книги из ГПНТБ / Бородич, Сергей Владимирович. Радиорелейная связь учебник для техникумов связи

Г л а в а 4

АНТЕННЫ И ФИДЕРЫ

§ 4. 1. Параметры антенн

энергии. Примером простейшей антенны является полуволновый вибратор, который moJkho представить себе в виде прямолиней­ ного проводника с длиной, приблизительно равной половине длины волны.

В технике радиорелейных линий полуволновый вибратор как самостоятельная антенна, в основном, не используется. Он ши­ роко применяется в качестве основного излучающего элемента более сложных, так называемых направленных антенн, которые характеризуются тем, что излучаемая ими электромагнитная энергия распространяется в пространстве не во все стороны, а в виде более или менее узкого пучка. О направленных свойствах антенны м^жно судить по ширине ее диаграммы направленности, являющейся графическим изображением изменения силы сиг­ нала при обходе вокруг антенны. Если антенна имеет узкую диа­ грамму и небольшие боковые лепестки, то говорят, что антенна имеет хорошую направленность.

Различают направленности антенны в горизонтальной и вер­ тикальной плоскостях.

Положение антенн в пространстве (за исключением спираль­ ных антенн, которые не применяются в технике радиорелейной связи) определяет поляризацию излучаемых волн. Если антенна расположена так, что электрические силовые линии электромаг­ нитного поля, излучаемого антенной, располагаются в верти­ кальной плоскости, то принято говорить, что антенна имеет.вер­ тикальную поляризацию. Если же электрические силовые линии поля расположены в горизонтальной плоскости, то говорят, что антенна имеет горизонтальную поляризацию.

Любая антенна может быть охарактеризована следующими электрическими параметрами, которые дают ясное представле­ ние о её качествах-.

199

В х о д н о е с о п р о т и в л е н и е . Входное сопротивление антенны определяется как отношение напряжения''к току в точке

чения антенны называется сопротивление, в котором теряется столько же энергии, сколько излучается антенной в пространство. Сопротивление излучения определяется как отношение полной мощности излучения к квадрату эффективного значения макси­ мального тока в антенне. Для полуволновой антенны это сопро­ тивление приблизительно равно 73 ом.

К о э ф ф и ц и е н т п о л е з н о г о д е й с т в и я . Коэффици­ ентом полезного действия антенны называется отношение мощ­ ности, излучаемой антенной, к мощности, подведённой к входным

фициент направленного действия антенны в данном направлении

длины волны, и равномерным распределением тока, равен 1,5. Коэффициент направленного действия полуволнового вибратора в направлении максимального излучения равен 1,64.

К о э ф ф и ц и е н т у с и л е н и я . Коэффициентом усиления антенны называется отношение мощности, подведённой к эталон­

2 0 0

Направленная антенна, излучающая всю мощность равно­ мерно в пределах телесного угла фь имеет коэффициент направ­ ленного действия

круглым конусом с углом при вершине, равным углу раствора диаграммы направленности фь то яля антенн с узкой диаграм­ мой излучения коэффициент направленного действия и ширина диаграммы направленности будут связаны между собой сле­ дующим приближённым соотношением

менее мощные передатчики для создания в месте приёма элек­ тромагнитного поля той же интенсивности. Очевидно, что если при использовании полуволнового вибратора для создания необ­ ходимой величины напряжённости поля нужна мощность Р, то при применении направленной антенны с коэффициентом усиле-

ент защитного действия характеризует отношение мощности, излучаемой или принимаемой с направления максимального излучения, к мощности, излучаемой или принимаемой с обрат­ ного направления, и является весьма важной характеристикой антенн радиорелейных линий. Он равен

где D0 — коэффициент направленного действия в направлении максимального излучения;

D iso— то же, но в обратном направлении.

В гл. 3 было показано, что систему двух рабочих частот мож­ но применять на радиорелейных линиях лишь в том случае, если антенны обладают высоким защитным действием.

На радиорелейных-линиях связи применяются следующие ти­ пы антенн:

1)синфазные антенны,

2)параболические антенны,

3)рупорные антенны с линзами,

4)рупорно-параболические антенны,

5)перископические антенны.

Наиболее.широко применяются 2, 4 и 5 типы антенн. Перейдём теперь к их краткому описанию.

202

§ 4. 2. Синфазные антенны

Наиболее часто встречаются два типа синфазных антенн: колинеарная и поперечная решётка.

Колинеарная антенна (рис. 4.2.) состоит из двух или более полуволновых вибраторов, расположенных конец к концу и пи­ таемых в фазе. Максимальное излучение происходит в направ­

по сравнению с полуволновым вибратором. Три вибратора дают, коэффициент усиления порядка 2,6, а четыре — 3,2.

На рис. 4.3 показаны диаграммы излучения в горизонтальной плоскости горизонтальных колинеарных антенн, состоящих из двух, трёх и четырёх полуволновых вибраторов.

Антенна типа поперечной решётки (горизонтальная синфаз­ ная антенна) изображена на рис. 4.4. Эта антенна представляет собой совокупность колинеарных горизонтальных антенн, поме­ щённых этажами друг над дру­ гом. При соответствующем поло-

женин вибраторов, их числе и настройке эти антенны могут дать высокий коэффициент усиления. Как видно из рисунка, вибра­ торы антенны в разных этажах питаются напряжением одина­ ковой величины и полярности и расположены друг от друга на расстоянии полуволны. Синфазность вибраторов достигается перекрещиванием концов линий, питающих секции антенн.

Без рефлектора синфазная антенна излучает узкий пучок электромагнитной энергии в обоих направлениях, перпендику? лярных плоскости, в которой лежат вибраторы. Излучение в од­ ну сторону получается при установке пассивного рефлектора в

203

виде такой же системы вибраторов или при применении рефлек­ тора из металлического листа или сетки.

