4.8. Особенности коротковолновых антенн

Связь на большие расстояния в диапазоне КВ осуществляется с помощью пространственных волн, которые достигают пункта приема либо путем однократного отражения от верхних слоев ионосферы ( Е , F₁ , F₂ ) (рис.4.19,а), либо за счет многократного отражения от ионосферных слоев и земли (рис. 4.19,б) [7]. Поэтому направление максимального излучения антенны должно составлять некоторый угол с линией горизонта.

Требуемыми диаграммами направленности обладают как вертикальные, так и горизонтальные антенны.

Однако горизонтальные антенны имеют ряд преимуществ перед вертикальными:

- горизонтально поляризованные волны излучаются, как правило, под некоторым углом к поверхности земли и при углах наклона диаграммы направленности испытывают меньшее поглощение, чем вертикально поляризованные;

- индустриальные помехи в основном имеют вертикальную поляризацию и в меньшей степени влияют на прием горизонтально поляризованных волн.

Диаграмма направленности горизонтального вибратора над идеально проводящей землей изображена на рис. 4.20.

Вертикальные вибраторы (симметричные и несимметричные) создают более интенсивное излучение вдоль поверхности земли. Поэтому эти антенны применяются при связи на небольшие расстояния с помощью земной волны.

а) б)

Рис. 4.19

Рис. 4.20

На коротких волнах сравнительно легко реализовать антенны, размеры которых превышают длину волны в несколько раз и которые обладают значительными направленными свойствами.

Вследствие непрерывного изменения состояния ионосферы изменяются углы прихода волн. Диаграммы направленности антенн в вертикальной плоскости должны иметь максимум под такими углами к горизонту и такую ширину, чтобы обеспечить наиболее интенсивное излучение (прием) радиоволн под наиболее вероятными углами прихода. На протяженных линиях связи следует применять антенны, обладающие достаточно узкими в вертикальной плоскости (примерно до 8-10° по половинной мощности) и прижатыми к земле диаграммами направленности.

Вследствие неровностей или наклона отражающей поверхности ионосферы радиоволны отклоняются от кратчайшего расстояния между пунктами передачи и приема (дуги большего круга) на несколько градусов. С учетом этого нецелесообразно выбирать ширину диаграмма направленности в горизонтальной плоскости уже 4-6°.

Поскольку, в связи с изменчивостью состояния ионосферы, необходимо иметь несколько рабочих волн, значительно отличающихся друг от друга, желательно применять антенны диапазонного типа, что позволяет повысить маневренность радиоцентров частотами при минимальном количестве антенн.

Диапазонный симметричный вибратор. Симметричный вибратор, одна из наиболее простых и распространенных антенн, применяется как передающая и как приемная антенна.

Для работы в широком диапазоне волн, а также для подведения к вибратору большой мощности применяют вибраторы с пониженным волновым сопротивлением (диполь Надененко), конструкция которого представлена на рис. 4.21.

Понижение входного сопротивления может быть достигнуто трансформацией входного сопротивления путем объединения в одном вибраторе двух параллельно питаемых ветвей - разомкнутой и короткозамкнутой. Классическим образцом вибратора такого типа является шунтовой вибратор Айзенберга (рис 4.22).

Точки 1,3,5 и 2,4,6 принадлежат плечам вибратора (открытая ветвь), а точки 1,3,7,4,2 - шунту (закрытая ветвь). В достаточно широком диапазоне,

Рис. 4.21

рис.4.22 рис.4.23

вблизи резонансов этих частей антенны, реак­тивная составляющая входного сопротивления вибратора () компенсируется реактивной составляющей шунта ().

Выполнение шунта из жестких труб позволяет крепить вибратор к металлической мачте без изоляторов в точке 7, которую можно заземлять.

Синфазная горизонтальная диапазонная антенна. Применявшаяся в течение ряда лет синфазная горизонтальная антенна (У) явля­лась узкополосной, т.е. могла использоваться только при работе на одной частоте.

Синфазная горизонтальная диапазонная (СГД) антенна (рис.4.23) работает без перестройки в непрерывном диапазоне с коэффициентом перекрытия 2-2,5.

В этой антенне синфазность возбуждения всех вибраторов на любой длине волны обеспечивается за счет того, что расстояние от точки присоединения главного фидера до любого из вибраторов одина­ково. Диапазонность антенны по входному сопротивлению обеспечивается тем, что вибраторы имеют пониженное сопротивление (аналогич­но диполю Надененко или вибратору Айзенберга), а для согласова­ния применяется специальная система распределительных фидеров с трансформирующими вставками длиной .

Для получения однонаправленного излучения СГД антенны снаб­жаются рефлектором, представляющим собой плоский экран, выполнен­ный из горизонтальных проводов параллельных осям вибраторов и устанавливаемый сзади антенны на расстоянии . Расстояние между проводами должно быть примерно (0,035-0,07) .

Диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости тем уже, чем больше вибраторов в этаже. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости зависит от числа этажей и высоты подвеса антенны.

Чем больше число этажей, тем уже главный лепесток и меньше угол . Увеличение высоты подвеса антенны сопровождается сужением и прижатием к земле главного лепестка диаграммы направленности, а также увеличением уровня боковых лепестков в вертикальной плоскости (рис.4.24). Высота подвеса нижнего этажа обычно выбирается равной или .

Высокая направленность СГД антенны при обеспечении достаточно малых углов позволяет применять их на протяженных магистралях КВ радиосвязи.

Антенны СГД могут быть использованы для построения фазированных антенных решеток (ФАР), управление которыми позволяет изменять направление главного максимума диаграммы направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

рис.4.24 рис.4.25

Ромбическая антенна. В диапазоне коротких волн для радиосвязи широко применяются ромбические горизонтальные антенны (РГ). Они явились следствием дальнейшего развития идей применения проводников с бегущей волной тока.

Ромбическая горизонтальная антенна представляет собой двухпроводную симметричную линию, выполненную в виде ромба (рис 4.25).

К одному из острых углов ромба подводится ЭДС высокой частоты, к другому - присоединяется нагрузочное сопротивление, равное волновому сопротивлению ромбовидной линии, вследствие чего в проводах антенны устанавливается режим бегущей волны. В случае использования ромбической горизонтальной антенны в качестве передающей в нагрузочном сопротивлении выделяется 20-50 % подводимой мощности. Поэтому при больших мощностях нагрузочное сопротивление выполняется в виде двухпроводной линии из стального или фехралевого провода с большим затуханием.

Так как расстояние между проводами, из которых выполнена антенна, непостоянно, то ее волновое сопротивление увеличивается от 600-700 Ом у острого угла ромба до 1000 Ом у его тупого угла. Чтобы сделать изменение волнового сопротивления менее существенным, каждую сторону ромба выполняют из двух расходящихся к тупому углу проводов. Расстояние между этими проводами изменяется от нуля y острого угла до 2-2,5 м у тупого угла (рис. 4.25).

Направленные свойства ромбической антенны зависят от величины тупого угла ромба 2Ф (град), относительных размеров его сторон , относительной высоты подвеса , где - оптимальная длинна волны (рис. 4.26).

рис.4.26

В соответствии с указанным выше, ромбические антенны маркируются следующим образом: РГ b.

Размеры ромба выбираются таким образом, чтобы обеспечить наиболее интенсивное излучение (прием) под наиболее вероятными углами прихода в место приема. При длине магистрали порядка 1500-2000км обычно применяют .При этом набирается Ф; ; . В случае большей длины магистрали оптимальные размеры ромба возрастают ( увеличивается), а при меньшей-уменьшаются.

Основными недостатками ромбической антенны являются:

- высокий уровень боковых лепестков (значительно больший, чем у антенны СГД);

- сравнительно низкий КПД.

Для улучшения электрических параметров антенны Г.З. Айзенбергом была предложена двойная ромбическая антенна (РГД), состоящая из двух горизонтальных, наложенных один на другой ромбов с небольшим разносом по вертикали, смещенных друг относительно друга в направлении малой диагонали на расстояние порядка .

Уровень боковых лепестков диаграммы направленности антенны РГД в горизонтальной плоскости значительно меньше, чем у антенны РГ таких же размеров и, соответственно, в 1,5-2 раза больше коэффициент усиления. Кроме того, поскольку входное сопротивление РГД оказывается в 2 раза меньше, чем у антенна РГ, то её КПД увеличивается до 65-85 %.

Вопросы для самопроверки.

1. Какими свойствами обладают короткие волны?

2. Какие виды помех действуют в каналах КВ радиосвязи?

3. Назовите основные виды аналоговых и дискретных сигналов и виды модуляции в коротковолновых системах связи.

4. Нарисуйте обобщенную схему КВ передатчика.

5. Как формируется однополосные сигналы и какие они имеют преимущества?

6. Что такое частный тракт приема?

7. Какие особенности приема однополосного сигнала?

8. Как можно на приемном конце восстановить местную несущую?

9. Нарисуйте частный тракт приема сигналов ОФТ.

10. Какие методы повышения помехоустойчивости систем КВ радиосвязи вы знаете?

11. Что такое кодирование по методу Блоха-Харкевича?

12. Почему при КВ связи необходимо иметь разные антенны?

Литература:[ЭП],[7].

Задачи

Задача1.

Для восстановления хорошего качества речи на приемном конце необходимо, чтобы потери при прохождении речевого сигнала через ФНЧ составляли не более Гц. Достаточна ли относительная нестабильность частоты , чтобы выполнить это условие?

Задача2.

Рассчитать полосу пропускания фильтра «пилот»-сигнала, если относительная нестабильность частоты КВ передатчика равна , а гетеродина приемника -. Будет ли качественно принят однополосной сигнал после детектирования? Литература:[ЭП],[1].