ЛЕКЦИЯ 13. АНТЕННЫ ДЕКАМЕТРОВОГО (КОРОТКОВОЛНОВОГО) ДИАПАЗОНА

13.1. Особенности коротковолновых антенн. Учет влияния земли на диаграмму направленности

Основная область использования KB диапазона - связь на большие расстояния (сотни и тысячи километров), которая осуществляется с помощью пространственных волн, достигающих места приема либо однократным отражением от верхних слоев ионосферы (слои F₂, F₁), либо многократным отражением от ионосферы и поверхности Земли. Поэтому направление максимального излучения (приема) антенны должно составлять с линией горизонта некоторый угол (Δ_mаx). В этих случаях обычно применяют горизонтальные антенны, так как горизонтально поляризованные волны при отражении от почвы при углах наклона Δ£30° испытывают меньшее поглощение, чем вертикально поляризованные. При связи на небольшие расстояния (связь с помощью земной волны) используют антенны вертикальной поляризации. Чаще всего из-за конструктивных преимуществ  применяют несимметричные вибраторы. Вертикальные вибраторы создают более интенсивное излучение, чем горизонтальные, вдоль поверхности земли. На декаметровых волнах удается выполнять антенны, размеры которых превосходят длину волны в несколько раз и которые обладают значительным направленным действием. Для обеспечения непрерывной радиосвязи необходимо иметь несколько рабочих волн, значительно отличающихся друг от друга. В связи с этим желательно применять антенны диапазонного типа, что позволит повысить маневренность радиоцентров в отношении возможности выбора рабочих частот. Вследствие непрерывного изменения состояния ионосферы изменяются углы прихода (наклона) волн. Поэтому антенна должна достаточно интенсивно излучать (принимать) в определенном секторе углов прихода лучей. Наиболее вероятные значения углов прихода (места или возвышения) Δ изменяются в пределах 5...25°. В соответствии с приведенными данными должна выбираться ширина ДН антенны в вертикальной плоскости. Для обеспечения радиовещанием очень удаленных территорий приходится применять антенны с большим КУ, имеющие в коротковолновой части рабочего диапазона ширину ДН в вертикальной плоскости меньшую, чем сектор наиболее вероятных углов прихода лучей. У таких антенн желательно предусмотреть формирование по крайней мере двух ДН, одна из которых имеет максимум под более низкими углами возвышения, а другая - под более высокими. Сужение ДН в вертикальной плоскости является также эффективным средством борьбы с замираниями и явлением эха. Для уменьшения помех, создаваемых близкими по частоте радиостанциями, а также помех грозового и промышленного происхождении УБЛ ДН приемных антенн должен быть мал. При этом, кроме того, уменьшаются эффекты замираний и эха. Известны следующие      способы  экономии территории  и  уменьшения  стоимости  -  так  называемое многократное использование антенн. Например, одна антенна может обслуживать одновременно (при наличии специальных фильтрующих устройств) несколько передатчиков (приемников). В этом случае от антенны требуется лишь достаточная широкополосность (возможность работы на нескольких фиксированных частотах при заданных для каждой из частот характеристиках); применение специальных сложных антенн с несколькими входами и различными характеристиками при возбуждении разных входов с возможностью независимого управления ДН, соответствующими этим входам; использование антенн, обладающих возможностью реверсирования, т.е. изменения направления излучения на противоположное при изменении точки питания. Значительное влияние на излучение KB антенн оказывает земля, поверхностный слой которой по своим электрическим параметрам относится к полупроводящим средам. Пусть антенна расположена на высоте H от поверхности Земли. Обозначим ее ДН в собственной системе координат как f (Δ, φ). Введем также систему координат центром, расположенным на поверхности земли непосредственно под антенной. В этой системе координат первичная ДН с учетом сдвига фаз за счет разности хода приобретает вид f(Δ,φ)exp(ikhsinΔ). Амплитудная ДН имеет следующее выражение

                                            (13.1)

где R(Δ) и Ф(Δ) - модуль и фаза коэффициента отражения для соответствующей поляризации; f(Δ,φ)-первичная ДН по соответствующей поляризации. При Δ0° для обеих поляризаций R1, Фπ. Это приводит к тому, что ДН, определяемая по формуле (13.1), имеет в плоскости земли (Δ=0°) нулевой провал как при горизонтальной, так и при вертикальной поляризации поля. Отметим, что при нормальной (горизонтальной) поляризации для реальной земли коэффициент R_^(Δ) при всех Δ мало отличается от 1. Особенно сказанное справедливо при малых Δ, которые для антенн дальней связи и представляют основной интерес. Это приводит к тому, что ДН по нормальной поляризации оказывается близкой к ДН такой же антенны над идеально проводящей плоскостью. Отличие состоит лишь в том, что нулевые провалы, обусловленные интерференцией первичного и отраженного полей, в случае реальной земли заменяются минимумами, причем тем более глубокими, чем под меньшими углами к поверхности земли они расположены. В направлении вдоль поверхности земли (Δ = 0°),    R_^ = -1, поэтому здесь нулевой провал сохраняется и максимум ДН оказывается отклоненным от поверхности земли на некоторый угол Δ_mаx, зависящий, в частности, от высоты подъема антенны Н. С увеличением высоты подвеса главный лепесток прижимается к поверхности земли. Это обстоятельство полезно использовать для ориентации направления максимального излучения под желаемым углом к поверхности земли. В настоящее время на линиях связи большой длины обычно применяют сложные антенны диапазонного типа, для линий связи небольшой длины - простые антенны, как диапазонные, так и узкополосные (настраиваемые).

