1.3.5. Конструкции антенн метровых, дециметровых и сантиметровых волн

В диапазоне УКВ используются преимущественно антенны, обладающие направленными свойствами хотя бы в одной плоскости.

Рис. 1.25. Дипольный (а) и петлевой (б) вибраторы и их диаграмма направленности (в)

При малой длине волны такие антенны получаются достаточно компактными, что дает возможность, не встречая больших техниче­ских трудностей, делать их вращающимися. Благодаря этому име­ется возможность, получая большой выигрыш в мощности и умень­шая взаимные помехи радиостанций, осуществлять связь по любым желаемым направлениям.

Антенны указанных диапазонов можно разделить на две группы: вибраторные и поверхностные. В диапазоне метровых волн наибо­лее часто используются различные симметричные и несимметрич­ные вибраторы.

Рассмотрим в качестве примера некоторые типы телевизионных антенн [2].

Самой простой телевизионной приемной антенной является ди­польный вибратор (линейный полуволновой вибратор) (рис.1.25,а), а наиболее удобным в конструктивном отношении - петлевой виб­ратор Пистолькорса (см. рис. 1.25, б).

Этот петлевой вибратор можно рассматривать как два полувол­новых синфазных вибратора, расположенных на малом расстоянии друг от друга. В точке с вибратора располагаются пучность тока и узел напряжения, что соответствует режиму короткого замыкания. В точках b и d, отстоящих от с на 0,25 , образуются узел тока и пучность напряжения. На зажимах антенны а и е возникает пуч­ность тока. Наличие узла напряжения в точке с позволяет крепить вибратор в этой точке к стреле или мачте непосредственно без изоляторов.

Описанные антенны обычно могут обеспечить качественный прием телевизионных передач на сравнительно небольших рас­стояниях от телецентра, так как они являются слабонаправленными (см. рис. 1.25, в). Для приема на больших расстояниях или при не­удовлетворительных условиях приема на малых расстояниях при­меняются более сложные антенны, имеющие лучшую направлен­ность.

Рис. 1.26. Антенна типа «волновой канал» (а) и ее диаграмма

направленности (б)

В диапазоне МВ в качестве направленных антенн большое распространение получили антенны типа «волновой канал». Антенна «волновой канал» (рис. 1.26) состоит из активного вибратора А, рефлектора Р и нескольких директоров Д1, Д2, ДЗ. Из приведенной на рис. 1.26, б диаграммы направленности видно, что коэффициент усиления этой антенны довольно высок и она не будет реагировать на помехи с других направлений. Принцип действия рефлектора и директора рассмотрен выше.

Антенна типа «волновой канал» может работать и как передающая антенна. Активный вибратор А в этом случае излучает электромагнитное поле как в направлении рефлектора, так и в направлении директоров. Под воздействием этого поля в рефлекторе наводится ток, который создает вторичное поле - поле излучения рефлектора. Если длину рефлектора выбрать равной (0,51...0,53) , а расстояние между рефлектором и активным вибратором (0,15...0,25) , то вторичное поле, созданное рефлектором, будет опережать по фазе поле активного вибратора на угол около 90°. Результирующее поле за рефлектором будет равно разности напряженностей полей, созданных активным вибратором и рефлектором. В главном направлении -направлении директоров и далее - поля от активного вибратора и рефлектора будут складываться в одной фазе и результирующее поле увеличится. В реальной антенне опережение фазы тока в рефлекторе несколько отличается от 90°, а амплитуда тока в рефлекторе несколько меньше, чем в активном вибраторе. Поэтому некоторая часть энергии излучается антенной за рефлектор.

Директоры антенны возбуждаются результирующим полем активного вибратора и рефлектора. Для того чтобы вторичное поле директоров повышало напряженность поля в главном направлении, наведенные в них токи должны отставать по фазе от тока активного вибратора. Это достигается соответствующим выбором длин дирек­торов и их взаимным расположением. Длины директоров выбирают равными (0,41 ...0,45) . Расстояние между директорами и первым директором и активным вибратором выбирают (0,1...0,34) . С уменьшением расстояний между активными и пассивными вибра­торами ток в пассивных вибраторах увеличивается, но при этом за счет влияния последних сильно уменьшается входное сопротивле­ние активного вибратора. Для облегчения согласования антенны с фидером активный вибратор часто выполняют петлевым.

