Типы антенн, применяемых в автоматизированных станциях помех КВ-и УКВ- диапазонов.

Допустимая величина излучаемой мощности

При повышении мощности, излучаемой антенной, растут токи и заряды на элементах антенны, а, следовательно, и напряженность электрического поля возле антенны. Если токонесущие части антенны окружены воздухом, то при Е>30кВ/см наступает электрический пробой, который нарушает нормальную работу антенной системы.

Таким образом, предельно допустимая мощность излучения оп-ределяется из условия Е<30кВ/см в точке максимальной напряженности поля вблизи поверхности антенны. Рабочую мощность антенны выбирают в 2 - 3 раза меньше предельно допустимой.

Величина предельно допустимой мощности излучения обычно определяется экспериментально.

 

 

У большинства антенн в качестве основных излучающих (принимающих) элементов применяются симметричные или несимметричные вибраторы.

Симметричный вибратор состоит из двух проводников одинаковой длины, между которыми включается питающая линия – фидер, соединяющая антенну с передатчиком или приёмником (рис. 3.4.15). Симметричный вибратор длиной λ/2, называемым полуволновым. (3.4.15,б)

Вследствие отражения тока и напряжения у концов проводов антенн вдоль проводов устанавливается стоячая волна (полуволна) тока и напряжения.

 

а б

Рис.3.4.15.

Несимметричный вибратор, имеет один проводник, соединённый с передатчиком (приёмником), второй зажим которого соединяется с землёй (противовесом) (рис. 3.4.16, а).

На характеристики антенн существенное влияние оказывают земная поверхность и близкорасположенные предметы. В зависимости от длины волны земля может рассматриваться как проводник (l>100 м) или как диэлектрик (УКВ диапазон). В общем случае земля является полупроводящей средой.

Путь тока в антенне (рис. 3.4.16, б, в) можно разбить на три участка: провод антенны, по которому течет ток проводимости (i_пр); воздушный промежуток между антенной и поверхностью земли, через который протекает ток смещения (i_см); почва, в которой текут токи проводимости и смещения. Особое значение имеет участок у основания антенны, куда стекаются все токи, идущие в земле. Поэтому часто приходится искусственно увеличивать проводимость близлежащих к антенне участков земли, укладывая провода заземления или сооружая противовес – систему проводов, расположенных под антенной вблизи земли, но изолированных от неё (3.4.16,в).

 

а б в

Рис.3.4.16.

 

В станциях помех КВ и УКВ диапазонов широкое применение нашли антенны: типа «штырь» (рис.3.4.17), λ-образная бегущей волны, логопериодическая (рис.3.4.18). На этих же рисунках показаны диграммы направленности указанных антенн.

 

 

 

 

Рис.3.4.17.

 

 

Рис.3.4.18

 

Штыревая антенна является простейшей ненаправленной антенной. Вгоризонтальной плоскости антенна излучает во все стороны одинаково, а в вертикальной плоскости максимальное излучение направлено вдоль поверхности земли. В зенит антенна практически не излучает.

Широкодиапазонные несимметричные вибраторы, как и симметричные, изготовляются из толстых труб, штырей, пластин. Они могут быть коническими, ромбическими, цилиндрическими, сплошными и решетчатыми (рис.3.4.19). Перекрытие диапазона рабочих частот зависит от отношения d/l. Чем оно больше, тем широкополоснее вибратор.

 

Рис.3.4.19

Проволочная антенна бегущей волны(рис.3.4.18) в простейшем случае представляет собой прямолинейный провод, подвешенный на высоте нескольких метров (1-3м) над поверхностью земли [17]. Длина провода должна в несколько раз превосходить длину волны. Конец линии, нагружен на сопротивление R_н, равное волновому сопротивлению линии (примерно 400 Ом). Противовес составлен из изолированных проводов длиной 1—3 м_, веером раскинутых по земле. Максимум излучения направлен вдоль провода антенны в сторону нагрузки.

Благодаря нагрузке линии на сопротивление, равное волновому, в ней устанавливается режим бегущей волны. Зеркальное изображение линии достаточно удалено, от самой линии, особенно в случае плохой проводимости почвы, а потому часть энергии излучается в пространство. Излучение происходит преимущественно в направлении провода, от передатчика к нагрузке.

