5.9. Несимметричный электрический вибратор

Направленные свойства несимметричного вертикального заземленного вибратора

Несимметричным называется вибратор, у которого одно плечо по размерам или по форме отличается от другого. На практике широко применяются несимметричные вертикальные заземленные вибраторы (НЭВ), рис. 5.25 [11]. Заземленный НЭВ представляет собой вертикальный по отношению к земле или к какой-либо металлической поверхности отрезок электрического провода, к нижнему концу которого подключен «сигнальный» полюс генератора, а общий провод генератора заземлен или присоединен к металлическому объекту (корпусу автомобиля и т.д.). Роль второго плеча вибратора в данном случае играет поверхность Земли или металлическая поверхность объекта-носителя антенны (зеркальное изображение).

Рис. 5.25. Вертикальные несимметричные вибраторные антенны

Несимметричные вертикальные заземленные вибраторы применяются как на весьма низких частотах в ОНЧ — СЧ диапазонах, так и в ВЧ — УВЧ диапазонах (так называемые штыревые антенны — автомобильные, самолетные и другие). При расчете ДН и входных cопротивлений несимметричных вибраторов ОНЧ — СЧ земную поверхность можно считать идеально электропроводящей и заменять ее действие действием зеркального изображения антенны. В случае антенн ВЧ и на более высоких частотах следует учитывать действительные параметры почвы и определять ток в зеркальном вибраторе при помощи комплексных коэффициентов отражения (коэффициентов Френеля) [11]. Так как в случае идеально проводящей земли ток в ЗИ антенны совпадает по величине и фазе с током в вибраторе, то замена земли ЗИ вибратора сводится к переходу от несимметричного вибратора длиной l к симметричному вибратору с длиной одного плеча, равной l. При этом токи в обоих вибраторах одинаковы. Соответственно, ДН несимметричного заземленного вибратора в вертикальной плоскости (Е) можно рассчитать по формуле [10]

f(Δ) = [cos (kl sin Δ) - cos kl] / [(1 - cos kl) cos Δ], (5.78)

где Δ — угол между нормалью к оси вибратора и направлением на точку наблюдения (называемый углом места).

ДН несимметричного вибратора в вертикальной плоскости зависит только от отношения l/λ₀. В горизонтальной (экваториальной) плоскости вертикальный несимметричный вибратор не обладает направленными свойствами. Если длина несимметричного вибратора не превышает 0,7λ₀, то он излучает с максимальной интенсивностью в перпендикулярном направлении, т.е. в горизонтальной плоскости. При дальнейшем увеличении длины вибратора растут боковые лепестки ДН и интенсивность излучения вдоль земли уменьшается. Чем выше электрическая проводимость почвы и чем ниже частота (больше длина волны), тем меньше угол Δ_max (рис. 5.26) [10]. В низкочастотных диапазонах (НЧ, СЧ) землю можно считать практически идеально проводящей. С ростом частоты почва начинает проявлять себя как среда с комплексной диэлектрической проницаемостью. При этом направление максимального излучения отклоняется от поверхности земли на некоторый угол Δ_max, зависящий от длины волны и параметров почвы. Это необходимо учитывать при использовании вертикальных несимметричных антенн в ВЧ и более высокочастотных диапазонах [2, 10, 11].

Рис. 5.26. Примеры ДН вертикального несимметричного вибратора, расположенного над идеально проводящей плоскостью (сплошная линия) и над поверхностью с конечной электрической проводимостью (пунктирная линия)

Несимметричные вибраторы в виде антенн-мачт, антенн-башен, Г-, Т- и П-образных антенн их модификаций широко используются в качестве передающих и приемных антенн в диапазонах НЧ и СЧ, особенно в системах радиовещания [2, 10]. В диапазонах ВЧ—УВЧ вертикальные несимметричные вибраторы особенно широко применяются в качестве приемопередающих антенн радиостанций стационарных и подвижных систем радиосвязи, радиосистем передачи извещений в технике охраны, а также, например, как элементы приемных кольцевых антенных решеток систем радиомониторинга [2, 3, 9, 13].