Специфические требования предъявляются к передающим ан­теннам МВ для звукового и телевизионного радиовещания, так как они располагаются на большой высоте и несут большую механиче­скую нагрузку от ветра; кроме того, увеличивается вероятность уда­ра в них молнии. Поэтому при конструировании антенн избегают применения керамических изоляторов, а по мере возможности ис­пользуют жесткие механические конструкции.

Телевизионные передающие антенны должны обеспечивать возможно большую зону обслуживания. Так как в большинстве слу­чаев телецентр располагается вблизи середины зоны обслуживания, диаграмма направленности передающей антенны в горизонтальной плоскости должна быть круговой. Для уменьшения бесполезного излучения сигнала в верхнее полупространство в вертикальной плос­кости желательна концентрация излучения в направлении горизонта. Кроме того, передающая антенна должна обеспечивать широкую полосу пропускания (около 8 МГц).

На первых телевизионных станциях в нашей стране применя­лись антенны Б.В. Брауде, представляющие собой вибратор пло­ской конструкции, в котором излучающие пластины для уменьшения ветровой нагрузки заменены проводниками (рис. 1.27, а).

Если вертикальный размер антенны выбрать 0.25 , то эту антенну можно рассматривать как обычный симметричный вибратор, совме­щенный с короткозамкнутым шунтом (рис. 1.27, б). В нем, так же как и в рассмотренном на рис. 1.25 петлевом вибраторе, точки а-а имеют нулевой потенциал, и антенну в этих точках можно непосредственно крепить к мачте без изоляторов. Это упрощает грозозащиту. Изоля­торы необходимо устанавливать лишь в точках питания вибратора.

Недостатком вибратора Брауде является то, что горизонтальные проводники в нем возбуждаются токами разных амплитуд. Объясня­ется это тем, что по мере продвижения по шунту напряжение от мак­симального значения в точках подключения питания падает до нуля в точках короткого замыкания. Токи в проводниках можно выровнять, выполнив плечи вибратора в виде трапеции (рис. 1.27, в).

Рис. 1.27. Устройства передающей телевизионной антенны

Большое распространение получили Ж-образные вибраторы, совмещающие в себе два плоских трапецеидальных вибратора (рис. 1.27, г). Питание подводится к середине вибратора, в том мес­те, где расположены короткие горизонтальные проводники. Для по­лучения ненаправленного излучения в горизонтальной плоскости две Ж-образные антенны располагаются под углом 90° друг к другу и питаются со сдвигом фаз в 90°, образуя так называемую турникетную антенну. Для концентрации излучения в вертикальной плос­кости несколько турникетных антенн располагаются этажами одна под другой и возбуждаются в одинаковых фазах. Сдвиг по фазе во взаимно перпендикулярных вибраторах осуществляется за счет увеличения длины одного из фидеров на 0,25 . Одинаковые фазы во всех этажах получаются автоматически, так как расстояние между этажами равно .

В диапазоне дециметровых и сантиметровых волн широко при­меняется антенна в виде рупора. Простейшей рупорной антенной является открытый конец металлической трубы прямоугольного или круглого сечения, так называемого волновода. Излучающая часть антенны называется раскрывом антенны. Отверстие волновода можно рассматривать как многовибраторную антенну, образован­ную из большого числа элементарных излучателей. Но такая антен­на имеет ряд недостатков. Резкое изменение условий распростра­нения на открытом конце волновода приводит к значительному отражению.

Кроме того, в раскрыве име­ет место огибание излученными вол­нами краев конца волновода, что ухудшает направленные свойства ан­тенны. Для уменьшения отражений и улучшения направленных свойств ко­нец волновода выполняют в виде ру­пора (рис. 1.28).

