§ 6-2]

Основные характеристики передающих антенн

Для направления излучения & = 60°

73,1

cos cos 60°

sin 60°

= 1,07

Подсчет полосы пропускания частот (в мегагерцах) вибраторных антенн ведется по формуле

2Д/= 0,64-10

Рассмотренный пример показывает, что на радиолиниях с направленными антеннами важно достаточно точно ориентировать их максимумом излучения на корреспондента.

Если известна ширина характеристики направленности антенны в горизонтальной (Ф^) и вертикальной (Ьд) плоскостях, то к. н. д. может быть найден приближенно по формуле

22 ООО

Часто к. н. д. переводят в децибелы: Dds= 10 IgD;

в этом случае к. н. д. обычно называют выигрышем антенны.

Пример. Найти выигрыш антенны, обладающей 100 Dss = 10 Ig 100 = 20 дб.

Коэффициентом усиления антенны G называется произведение к. н. д. антенны на ее к. п. д.

Коэффициент усиления является более полным параметром антенны по сравнению с к. н. д., так как он учитывает наряду с направленным действием и мощность, бесполезно теряемую в антенне.

Частотная характеристика антенны и полоса пропускаемых частот. Антенна как колебательная система обладает избирательностью. В рабочем диапазоне частот антенна должна сохранять эффективность излучения, а также направленные свойства. Различают широкополосные антенны, предназначенные для работы на одной несущей частоте, но обеспечивающие неискаженное излучение сигналов с достаточно широкой полосой, которая в некоторых случаях (телевизионные, радиолокационные и другие антенны) достигает нескольких мегагерц, и диапазонные антенны, которые в состоянии работать на нескольких несущих частотах с необходимой широкополосностью.

Диапазонность (широкополосность) антенн оценивается с помощью частотных характеристик, представляющих собой зависимость величины kf от частоты, причем kf определяется по формуле

[aI fAf (Ф. )

где индексами / и О обозначены ток и характеристика направленности антенны при данной частоте и резонансе соответственно.

На рис. 6-6 представлена резонансная характеристика полуволнового вибратора длиной i = 20 ж (резонансная частота fg = 7,5 Мгц), имеющего волновое сопротивление Qa = 500 ом. Так как полуволновый вибратор является слабонаправленной антенной, то изменением характеристики направленности при изменении частоты можно пренебречь. На уровне 0,707 от максимального значения /а?/Ао определяется полоса пропускания частот антенны 2Д/, которая в данном случае составляет 1,25 Мгц.

где /?А. п. - полное сопротивление антенны, отнесенное к пучности тока.

Пример. Определить полосу пропускания частот полуволнового вибратора и симметричного вибратора длиной в волну, если к= Юм, а Qa = ООО ом. Резонансная частота для обоих вибраторов одинакова и равна:

. 300 300 ,

/о = = jQ= 30 Мгц.

Пренебрегая потерями, приравниваем /?а.п = Rsn-Для полуволнового вибратора Ri:n=73,l ом, а для вибратора длиной в волну Rs sn 200 ом (см. график

Ofi Ofi 0.2

7

Рис. 6-6. Частотная характеристика антенны.

на рис. 6-3). Резонансная длина полуволнового вибратора

/2 = 0,95-= 0,95-5 = 4,75, а вибратора длиной в

волну /я = 0,95Я = 0,95-10 = 9,5 м.

Полоса пропускания частот полуволнового вибратора

30-73,1

2Д/= 0,64-

600-

4,75 10

4,9 Мгц,

а вибратора длиной в волну 30-200

2Д/= 0,64-

600.

9,5 10

6,75 Мгц.

Данный пример показывает, что увеличение длины вибратора при прочих равных условиях приводит к росту ; полосы пропускания частот (увеличивается R-

При необходимости иметь большую ширину полосы пропускания частот в случае применения полуволнового вибратора применяют многоэлементные вибраторы (рис. 6-7), обладающие величиной Rj. = В^.(к/2),гд,е п- число вибраторов, а R-1}~l2l = 73,1 ом. Наиболее часто применяется петлевой вибратор Пистолькорса {п = 2, R!s2 ом). Для условий предыдущего примера полоса пропускания частот петлевого вибратора 2Д/ = 19,5 Мгц, т. е. примерно в 4 раза больше по сравнению с полосой пропускания частот одиночного полуволнового вибратора.

