8.6.Измерительные антенны
Антеннами называют устройства, предназначенные для приема и (или) излучения электромагнитных колебаний при передаче информации через свободное пространство. Конструктивно антенны представляют собой проводник либо систему проводников специальной формы, обеспечивающих прием и излучение в заданном направлении.
Качество антенн характеризуют следующими параметрами: коэффициентом направленного действия (КНД), коэффициентом полезного действия, коэффициентом усиления, сопротивлением излучения, действующей длиной (высотой) либо эффективной поверхностью. Антенны обладают свойством обратимости, благодаря которому их параметры не меняются при переходе из режима приема в режим передачи.
К основным параметрам измерительных антенн относятся действующая длина (высота), эффективная поверхность, а так же параметры согласования. Эти параметры в первую очередь определяются конструкцией антенны.
8.6.1Штыревая антенна
Выполнена в виде короткого металлического штыря, который располагают в пространстве параллельно вектору электрического поля. Штыревую антенну можно представить в виде отрезка двухметровой линии передачи, нижний проводник которой соединен с землей, верхний повернут на угол 90º вверх, как показано на рис. 7.6. В силу свойств линии передачи, разомкнутой на конце распределение тока по длине штыря имеет вид синусоиды с нулем на вершине штыря. Для определения действующей высоты (длины) такой антенны разделим штырь на элементарные участки длиной dℓ, на каждом из которых амплитуда тока равна Imℓ и не меняется на длине dℓ
Рис. 7.58. К определению действующей длины штыревой антенны
Из теории антенн известно, что напряженность поля, создаваемая таким элементарным участком в режиме излучения на расстоянии r от него в направлении θ, пропорциональна длине излучения и току в нем.
Суммарное поле, создаваемое всеми элементарными участками в заданной точке пространства, находим, выполняя интегрирование по длине штыря
.
Для упрощения рассуждений будем рассматривать поле в точке, удаленной от штыря на расстояние r, когда выполняется условие
r >>ℓш
При таком условии расстояние ri и угловые координаты θi для всех элементарных участков можно считать одинаковыми, а функцию F(λ, r, θ) – независящей от длины штыря. Тогда формула для Em может быть записана в следующем виде
Для удобства введем понятие «эквивалентной антенны», которая представляет такую антенну, которая создает в точке пространства с координатами r и θ такую же напряженность поля, что и рассматриваемый штырь. Условием, что у «эквивалентной антенны» ток распределен по всей длине равномерно и имеет амплитуду Im0, равную амплитуде тока у основания реального штыря. Тогда
где hg – длина «эквивалентной антенны», Im0 – амплитуда постоянного тока в ней.
Напряженность поля, создаваемая «эквивалентной антенной»
в этом случае длина эквивалентной антенны hg называется действующей высотой (длиной).
Используя предыдущие состояния, для hg получим следующую формулу.
Так как Imℓ = Isinβℓ, Im0 = Isinβℓш, то
а
Используя известные тригонометрические соотношения, действующую высоту hg штыревой антенны можно определить следующим образом
где - постоянная распространения.
Для короткого штыря (ℓш << λ) действующая высота
Штыревые измерительные антенны имеют длину штыря ℓш = 1м и применяются на частоте до 30МГц (λ > 10м). Следовательно, во всем частотном диапазоне условие
ℓш << λ выполняется.
Указанная антенна применяется для приема электрического поля диапазона 14кГц…30МГц. В этом диапазоне используют как пассивные, так и активные штыревые антенны, которые иногда называются вибраторами. Обычно антенны этого типа используются при измерениях в открытом пространстве или внутри экранированных помещений (на f < 30МГц), т.е. в «ближнем поле». Стержневой элемент обычно длиной 1м (электрическая длина 0,5м) имеет на своих входных зажимах эквивалентную емкость около 10пФ. Такая антенна используется с дополнительной индуктивной катушкой, переключаемой от диапазона к диапазону для настройки в резонансе с емкостью стержня. Остаточное сопротивление эквивалентной цепи LC настроенного стержня составляет 10кОм на низких частотах. При согласовании сопротивление антенны с входным сопротивлением измерителя (ИП), составляющим как правило 50Ом, возникают значительные потери из-за деления напряжения, в результате эффективность антенны снижается, т.е. увеличивается значительно антенный фактор, что видно на типовом графике значений антенного фактора вибраторной антенны. Иногда используются пассивные антенны в виде стержня длиной 2 и 2,75м. Такая антенна в качестве излучателя имеет ряд особенностей, например:
из-за низкой эффективности стержневой антенны требуется большая мощность для создания поля напряженности более 1В/м;
удлинительные индуктивные элементы, которые используют для настройки антенны, в результате насыщения могут сгореть при излучении поля большой напряженности.
Вследствие указанных причин стержневая антенна не используется для создания напряженности поля свыше 1В/м.