13.2. Простые KB антенны

К простым антеннам обычно относят симметричные и несимметричные вибраторы, диапазонные вибраторы Надененко, шунтовые диапазонные вибраторы, уголковую антенну Пистолькорса и ряд других. Рассмотрим сначала конструкции горизонтальных антенн. Из-за конструктивной простоты симметричный вибратор является одной из самых распространенных антенн. В KB диапазоне используют как горизонтальный, так и вертикальный симметричный вибратор.

Горизонтальный вибратор (рис.13.1.а) выполняется из твердотянутого бронзового или биметаллического провода диаметром 4...6 мм. При этом волновое сопротивление вибратора порядка 1000 Ом. Вибратор растягивается между двумя мачтами (деревянными, асбоцементными и т.д.) с помощью оттяжек, закрепленных у концов вибратора на изоляторах. Мачты также поддерживаются оттяжками, причем для уменьшения наводимых токов оттяжки расчленяются изоляторами на отрезки не длиннее, чем λ/4. При высотах подвеса Н=λ/2...λ, угол максимального излучения Δ_mах=30...15⁰. Симметричный вибратор предназначается для работы на фиксированной частоте (узкополосная антенна) в диапазоне (0,2...0,25)< l/λ <(0,63...0,67). При увеличении l/λ выше 0,63...0,67 ухудшаются направленные свойства вибратора. Минимальная величина отношения l/λ определяется допустимой наименьшей величиной естественного КБВ (КБВ без элементов настройки) в линии, равной 0,1...0,15. При уменьшении отношения l/λ, падает активная и увеличивается реактивная составляющие входного сопротивления вибратора, вследствие чего уменьшается естественный КБВ. Однако если естественный КБВ становится меньше 0,15, то согласование легко нарушается, например при изменении погодных условий. Маркировка такой антенны ВГ(l/Н).

При работе на одной фиксированной частоте можно получить хорошее согласование фидера с полуволновым вибратором, используя  схему  так   называемого    шунтового   питания   (рис.13.1.б).   Для

фидера с волновым сопротивлением Wф=600 Ом геометрические соотношения таковы: 2l₁ = 0,12λ, 2l₂ = 0,47λ, l₃ = 0,15λ. Маркировка такой антенны ВГШ (l/Н) - вибратор горизонтальной шунтовой.

Для работы в широком непрерывном диапазоне волн применяют вибраторы с пониженным волновым сопротивлением (диполи Надененко рис.13.2), диапазонные шунтовые вибраторы и плоские самодополнительные вибраторы. Шунтовые диапазонные вибраторы (см. рис.13.3), применяемые на KB, могут выполняться как в проволочном, так и в жестком варианте. С помощью шунтовых вибраторов удается обеспечить удовлетворительное согласование с КБВ>0,3 в более чем четырехкратном диапазоне                 (0,16 £ l/λ £ 0,65). Примерно такой же широкополосностью обладают излучатели, являющиеся аналогами плоских вибраторов с плечами треугольной формы. В диапазоне KB металлические пластины заменяют системой проводов, что приводит к некоторому ухудшению диапазонных свойств. Входное сопротивление плоского вибратора можно варьировать изменением угла при вершине плеча. Достаточная широкополосность сохраняется при углах 60...90°.

При питании антенны посредством фидера с W_Ф = 220 Ом естественный КБВ³0,5 сохраняется примерно в трехкратном диапазоне волн. Для сужения ДН вибратора и придания ей однонаправленных свойств применяют настроенные пассивные вибраторы - рефлекторы или директоры, располагаемые на расстояниях порядка (0,1...0,3)λ. Для   радиосвязи с корреспондентами, расположенными в различных направлениях, требуется расширение ДН. В этих случаях используют уголковые антенны, предложенные А.А. Пистолькорсом, имеющие в горизонтальной плоскости ДН близкие к круговым.

