7.4.5 Коротковолновые антенны бегущей волны

Антенна бегущей волны (рисунок 7.48) состоит из двухпроводной или четырехпроводной линии АВ, СD, которая по одну сторону соединяется с входом приемника, а по другую замкнута на активное сопротивление, равное волновому сопротивлению линии R_н=Z_в, и из N горизонтальных симметричных вибраторов, подключенных к линии с равными интервалами d через сопротивление связи Z_св.

Расстояние d«λ, а величина Z_СВ выбирается достаточно большой, чтобы вибраторы незначительно шунтировали линию АВ, СD. Это дает основание рассматривать линию как цепь с равномерно распределенными параметрами L₁, C₁, в которой фазовая скорость не равна скорости света с. При сопротивлении нагрузки R_н=Z_в антенна работает в режиме бегущих волн с коэффициентом замедления .

Рисунок 7.48 – Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы

вибраторной антенны бегущей волны

Большие сопротивления связи Z_СВ сильно ослабляют мощность излучения вибраторов и тем самым уменьшают мощность, поглощаемую в сопротивлении R_н. Это настолько снижает КПД, что антенны бегущей волны применяются только как приемные. Дело в том, что на КВ (в отличие от УКВ) внешние помехи значительно больше внутри приемных шумов, а в таких условиях снижение КПД приемной антенны в равной мере ослабляет как полезный сигнал, так и помеху, поэтому отношение сигнал/помеха на входе приемника не меняется.

Электромагнитные волны возбуждают в симметричных вибраторах 1, 2, 3 ..., N соответственно ЭДС е₁, е₂,...е_N. Поэтому в эквивалентной схеме антенны (рисунок 7.48, б) вибраторы заменены источниками ЭДС е₁, е₂,...е_N с входными сопротивлениями Zвх₁, Zвх₂,…, Zвх_N (между a₁b₁, a₂b₂,…, a_Nb_N). Каждый источник ЭДС вызывает в линии одну бегущую волну напряжения и тока в направлении к сопротивлению R_н, а другую - в направлении к приемнику. Так как R_н=Z_в, то первая волна полностью поглощается в нагрузке и не влияет на ЭДС ε_А, поступающую в приемник.

Расстояние между проводами линии значительно меньше длины волны. В связи с этим ЭДС, индуцируемые непосредственно в симметричных сечениях линии (например, в dx₁ и dx₂), равны по величине и совпадают по фазе и так как они направлены навстречу друг другу, то линия не участвует в создании ЭДС на входе приемника. Роль линии заключается лишь в том, чтобы подвести ЭДС от всех вибраторов к приемнику, поэтому она называется собирательной.

Эти антенны по характеру их сопротивления связи Z_св разделяют по типу на антенны БЕ – с емкостным сопротивлением Z_св=1/ωС_св антенны БС – с активным сопротивлением Z_св=R_св и антенны БИ – с индуктивным сопротивлением Z_св=ωL_св. При выборе элементов антенны руководствуются стремлением получить оптимальный коэффициент замедления k_з=k_{з опт}>1. Для этого сопротивления, вносимые в собирательную линию шунтирующими ее вибраторами, должны иметь реактивную составляющую емкостного характера. Тогда погонная емкость линии С₁ увеличивается и фазовая скорость , становится меньше скорости света с и k_з=с/v_ф>1.

В антеннах типа БЕ, длина одного вибратора . Значит, в его входном сопротивлении Z_ВХ содержится составляющая емкостного характера, которой достаточно для требуемого замедления фазовой скорости, но к Z_вх прибавляется еще емкостное сопротивление связи Z_св. Общая емкость, шунтирующая линию, уменьшается, и замедление скорости v_ф может быть недостаточным для получения k_з=k_{з опт}.

С увеличением длины волны λ возрастают емкостное сопротивление Z_св=1/ωС_св и емкостная составляющая входного сопротивления вибратора Z_вх. И то и другое ослабляет связь вибраторов с собирательной линией, а это снижает КПД антенны η_А. Одновременно происходит уменьшение относительной длины антенны l_А/λ и, как следствие, уменьшение D₀ и G₀ = D₍₎ η_А.

Антенны типа БС благодаря активному характеру их элементов связи отличаются более близким к оптимальному замедлением фазовой скорости и меньшим снижением КПД, КНД и коэффициента усиления с ростом длины волны. Это позволяет составлять БС из сравнительно длинных вибраторов , имеющих более высокий КПД за счет повышенной активной составляющей входного сопротивления. В антеннах БС собирательные линии четырехпроводные, их волновое сопротивление (160...200Ом) меньше, чем сопротивление двухпроводных линий. Все это при сопротивлениях связи R_св=160...240Ом повышает КПД антенны до η_А=20...50% во всем диапазоне волн с коэффициентом перекрытия .

Антенны типа БИ почти не применяются на практике, так как индуктивные элементы связи вызывают не уменьшение, а увеличение фазовой скорости (v_ф>с и k_з<1), а это, соответствует ДН с наклонными лучами, при которой КПД пониженный.

Имея в виду, что ДН решетки из N вибраторов равна произведению ДН одиночного вибратора и множителя решетки, записываем ДН антенны в горизонтальной плоскости как

. (7.63)

Вибраторы расположены горизонтально, а стало быть, каждый из них не обладает направленностью в вертикальной плоскости, и функция направленности антенны в этой плоскости содержит два множителя, один из которых учитывает интерференцию волн отдельных вибраторов а другой — влияние земли на ДН согласно

. (7.64)

Углы φ и δ, входящие в уравнения (7.63) и (7.64), отсчитываются от продольной оси антенны. На рисунке 7.49 показаны ДН антенны бегущей волны в горизонтальной и вертикальной плоскостях, построенные по этим уравнениям.

Рисунок 7.49 – Полярные ДН антенны бегущей волны в горизонтальной

(а) и вертикальной (Б) плоскостях

Рисунок 7.50 – Эскиз антенны бегущей волны, состоящей из двух

параллельно включенных антенн

Пример типовой антенны бегущей волны: на трассах протяженностью 2000...4000 км для радиоприема используется антенна БС=2 . Это означает, что антенна состоит из двух параллельно включенных и смещенных на 25м полотен с числом вибраторов в полотне N=21, длиной плеча вибратора l/2 = 8 м, сопротивлением связи R_св=200Ом, расстоянием между соседними вибраторами d=4,5м и высотой подвеса полотен над землей h=25м. Эскиз антенны бегущей волны, состоящей из двух параллельно включенных антенн, показан на рисунке 7.50.

Параллельное соединение полотен способствует повышению η_А и D₀, ослаблению боковых лепестков и согласованию антенны с фидером. Например, в диапазоне волн λ=15…60м антенна БС-2 имеет η_А=50…10% и D₀=220…50 соответственно.