Диаграмма направленности имеет в вертикальной плоскости вид лепестка, прижатого к земле (рис.3.4.20, а),ав горизонтальной плоскости она изображается основным лепестком с максимумом вдоль провода и несколькими побочными лепестками, выраженными слабо (рис.3.4.20,б).

 

 

Рис.3.4.20

Коэффициент усиления антенны в направлении максимума излучения зависит от отношения длины провода к длине волны и возрастает с увеличением этого отношения. На метровых волнах, например, антенна длиной 30 м дает значительное усиление (в пять и более раз по сравнению со штыревой четвертьволновой антенной). При расположении провода непосредственно на земле коэффициент усиления уменьшается до значений 0,05—0,15.

Для получения удовлетворительной направленности на коротких волнах следует брать такую антенну длиной в 100 м и более.

Входное сопротивление антенны бегущей волны, как известно из теории линий передачи, равно примерно 400 Оми мало зависит от длины волны.

Разновидностью антенн бегущей волны является λ – образная антенна с одним или несколькими лучами (Изюмов Н.М. Курс радиотехники. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Военное издательство, 1958. – 689с.). В зависимости от конструкции антенной системы нагрузочным сопротивлением может быть заземленный коаксиальный кабель (до 100м в диапазоне КВ).

Если провод антенны бегущей волны поднять над землей, прикрепив его в одной точке через изолятор к мачте, то коэффициент усиления вдоль земной поверхности увеличится при прежнем характере диаграмм направленности (главный лепесток приблизится к земле). Такая антенна с симметричными скатами (рис.3.4.21, а) называется полуромбической, а с несимметричными скатами (рис.3.4.21,б) λ-образной (лямбдаобразной). На рисунках даны выгодные соотношения размеров обеих антенн. Мы видим, что для полуромбической антенны требуется мачта высотой 2λ, а для λ-образной— лишь 0,6λ. Полуромбические и λ-образные антенны применяются для передачи и приема на метровых и на коротких волнах.

 

 

Рис.3.4.21

В применяемых антеннах ширина диаграммы направленности находится в пределах от 60⁰ до 180⁰, коэффициент бегущей волны (КБВ) в фидерном тракте не менее 0,2.

Логопериодическая антенна представляет систему вибраторов различной длины синфазно подключенных к собирательной двухпроводной линии для получения направленного излучения. Электрические свойства антенны периодически изменяются, как функция логарифма частоты. Антенна является широкополосной. Широкополосность обеспечивается тем, что при работе антенны активно излучает вибратор, длина которого ближе всего к 0,5λ.. Вибратор, который длиннее активного является рефлектором, а который короче - директором. С изменением длины волны активная область перемещается по антенне.

Наибольшая рабочая длина волны антенны λ_макс несколько меньше удвоенной длины самого большого вибратора антенны, а наименьшая длина волны λ_мин – несколько больше удвоенной длины наименьшего вибратора. У антенн КВ диапазона ширина диаграммы направленности составляет 60⁰ -120⁰ в горизонтальной плоскости при КБВ в фидерной линии 0,3.

Таким образом, логопериодические антенны относятся к классу широкополосных направленных антенн со сплошным перекрытием по частоте и обладают коэффициентом перекрытия (отношение верхней рабочей частоты к нижней), равным 10 и более. Рабочая полоса частот антенны со стороны нижних частот ограничена размерами наибольшего вибратора, входящего в антенное полотно. Верхняя рабочая частота теоретически не ограничена и определяется на практике конструктивными возможностями установки достаточно коротких вибраторов.

В настоящее время известно большое число разновидностей ло-гопериодических антенн, отличающихся в основном формой вибраторов. На практике применяются линейные разрезные вибраторы, вибраторы треугольной и трапецеидальной формы и т. д.

Один из простейших вариантов логопериодической антенны показан на рис.3.4.22. Основой антенны является антенное полотно так называемой логопериодической структуры, состоящее из ряда параллельных линейных разрезных вибраторов, подключенных к двухпроводной линии с последовательной переменной фазы напряжения. Для удобства подключения половинок вибратора проводники двухпроводной линии разнесены в вертикальной плоскости.