Сопротивление излучения и входное сопротивление несимметричного вертикального заземленного вибратора

Если почву считать идеальным проводником, то сопротивление излучения и входное сопротивление несимметричного вибратора определяются сравнительно просто. Применяя метод вектора Пойнтинга для расчета мощности излучения несимметричного вибратора, надо иметь в виду, что излучение происходит только в одно полупространство, поэтому интегрирование вектора Пойнтинга следует производить по поверхности не сферы, как в случае симметричного вибратора, а полусферы. В результате оказывается, что мощность, излучаемая несимметричным вертикальным вибратором, в два раза меньше мощности, излучаемой соответствующим симметричным вибратором. По этой причине сопротивление излучения несимметричного вертикального вибратора длиной l в два раза меньше сопротивления излучения симметричного вибратора с длиной плеча, равной l. Так, сопротивление излучения четвертьволнового несимметричного вибратора (l = λ₀/4) равно 73,1/2 36,5 Ом. Очевидно, что входное сопротивление несимметричного вибратора длиной l также вдвое меньше входного сопротивления симметричного вибратора с полной длиной 2l. В случае коротких по сравнению с длиной волны вибраторов (l/λ₀<0,1), формулы для расчета входного сопротивления упрощаются, так активная составляющая входного сопротивления несимметричного вибратора (без учета потерь) [10, 11]

R_вх =R_Σ0 = 10 (kl)² = 40π² (l/λ₀)² 400 (l/λ₀)². (5.79)

Реактивная составляющая входного сопротивления несимметричного вибратора, длина которого l 0,35λ₀, определяется по формуле [10, 11]

X_вх=X_Σ0 = -iW_в ctg kl, (5.80)

где W_в = 60[ln(l/a)-1]— волновое сопротивление несимметричного вибратора.

Действующая высота (длина) несимметричного вибратора определяется по формуле [10, 11]

l_д = (λ₀ /2π)(1-cos kl)/ sinkl. (5.81)

В случае короткого несимметричного вибратора с (l/λ₀<0,1), можно считать, что l_д = l/2 и

R_Σ0 400(2l_д /λ₀)² = 1600(l_д/λ₀)². (5.82)

Увеличение сопротивления излучения вибратора связано с удлинением последнего (пока l/λ₀ не превысит 0,45). Однако оно может быть увеличено без удлинения антенны путем увеличением ее действующей длины. Действующая длина будет тем больше, чем равномернее распределен ток по антенне. Получить более равномерное распределение тока по вибратору можно, нагрузив его на верхнем конце некоторой емкостью. В качестве конструктивного элементатакой емкости используются горизонтальные или наклонные провода, металлические или проволочные диски и т.д. (рис. 5.25).

Эффект увеличения действующей длины НЭВ поясняется рис. 5.25, на котором показано распределение тока в Г-образной антенне. Видно, что при наличии горизонтальной части ток по рабочей вертикальной части распределяется более равномерно. В случае небольшой высоты НЭВ и высокой электрической проводимости почвы излучение от горизонтальной части практически полностью компенсируется излучением от ее зеркального изображения.

Другим способом увеличения действующей длины НЭВ является включение в разрыв проводника реактивных нагрузок.

Обычно стремятся к тому, чтобы антенна была настроена в резонанс, т.е. чтобы реактивная компонента ее входного сопротивления равнялась нулю. При этом ток и напряжение на входе антенны оказываются синфазными и заданная мощность излучения достигается при меньшем входном напряжении ВЧ колебаний. Кроме того, при чисто активном входном сопротивлении антенны создаются оптимальные условия для работы генератора. Длину волны λ₀, на которой Х_вх=0, называют собственной. В частности, для антенны без горизонтальной части Х_вх=0 при (2π/λ₀)l = π/2, откуда λ₀ = 4l. Поэтому, если антенна работает не на собственной длине волны, для настройки в резонанс вблизи точек питания антенны последовательно с генератором включают реактивные элементы настройки, рис. 5.27 [10, 11]:

Рис. 5.27. Настройка несимметричного вибратора в резонанс

Если рабочая длина волны больше собственной длины волны антенны (λ_Р >λ₀), то для настройки в резонанс включают «удлиняющую» индуктивность. Если λ_P < λ₀, то для настройки антенны в резонанс включают «укорачивающую» емкость. Включением индуктивных или емкостных элементов настройки можно также настраивать в резонанс и симметричные вибраторы.

Собственная длина волны антенны с горизонтальной частью зависит от соотношения волновых сопротивлений вертикальной и горизонтальной частей антенны.

