ЛЕКЦИЯ 10. ПРОСТЫЕ ВИБРАТОРНЫЕ АНТЕННЫ УКВ ДИАПАЗОНА

10.1. Несимметричный вертикальный заземленный вибратор

10.1.1. Направленные свойства несимметричного вертикального

заземленного вибратора

Несимметричным называется вибратор, у которого одно плечо по размерам или по форме отличается от другого. Несимметричный вертикальный заземленный вибратор (рис.10.1) представляет собой вертикальный по отношению к земле или к какой-либо металлической поверхности провод, к нижнему концу которого присоединен один зажим генератора, другой зажим генератора присоединен к земле или к металлическому телу (корпусу самолета, автомобиля и т.д.). Роль второго плеча вибратора в данном случае играет земля или металлическая поверхность (зеркальное изображение).

Несимметричные вертикальные заземленные вибраторы применяются на длинных и средних волнах, а также на коротких и особенно на метровых волнах (автомобильные, самолетные и другие антенны). При расчете характеристик направленности и входных cопротивлений несимметричных вибраторов, применяемых на  длинных  и средних волнах, землю можно считать идеально проводящей и заменять ее действие действием зеркального изображения. В случае коротковолновых антенн следует учитывать действительные параметры почвы и определять ток в зеркальном вибраторе при помощи коэффициентов отражения. Так как в случае идеально проводящей земли ток в зеркальном изображении совпадает по величине и фазе с током в вибраторе, то замена земли зеркальным изображением вибратора сводится к переходу от несимметричного вибратора длиной l к симметричному вибратору с длиной одного плеча, равной l. При этом токи в обоих вибраторах одинаковы. Поэтому характеристику направленности несимметричного вибратора в вертикальной плоскости можно рассчитать по формуле

F(Δ) = [cos (kl sin Δ) - cos kl] / [(1 - cos kl) cos Δ], (10.1)

где Δ - угол между нормалью к оси вибратора и направлением на точку наблюдения.                        

Характеристика    направленности    несимметричного    вибратора    в    его     вертикальной      плоскости    зависит    только    от    отношения    l/λ.    В (экваториальной) плоскости вертикальный несимметричный вибратор не обладает направленными свойствами. Если длина несимметричного вибратора не превышает 0,7λ, то он излучает с максимальной интенсивностью в перпендикулярном направлении, т.е. в горизонтальной плоскости. При дальнейшем увеличении длины растут боковые лепестки и интенсивность излучения вдоль земли уменьшается. В тех случаях, когда землю нельзя считать идеально проводящей, излучение максимально под некоторым углом Δ_макс к горизонтальной плоскости, зависящим от длины волны и параметров почвы. Чем больше проводимость почвы и чем длиннее волна, тем меньше угол Δ_макс.

10.1.2. Сопротивление излучения и входное сопротивление несимметричного вертикального заземленного вибратора

Если считать землю идеальным проводником, то весьма просто определить сопротивление излучения и входное сопротивление несимметричного вибратора. Определяя методом вектора Пойнтинга мощность, излучаемую несимметричным вибратором, следует иметь в виду, что этот вибратор излучает только в одно полупространство, и поэтому интегрирование вектора Пойнтинга следует производить по поверхности не сферы, как в случае симметричного вибратора, а полусферы. В результате оказывается, что мощность, излучаемая несимметричным вертикальным вибратором, в два раза меньше мощности, излучаемой соответствующим симметричным вибратором. Так как мощность излучения пропорциональна сопротивлению излучения, то сопротивление излучения несимметричного вертикального вибратора длиной l в два раза меньше сопротивления излучения симметричного вибратора с длиной одного плеча, равной l. Так, сопротивление излучения четвертьволнового несимметричного вибратора      (l = λ/4) равно 73,1/2  36,5 Ом. Очевидно, что входное сопротивление несимметричного вибратора длиной l также вдвое меньше входного сопротивления симметричного вибратора с полной длиной 2l. В случае коротких по сравнению с длиной волны вибраторов (l/λ < 0,1), формулы для расчета входного сопротивления упрощаются, так активная составляющая входного сопротивления несимметричного вибратора (без учета потерь)

R_вх =R_Σ0 = 10 (kl)² = 40π² (l/λ)²  400 (l/λ)². (10.2)

Реактивная составляющая входного сопротивления несимметричного вибратора, длина которого l  0,35 λ, определяется по формуле

X_вх=X_Σ0 = -iW_A ctg kl. (10.3)

Здесь W_A - волновое сопротивление несимметричного вибратора, равное

W_A = 60[ln(l/a)-1]. (10.4)

Действующая     высота     (действующая     длина)     несимметричного вибратора, которая определяется по формуле

l_д = (λ /2π)(1-cos kl)/ sinkl. (10.5)

В   случае  несимметричного  вибратора  весьма  малой  длины  можно считать, что l_д = l/2 и R_Σ0  400(2l_д /λ)² = 1600(l_д /λ)².

