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 R_s, реактивного сопротивления X_s (равного нулю при резонансе) и сопротивления грун­та R_e (рис. 2). Отсюда следует, что сум­марная мощность P_a, поданная на резонан­сную антенну Маркони, рассеивается на сопротивлении излучения R_s и сопротивле­нии грунта R_e, так что справедливо соотно­шение

P_a = I ²  (R_s+R_e) , (4.1)

где I - эффективная величина тока антенны.

Рис. 2. Эквивалентная схема входного сопротивления четвертьволнового излучателя над землей

Сопротивление земли R_e является чис­тым омическим сопротивлением потерь, на котором высокочастотная энергия расходуется на нагревание грунта. Отсюда вытекает за­висимость между мощностью излучения P_s = I² R_s и мощностью потерь Р_V=I²R_e

P_s = P_a - Р_V. (4.2)

Для эксплуатации антенны Маркони с вы­соким КПД необходимо, прежде всего, пре­дельно низкое сопротивление земли R_e, чтобы сделать отношение R_s : R_e, как можно более высоким. На практике к сопротивле­нию R_e 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 h_eff также оказывается вдвое меньшей:

h_eff =    (4.3)

Подставив вместо длины волны частоту f, получаем:

h_{eff м} =47,75/ f_МГц . (4.4)

Эффективная высота входит в соотноше­ние Рюденберга для определе­ния сопротивления излучения:

R_sOм =1579 h_{eff м} /_м . (4.5)

Отсюда для четвертьволнового излуча­теля получается сопротивление излучения R_s величиной 40 Ом. По теории Э. Зигеля точное значение равно 36,6 Ом, если резонансный четвертьволно­вый излучатель установлен прямо на зем­ле.

Входное сопротивление R_E резонансного четвертьволнового излучателя над землей равно сумме сопротивления излучения R_s и сопротивления потерь R_V:

R_E=R_s+R_V. (4.6)

В R_V входят все сопротивления потерь, но главный вклад вносят потери в грунте.

В идеальных условиях входное сопротивление R_E при резонансе равно сопротивлению излучения R_s, составляющему 36,6 Ом у антенны Маркони. Но поскольку сопротивление земли R_e и сопротивление излучения R_s включены последовательно, входное сопротивление R_Е надо складывать с сопротивлением R_e. Поэтому у любой действующей антенны Маркони фактическое входное сопротивление R_Е 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 R_e. В итоге по­чти половина мощности Р_а, посылаемой ан­тенне, излучается в виде мощности излу­чения Р_s, а оставшаяся половина является мощностью потерь Р_у и расходуется на на­гревание грунта. В этих условия для повы­шения КПД следует снизить сопротивле­ние земли R_e, применив соответственно уве­личенную сеть заземления. Другой способ улучшить КПД антенны при неблагоприят­ных условиях заземления состоит в том, что­бы повысить сопротивление излучения R_S путем изменения конструкции излучателя (например, применить несколько провод­ников) и тем самым сделать R_S » R_e.

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 Z_A шты­ревой антенны согласно соотношению:

Z_A= 601n(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 Z_A 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 Z_a к ее входному сопротивлению R_E:

Q= Z_A /R_E . (4.8)

Ширина полосы пропускания В в герцах:

B=f_res/Q . (4.9)

После подстановки имеем:

B=f _res R_E/Z_A (4.10)

Из этого соотношения следует правило: полоса частот антенны тем шире, чем боль­ше ее входное сопротивление R_E и чем мень­ше волновое сопротивление Z_A антенны. По­скольку Z_A зависит от степени утолщения S, из формулы (4.7) ясно, что ширина по­лосы В растет с уменьшением S.