Уголковая антенна    (рис.13.4.) представляет собой симметричный горизонтальный вибратор, плечи которого расположены под углом 90° друг к другу. Слабая направленность антенны в горизонтальной плоскости объясняется тем, что направления максимального излучения каждого плеча антенны перпендикулярны друг другу. Диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости зависит от отношения l/λ, причем наиболее равномерное излучение получается при   l/λ ≈ 0,5. В вертикальной плоскости ДН получаются близкими к ДН обычного симметричного вибратора. С целью улучшения согласования с фидером в широком диапазоне в таких антеннах обычно используют   вибраторы   Надененко  или  шунтовые  вибраторы.   К  простым антеннам можно отнести и так называемые антенны зенитного излучения. Они применяются на коротких линиях связи (до 300 км), когда углы прихода Δ = 50...90°. При таких больших углах отражение от ионосферных слоев имеет место лишь для низкочастотной части KB диапазона с λ = 60...80 м, отведенной для местного радиовещания. По соображениям, связанным с условиями распространения радиоволн, в качестве зенитных антенн целесообразно использовать излучатели с круговой поляризацией, причем должна быть предусмотрена возможность оперативного изменения направления вращения при переходе с работы  в  дневное время на работу в ночное время. Наиболее простой антенной зенитного излучения мог бы служить турникетный излучатель. Однако его ДН излишне широка. С целью увеличения КНД, а так же скорости спадания уровня излучения за пределами рабочего сектора углов, что необходимо для повторного использования частот на других радиостанциях, в качестве антенн зенитного излучения применяются антенные решетки, состоящие из турникетных излучателей. Сами турникетные излучатели выполняются на базе либо вибраторов Надененко, либо проволочных аналогов плоских квадратных излучателей. Типовая антенна зенитного излучения, состоящая из четырех турникетных излучателей с диполями Надененко, показана на рис.13.5.

Электрический контакт между пересекающимися на рисунке вибраторами отсутствует, так как по вертикали они смещены. Геометрические размеры антенны: l = 30 м,    d= 31 м, высоты подвеса пар вибраторов над землей 14 и 17м. Вибраторы выполняются из шести проводов диаметром 4 мм, расположенных по образующим кругового цилиндра радиусом 1,2 м. Для создания поля вертикальной поляризации обычно применяются симметричные и несимметричные вертикальные вибраторы с пониженным волновым сопротивлением по типу диполя Надененко. В качестве проводов, образующих вибратор, часто используют отделенные изоляторами участки оттяжек деревянных или асбоцементных мачт. Симметричные вертикальные вибраторы питаются с помощью двух проводного фидера (рис.13.6).

Несимметричные вертикальные вибраторы могут выполняться, как в варианте Надененко, так и в виде
аналогов плоских и конических вибраторов. Различные варианты несимметричных вибраторов         схематично показаны на рис. 13.7.

Особенностью вертикальных несимметричных вибраторов является необходимость металлизации поверхности земли под вибратором. Поверхностный слой почвы вблизи вибратора входит непосредственно в цепь входного тока и определяет основную часть мощности потерь. Металлизация поверхности позволяет существенно снижать уровень теряемой мощности. Металлизация осуществляется с помощью 80...120 проводов длиной (1,5...2)l, веерообразно расходящихся от нижнего основания вибратора. Чтобы избежать повреждений, провода могут прокладываться на глубине 15...20 см. От качества металлизации зависит КПД вибратора. В приемном режиме допустимое значение КПД ниже, чем в передающем, поэтому при использовании вибратора только для приема достаточно 10...15 проводов длиной около 0,5l. Несимметричные вибраторы питаются с помощью либо коаксиального кабеля, либо его проволочного аналога - проволочной коаксиальной линии.

13.3. Синфазные горизонтальные диапазонные антенны (СГД)

Антенны СГД являются основным типом передающих антенн, применяемых в KB диапазоне для радиовещания и радиосвязи на трассах большой протяженности. Основными преимуществами антенн СГД являются возможности получения высокого КНД (и КУ, антенны имеют высокий КПД), а также управления ДН в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Антенны типа СГД могут работать без перестройки в непрерывном диапазоне волн с коэффициентом перекрытия 2...2,5. Антенна представляет собой плоскую синфазную решетку, состоящую из нескольких рядов (этажей) синфазно возбуждаемых симметричных вибраторов, расположенных на определенном расстоянии d₂ друг от друга (рис.13.8). В настоящее время наиболее распространены двух - (трасса длиной 1000...3000 км), четырех - (трасса длиной от 2000 до 6000...8000 км) и восьмиэтажные (трасса от 6000 км и более) антенны. Синфазность возбуждения всех вибраторов на любой длине волны достигается благодаря тому, что расстояния от точек питания отдельных вибраторов до точек присоединения главного фидера (точки a₁, а₂) одинаковы. Диапазонностъ по входному сопротивлению обеспечивается применением диапазонных   вибраторов,   а   также   включением    в    распределительные

