
- •Плоские волны
- •Напряженность электрического поля
- •Диаграмма направленности антенны и распределение поля в ее раскрыве
- •Лекция №3 Антенно-фидерные устройства их разновидности и групповые признаки Антенны можно подразделять на группы по разным признакам:
- •Линейные антенны
- •Фигурные антенны
- •Свойства излучения вертикальных антенн
- •Заземленная антенна Groundplane
- •Излучательные свойства рамочных антенн
- •Преимущества рамочных антенн
- •Лекция 7 Исследование характеристик излучения тороидальными антенно-фидерными устройствами.
- •1.2 Атмосфера и ее влияние на распространение радиоволн
- •Углы возвышения и требования к диаграммам направленности антенн
- •Передача сигналов по спутниковым системам связи
Линейные антенны
К линейным антеннам относятся открытые (электрические) антенны с прямолинейными элементами:
• диполь, или вибратор. Простейшей антенной с симметричным питанием является двухполюсник (диполь) с синусоидальным распределением тока. Полуволновый вибратор характеризуется длиной /2. Длина волнового вибратора равна . Широкополосный вибратор представляет собой диполь в виде конуса (конический вибратор, двойной конический вибратор) или плоскостной диполь (веерный вибратор, плоский вибратор). К несимметричным (преимущественно вертикальным) вибраторам относятся коаксиальный вибратор, конусно-цилиндрическая и дисконусная антенны;
• монополь. Другие названия - униполь, полудиполь, антенна Маркони. К простейшим типам антенн с несимметричным питанием принадлежит однополюсник (монополь) или полудиполь с синусоидальным распределением тока над проводящей поверхностью. Длина антенн составляет /4. Используются также вертикальные антенны длиной /2 и 5/8. К широкополосным монополям относятся конические и плоские веерные антенны;
• длинный провод. Длина этих проволочных антенн больше рабочей длины волны. Они бывают симметричными или асимметричными, питаются стоячими или бегущими волнами, могут быть резонансными или апериодическими.
Фигурные антенны
Это открытые (электрические) антенны с фигурными элементами:
• вырожденный вибратор. Такие антенны служат для обеспечения широкополосности (в частности, цилиндрический вибратор) или для получения круговой диаграммы направленности, например уголковый вибратор Squalo;
• вырожденный монополь. Служит для обеспечения широкополосности, скажем в двойной конической или цилиндрической антеннах;
• изогнутый вибратор. Обеспечивает широкополосность, в частности в чашечном вибраторе. Используется для оптимизации усиления в качестве полуторного диполя по Ландсторферу (Landstorfer) -антенна «взмах крыла»;
• изогнутый монополь. Придает широкополосность, к примеру, чашечному излучателю.
Рамочные антенны
Рамочными называются замкнутые антенны с элементами в виде рамок, а именно:
• малая рамка. Устаревшее название - магнитная антенна. Ее периметр мал по сравнению с длиной волны и составляет приблизительно 1/10 . Пример антенны этого типа - обмотка катушки или ферритовая стержневая антенна;
• большая рамка. Периметр большой рамки составляет примерно 1 . К таким антеннам относятся петлевой вибратор, дисковая и квадратная антенны и антенна типа Delta-Loop.
Щелевые антенны
Замкнутые антенны со щелевыми элементами на проводящей поверхности. Длина щелей составляет от /2 до , а сами они бывают линейными (щели на плоскости или цилиндре) или крестообразными (например, на дисковой щелевой антенне).
Активные антенны
Активная антенна представляет собой пассивный элемент (вибратор или монополь) со встроенной «активной частью» (усилителем). В результате получается малогабаритная чувствительная и широкополосная антенная система, однако линейность ее ограничена и не соблюдается принцип взаимности.
ЛЕКЦИЯ №4
Конструкции и параметры вертикальных антенных устройств
При установке проводника антенны по вертикали и хорошей проводимости земной поверхности вполне достаточен излучатель длиной 4. В данном случае входное сопротивление излучателя оказывается активным и резонансным. При этом речь идет всё-таки о полуволновом излучателе, так как благодаря грунту, который можно считать более или менее приличным проводником, четвертьволновый отрезок зеркально дополняется до полуволнового вибратора. В своей простейшей форме такой четвертьволновый (над грунтом) излучатель известен как антенна Маркони (рис. 1).
Рис. 1. Распределение тока и напряжения в антенне Маркони
В отличие от диполей их называют монополями. Эквивалентная схема входного сопротивления вертикальной четвертьволновой антенны состоит из последовательно включенных сопротивления излучения Rs, реактивного сопротивления Xs (равного нулю при резонансе) и сопротивления грунта Re (рис. 2). Отсюда следует, что суммарная мощность Pa, поданная на резонансную антенну Маркони, рассеивается на сопротивлении излучения Rs и сопротивлении грунта Re, так что справедливо соотношение
Pa = I 2 (Rs+Re) , (4.1)
где I - эффективная величина тока антенны.