Увеличение R_Σ вибратора связано с удлинением последнего (пока l/λ не превысит 0,45). Однако, оно может быть увеличено без удлинения антенны увеличением ее действующей длины. Последняя будет тем больше, чем равномернее распределен ток по антенне. Получить более равномерное распределение тока по вибратору можно, нагрузив его на его верхнем конце некоторой емкостью. В качестве такой емкости используются горизонтальные или наклонные провода, проволочные диски и т.д. В частности, когда антенна без горизонтальной части (2π/λ₀)l = π/2, откуда λ₀ = 4l. Обычно стремятся к тому, чтобы антенна была настроена в резонанс, т.е. чтобы реактивная составляющая ее входного сопротивления равнялась нулю. При этом ток и напряжение на входе антенны оказываются в фазе и заданная мощность достигается при меньшем напряжении на ее зажимах. Кроме того, при чисто активном входном сопротивлении антенны создаются оптимальные условия для работы генератора. Поэтому, если антенна работает не на собственной длине волны, для настройки антенны в резонанс, вблизи точек питания антенны последовательно с генератором включают реактивные элементы настройки. Если антенна работает на волне, длина которой больше собственной длины волны антенны (λ_Р > λ₀), то для настройки в резонанс включают индуктивность. Говорят, что в этом случае антенна работает в режиме удлинения. Если λ_P < λ₀, то для настройки антенны в резонанс включают емкость. В этом случае антенна работает в режиме укорочения. Включением индуктивных или емкостных элементов настройки можно также настраивать в резонанс симметричные вибраторы.

 Собственная длина волны антенны с горизонтальной частью зависит от соотношения волновых сопротивлений вертикальной и горизонтальной частей антенны.

В случае идеально проводящей земли КНД несимметричного вибратора в 2 раза больше КНД соответствующего симметричного вибратора.

10.2. Симметрирующие устройства

К несимметричной антенне несимметричный фидер можно подключить непосредственно: центральный проводник к вибратору, а внешний к заземлению, противовесу или корпусу, если входное сопротивление антенны равно волновому сопротивлению фидера. В противном случае между антенной и фидером ставят согласующий трансформатор.

Непосредственное подключение коаксиального фидера к симметричному вибратору, как это показано на рис.10.2.а, без симметрирующего устройства вызывает появление различий между амплитудами токов в плечах вибратора и приводит к возникновению токов на поверхности внешнего проводника фидера. Асимметрия токов в плечах вибратора вызвана тем, что между плечом, подключенным к центральному проводнику коаксиального фидера, и внешним его проводником образуются токи смещения. Второе плечо вибратора имеет потенциал внешнего проводника фидера, разности потенциалов здесь нет и токов смещения не образуется. Асимметрия токов в вибраторе несколько искажает его ДН. Более существенное влияние оказывают токи на внешнем проводнике коаксиального фидера. Результатом их действия является антенный эффект фидера. Эти токи при работе горизонтального вибратора на передачу создают паразитное поле излучения с вертикальной поляризацией. В случае горизонтальных приемных антенн за счет асимметрии происходит прием вертикально поляризованного поля помех.