фидеры, подводящие питание к вибраторам, ступенчатых трансформаторов (трансформирующих вставок), обладающих различными волновыми сопротивлениями (на рис.13.8 эти трансформаторы обозначены цифрами 1,...,4). При тщательном подборе волновых сопротивлений ступенчатых трансформаторов можно получить КБВ в главном фидере не ниже 0,6...0,65 в двухкратном диапазоне волн. В качестве вибраторов применяют: проволочные вибраторы с пониженным волновым сопротивлением (W = 280...470 Ом), состоящие из трех проводов и имеющие треугольное поперечное сечение; жесткие шунтовые вибраторы и самодополнительные проволочные плоские вибраторы (рис.13.9). В решетках, выполненных по принципу самодополнительности, можно уменьшить число этажей, что объясняется большими вертикальными размерами плоских вибраторов. Кроме того, увеличивается допустимая подводимая мощность. В антеннах СГД наиболее часто применяют вибраторы с длиной плеча (0,35...0,45)λ₀, где λ₀=       ; λ_mах  и λ_min - соответственно самые длинная и короткая волны рабочего диапазона.

Для создания однонаправленного излучения антенна снабжается рефлектором, располагаемым на некотором расстоянии d_p от полотна антенны. Могут применяться рефлекторы трех типов: пассивные настраиваемые, апериодические и активные (питаемые). Настраиваемый рефлектор выполняется в виде полотна из вибраторов (аналогично полотну антенны) и возбуждается благодаря пространственной электромагнитной связи между полотнами. К точкам a₁, a₂ рефлектора присоединяется отрезок линии, длина которого регулируется короткозамыкателем и который служит для настройки рефлектора. Рефлектор устанавливается на расстоянии d_p=(0,25...0,27)λ₀. Использование настраиваемого рефлектора целесообразно в тех случаях, когда имеется необходимость в изменениях направления излучения (приема) на обратное. Апериодический рефлектор представляет собой плоский экран, выполненный из горизонтальных проводов, параллельных осям вибраторов. Он устанавливается сзади антенны на расстоянии d_p = (0,27...0,3)λ₀. Размеры экрана несколько превосходят размеры полотна антенны. Апериодический рефлектор позволяет по сравнению с настроенным рефлектором значительно уменьшить уровень излучения в обратном направлении, что весьма важно для уменьшения взаимных помех радиостанций. Для этого расстояние между проводами экрана должно быть примерно (0,035...0,07)λ₀. Основным достоинством антенны с апериодическим рефлектором является ненужность настройки, а недостатками - сложное конструктивное выполнение и почти полное отсутствие   электрической   прозрачности   (т.е.   возможности прохождения электромагнитных волн, излучаемых другими антеннами). Активно питаемый рефлектор, так же как и настраиваемый, представляет собой полотно, идентичное полотну антенны, возбуждаемое за счет части мощности, подведенной к рефлектору от генератора. Антенна СГД с активным диапазонным рефлектором не требует перестройки при смене рабочих волн. Такой рефлектор целесообразно применять в тех случаях, когда антенна используется при частой смене рабочих волн.

Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости (Δ = 0°) описывается выражением F(φ) = F₁(φ)F_c(φ)F_p(φ). Здесь φ - азимутальный угол, отсчитываемый от плоскости антенны; F₁(φ) - ДН одного симметричного вибратора в горизонтальной плоскости; F_c(φ) - множитель системы, определяемый числом вибраторов n в ряду; F_p(φ) - множитель рефлектора. Направленные свойства антенны СГД в вертикальной плоскости зависят от числа этажей и высоты подвеса геометрического центра Н_ср антенны над землей. Характеристика направленности в этом случае F(Δ) = F_c(Δ)F_p(Δ)F_з(Δ). Здесь Δ - угол в вертикальной плоскости между направлением на точку наблюдения и нормалью к плоскости антенны; F₃(Δ) - множитель, учитывающий влияние земли, обычно определяют по приближенной формуле F₃(Δ) = sin(kH_cp sinΔ). Чем больше число этажей т, тем уже главный лепесток и меньше угол Δ_тах Увеличение высоты подвеса антенны сопровождается сужением и прижатием к земле главного лепестка, а также увеличением УБЛ в вертикальной плоскости. Высота подвеса нижнего этажа обычно выбирается равной λ₀...1,75λ₀. При увеличении рабочей длины волны ДН антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях расширяются. Антенны СГД подвешиваются на деревянных, асбоцементных или металлических мачтах высотой до 100 м и более. Для управления ДН в вертикальной плоскости полотно антенны обычно разбивают на две группы с равным числом вибраторов в каждой группе и изменяют соотношение фаз токов, протекающих в вибраторах различных групп.

Маркировка антенны СГД (m/2n) (тип рефлектора). Для настраиваемого рефлектора - РН, для апериодического рефлектора - РА, для активного диапазонного рефлектора - РАД.