Направленность рупорной антенны увеличивается с ростом площади раскрыва рупора. В качестве самостоятельных антенн ру­поры применяются редко, но часто входят в конструкцию многих более сложных антенн. Одной из них является зеркальная парабо­лическая рефлекторная антенна (рис. 1.29). В ней роль отражателя выполняет металлическое зеркало, имеющее форму параболоида вращения или параболического цилиндра. При этом антенна излу­чает почти параллельный пучок лучей. Коэффициент направленно­го действия таких антенн очень высок и достигает 10⁴.

Недостаток рассмотренной антенны состоит в том, что часть энергии, отраженной от зеркала, попадает обратно через рупор в волновод. Это снижает эффективность передачи энергии и приводит к искажениям передаваемого сигнала. От этого недостатка свободна рупорно-параболическая антенна (рис. 1.30).

Из волновода 1 высокочастотная энергия поступает в пирамидальный рупор 2, являющийся облучателем сегмента параболоида вращения 3. Излученные антенной волны получаются плоскими, так как фазовый центр рупора, расположенный в его вершине, находится в фокусе параболоида. Для хорошего согласования рупора с волноводом угол раскрыва выбирается равным 30...40°, а длина рупора l=50 . Коэффициент усиления антенны растет с возрастанием площади раскрыва антенны S. При площади раскрыва 6...8 м² коэффициент усиления равен 10⁴. В этом случае ширина диаграммы направленности равна примерно 2° как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях.

Разновидностью зеркальных антенн являются перископические антенны (рис. 1.31), позволяющие при помощи зеркал передавать высокочастотную энергию на вершину башни без линии или волновода. Поступающая от передатчика энергия излучается рупорной антенной в сторону эллипсоидального зеркала 3, расположенного у подножия мачты под углом 45° к горизонту. Зеркало отражает падающие на него волны перпендикулярно вверх на плоское зеркало, установленное на вершине мачты также под углом 45°. Вторым зеркалом волны отражаются в нужном направлении. Коэффициент полезного действия передачи энергии в перископической антенне -порядка 50%, что выше, чем если бы энергия подавалась наверх по волноводу.

Контрольные вопросы:

1.1. Дайте определение понятиям радиолиния и радиосеть.

1.2. Поясните принципы организации симплексной и дуплексной радиосвязи.

1.3. Опишите принципы излучения радиоволн диполем Герца.

1.4. Как влияют Земля и ионосфера на распространение радиоволн?

1.5. При каких условиях радиоволны отражаются от ионосферы?

1.6. Какие преимущества имеют волны сантиметрового, дециметрового и метрового диапазонов?

1.7. Как изменяется при изменении высот подвеса антенн напряженность поля УКВ при связи в пределах прямой видимости?

1.8. Какая рефракция называется положительной?

1.9. Почему наблюдаются замирания сигнала при связи за счет тропосферного рассеяния?

1.10. Какие особенности имеет радиосвязь с использованием отражения радиоволн от метеорных слоев?

1.11. Почему на декаметровых волнах возникает зона молчания?

1.12. Какие причины вызывают интерференционные замирания на декаметровых волнах?

1.13. Что такое радиоэхо и почему оно возникает?

1.14. Из каких соображений следует выбирать рабочую частоту на коротковолновых линиях связи?

1.15. Для чего применяют антифединговые антенны?

1.16. Какие параметры характеризуют работу антенны?

1.17. Дайте определение сопротивлению излучения антенны.

1.18. Чем определяется действующая длина приемной и передающей антенн?

1.19. Дайте определение эффективной площади антенн.

1.20. В чем сущность принципа обратимости антенн?

1.21. Поясните особенности работы симметричного вибратора.

1.22. Каковы конструктивные особенности антенн километровых и гектометровых волн?

1.23. Какие требования предъявляются к антеннам декаметровых волн?

1.24. Каким образом формируется диаграмма направленности антенн декаметровых волн?

1.25. Каким образом работает антенна типа «волновой канал»?

1.26. Опишите принцип работы антенн ультракоротких волн.