Структура антенного полотна характеризуется определенными геометрическими соотношениями. Длины вибраторов и расстояния между ними уменьшаются в геометрической прогрессии со знаменателем τ, называемым периодом структуры, в направлении к точкам подключения кабеля снижения (рис. 3.4.22 а).

Диаметры вибраторов также должны уменьшаться в геометрической прогрессии со знаменателем τ в направлении к точкам подключения кабеля снижения. Однако в целях упрощения конструкции допустимо изготавливать все вибраторы из трубок одинакового диаметра.

 

 

Рис.3.4.22.

Вибраторы логопериодической антенны вписываются в равно­бедренный треугольник. Основанием треугольника служит наиболее длинный вибратор, размеры которого составляют около половины длины волны, соответствующей низшей рабочей частоте. Размеры наиболее короткого вибратора — около половины длины волны, соответствующей высшей рабочей частоте.

Электрические параметры антенны зависят от угла 2α при вершине треугольника, в который вписаны вибраторы, и от периода структуры τ, равного отношению длин рядом расположенных вибраторов (более короткого к более длинному). Чем меньше угол 2 α и чем ближе период структуры τ к единице, тем больше коэффициент усиления антенны. Однако при уменьшении угла 2α иувеличении периода структуры τ возрастают габариты и масса антенны. Поэтому угол 2α и период структуры τ выбираются из условий компромисса между габаритами и массой антенны, с одной стороны, и электрическими параметрами — с другой. Обычно угол 2α составляет от 3 до 60°, а период структуры τ от 0,7 до 0,9.

Важным параметром логопериодической антенны является параметр а, называемый относительным расстоянием и равный отношению расстояний между любой парой вибраторов к длине большего из них. Параметр а связан с периодом структуры τ иполовиной угла привершине треугольника α. Таким образом, при выбранных τ иа угол αопределяется однозначно.

Рассмотрим принцип действия логопериодической антенны, изображенной на рис. 3.4.22, считая, что антенна работает в режиме передачи.

Если к точкам питания антенны подключить источник напряжения высокой частоты, то энергия будет распространяться по двухпроводной линии справа налево, т. е. от коротких вибраторов в сторону более длинных. В зависимости от частоты сигнала будет возбуждаться та или иная группа вибраторов, длина которых наиболее близка к резонансной. Другие вибраторы, расстроенные относительно частоты сигнала, возбуждаются слабо и в общее излучение антенны заметной доли не вносят. На верхнем краю рабочей полосы частот возбуждаются в основном короткие вибраторы, расположенные вблизи точек питания. По мере уменьшения частоты начинают возбуждаться более длинные вибраторы. На нижнем краю рабочей полосы частот возбуждаются наиболее длинные вибраторы. Таким образом, упрощенно можно считать, что логопериодическая антенна состоит из ряда последовательно расположенных групп вибраторов каждая из которых обеспечивает излучение в определенном интервале частот. Более длинные вибраторы каждой группы играют роль рефлекторов, а более короткие — директоров, в результате чего антенна приобретает направленные свойства. Поскольку на каждой частоте работают не все вибраторы логопериодической структуры, атолько их часть, то антенна имеет меньший коэффициент усиления чем, например, антенна типа «волновой канал» с тем же числом вибраторов. Можно ориентировочно считать, что логопериодическая антенна с числом вибраторов, равным 10—11, эквивалентна по коэффициенту усиления трех-, четырехэлементной антенне типа «волновой канал». В то же время логопериодическая антенна работает в значительно более широкой полосе частот, чем антенна типа «волновой канал».

Конструкция антенны показана на рис. 3.4.22, б. Двухпроводная линия изготовляется из труб диаметром 18—22 мм. Половинки вибраторов крепятся к двухпроводной линии либо с помощью скоб из листовой стали толщиной 1,5—2 мм, либо сваркой.

В КВ диапазоне собирательная линия и вибраторы логопериодических антенн изготавливаются из медного провода МГ6.

