення (4) випливає, що симетричний вібратор є неспрямованою антеною у площині, перпендикулярній до його поз­довжньої осі. У площині розміщення вектора E (вертикальній) маємо f (0, φ) = 0 і

(7)

Симетричний вібратор характеризується спрямовуючими властивостями, які залежать від відношення ℓ/λ. Збільшення цього відношення супроводжується звуженням пелюсток діаграми спрямова­ності (рис. 1, а, б) та появою великої їх кількості (рис. 1, в, г).

Проте симетричний вібратор не випромінює вздовж своєї осі за жодних обставин. Нормована ДС, як випливає із (4), описується виразом

(8)

Потужність випромінювання симетричного вібратора

а опір випромінювання

• Найбільш поширеними серед симетричних вібраторів є напівхвильові, довжина плеча яких ℓ = λ /4, а відповідна резонансна довжина хвилі λ₀ = 4ℓ.

Тонкий симетричний вібратор (рис.2а) є вузькосмуговою сис­темою. Відносна ширина його смуги пропускання

де d—діаметр проводу.

Збільшення діаметра проводу су­проводжується розширенням смуги робочих частот. Тому на прак­тиці застосовують симетричні вібратори конічної або циліндричної форми (рис. 2, б, в), а іноді — плоскі вібратори різної конструкції.

У декаметровому діапазоні радіохвиль застосовують «товсті» симетричні широкосмугові антени, плечі яких виконано з 6-8 тонких проводів, розміщених за твірними циліндра (рис.2, в), радіус якого a ≈ 0,5…0,75 м. Хвильовий опір антени сягає 200.. .400 Ом. Така антена (диполь Надененка) підвищується над Землею на спеціаль­них щоглах. Її конструкція забезпечує знижену вагу та зменшене вітрове навантаження.

Рис.2 Симетричні антени

Для ще більшого (п'ятикратного відносного) розширення діапа­зону робочих частот використовують шунтовий вібратор, один із варіантів якого зображено на рис. 2, г. Ефект досягається за раху­нок взаємної компенсації реактивних складових короткозамкненого шлейфа довжиною ℓ_ш/2 та розімкненої лінії в режимі холостого ходу довжиною 0,5(2ℓ-ℓ_ш)≈ 0,5(0б5λ-ℓ_ш) . Шунт довжиною ℓ_ш може бути виконаний також у вигляді уявного П-подібного шлейфа.

Спільним недоліком розглянутих антен є їхній низький вхідний опір R_a, через що може бути недостатнім рівень потужності випро­мінювання P_Σ. Для його підвищення необхідно збільшити R_a при фіксованому значенні I_a. На рис. 2, д зображено петльовий вібратор Пістолькорса, який характеризується підвищен­ням вхідного опору майже в 4 рази. На схемі показано епюри розпо­ділу струму I(z) в елементах цієї антени.

При резонансі в такій антені R_a = 252 Ом. Оскільки в режимі стоячих хвиль уздовж вібратора місця, де розташовуються пучності струму та вузол напруги, збігаються, то в цій точці петльовий вібра­тор може бути прикріплено безпосередньо до металевої щогли висо­тою над Землею або дахом будівлі.