Рис. 2. Эквивалентная схема входного сопротивления четвертьволнового излучателя над землей
Сопротивление земли Re является чистым омическим сопротивлением потерь, на котором высокочастотная энергия расходуется на нагревание грунта. Отсюда вытекает зависимость между мощностью излучения Ps = I2 Rs и мощностью потерь РV=I2Re
Ps = Pa - РV. (4.2)
Для эксплуатации антенны Маркони с высоким КПД необходимо, прежде всего, предельно низкое сопротивление земли Re, чтобы сделать отношение Rs : Re, как можно более высоким. На практике к сопротивлению Re следовало бы добавить и все прочие сопротивления потерь, которых может быть достаточно много. Поскольку длина (или высота) четвертьволнового излучателя составляет только половину полуволнового вибратора, его эффективная высота heff также оказывается вдвое меньшей:
heff = (4.3)
Подставив вместо длины волны частоту f, получаем:
heff м =47,75/ fМГц . (4.4)
Эффективная высота входит в соотношение Рюденберга для определения сопротивления излучения:
RsOм =1579 heff м /м . (4.5)
Отсюда для четвертьволнового излучателя получается сопротивление излучения Rs величиной 40 Ом. По теории Э. Зигеля точное значение равно 36,6 Ом, если резонансный четвертьволновый излучатель установлен прямо на земле.
Входное сопротивление RE резонансного четвертьволнового излучателя над землей равно сумме сопротивления излучения Rs и сопротивления потерь RV:
RE=Rs+RV. (4.6)
В RV входят все сопротивления потерь, но главный вклад вносят потери в грунте.
В идеальных условиях входное сопротивление RE при резонансе равно сопротивлению излучения Rs, составляющему 36,6 Ом у антенны Маркони. Но поскольку сопротивление земли Re и сопротивление излучения Rs включены последовательно, входное сопротивление RЕ надо складывать с сопротивлением Re. Поэтому у любой действующей антенны Маркони фактическое входное сопротивление RЕ всегда выше идеального, равного 36,6 Ом. Тогда вполне реальна ситуация, при которой входное сопротивление составляет 75 Ом и 75-омный коаксиальный кабель оказывается безупречно согласованным с излучателем. Однако это не дает оснований для ликования, поскольку такое значение параметра свидетельствует о том, что сопротивление суммарных потерь достигает 38,4 Ом и почти целиком обусловлено сопротивлением земли Re. В итоге почти половина мощности Ра, посылаемой антенне, излучается в виде мощности излучения Рs, а оставшаяся половина является мощностью потерь Ру и расходуется на нагревание грунта. В этих условия для повышения КПД следует снизить сопротивление земли Re, применив соответственно увеличенную сеть заземления. Другой способ улучшить КПД антенны при неблагоприятных условиях заземления состоит в том, чтобы повысить сопротивление излучения RS путем изменения конструкции излучателя (например, применить несколько проводников) и тем самым сделать RS » Re.
Коэффициент укорочения V четвертьволнового штыря зависит от отношения его длины к диаметру l/d. Его называют степенью утолщения S. На рис. 3 показаны приблизительные значения, свойственные антенне в свободном пространстве на хорошо проводящем грунте. Для практических целей в них надо вносить незначительные поправки.
Степень утолщения S определяет также среднее волновое сопротивление ZA штыревой антенны согласно соотношению:
ZA= 601n(1,15 S) . (4.7)
Это выражение представлено на рис. 4 в виде графика, с которого считываются требуемые значения без всяких вычислений. Из соотношения следует, что ZA антенны уменьшается вслед за степенью ее утолщения S.
С другой стороны, известно, что у «толстых» излучателей полоса частот шире, чем у «тонких».
Наглядный пример тому - широкополосные вибраторы. Взаимосвязь степени утолщения S и ширины полосы В легко представить в виде формулы, если исходить из добротности излучателя Q.Это безразмерная величина, представляющая собой отношение волнового сопротивления антенны Za к ее входному сопротивлению RE:
Q= ZA /RE . (4.8)
Ширина полосы пропускания В в герцах:
B=fres/Q . (4.9)
После подстановки имеем:
B=f res RE/ZA (4.10)
Из этого соотношения следует правило: полоса частот антенны тем шире, чем больше ее входное сопротивление RE и чем меньше волновое сопротивление ZA антенны. Поскольку ZA зависит от степени утолщения S, из формулы (4.7) ясно, что ширина полосы В растет с уменьшением S.