13.4. Ромбические антенны

В диапазоне коротких волн, в основном, в качестве передающих антенн для радиосвязи широкое распространение получили ромбические горизонтальные (РГ) антенны. Такая антенна представляет собой двухпроводную линию, выполненную в виде ромба, к одному из острых углов которого подводится ЭДС высокой частоты, к другому присоединяется нагрузочное сопротивление, равное волновому сопротивлению ромбовидной линии, вследствие чего

 в проводах антенны устанавливается режим бегущей волны.
Антенна подвешивается горизонтально на четырех опорах высотой
(1,0…1,25)λ₀. Схематично внешний вид антенны РГ представлен на
рис.15.10, где 1 - питающая линия, 2 - опоры, 3 - изоляторы, 4 - нагрузочное сопротивление в виде поглощающей линии. Такая антенна является диапазонной как по направленным свойствам, так и по входному сопротивлению. Она может работать на любой фиксированной частоте примерно в диапазоне 2,5:1, сохраняя при этом удовлетворительные направленные свойства и почти неизменный высокий КБВ в питающей линии. Так как расстояние между проводами, из которых выполнена антенна, непостоянно, то в - действительности волновое сопротивление увеличивается от 600...700 Ом у острого угла ромба и примерно до 1000 Ом у его тупого угла, что вызывает местные отражения и нарушает режим бегущей волны. Чтобы сделать изменение волнового сопротивления менее существенным, каждую сторону ромба выполняют из двух расходящихся к тупому углу проводов. Расстояние между этими проводами увеличивается от нуля у острого угла до 2...2,5 м у тупого угла, при этом волновое сопротивление выравнивается по длине антенны. При питании такого ромба посредством фидерной линии с W=700 Ом КБВ в ней получается весьма высоким во всем рабочем диапазоне. Электромагнитное поле, излучаемое такой антенной, можно найти, просуммировав поля, создаваемые отдельными прямолинейными проводами с бегущей волной тока, составляющими ромб. ДН провода длиной L имеет воронкообразную форму с направлением максимального излучения, отклоненным от оси провода на угол θ_max=arccos(1-λ/2L) (рис.13.11). Если угол при запитываемой вершине ромба выбрать равным 2θ_max, то суммарное поле будет иметь максимальный уровень в направлении соответствующей диагонали, так как, во-первых, поля каждого из проводов имеют в этом направлении максимальные уровни  и,   во-вторых, как легко показать, складываются синфазно. Ромбическая антенна, в общем, случае излучает поля двух поляризаций - горизонтальной (нормальной) и параллельной. Однако в главных плоскостях, т.е. в вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось ромба, и в горизонтальной плоскости (Δ=0°) имеется только горизонтально поляризованная составляющая. В вертикальной плоскости (пренебрегая затуханием тока в проводах и считая землю идеально проводящей) ДН можно определить по формуле

f(Δ) = [cosФ/(l - sinФcosΔ)]·sin²[(kL/2)(l - sinФcosΔ)]sin(kHsinΔ),  (13.2) где Н - высота подвеса ромба, Ф - половина тупого угла ромба.

Поглощающая линия служит для поглощения неизлученной антенной мощности.

Оптимальные размеры ромба L, Ф, Н выбирают так, чтобы обеспечить наиболее интенсивное излучение под наиболее вероятными углами прихода лучей в место приема (Δ_mах), значение которых зависит от длины линии радиосвязи. При заданном угле Δ_mах оптимальные значения L, Ф и Н находят из условия максимума первого (Ф), второго (L) и третьего (Н) множителей в (13.2): Ф = 90° - Δ_mах; L = λ₀/(2sin²Δ_max); Н = λ₀/(4sinΔ_max). Расчеты показали, что уменьшение длины стороны ромба в 1,5...2 раза по сравнению с оптимальным значением не вызывает заметного уменьшения КУ. При длине радиотрассы 1500...2000 км обычно принимают Δ_mах = 15°. В этом случае берут L = 4λ₀; Ф = 65°; Н = λ₀. При большей длине радиотрассы оптимальные размеры ромба возрастают (обычно Ф = 70...75°, L = 6λ₀; Н = 1,25λ₀). Входное сопротивление ромба в диапазоне волн (0,8...2,5)λ₀ изменяется в пределах 800...500 Ом. Часть мощности Р₀, подводимой к антенне, теряется в нагрузочном сопротивлении (и значительно меньше - в проводах ромба); КПД антенны колеблется от 0,4...0,7 на длинноволновом краю диапазона (λ/λ₀=2) до 0,55...0,8 на коротковолновом краю (λ/λ₀=0,8). Коэффициент направленного действия и КУ ромбической антенны определяются по формулам:

D = 30(kh_д)²/W_А; G = 30(kh_д)²/R_S,

где  h_д  - действующая высота антенны,             W_A- волновое сопротивление антенны,        R_S - сопротивление излучения антенны.