Антенно-фидерные устройства

[Гл. 6..

Рис. 6-7. Миогоэлементные вибраторы. а - петлевой вибратор Пистолькорса; б - тройной вибратор.

Волновое сопротивление антенны qa является важным параметром, в значительной степени определяющим ее диапазонность. Расчет величины qa (в омах) производится методами теории длинных линий. Для одиночного цилиндрического проводника длиной I, к которому может быть отнесен несимметричный вибратор,

Са = 60 /in

= 60(ln-f-l],

где й - диаметр проводника.

Для симметричного вибратора

еА= 120(ln- 0,577.

Примф. Определить волновое сопротивление полуволнового вибратора при толщине 2 и 6 см, если \ = Ь м. При й=2 см .

При й~ & см

Qa 400 ом.

Таким образом, увеличение толщины вибраторов антенн приводит к уменьшению их волнового сопротивления, и, следовательно, к увеличению диапазонности.

6-3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИЕМНЫХ АНТЕНН

Если схема включения передатчика в антенну точно соответствует схеме включения приемника в антенну, то знание характеристик данной передающей антенны позволяет на основании принципа взаимности однозначно определить соответствующие показатели этой антенны, примененной в качестве приемной. Другими словами, характеристика направленности, полное входное сопротивление, волновое сопротивление, частотная и другие характеристики и показатели данной передающей антенны остаются теми же, если ее применить в качестве приемной.

Важным параметром приемной антенны является ее действующая длина (высота) /д, которая равна длине воображаемой антенны, обладающей одинаковой по сравнению с данной реальной антенной способностью принимать радиоволны, но в которой ток по всей длине равен эффективному значению тока в пучности /д.п реальной антенны (рис. 6-8). Понятие о действующей высоте при расчете передающих антенн в настоящее время применяется редко.

Из определения следует, что площадь, ограниченная реальной антенной с геометрической длиной (высотой) I и кривой распределения тока равна площади прямоугольника с основанием /а. п и высотой (рис. 6-8),

Для симметричного вибратора

к Til =1Г*2Г'

Пример. Определить величину /д полуволиового . вибратора, если >, = 10 ж (/ = 5 ж).

- = А = 15 = з.18 и.

2 я я *

Для антенны длиной Z С X д- 2

При известном значении (в метрах) нетрудно определить э. д. с. приемной антенны Ер (в вольтах), воз пикающую под действием электрического поля радио.-волны напряженностью Е, (в вольтах на метр),

£а = о'д/А (Ф. ),

где F(ф,0) - характеристика направленности по напряженности поля. Понятие о действующей длине антенны удобно для вибраторных антенн размером не более Я/4 (для длинных

Прие/лник

Г

Рис. 6-8. К объяснению Действующей длины антенны, с - вертикальная антенна; б - вертикальная антенна с емкостной нагрузкой на вершине 1 д)

антенн применение понятия о действующей длине приводит к ошибкам). Для многовибраторных н других сложных антенн более удобным является понятие об их эффективной площади As, определяющей ту часть площади фронта волны, с которой антенна извлекает радиочастотную энергию.

Понятие об эффективной площади применимо и для одновибраторных антенн, и величина ее может быть определена при известной величине /д по формуле

Пример. Определить величину А^ полуволнового вибратора в направлении максимума приема по данным предыдущего примера.

о. I \ ЗОя -

\ я ; 30Я.2 30-102 Аэ - -5-= Гг5- = Q ,л-,1 1 13 м^.

3,14-73,1

Для сложных антенн величина А^ связана с их геометрической площадью Sa:

§ 6-4]

Согласование антенны с фидерной линией и настройка антенны

где /гд - коэффициент использования площади, зависящий от характера распределения тока на поверхности (на вибраторах) антенны и от точности выполнения антенны (для значительной части направленных антенн Ад 0,8),

Если известна величина As, то можно определить к. н. д. антенны (и наоборот) по формуле

Мощность сигналов на входе приемника равна:

£ 2

ность

пример. Определить величину Рд, если напряжен-ъ поля у антенны = 15 ш/м, а = 20 м^.

