28. Основні технічні характеристики антен

Вхідним опором антени називається відношення напруги високої частоти U_A на клемах антени до струму живлення I_A (рис. 1.1).

Активна та реактивна складові опору в загальному випадку складним чином залежать від частоти:

. (1.1)

На вхідний опір антени впливають провідники та інші предмети, які знаходяться поблизу, а також земля.

Вхідний опір антени можна знайти мостовими методами чи за допомогою вимірювань високочастотними приладами струму та напруги на клемах. Проте так не можна поступити з НВЧ-антенами, енергія до яких підводиться не через клеми, а хвилеводами. У такому разі вхідний опір можна знайти з вимірювань у хвилеводі (фідері) коефіцієнта відбивання хвилі від антени p.

. (1.2)

Тут Z₀ - хвильовий опір хвилевода (фідера), а Z_A / Z₀ називають нормованим опором антени. Антенно-фідерна система повинна бути узгоджена за опором з передавачем чи приймачем. Повне узгодження може бути досягнуто за умови, що Z_A = Z₀. При цьому коефіцієнт відбивання р = 0, і в фідері існує тільки біжуча хвиля. Це вигідно енергетично та з інших причин.

Характеристика просторової напрямленості випромінювання антени може виражатись аналітично та графічно. Вона показує залежність напруженості електромагнітного поля від напрямку у просторі. Напруженість визначається на однаковій, значній в порівнянні з довжиною хвилі відстанi r від антени, тобто на деякій сферичній поверхні в точках з азимутальними кутами  та меридіональними кутами  (рис. 1.2).

10

Рис. 1.2

Крім просторової діаграми випромінювання антени за напруженістю f(,), використовується також діаграма напрямленості за потужністю f²(,).

Ширина діаграми випромінювання 2_0,5 - це кут між напрямками, вздовж яких випромінювання послаблюється на 3 дБ в порівнянні з головним напрямком, що в разів менше за напруженістю або в 2 рази за потужністю (рис. 1.4).

Рис. 1.3

Рис. 1.4

. (1.12)

Робочий діапазон частот - смуга частот, у якій антена зберігає свої основні параметри (напрямленість, вхідний опір, коефіцієнт підсилення) в заданих межах.

29.Метод дзеркальних зображень.Дыаграми напрямленосты розыщених над землею выбраторыв.

Вплив землі на діаграму випромінювання та інші характеристики антени враховується за допомогою методу дзеркального відображення. Для спрощення аналізу земля умовно замінюється на безмежну, ідеально провідну площину. На рис. 7.1 показано побудову дзеркального відображення точкового ізотропного випромінювача, розташованого над ідеальною землею.

Складова результуючого поля в точці p, яка визначається відбитим від землі променем, може вважатись створеною дзеркальним відображенням антени, розташованим під землею. Реальна антена та її зображення утворюють ніби систему з двох антен. При цьому заряд точкової антени і її підземного відображення мають різні знаки. Для реальних протяжних антен і їх зображень заряди в симетричних точках, відповідно, теж протилежні за знаком (рис. 7.2 а, б).

Рис. 7.2

Вплив землі на випромінювання вертикальної та горизонтальної антен різний. Напрямки змінних струмів у реальній вертикальній антені та її зображенні в кожний момент часу будуть збігатися (рис. 7.2 а). Тому поля від вертикальної антени та її зображення у віддаленій точці p на поверхні землі будуть додаватись:

Діаграми напрямленості горизонтальних антен у вертикальній площині у випадку ідеальної землі виглядають так, як показано на рис. 7.6. Видно, що горизонтальні антени з висотою підвісу до h=0,25 придатні для зв’язку просторовою хвилею, тобто з відбиванням від іоносфери, на близькі відстані (до 500-1000 км).

Для роботи на середні відстані просторовою хвилею горизонтальні антени потрібно піднімати над землею на висоту h0,3-0,4. При роботі на далекі відстані (від 2000 до 10000 км) кути випромінювання мають бути пологішими відносно поверхні землі, що досягається підніманням антени на висоту h  0,5 - 1,0.

