2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Синфазная горизонтальная диапазонная антенна (СГД) предназначена, в основном, для магистральной радиосвязи в диапазоне коротких волн на расстояниях до (1000…6000) км и более.

Антенна обеспечивает высоконаправленное излучение электромагнитных волн. Различные варианты антенны имеют значения коэффициента направленного действия от 20 до 400.

Антенна способна работать без перестройки почти в двукратном диапазоне длин волн от до , где - расчетная длина волны.

Однонаправленное излучение антенны обеспечивается рефлектором. Обычно используются рефлекторы двух типов: настраиваемый рефлектор и апериодический рефлектор. В настоящей лабораторной работе исследуется СГД антенна с настраиваемым рефлектором. Поэтому при переходе с одной рабочей длины волны на другую требуется произвести настройку рефлектора.

Антенна состоит из двух вертикальных параллельных одинаковых полотен, расположенных на расстоянии друг от друга. Каждое полотно представляет собой синфазную эквидистантную равноамплитудную решетку поперечного излучения из симметричных вибраторов с длиной плеча , которые располагаются горизонтально над поверхностью земли (рис.2.1). Каждый горизонтальный ряд вибраторов называется этажом. Различные варианты антенны отличаются числом этажей (m), числом симметричных вибраторов (n) в этаже и типом рефлектора. Маркировка СГД() РН обозначает – синфазная горизонтальная диапазонная антенна с настраиваемым рефлектором (РН) с числом этажей и с числом плеч вибраторов в этаже . Расстояния между центрами соседних вибраторов в этаже равны , а расстояния между этажами -.

Вибраторы первого полотна называют полотном антенны. К нему подключается фидер от передатчика.

Рис.2.1. Эскиз полотна антенны СГД() РН с системой питания

Вибраторы второго полотна антенны выполняют функцию рефлектора, т.е. обеспечивают однонаправленность излучения всей антенны. Поэтому второе полотно антенны называют полотном рефлектора. Вибраторы полотна рефлектора возбуждаются электромагнитным полем вибраторов полотна антенны и являются вторичными излучателями. К фидеру полотна рефлектора подключается регулируемая реактивная нагрузка, выполненная в виде отрезка двухпроводной линии с передвижным короткозамыкателем. Изменяя величину реактивной нагрузки, производят настройку рефлектора.

Диапазонная антенна должна удовлетворять двум основным требованиям:

- направление максимального излучения должно оставаться неизменным во всем рабочем диапазоне длин волн;

- для обеспечения заданной степени согласования антенны с фидером входное сопротивление антенны не должно сильно изменяться в рабочем диапазоне длин волн.

Для выполнения первого требования наиболее важно обеспечить синфазность возбуждения вибраторов одного полотна в рабочем диапазоне длин волн. Одинаковая длина распределительных фидеров от точек (а-а) подключения фидера передатчика до каждого вибратора обеспечивает синфазность и одинаковую амплитуду токов в точках питания вибраторов на любой длине волны.

Диапазонность антенны по входному сопротивлению достигается следующими способами:

Применяются вибраторы с пониженным волновым сопротивлением Ом (большого диаметра). Как видно из рис.2.2, входное сопротивление таких вибраторов меньше меняется с изменением длины волны, чем у вибраторов с большим волновым сопротивлением (тонких вибраторов). Вибраторы выполняются из проводов, натянутых по образующим цилиндра (вибраторы Надененко).

Рис.2.2. Зависимость активной и реактивной составляющих входного сопротивления симметричного вибратора от его относительной длины плеча для различных значений волнового сопротивления

В распределительные фидеры включаются вставки длиной с волновым сопротивлением, отличающимся от волнового сопротивления фидера. Эти вставки являются четвертьволновыми трансформаторами сопротивлений. Подбором волновых сопротивлений распределительных фидеров и вставок уменьшают изменение входного сопротивления антенны и добиваются удовлетворительного согласования с фидером передатчика в рабочем диапазоне длин волн. На рис.2.1 указаны значения волновых сопротивлений фидеров и вставок для одного из вариантов антенны.