Диаграммы направленности горизонтальных синфазных ан­ тенн в вертикальной плоскости без учёта влияния земли опре­ деляются количеством этажей и одинаковы для всех антенн, име­ ющих равное число этажей. Диаграммы направленности в го­ ризонтальной плоскости определяются только числом вибрато­ ров в этаже.

Коэффициенты направленного действия без учёта влияния земли можно ориентировочно вычислять по следующим форму­

где т — число пар вибраторов в этаже, п — число этажей.

Влияние земли обычно не учитывается, поскольку антенны радиорелейных линий поднимаются на значительную (по срав­ нению с длиной волны) высоту над землёй.

В табл. 4.1 приведены ориентировочные данные о ширине диаграммы направленности в горизонтальной плоскости для не­ скольких типов синфазных антенн.

Синфазные антенны по своему .принципу действия могут эффективно работать лишь в очень узком диапазоне частот, а настройка таких антенн довольно сложна. Поэтому синфазные антенны находят очень ограниченное применение на радиорелей­ ных линиях. Они применяются обычно на линиях небольшой ёмкости, работающих в диапазоне метровых волн.

§4. 3. Параболические антенны

Вдиапазоне дециметровых и сантиметровых волн наряду с излучающими системами в виде линейных вибраторов (синфаз­ ные антенны) широко применяются излучающие системы дру­

гого вида — так называемые поверхностные или дифракционные антенны.

Рассмотрим эти антенны.

Направленные свойства поверхностной антенны тесно связа­ ны с формой равнофазной поверхности в диаграмме электриче­ ского поля вблизи антенны. Если все элементы плоской антенны возбуждаются в одной фазе, то фаза напряжённости электриче­ ского. поля будет приблизительно одинакова во всех точках

204

плоскости на небольшом расстоянии впереди антенны. Это бу­ дет поверхность с равной фазой. Размеры поверхности равной фазы (по отношению к длине волны) определяют направленные свойства антенны. Любая антенна, которая имеет поверхность равной фазы тех же размеров, что и плоскостная система, имеет, приблизительно, одина­

параболоида вращения. Действие параболического рефлектора

путей от излучателя до выбранной нами поверхности только в одном из сечений параболоида плоскостью, содержащей его ось (рис. 4.6).

Из рисунка следует, что длина пути каждого луча от фокуса до поверхности (отражённый луч распространяется параллельно

20S

Таким образом, в апертуре параболической антенны созда ётся плоскость с поверхностью равной фазы. Чем больше апер­ тура, тем выше направленные свойства антенны. Нужно отме­ тить, что поле, излучаемое точечным источником непосредствен­

рефлектору.

Рефлекторы обычно изготовляют из сплошного или перфо­ рированного листа металла с соответствующим металлическим каркасом. Тщательной полировки поверхности рефлектора не

требуется, так как неровности величиной в —■X дают такое ма-

лое искажение фронта волны, что обнаружить его на практике не удаётся. Конструктивно параболические антенны можно раз­ делить на два типа:

В системах с передним питанием все металлические детали, которые невозможно заменить высокочастотным диэлектриком, конструктивно крепятся так, чтобы они были перпендикулярны к электрическим линиям поля.

Параболоид облучается из своего фокуса источником, близ­ ким к точечному. Системы облучателей весьма разнообразны. Можно применять облучатели, питаемые либо коаксиальным фидером, либо волноводом. Облучатель должен удовлетворять двум требованиям: 1) он должен быть выполнен и размещён так, чтобы правильно облучать параболоид; 2) он должен быть согласован с линией питания.

Существенным недостатком параболических антенн является реакция вторичного поля (поля зеркала) на облучатель, приво­ дящая к увеличению стоячей волны в питающей линии. Чем боль­ ше фокусное расстояние, тем слабее влияние вторичного поля. Поэтому правильный выбор фокусного расстояния имеет су­ щественное значение. При коротком фокусном расстоянии из-за того, что облучатели имеют некоторую направленность излуче­ ния, получается неравномерное облучение параболоида и его отражающая поверхность полностью не используется. Длинное фокусное расстояние обеспечивает практически равномерное облучение отражателя, но зато допускает значительное излуче­ ние облучателя, мимо отражающей поверхности. Обычно облу­

206

чатель помещают так, чтобы он немного выступал за края поло­ сти параболоида.

На рис. 4.8 представлен схематический чертёж облучателя параболической антенны типа полуволновый вибратор. Полу­ волновый вибратор (4) является ос­

лярно друг другу,t причём один из них

соединяется с передатчиком, а другой —• с приёмником. Так как поля облучателей имеют разную поляризацию, то приёмный облучатель будет защищён от поля передающего облучателя. Применение разных частот для передачи и приёма обеспечивает дополнительную защиту приёмника от помех со стороны пере­

где в соответствии с (4.2):

De = 4тс —-----коэффициент направленного действия парабо­

лической антенны при полном использовании мощности облучателя и равенстве фаз и ам­ плитуд поля в её раскрыве;

г — радиус раскрыва параболоида; X — длина волны;

с— поправочный коэффициент, или коэффициент эффективности, учитывающий неравномер­ ность распределения фаз и амплитуд поля в раскрыве антенны.

Обычно можно считать, что с лежит в пределах 0,6-е- 0,8. Следует отметить, что на коэффициент направленного действия антенны (это учитывается коэффициентом с) оказывает влияние величина мощности облучателя, уходящая за пределы рефлек­ тора, наличие у облучателя излучения в обратном направлении и неодинаковость фаз и амплитуд поля в раскрыве антенны.

207