ЛЕКЦИЯ 14. АНТЕННЫ СРЕДНИХ, ДЛИННЫХ И СВЕРХДЛИННЫХ ВОЛН

14.1. Особенности антенн

Использование для радиосвязи земной волны предопределяет применение в СВ диапазоне антенн с вертикальной (параллельной) поляризацией, поскольку для этого диапазона (и тем более для длинноволнового и сверхдлинноволнового диапазонов) замена реальной земли идеально проводящей еще более оправдана, чем в случае KB диапазона. Для расширения зоны уверенного приема следует использовать антенны, мало излучающие под углами Δ > 40...50°. Такие антенны носят название антифединговых. К недостаткам ДВ и СДВ диапазонов относятся высокий уровень атмосферных и промышленных помех, невозможность реализовать антенны с высокими КНД и КПД и, как следствие, необходимость весьма мощных передатчиков с вытекающей отсюда проблемой увеличения, так называемой, вмещаемой антенной мощности. Из-за особенностей распространения СДВ, ДВ и СВ максимум излучения антенн этих диапазонов должен быть направлен вдоль поверхности земли. Соответствующими ДН обладают несимметричные вертикальные вибраторы. Высота вибраторов определяется технико-экономическими соображениями (стоимость опоры растет примерно пропорционально кубу высоты). Обычная высота опор для антенн ДВ и СДВ диапазонов составляет 150...200 м. В случае СВ антенн необходимость борьбы с замираниями вынуждает использовать вибраторы высотой до 350 м и выше. Благодаря малой относительной высоте СДВ и ДВ антенн их сопротивление излучения мало (десятые доли или единицы Ом); оно может быть соизмеримо с сопротивлением потерь, а в ряде случаев быть значительно меньше последнего, вследствие чего КПД антенны без применения специальных мер оказывается весьма низким. Для излучения такими антеннами большой мощности токи в них должны быть большими, что приводит к значительным потерям энергии в земле, элементах настройки и т.д. Реактивная составляющая входного сопротивления короткой антенны весьма велика (может достигать нескольких тысяч Ом), поэтому напряжение в точках питания антенны также велико U₀ =I₀.Так как X_вх>>R_вх, то приближенно можно считать, что U₀ » I₀Х_вх. Во избежание электрического пробоя изоляторов, факельного истечения (явления «короны») и т.д. напряжение на зажимах антенны, а также между различными ее точками и землей не должно превосходить допустимого значения. Этим ограничивается мощность, которую можно подвести к антенне. Благодаря большим значениям реактивного сопротивления антенны и тока в ней запасается значительная реактивная мощность. Поскольку добротность антенны очень велика, то она имеет узкую полосу пропускания, которая иногда может оказаться недостаточной даже для медленной передачи телеграфных сигналов. Из сказанного следует, что основными задачами при разработке СДВ и ДВ антенн являются: увеличение мощности, излучаемой антенной; уменьшение напряжений в антенне; расширение полосы пропускаемых антенной частот; увеличение КПД антенны. Эти задачи можно решить, увеличивая сопротивление излучения, уменьшая сопротивление потерь и реактивное сопротивление антенны. В случае СВ антенн решение поставленных задач упрощается, так как эти антенны имеют сравнительно большую относительную длину и их сопротивление излучения составляет десятки Ом. Однако здесь возникает дополнительная задача, связанная с обеспечением антифединговых свойств антенны, причем желательно, чтобы антифединговая антенна сохраняла свои свойства в широком диапазоне волн.

14.2. Передающие средневолновые антенны

Обычно СВ вещательные антенны выполняют в виде антенн - мачт (рис.14.1.а) или антенн-башен (рис.14.1.б). Основание антенны-башни крепится к земле с помощью изоляторов; оттяжки для крепления этой антенны не требуются. Антенны-мачты поддерживаются в вертикальном положении небольшим числом оттяжек. Высота антенн-башен обычно составляет 60...200 м, а антенн-мачт 60...350 м. Положительными свойствами этих антенн по сравнению с проволочными являются: наличие только одной мачты

или башни (в случае проволочных антенн требуются
минимум две мачты), что
экономит площадь антенного поля; меньшее искажение
ДН в связи с отсутствием
большого числа оттяжек,
подъемных тросов и т.д.;
большая механическая

а) б)

прочность. Питание антенн-мачт (башен) с изолированным основанием осуществляется несимметричными концентрическими фидерными линиями, выполненными из проволочных цилиндров. Внутренний цилиндр фидера подсоединяется непосредственно к нижнему концу мачты или башни, внешний - к системе заземления. КПД антенны в значительной степени определяется потерями в поверхностном покрове почвы, который входит непосредственно в цепь тока антенны. Рациональная конструкция системы заземления позволяет снижать эти потери и увеличивать КПД до 0,9. Обычно система заземления выполняется из 80...120 радиально расходящихся проводов, соединенных между собой в центре. Длина каждого провода выбирается равной или несколько превосходящей (на 10...20%) высоту мачты (башни). При этом