Поскольку магистральная радиосвязь осуществляется ионосферной волной, максимум излучения антенны в вертикальной плоскости должен быть направлен под некоторым углом к поверхности земли.

Направление излучения антенны в пространстве определяется значениями азимутального угла и угла возвышения .

Выражения для характеристики направленности антенны в главных плоскостях (горизонтальной и вертикальной ) получают на основании теоремы перемножения характеристик направленности (§ 7.2.а [1] или § 7.1[2]).

Выражение для ненормированной характеристики направленности антенны в горизонтальной плоскости (), в основном, определяется тремя множителями

, (2.1)

где (2.2)

- характеристика направленности одного симметричного вибратора в горизонтальной плоскости (плоскости Е), - длина плеча вибратора, а - волновое число;

(2.3)

- множитель линейной синфазной антенной решетки поперечного излучения, т.е. это характеристика направленности системы из ненаправленных излучателей, расположенных также, как вибраторы в одном этаже полотна антенны, где – число вибраторов в этаже, - расстояние между соседними вибраторами в этаже;

(2.4)

- множитель, учитывающий влияние рефлектора, то есть это характеристика направленности системы из двух ненаправленных излучателей, расположенных и запитываемых также, как полотна антенны и рефлектора, - модуль отношения тока в вибраторе полотна рефлектора к току в вибраторе полотна антенны , а - сдвиг фаз между токами и .

Из анализа выражений для характеристики направленности антенны в горизонтальной плоскости следует:

- ширина главного лепестка диаграммы направленности в горизонтальной плоскости уменьшается с увеличением числа вибраторов в этаже, так как при этом увеличивается относительный размер антенной решетки () в этой плоскости;

- с увеличением длины волны главный лепесток диаграммы направленности расширяется, так как уменьшаются относительный размер антенны в горизонтальной плоскости и относительная длина плеча вибратора ().

Выражение для ненормированной характеристики направленности антенны в вертикальной плоскости (), в основном, определяется тремя множителями:

, (2.5)

где (2.6)

- множитель линейной синфазной антенной решетки поперечного излучения, т.е. это характеристика направленности системы из ненаправленных излучателей, расположенных также, как этажи полотна антенны, где - число этажей, - расстояние между этажами;

(2.7)

- множитель, учитывающий влияние рефлектора.

В реальных условиях антенна располагается вблизи поверхности земли, которая поглощает и отражает электромагнитные волны, излучаемые антенной. Строгий учет влияния земли для полей в дальней зоне производится методом зеркальных изображений.

Приближенный учет влияния земли (земля считается идеально проводящей) производится через множитель

ƒ₃(Δ) = sin(kH_CPsinΔ), (2.8)

Такое приближение в некоторой степени соответствует действительности, т.к. на антенных полях делается металлизация почвы – искусственное заземление.

Из анализа характеристики направленности антенны в вертикальной плоскости следует:

- ширина главного лепестка диаграммы направленности в вертикальной плоскости уменьшается с увеличением числа этажей антенны, так как при этом увеличивается относительный размер антенны в этой плоскости, и с увеличением относительной высоты (2H_CP/λ) между антенной и ее зеркальным изображением;

- с увеличением длины волны главный лепесток диаграммы направленности расширяется, так как при этом уменьшаются относительный размер антенны в вертикальной плоскости и относительная высота подвеса антенны (H_CP/λ);

- с увеличением длины волны угол Δ_MAX увеличивается, так как уменьшается относительная высота подвеса антенны.

- с увеличением высоты подвеса антенны H_CP главный лепесток диаграммы направленности прижимается к поверхности земли и дальность радиосвязи за счет одного отражения от ионосферы увеличивается. С уменьшением высоты подвеса антенны наблюдается излучение под большими углами относительно поверхности земли (значение угла Δ_MAX увеличивается).