(15-10-3)2 120-3,14

-20 12-10-(?/и.

6-4. СОГЛАСОВАНИЕ АНТЕННЫ С ФИДЕРНОЙ ЛИНИЕЙ И НАСТРОЙКА АНТЕННЫ

Согласованием называется обеспечение в фидерной линии режима бегущей волны (см. стр. 62), при котором линия Отдает в антенну (или получает от нее) наибольшую мощность. Вообще говоря, согласование необходимо выполнять в местах сочленения антенны с фидером и фидера с выходом передатчика или входом приемника. Последнее обычно выполняется в процессе производства.

Антенна является нагрузкой фидерной линии и в общем случае обладает комплексным входным сопротивлением

Za.bx - Ra.bx + iA. вх.

где ia.Bx - активная часть входного сопротивления;

А-вх - реактивная часть входного сопротивления.

Для согласования антенны с фидером необходимо, чтобы

А- вх == бф. а А.вх + н = О,

где - волновое сопротивление фидера;

Хн - реактивное сопротивление органов настройки.

Настройка антенны. Антенна, у которой Хд. вх = 0. называется настроенной. Наиболее длинная волна, для которой Хд. вх = О (без органов настройки), называется собственной дл ин ой волны антенны Jt. Если рабочая длина волны Ji, > X, то Хд. вх имеет емкостный, а если X < Хд, то Хд. вх - индуктивный характер.

Сущность настройки антенны заключается в компенсации ее реактивного сопротивления путем изменения длины антенны (укорочения или удлинения) или включения в антенну настраивающих элементов (катушек индуктивности или конденсаторов). На длинных волнах вследствие малости отношения 1/Х реактивная часть входного сопротивления антенны имеет емкостный характер, и для

Расчет собственной длины волны и

настройки в антенну включают катушки индуктивности, называемые удлинительными, так как они увеличивают Хд. На средних волнах отношение 1/Х в ряде случаев может стать таким, что Хд,вх имеет индуктивный характер. При этом для настройки в антенну включают конденсаторы, называемые укорачивающими, так как они уменьшают Хд. Изменяя индуктивность или емкость настраивающих элементов, добиваются равенства X = Хд.

Если известна длина пути тока в антенне 1д, то можно ориентировочно определить величину Хд с помощью ват-нового коэффициента Qg (табл. 6-1).

Пример. Найти Хд и Хд. вх Т-образной антенны, имеющей / = 25 ж; 6 = 10 ж; дд = 500 ом; Qr = 400 ом, если Pi, 500 м.

Поскольку горизонтальная часть антенны развита несильно, выбираем qg = 6, откуда

0 = 6 -Ь = 6 25 -Ь т м<Х. .

Следовательно, Хд. вх имеет емкостный характер и равно:

Хд.вх= 500 сш

Величину 2я ,

2jt X

2я г , 2л;

500 Х'-

бэкв определим из соотношения

20дГ X 2-500

400 3,14

ctg-

10 =

= -=-ctg 3°36 = 6,35.

Из тригонометрических табли'1 находим: 6экв 8°.

Тогда Хд. вх = 500 ctg (18° -Ь 8°) = 1 ООО ом.

Включаемая для настройки антенны катушка с индуктивностью La может быть рассчитана по формуле

£д =

Хд. вкХ 1 000-500 1 880 1 880

= 252 мкгн.

Расчет необходимой емкости (в пикофарадах) укорачивающего конденсатора проводят по формуле

5 ЗООХд. вх

На коротких и ультракоротких волнах настройку значительной части антенн проводят изменением длины антенны, как, например, в случае полуволновых вибраторов (рис. 6-4).

Таблица 6-1

реактивного сопротивления антенны

Тип антенны

Схема антенны

Длина пути тока /

Волновой коэффициент Qa

Собственная длина волны

Реактивное сопротивление X

Вертикальная

(<-)

, 2я , QACtg -J- I,

где Qa - волновое сопротивление вертикального провода