В случае идеально проводящей земли КНД несимметричного вибратора в 2 раза больше КНД соответствующего симметричного вибратора [10, 11].

На частотах, на которых проявляются свойства почвы как диэлектрика с потерями, при работе несимметричного вертикального вибратора часть полного тока в его цепи протекает по поверхности почвы (глубина проникновения поля в почву уменьшается с ростом частоты, см. скин-эффект), что приводит к резкому росту суммарных потерь подводимой к антенне мощности. Для ослабления этого негативного эффекта на площадке под вибратором обычно выполняется искусственное заземление, например, в виде системы противовесов — радиально расходящихся от антенны проводников в виде проводов или тонких металлических тросов, растягиваемых на небольшой высоте над землей. В общей точке соединения противовесы подключаются к выходу заземления радиопередатчика. При этом значительная часть токов, создаваемых антенной, замыкается не через почву, а хорошо электропроводящие противовесы с низким сопротивлением, что существенно повышает КПД антенны. Более подробно данный материал изложен в [10, 11].

Примеры некоторых практических конструкций несимметричных четвертьволновых вибраторных антенн ОВЧ-УВЧ диапазонов приведены на рис. 5.28 [17]. В конструкциях на рис. 5.28 используются: дисковый или квадратный металлический экран (а); горизонтальные или наклоненные в сторону основания антенны штыревые противовесы (б); радиус экрана и длина противовесов выбирается порядка четверти средней рабочей длины волны [17]. Проводники противовеса электриче­ски соединены с опорой в верхней её точке создают эквивалент заземления вибра­тора. Токи в противовесах протекают в радиальных направлениях и при горизонтальном расположении противовесов они практиче­ски не излучают, определяя, главным образом, ближнее поле и входное сопротивление антенны.

На рис. 5.28, в показан вариант антенны с металлическим изолятором в виде цилиндрического стакана четвертьволновой глубины, препятствующего затеканию токов высокой частоты на внешнюю поверхность питающей линии передачи — экран коаксиального кабеля, что способствует сохранению нормальной формы ДН антенны в вертикальной плоскости [17].

Ограниченность размеров экрана слабо влияет на входное сопротивление антенны, но приводит к изрезанности формы ее ДН в вертикальной плоскости. Направление максимального излучения при наличии экрана конечного диаметра d отклоняется от горизонтальной плоскости на угол [17]

.

а б в

Рис. 5.28. Варианты несимметричных вибраторных антенн

В ВЧ и ОВЧ диапазонах несимметричные антенны могут иметь длину, существенно меньше резонансной (четвертьволновой). В этом случае для компенсации реактивной компоненты входного сопротивления используются реактивные элементы настройки [10, 11], например, «удлиняющие» катушки индуктивности.

Несимметричные антенны ОВЧ и УВЧ диапазонов обычно питаются коаксиальным кабелем (фидером). Центральный проводник кабеля подключается к четвертьволновому вибратору, а внешний экран — к противовесу или корпусу радиостанции. Входное сопротивление резонансного вибратора приблизительно равно 36,5 Ом. Непосредственное подключение фидера с волновым сопротивлением 50 Ом или 75 Ом обеспечивает КСВ соответственно 1,4 или 2,0. При необходимости получить меньший КСВ между фидером и вибратором включают согласующее устройство, например, четвертьволновый трансформатор с волновым сопротивлением 40—50 Ом.

Большими диапазонными свойствами f_max /f_minx =4-5 при КСВ<2 обладает дискоконусная антенна с линейной поляризацией (рис. 5.29) [10], питаемая коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 50 Ом.

Рис. 5.29. Дискоконусная антенна и примеры ее ДН

в вертикальной (Е) плоскости

Размеры антенны определяются максимальной длиной волны и выбираются из условий l=(0,25-0,28)λ_max; 2R_к=(0,18-0,2)λ_max. Размеры уз­ла возбуждения должны удовлетворять соотношению t ≈0,3d, где d — диаметр оплетки кабеля. Для уменьшения парусности антенна ОВЧ диапазона выполняется из стержней или трубок, расположенных по радиусам диска и образующим конуса. Внешние концы трубок диска и конуса для увеличения жесткости присоединяются к металлическим кольцам, при этом R_д=0,7R_k. Примеры экспериментальных ДН антенны Е-плоскости приведены на рис. 5.29.