Основные недостатки ромбической антенны: высокий УБЛ (значительно больший, чем у антенны СГД), что особенно плохо с точки зрения ЭМС антенн, сравнительно низкий КПД и большая площадь поля, занимаемого антенной. Положительные качества ромбической антенны: широкий рабочий диапазон, ограничиваемый только уменьшением КУ и ухудшением направленных свойств по мере отхода длины волны от оптимальной; простота питания (антенна питается двухпроводной линией с W_Ф=600 Ом); меньшая стоимость, чем антенны СГД; простота конструкции и эксплуатации. Для улучшения электрических параметров антенны Г.З.Айзенбергом была предложена двойная ромбическая горизонтальная (РГД) антенна, состоящая из двух горизонтальных, наложенных один на другой ромбов (с небольшим разносом по вертикали), смещенных относительно друг друга в направлении малой диагонали на расстояние d₁ порядка λ₀ (рис.13.12). Обе ромбические антенны питаются параллельно и синфазно. Уровень боковых лепестков ДН антенны РГД в горизонтальной плоскости значительно ниже, чем у антенны РГ таких же размеров. Так как оба ромба, входящие в антенну РГД, включаются параллельно, то волновое и входное сопротивление антенны оказываются в 2 раза меньше, чем у антенны РГ, что приводит к увеличению КПД (до 65...85%). Коэффициент усиления увеличивается по сравнению с антенной  РГ примерно в 1,5...2 раза вследствие снижения УБЛ и повышения КПД. Антенна РГД питается с помощью двухпроводного фидера с волновым сопротивлением W_Ф=600 Ом, который присоединяется к антенне с помощью четырехпроводного фидерного трансформатора, понижающего волновое сопротивление от 600 до 300 Ом. В случае передающей антенны в нагрузочном сопротивлении теряется 20...50% подводимой мощности. Поэтому при больших мощностях передатчиков нагрузочное сопротивление выполняется в виде длинной двухпроводной линии из стального (длина 300...500 м) или фехралевого (длина 30...40 м) провода с большим затуханием. Поглощающая линия (в виде нескольких петель) подвешивается на общих деревянных столбах под ромбом вдоль его большей диагонали. При малых мощностях передатчиков (1...3) кВт или при использовании антенны в качестве приемной можно применять специальные мастичные сопротивления. Присоединяя фидер к концу ромба, а нагрузочное сопротивление к его входу можно реверсировать антенну. Маркировка антенны РГ [Ф/(L/λ )] (Н/λ ) или РГД [Ф/(L/λ )] (Н/λ ).

13.5. Антенны бегущей волны

Антенна бегущей волны (АБВ) является широкодиапазонной (коэффициент перекрытия может достигать 2,5...3) и применяется только для приема. Антенна состоит из n симметричных вибраторов, находящихся друг от друга на одинаковых расстояниях, присоединенных через развязывающие сопротивления (элементы связи) к собирательной линии (рис.13.13). К концу собирательной линии присоединяется поглощающее сопротивление R_H, равное ее волновому сопротивлению, к началу линии - приемник. Антенна подвешивается горизонтально над землей на высоте Н = 16...40 м. Для уменьшения шунтирующего влияния вибраторов, на собирательную линию между ней и вибраторами устанавливают активные сопротивления (ёмкости или индуктивности). Если Z_CB имеет емкостной или резистивный характер, то u уменьшается (режим замедления). При этом максимум излучения направлен в сторону нагрузочного сопротивления. Если Z_CB имеет индуктивный характер, то u > с и излучение происходит под углом к оси антенны. При этом амплитуда бегущей волны в линии из-за излучения быстро спадает (по экспоненциальному закону). По указанным причинам индуктивные элементы связи не применяются. Диаграмму направленности антенны в горизонтальной плоскости без учета затухания в собирательной линии можно рассчитать по формуле для антенн бегущей волны в плоскости Е. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости при идеально проводящей земле определяется по формуле для антенн бегущей волны в плоскости Н с добавлением множителя земли sin(kHsinΔ).

Как и всякая антенна бегущей волны с пониженной фазовой скоростью, рассматриваемая антенна имеет оптимальную длину. Уровень боковых лепестков сильно зависит от фазового сдвига Ψ_кр между токами в крайних вибраторах. Расчеты показывают, что приемлемый диапазон изменения Ψ_кр получается при числе вибраторов, не превышающем 20...40. Это, в свою очередь, накладывает ограничения на общую длину антенны. Длина типовой антенны составляет 90 м; УБЛ такой антенны значительно ниже, чем у ромбической. Длину плеча одного вибратора выбирают примерно равной 0,7λ_min. При большей длине плеча направленные свойства вибратора на коротковолновом краю рабочего диапазона резко ухудшаются. Уменьшение длины вибратора также нежелательно, поскольку это приводит к увеличению его Z_BX, уменьшению связи с собирательной линией на длинноволновом краю рабочего диапазона и, как следствие, к снижению КПД. Высота подвеса антенны Н выбирается из условия получения максимальной интенсивности приема при заданном, наиболее вероятном, угле прихода лучей Δ. Обычно ограничиваются высотой подвеса примерно 25...35 м. Коэффициент направленного действия типовой антенны БС, подвешенной на высоте Н=25м, в трехкратном диапазоне волн (λ = 12...36м) изменяется примерно от 35 до 200; КУ в том же диапазоне изменяется от 4 до 30; КПД - от 15 до 38%. Наибольшее распространение получили АБВ, состоящие из двух полотен, расположенных параллельно на одинаковой высоте (антенна БС-2) с параллельно соединенными входами. Расстояние между полотнами типовых антенн составляет 25м. Диаграмма направленности двойной антенны в горизонтальной плоскости значительно уже, чем одиночной. Уровень боковых лепестков антенны БС-2 обычно не превышает 0,1...0,08. Коэффициент направленного действия двойной антенны больше, чем КПД одиночной антенны в 1,5...2 раза, а КУ - в 2 раза. Для приема параллельно-поляризованного поля используется вертикальная несимметричная АБВ с активными элементами связи (БСВН). Общим недостатком АБВ с элементами связи является весьма низкий КПД: из-за слабой связи вибраторов с собирательной линией излучается сравнительно небольшая часть подводимой мощности, остальная мощность поглощается в нагрузочном сопротивлении. По этой причине рассматриваемые антенны не применяют в качестве передающих.