Рассмотрим некоторые симметрирующие устройства, устраняющие указанный нежелательный эффект. Симметрирующая приставка. Она выполняется в виде двухпроводной симметричной линии из металлических трубок длиной 0,25λ или 0,75λ (рис. 10.2.б). С одного конца линия замкнута накоротко, а с другого нагружается симметричной антенной (например, полуволновым вибратором) или симметричной линией. В точках подключения антенны сопротивление приставки при пренебрежении потерями в ней на резонансной частоте очень велико (Z = i W tgkl =¥), и ее шунтирующим действием можно пренебречь. В приставке устанавливается стоячая волна с узлом напряжения и пучностью тока в месте короткого замыкания (точке 0). Коаксиальную линию вводят в одну из трубок приставки в точке нулевого потенциала и присоединяют к приставке со стороны подключения к ней антенны: внешний проводник к трубке приставки, в которой он происходит, а центральный - ко второй трубке. Этим исключается антенный эффект фидера. Для согласованного режима работы необходимо, чтобы R_a=W_Ф. За счет симметрирующей приставки несколько расширяется полоса пропускания вибратора, поскольку реактивные составляющие входных сопротивлений полуволнового вибратора и приставки вблизи резонанса с изменением частоты имеют разные знаки и частично компенсируются.

Симметрирующее U-колено. Симметричную антенну с входным сопротивлением R_a можно представить в виде двух последовательно соединенных сопротивлений 0,5R_а с нулевым потенциалом между ними. Для симметричного возбуждения антенны фазы питающего напряжения на ее зажимах а и б (рис.10.2.в) должны отличаться на π. Такой сдвиг фаз можно получить, соединив зажимы антенны а и б отрезком линии длиной 0,5λ_к.

Нагруженная линия длиной 0,5λ_k. имеет входное сопротивление, равное сопротивлению нагрузки на ее конце. В соответствии с рис.10.2.в коаксиальная линия с волновым сопротивлением W_ф, оказывается нагруженной на два параллельно соединенных сопротивления, каждое из которых равно по величине 0,5R_a, или на результирующее сопротивление,
равное 0,25R_а. При симметрировании посредством U-колена для выполнения согласования необходимо, чтобы R_a = 4W_ф. Для фидера с  W_ф = 75 Ом входное сопротивление антенны должно быть равно 300 Ом. Таким сопротивлением обладает петлевой вибратор.

В случае полуволнового вибратора с R_a = 73,1 Ом между симметрирующим устройством и вибратором необходимо установить четвертьволновый трансформатор (рис.10.5.г) с волновым сопротивлением W_TP=150 Ом. Трансформатор выполняется из двух отрезков кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом и совмещается с симметрирующим устройством (рис.10.2.д). Длины отрезков: l₁=λ_k/4=λ/4

Симметрирующий
стакан. Коаксиальная
линия длиной 0,25λ,
замкнутая на одном
конце,  образует резонатор и имеет очень большое входное сопротивление.

В симметрирующем
устройстве          такой резонатор образуется наружным проводником коаксиального фидера и одетой на него металлической трубкой (рис.10.2.е).

На одном (нижнем) конце трубка подключена (припаяна) к внешнему проводнику фидера. Одно плечо симметричного вибратора подключается к внешнему, а другое - к внутреннему проводникам фидера. Наведенная на внешнем проводнике фидера ЭДС за пределами симметрирующего устройства не вызовет тока в фидере,  поскольку  последовательно   оказывается    включенным   резонатор   симметрирующего

устройства с большим сопротивлением. При работе на частоте, отличной от резонансной, симметрирующее устройство начинает шунтировать одно плечо вибратора реактивным сопротивлением конечной величины и симметрия питания плеч вибратора нарушается. Более широкополосным является симметрирующее устройство, состоящее из двух резонаторов (рис.10.2.ж). Плечи вибратора здесь подключаются симметрично к данному симметрирующему устройству и при любой частоте шунтируются одинаково.

10.3. Простейшие вибраторные антенны

В диапазонах дециметровых и метровых волн в качестве простейших антенн применяются различные симметричные и несимметричные вибраторы. На подвижных объектах желательно иметь антенну с наименьшей длиной. Этим требованиям удовлетворяет вертикальный несимметричный штыревой вибратор (рис.10.3.а), питаемый коаксиальным фидером. Центральный проводник фидера подключается к четвертьволновому вибратору, а внешний к противовесу или корпусу. Входное сопротивление такого резонансного вибратора приблизительно равно 36 Ом. Непосредственное подключение фидера с волновым сопротивлением 50 Ом или 75 Ом обеспечивает КБВ соответственно 0,7 или 0,5. При желании получить больший КБВ между фидером и вибратором ставят четвертьволновый трансформатор с волновым сопротивлением 40...50 Ом.