Рис. 7.6

30.Діюча довжина та опір випромінювання симметричного вібратора.Вхідний опір вібратора.

Рис. 2.4

Реальний вібратор замінимо уявним, вздовж якого струм розподіляється рівномірно, а його величина має таке ж значення, як в пучності струму реального вібратора (рис. 2.4 б). Довжина (висота) уявного вібратора, геометрична площа струму на якому дорівнює геометричній площі струму реального вібратора, називається діючою або ефективною довжиною (висотою).

Діюча довжина пов’язує напруженість поля, створеного передавальною антеною, з її струмом живлення або електрорушійну силу на клемах приймальної антени з напруженістю електромагнітного поля.

Як вже зазначалось, діюча довжина (висота) - дуже важлива технічна характеристика антени, яка дозволяє розрахувати напруженість створеного нею поля. Поле симетричного вібратора в екваторіальній площині для вільного простору:

Вхідний опір вібратора в широкому діапазоні частот

При роботі симетричного вібратора в широкому діапазоні частот (довжин хвиль) його вхідний опір може бути записаний:

. (4.1)

Реактивна складова повного опору (імпедансу) X_A з’являється на нерезонансних частотах і зростає при віддаленні робочої частоти від резонансної. Знання активної складової R_A та реактивної складової X_A повного опору антени важливе для правильного узгодження її з фідерним трактом.

В першому наближенні активну складову вхідного опору тонкого вібратора можна розрахувати за формулою (3.25), а реактивну - як вхідний опір відрізка еквівалентної лінії довжиною l:

Вхідний опір (імпеданс) такого вібратора сильно залежить від його хвильового опору  і є суто активним (2-й резонанс). Наприклад, при =1000 Ом та Ом (рис. 3.6) активний вхідний опір однохвильового вібратора R_A = 1000²/200 = 5000 Ом.

При роботі в широкому діапазоні частот складові вхідного опору симетричної антени, обчислені за формулами (4.5), (4.6), змінюються так, як показано на рис. 4.1 а, б. Характер повного вхідного опору антени в залежності від l/ показано умовно еквівалентними ланками з R, L, C елементів.

При деяких значеннях l/ реактивна складова повного вхідного опору X_А = 0. Ці відносні довжини відповідають резонансним хвилям антени. Найдовшу з резонансних хвиль (найнижчу резонансну частоту) називають основною або першою гармонікою. Для тонкого симетричного вібратора 1-й резонанс наступає при l=/4 (півхвильовий вібратор). Тобто основна хвиля півхвильового вібратора _осн = 4l. При роботі на такій хвилі реактивна складова вхідного опору X_A = 0, а активна складова опору R_A низька і складає 73,1 Ом. Умовно кажуть, що півхвильовий вібратор потрібно живити струмом.

Наступний резонанс наступає при відносній довжині плеча вібратора l=/2. При цьому вхідний опір вібратора високий і істотною мірою залежить від його хвильового опору. Умовно кажуть, що в такому разі потрібно живити антену напругою.

Як видно з графіка, зі зменшенням хвильового опору швидкість зростання реактивної складової вхідного опору при відхиленні від резонансних частот знижується. Отже, простіше узгодити фідер з антеною в широкому діапазоні частот, якщо антена “товста”, оскільки при цьому зменшується її хвильовий опір.

Рис. 4.1

Досліди і теорія показують, що вхідний опір точно півхвильової антени не є суто активним, як випливає з наближених формул, і насправді для тонкого вібратора становить:

Ом. (4.8)

Для того, щоб вхідний опір вібратора став суто активним, його необхідно дещо вкоротити в порівнянні з півхвильовим. Потрібне вкорочення залежить від відносної товщини вібратора /d, де d - діаметр провідника вібратора (рис. 4.2).

Вкорочення однохвильового вібратора для зведення реактивної складової його вхідного опору до нуля повинно бути більшим, ніж півхвильового.

Рис. 4.2