13.6. Логопериодические антенны (ЛПА)

Направленные свойства KB антенн существенно меняются с изменением длины волны. Изменяется и ориентация ДН относительно поверхности земли: угол возвышения максимума ДН увеличивается пропорционально λ. Поэтому для перекрытия рабочего диапазона (10…100 м) требуется не менее двух диапазонных антенн, каждая из которых обслуживает свой поддиапазон. При этом применение комплекта антенн не устраняет зависимости направленных  свойств  антенной  системы  от  λ,  что особенно нежелательно  в

94

радиовещании, где сектор обслуживания не должен изменяться при смене рабочей волны. Кроме того, следует отметить, что современные автоматизированные передатчики предъявляют повышенные требования к постоянству входного сопротивления антенн в рабочем диапазоне (КБВ в фидере, как правило, не должен быть менее 0,6...0,7). Обе проблемы разрешаются при использовании ЛПА. Одна ЛПА (рис.13.14.а) может работать во всем KB диапазоне (λ=10...100 м), сохраняя при этом практически постоянные направленные свойства и высокое согласование (КБВ = 0,6...0,7) с питающим фидером.

ЛПА работает на принципе электродинамического подобия. В антенне имеется активная зона из 4...5 вибраторов, которая перемещается по антенне при изменении длины волны. В KB диапазоне в основном применяются плоские ЛПА с проволочными трапециидальными, треугольными и линейными вибраторами. Для постоянства ДН в вертикальной плоскости на любой фиксированной длине волны в пределах заданного диапазона полотно антенны располагается под некоторым углом Δ_А к поверхности земли (рис.13.14.б). При таком расположении относительная высота подвеса активной зоны, которая перемещается вдоль антенны не изменяется при изменении λ. Фазы токов в вибраторах должны отставать в направлении излучения. Но т.к. питание подводится со стороны малых вибраторов, то для получения излучения в сторону малых вибраторов делается перекрещивание по питанию.

В вертикальной плоскости ДН определяется действием антенны и ее зеркального изображения. Она является результатом сложения ДН полотен антенны и зеркального изображения с учетом пространственного их разноса, определяемого углом Δ_А и сдвигом фаз токов в них (Ψ = 180°). Для сужения ДН в горизонтальной плоскости и увеличения КУ можно соединять две-три ЛПА в синфазную решетку. Чтобы ДН решетки не зависела от частоты, полотна антенны располагаются под углом друг к другу с вершинами в общей точке на поверхности земли.

13.7. Вопросы питания коротковолновых антенн

В качестве фидеров передающих KB антенн наиболее часто используются двух - и четырехпроводные воздушные симметричные линии (рис.13.15.а,б), а также четырехпроводные перекрещенные фидеры (рис.13.15.в), состоящие из соединенных перемычками крест-накрест проводов.

Эти фидеры обычно выполняют из биметаллических  (стальной провод, покрытый медной оболочкой) проводов диаметром 3...6 мм. Расстояние между проводами составляет 225...450 мм.
Двухпроводные фидеры (W=600 Ом) могут пропускать мощность до 50 кВт, четырех проводные (W=300 Ом) - до 100кВт. При больших уровнях мощности провода фидера выполняются в виде многопроволочных цилиндров (рис.13.16).