При   установке   антенн   на мачтe для лучшей грозозащиты ее вибраторы
должны заземляться. На рис.
10.3.б показан коаксиальный симметричный полуволновый вибратор, плечи которого непосредственно соединены    металлической мачтой, заземленной в своем основании. Внутри мачты диаметром (0,007...0,008)λ располагают коаксиальный фидер. Вибраторы выполняют из трубок диаметром примерно 0,02λ.

На рис.10.3.в изображен вибратор, у которого нижнее плечо выполнено из металлических трубок или стержней. На рис.10.3.г приведена конструкция несимметричного вибратора, у которого оба плеча выполнены из трубок или стержней.   Такие      вибраторы      обладают      пониженным      волновым сопротивлением, более широкой     полосой пропускания. и относительно

небольшой парусностью.  Большими диапазонными свойствами                  λ_max /λ_max =4…5       при К_б.в> 0,5 обладает диско-конусная антенна     (рис.10.3.д), питаемая    фидером    с волновым сопротивлением 50 Ом.
Размеры антенны определяются максимальной длиной волны и выбираются из условий l=(0,25...0,28)λ_max; 2R_k=(0,18...0,2)λ_max. Размеры узла возбуждения должны удовлетворять    соотношению t ≈ 0,3d, где d - диаметр оплетки кабеля. Для уменьшения парусности в метровом диапазоне волн антенна выполняется из стержней или трубок, расположенных по радиусам диска и образующим конуса. Внешние концы трубок диска и конуса для увеличения жесткости присоединяются к металлическим кольцам, при этом R_д=0,7R_k. Экспериментальные ДН антенны приведены на рис. 10.4. Направленные в вертикальной и ненаправленные в горизонтальной плоскостях ДН позволяют получить коллинеарные синфазные антенны (рис.10.5), составленные из коаксиальных вибраторов. В коллинеарной антенне из трех полуволновых  симметричных вибраторов с учетом взаимного влияния  сопротивления излучения крайних вибраторов оказываются равными 95 Ом, а среднего 126 Ом. При параллельном соединении всех вибраторов входное сопротивление антенны равно 35 Ом. Для работы с горизонтально поляризованными волнами антенны выполняют симметричными.

Петлевой вибратор. Предложенный А. А. Пистолькорсом петлевой вибратор (рис.10.6.а) можно рассматривать как два полуволновых синфазных вибратора, расположенных на малом расстоянии (D<<λ) друг от друга, соединенных по концам.  Относительно  точек  питания ае вибратор является симметричной  системой.

В наиболее удаленной от точек питания точке о система оказывается короткозамкнутой, и здесь устанавливается пучность тока. По мере продвижения от точки о ко входу антенны амплитуды тока уменьшаются и в точках b u d, отстоящих от точки о на расстоянии, равном 0,25λ, образуются узлы тока. Далее за точками b и d токи меняют свое направление на обратное, а их амплитуды по мере приближения к точкам а и е возрастают. Отрезки вибратора bа и de соответственно в точках b и d относительно верхнего отрезка bоd развернуты навстречу друг другу, следовательно, токи в обоих вибраторах 1 и 2 имеют одно направление. Расположение в точке о пучности тока и узла напряжения позволяет крепить вибратор в этой точке к металлической стреле или мачте непосредственно без изоляторов, обеспечивая надежную грозозащиту.

При равенстве диаметров трубок вибратора в них будут равны и токи. Поле излучения создается суммарным током 2I. Мощность излучения петлевого вибратора Р_Σ = (2I_эф)² R_ΣП. Подводимая мощность Р = . Решая совместно эти уравнения относительно R_a и полагая Р_Σ=Р, определяем входное сопротивление петлевого вибратора R_a = 4R_ΣП ≈ 4 × 73,1≈ 300 Ом. Входное сопротивление петлевого вибратора можно менять, изменяя соотношение диаметров трубок вибратора. При изменении отношения диаметра верхнего вибратора (1) к нижнему (2) от 0,5 до 2 входное сопротивление петлевого вибратора изменяется от 220 до 380 Ом. Петлевой и симметричный полуволновый вибраторы имеют примерно одинаковые ДН, КНД и КУ. Плоскость расположения трубок в вибраторе существенного влияния на его параметры не оказывает. Для получения большего входного сопротивления антенны применяют двухпетлевые вибраторы (рис.10.6.б), состоящие из трех полуволновых синфазных вибраторов. Входное сопротивление такого вибратора примерно равно 9R_ΣП.