Конические антенны– частный случай широкополосных вибраторов (рис.3.4.23). Поле излучения создается токами, обтекающими конус, а диск играет роль экрана и почти не излучает. При угле α= 60° достигается наибольший коэффициент перекрытия диапазонов, равный примерно 5, при КБВ = 0,5 в фидере с волновым сопротивлением 50 Ом. При этом максимальная длина волны равна 3,6b. Диаграмма направленности дискоконусной антенны КВ и УКВ примерно такая же, как и у обыкновенного штыря. Коническая (конусная, дискоконусная) по ширине полосы частот является альтернативой логопериодической антенне.

 

Рис.3.4.23

Особую группу антенн составляют приемные пеленгаторные антенны[5] (см. также .Мейнке Х., Гундлах Ф.В. Радиотехнический справочник. Том 1. – М., Л.: Государственное энергетическое издательство, 1960. – 416с.),которые используются для измерения пеленга (направления) на работающий радиопередатчик. Процесс преобразования приемной ненаправленной антенны в простейшую пеленгаторную поясняет рис. 3.4.24, где на рис. 3.4.24, а показано приемное устройство со штыревой антенной, на рис. 3.4.24, б показано приемное устройство с рамочной антенной, а на рис. 3.4.24, г показано приемное устройство с комбинированной антенной

 

 

а б в

Рис. 3.4.24.

Если штыревую антенну из провода изготовить в виде рамки с одним или несколькими витками, то ее диаграмма направленности имеет вид восьмерки, но существует неоднозначность в определении направления прихода волны. Для исключения двухзначного отсчета пеленга применяют комбинацию антенн: одну направленную, например рамочную, а вторую - штыревую.

Результирующая диаграмма имеет вид кардиоиды (рис.3.4.24, в), в которой имеется один максимум и один выраженный минимум приема. Пеленг определяют путем вращения антенны до получения максимальной, или в данном случае минимальной (для повышения точности) слышимости сигнала.

В настоящее время применяют систему из ненаправленных неподвижных антенн (Н-образные и U-образные антенные системы типа Эдкока-Комолова) (рис. 3.4.25,а и б соответственно).Н-образная антенна состоит из четырех симметричных вибраторов. Противоположные вибраторы соединяются между собой в пеленгационные пары «север - юг» и «восток - запад».

 

а б

Рис.3.4.25.

Для уменьшения ошибок пеленгования могут применяться восемь вибраторов, в каждой пеленгационной паре по четыре вибратора. Совместно с входными устройствами пеленгаторов, основу которых составляют суммо-разностные трансформаторы, ВЧ энергия сигнала преобразуется в напряжение, содержащее информацию об угле прихода волны.

U-образную антенну можно рассматривать как Н-образную антенну, у которой нижние половины вибраторов заменяет земля.

Директорная антенна или антенна типа «волновой канал» (в иностранной литературе—антенна Яги или Уда- Яги) представляет собой дальнейшее развитие системы акгивный вибратор-пассивный вибратор с целью сужения ДН и повышения КНД.

Антенна применяется в диапазоне волн от 30—40 см до 4 - 5 м. Устройство антенны показано на рис. 3.4.26.

На металлической стреле крепятся активный вибратор (обычно шлейф-вибратор Пистолькорса) и ряд пассивных вибраторов. Один из них является рефлектором (иногда роль рефлектора выполняет металлический экран). Постановка более одного рефлектора не эффективна, так как поле за рефлектором слабое. Рефлектор располагается на расстоянии (0,15-0,25)λ от активного вибратора. Число директоров обычно не превышает 10—12. Расстояния между ними (0,1-0.35)λ.

 

Рис.3.4.26

 

Направленные свойства антенны определяются числом директоров, расстояниями di и длиной пассивных вибраторов. Обычно активный вибратор бывает на (3-5)% короче полуволнового; директоры укорочены на (5-15)%, а рефлектор на (2-5)% длиннее полуволнового. Директоры возбуждаются волной, распространяющейся вдоль оси, образуя своеобразный «волновой канал». В этом отношении директорная антенна аналогична антенне бегущей волны.

 

Контрольные вопросы

 

1.Что такое диаграмма направленности?

2.Что такое коэффициент направленного действия?

3.Какие типы антенн применяются в КВ и УКВ диапазонах?

4.Что представляет собой директорная антенна?

5.Что представляет собой логопериодическая антенна?

6.Что представляет собой λ- образная антенна?