Волновое сопротивление двухпроводного (однопроволочного) фидера при 2a/D<< 1 (что обычно имеет место)

W_Ф=276 lg(D/a).                (13.3)      

Четырехпроводный однопроволочный симметричный неперекрещенный фидер имеет

перекрещенный -

,      (13.5)

При расчете волновых сопротивлений многопроволочных фидеров проволочные цилиндры  заменяются  сплошными  с  эквивалентным  радиусом

R_э=Rⁿ . Здесь n - число проволок в одном проводе (цилиндре) радиусом R. Для питания передающих антенн используют также несимметричные концентрические (рис.13.17.а) и несимметричные плоские (рис.13.17.б) многопроводные фидеры. В случае концентрического фидера многопроволочным может быть выполнен только внешний провод или оба – внешний и внутренний провода. Симметричные фидеры крепят на деревянных, асбоцементных или железобетонных опорах. Последние используется для подвески тяжелых фидеров с W_Ф = 120 Ом. К опорам фидеры крепят с помощью специальных изоляторов. В некоторых случаях для питания KB антенн используют коаксиальный кабель. В настоящее время выпускают коаксиальный кабель, выдерживающий мощность (при КБВ=1) 250кВт. Основными параметрами, которыми оценивается качество передающего фидера, являются пропускная мощность и КПД. Максимальная мощность, пропускаемая фидером, определяется электрической прочностью изоляторов и воздуха, окружающего фидер. Если напряженность поля превосходит некоторое определенное значение, то начинается ионизация воздуха, что может привести к его пробою. Процессы ионизации молекул сопровождаются излучением электромагнитных волн оптического диапазона, вследствие чего происходит свечение ионизированного объема воздуха. Столб ионизированного воздуха поднимается наверх, принимая форму факела («факельное истечение»). Это недопустимо, так как может привести к перегреву и расплавлению проводов, а также к потерям высокочастотной энергии. Напряженность поля, при которой может произойти самопроизвольное образование факела, называется начальной. Начальная напряженность поля равна примерно 30 кВ/см. Обычно принимается, что допустимая амплитуда напряженности поля Е_доп примерно равна 6...7 кВ/см. Максимальная напряженность поля возникает у поверхности провода. Е_mах = 120πI/2πa. Поскольку I=U/W_Ф, где U - напряжение между проводами линии, то E_max= 60U/(aW_Ф). В многопроводной линии ток, приходящийся на один провод, уменьшается в n раз (n - число пар проводов), и в данном случае                  E_max= 60U/(naW_Ф). Амплитуда напряжения в пучности связана с мощностью, передаваемой по линии, соотношением U=. После преобразования получаем Е_mах= 60 . Здесь Е_mах - амплитуда напряженности электрического поля у поверхности проводника в пучности напряжения. Мощность, которую можно передать по воздушной линии без опасности факельного истечения, определяют по формуле

Р_доп= Е²_доп(na)²КБВ/ 7200. (13.6)

Если провода фидера выполнены из многопроволочных цилиндров, то

Р_дoп= Е²_доп(na)²КБВ W_Ф / (7200x₁² x₂²).                          (13.7)

Коэффициенты x₁ и x₂, учитывающие неравномерность распределения тока по проводам цилиндра, показывают, во сколько раз ток в проволоке с максимальным значением, тока превышает среднее значение 1/n. Коэффициент x₂ учитывает неравномерность распределения тока по периметру одной проволоки. Коэффициент x₁ зависит в основном от волнового сопротивления и типа фидера. Коэффициент x₂ можно оценить по формуле x₂ = 1 + (n - 1)a/R, где а - радиус провода; R - радиус цилиндра; n - число проволок в цилиндре. Для увеличения электрической прочности фидера надо стремиться к тому, чтобы коэффициент x₁ был близок к единице. Этого можно добиться неравномерным размещением проволок в цилиндре.

Коэффициент полезного действия фидера равен отношению активной мощности, выделяемой в нагрузке на конце фидера (Р_н), к полной активной мощности, подведенной к началу линии (Р₀). Если отражение от нагрузки отсутствует, то КПД можно найти по формуле

η = ехр(- 2α_фL),                                                     (13.8)

где L - длина фидера; α_ф = R₁/2W_Ф - коэффициент затухания; R₁ - сопротивление фидера на единицу длины. Для неэкранированной линии коэффициент α_ф определяется потерями в металле проводов α_м, земле α_з и окружающих предметах α_ок: α_ф=α_м +α_з +α_ок. Коэффициент α_м для симметричных воздушных фидеров определяют по формуле α_м = 5,5.10³  , где s - удельная проводимость материала провода, Сим/см; (μ - относительная магнитная проницаемость материала провода; n - число пар проводов; λ - длина волны, м; а - радиус провода, мм.

Для концентрического фидера α_м=R₁(n₁+n₂)x/(2W_Фn₁n₂), где n₁ - число проводов во внешнем цилиндре; n₂ - число проводов во внутреннем цилиндре; R₁ - погонное сопротивление одного провода; x = 4n₁n₂(n₁+n₂)². Коэффициент α_з существенно зависит от конструкции фидера, его геометрических размеров (в основном от расстояния между проводами) и высоты подвеса над землей. При наличии отражений КПД фидера падает       η=Р_н/(Р_о-Р_отр)=ехр( -2α_фL)(1-Г²)/[1 - Г²ехр(- 4α_фL)],

где α_ф - коэффициент затухания фидера; L - длина фидера; Г - модуль коэффициента отражения от нагрузки.