22.3. Электрические характеристики передающих антенн

Для определения характеристик передающих антенн рассмотрим сим­метричный вибратор длиной t\ = k/2, который является модифицирован­ной длинной линией, разомкнутой на конце (см. п. 22.1). Ток (напряже­ние) вдоль антенны распределен неравномерно, достигает в соответ­ствии с формулой (22.4) максималь­ного значения /₀ (при этом Uq = 0) в центре и нулевого значения (макси­мума U_к) на конце (рис. 22.4, а). Заменим реальную антенну эквива-

углу 9 (модуль вектора Умова — Пойнтинпа),

лентной с равномерным распределе­нием тока (рис. 22.4, б). Площадь, ограниченная кривой распределения тока и осью антенны S₂, должна быть равна аналогичной площади у реаль­ной антенны Sj. Длина /_д эквива­лентной антенны с равномерным распределением тока, создающей такую же напряженность поля, что и реальная, называется действую­щей длиной антенны:

Введение параметра /_д позволяет определять характеристики реальных антенн при U s^.X/2 с использованием соотношений, справедливых для так называемых элементарных вибрато­ров (диполей) с длиной /|<СА,, которые являются математической абстракцией.

Поместим вертикальный симмет­ричный вибратор с 1\я*к/2 в центр сферы свободного пространства ра­диусом г (рис. 22.5). Поток мощности излучения вибратора через единицу поверхности сферы, соответствующей азимутальному углу ф и зенитному

— напряжен­ность электри­ческого поля в рассматри­ваемой точке.

интегрирование по всей поверх­ности сферы позволяет определить один из главных параметров ан­тенны— мощность излуче­ния:

Величинаимеет

размерность сопротивленияi назы­вается сопротивлением излу­чения антенны. Являясь актив­ным, Rz не вызывает преобразование электромагнитной энергии в тепло­вую, а характеризует способность антенны к излучению этой энергии в пространство при заданном токе, возбуждаемом передатчиком. Зави­симость /?2 от отношения /_ДД еще раз подчеркивает мысль (см. п. 22.2) о необходимости соизмерять длину антенны с длиной волны колебаний. Для рассматриваемого полуволново­го симметричного вибратора /_д = Х/л и в соответствии с выражением (22.8) равна 80 Ом.

Не вся мощность, подведенная к антенне Ра, обращается в Р₂, часть ее Р„ теряется в виде тепла на сопротивлении проводов, из-за утеч­ки тока на поверхности изоляторов, на вихревые токи в элементах конструкции и земле. В связи с этим вводится параметр, называемый КПД антенны:

где Я„ — суммарное сопротивление потерь.

Ранее при рассмотрении фи­дерных линий, вводилось понятие входное сопротивление ан­тенны. Теперь его можно выразить

где jX_A — реактивное сопротивление, оп­ределяемое согласно формуле (22.5).

Ток антенны /₀, а значит, и Р% до­стигают максимума при Ха = 0, т. е. при настройке антенны в резо­нанс с частотой передатчика. Для достижения этого или подбирают длину антенны, так чтобы , ■

или включают последовательно с ан­тенной реактивное компенсирующее сопротивление х_у, обеспечивающее выполнение условия х_у—pctga/ —0. Из формулы (22.7) видно, что напряженность поля Е_т и плотность потока мощности излучения S_o вибратора в разных направлениях имеют разное значение. Зависимость Em(So) от координатных углов 8 и ф, соответствующих рассматриваемому направлению, называется диа­граммой (функцией) на­правленности (ДН) антен­ны и обозначается F(Q, ц>) =E_m(Q, ф)/£тах, где Е_тах—напряженность поля в направлении максимального излучения. Обычно интересуются ДН в двух плоскостях: вертикальной F(Q) при ф= const и горизонтальной

F (ц>) при 8 = const и строят их в полярной или прямоугольной системе координат. Для симметрич­ного вертикального вибратора с /i =Х/2 с учетом формулы (22.7) име­ем /^r(0)^sin6, /⁷(ф)=1. Следователь­но, рассматриваемая антенна является направленной в вертикальной плос­кости с двухлепестковой ДН (рис. 22.6, а) и ненаправленной в гори­зонтальной плоскости с круговой ДН (рис. 22.6, б).

Количественную оценку направ­ленных свойств антенны дают два параметра: ширина ДН и коэффици­ент направленного действия (КНД). Шириной ДН называется диапа­зон углов 2Д8, в пределах которого напряженность поля уменьшается не более чем в л[2 раз от Е_т,_т К Н Д — это отношение (Д) плотности потока мощности, создаваемой данной ан­тенной в направлении максимально­го излучения — S_max(ELx) к плот­ности потока мощности абсолютно ненаправленной антенны — So(fo) при условии равенства P_z обеих антенн. При /i^X/2

отсюда для симметричного полуво­лнового вибратора Д=1,5.

Иногда вводят параметр а=Дг|_-4, называемый коэффициентом

усиления антенны. Концентра­ция потока мощности излучения в заданном направлении путем увеличения Д и а эквивалентна повышению мощности передатчика и увеличению длины радиолинии.

Если длина антенны 1Ж/2, то она уже не может считаться эквива­лентной элементарному вибратору, а должна рассматриваться как совокупность таких вибраторов. Это отразится на значениях параметров Ps, Rz, Цл и особенно на ДН, которая за счет различия в фазах полей от элементарных вибраторов в каждой точке пространства приобретает мно­голепестковую форму:

Так, например, при h=2X ДН имеет четыре лепестка (рис. 22.7).

Ранее при определении пара­метров антенны мы полагали, что симметричный вибратор находится в свободном пространстве. В реаль­ных условиях антенна находится

вблизи земли, которая влияет на ее параметры. Для оценки влияния идеально проводящей земли исполь­зуют метод зеркальных изображений. Физическая сущность этого метода заключается в том, что электро­магнитные волны действительного вибратора (В_д), падающие на землю, возбуждают в ней токи, которые вызывают появление отраженной волны, эквивалентной волне от зеркального изображения вибрато­ра (В₃).

Горизонтальный симметричный вибратор, расположенный на высоте /i<CA,, практически не излучает энер­гии, так как токи в В_д и В₃ имеют противоположные направления (на­ходятся в противофазе) и созда­ваемые ими поля из-за отсутствия взаимного запаздывания компенси­руются в любой точке пространства. При увеличении h за счет появления запаздывания волн (отклонения от противофазы) от вибратора В_д и В₃ электромагнитные поля в части верхней полусферы пространства компенсируются не полностью. Если h=X/4, то ДН имеет один лепесток (рис. 22.8, а), при /г > Л./4 — несколько лепестков (рис. 22.8, б). Однако при любом значении h гори­зонтальный вибратор не излучает энергию вдоль поверхности земли ввиду эффекта компенсации полей.

При вертикальном расположении симметричного вибратора токи в В_д

и напряженность суммарного поля в окружающем пространстве опреде­ляется только разностью запаздыва­ний (фаз) вызываемых ими полей.

Если в качестве нижнего провода симметричного вертикального вибра­тора (/i = A,/2) использовать землю, подсоединив в ней второй зажим генератора, то образованная таким образом антенна называется не­симметричным, или зазем­ленным, вибратором (рис. 22.9, а). Подобный вибратор (/, = Х/4) вместе со своим зеркаль­ным изображением В₃ вновь образу­ют симметричный вибратор с ДН (рис. 22.9, б), представляющей верхнюю половину диаграммы на рис. 22.6, а. Действующая длина /_д и сопротивление излучения R% подоб­ной антенны в два раза меньше аналогичных параметров симметрич­ного вибратора. Для уменьшения потерь энергии в полупроводящей почве, а следовательно, выполнения условий R_n-+mm, r^-^max (см. рис. 22.9) применяют специальные кон­струкции заземления в виде радиаль-но расходящихся проводов, труб и металлических листов, закопанных в землю, а при невозможности заземления (при установке на по­движном объекте) образующих противовес над поверхностью крыши.