система заземления охватывает площадь, на которой концентрируется основная часть поля ближней зоны антенны. Чем больше число проводов и их длина, тем большая часть замыкающихся на землю токов течет по проводам и тем меньше потери энергии в земле. Провода системы заземления укладываются в землю на небольшой глубине (около 0,5м). Антенны мачты (башни) обладают антифединговыми свойствами в диапазоне l/λ=0,52...0,54 (l - высота мачты). Со стороны меньших значений l/λ ухудшение антифединговых свойств вызывается расширением ДН, со стороны больших значений - ростом бокового лепестка, образующегося в ДН вибратора из-за появления в распределении тока противофазного участка вблизи точек питания при l/λ>0,5. В ДН антенны с l/λ=0,52...0,54 боковой лепесток еще сравнительно мал и направлен под большим углом к горизонту (около 75°), поэтому излученные в боковом лепестке и затем отраженные от ионосферы волны приходят к земле на небольшом расстоянии от передатчика, где напряженность поля земной волны велика. С ростом l/λ УБЛ возрастает и направление его максимума сдвигается в сторону меньших углов Δ, что ведет к нарастанию замираний. Антифединговые антенны получили практическое применение в средневолновом вещательном диапазоне (λ = 187...571 м), так как на более длинных волнах требуются антенны большой высоты (500...1000 м). В ряде случаев для увеличения действующей высоты антенны-мачты или антенны-башни снабжают емкостной нагрузкой на верхнем конце. Эта нагрузка представляет собой либо металлический (сплошной или проволочный) диск, либо часть верхнего яруса оттяжек. Добавление емкостной нагрузки на вершине позволяет на 20...25% уменьшить высоту антенны без ухудшения антифединговых свойств. В конструкции антенны предусмотрена согласующая LC-цепь, с помощью которой осуществляется настройка антенны. Недостатком антенн-мачт (башен) является то, что изолятор не только отделяет антенну от земли, но и является опорой мачты (башни). Вследствие этого изолятор должен обладать не только высокой электрической, но и механической прочностью, так как масса опирающейся на изолятор мачты составляет 100...200т. Вследствие неравномерного распределения давления по поперечному сечению изолятора и по другим причинам возможны механические повреждения опорных изоляторов, что может привести к серьезной аварии. Применение опорных изоляторов удорожает стоимость антенны, понижает надежность ее работы, усложняет грозозащиту. Поэтому значительный интерес представляют не требующие

Подпись: Рис. 14.3. Антенна - мачта шунтового питания с пониженным волновым сопротивлением опорных изоляторов антенны-мачты с заземленным основанием, которые устанавливают на металлических подпятниках, укрепленных на прочном железобетонном основании. Существуют два типа антенн-мачт с заземленным основанием с шунтовым питанием и с верхним питанием. В случае антенны с шунтовым питанием (схема антенны и распределение тока на ней изображены соответственно на рис.14.2.а,б) напряжение высокой частоты подводится к некоторой точке а мачты с помощью наклонного провода, являющегося продолжением внутреннего провода коаксиальной линии. При этом нижняя l₁ (шунт) и верхняя l₂ части мачты включены относительно фидера параллельно. Распределение тока вдоль мачты оказывается неравномерным (уменьшается действующая высота), что является недостатком такой антенны. Если длина (высота) мачты l₁ + l₂ = l составляет λ/4, то реактивные сопротивления отрезков l₁ и l₂ компенсируют друг друга. Входное сопротивление антенны в этом случае чисто активно и может быть определено по формуле R_BX = ( W_a²/ R_S_n) sin²kl₁, где R_S_n - полное сопротивление излучения антенны, отнесенное к току в пучности. Подбором точки присоединения питания (а) можно сопротивление R_BX сделать равным W_Ф фидера и согласовать таким образом антенну с фидером без дополнительных согласующих устройств. Если R_BX имеет комплексный характер, то его реактивная составляющая компенсируется переменным реактивным сопротивлением, включаемым в наклонный провод. Так как наклонный провод, нижняя часть мачты и земля образуют как бы рамочную антенну, излучение которой накладывается на излучение антенны-мачты, то ДН последней несколько искажается. Широкое применение получили антенны-мачты шунтового питания с пониженным волновым сопротивлением. Электрическая схема такой антенны показана на рис.14.3. Заземленная мачта окружается системой излучающих проводов, расположенных по образующей внешнего цилиндра радиуса R. У основания эти провода изолируются от ствола мачты и соединяются с собирательным кольцом, к которому подводится питание. Шунтом l₁ служит часть ствола мачты от основания до перемычки П, которая соединяет его с системой излучающих проводов. Увеличение поперечного сечения мачты с помощью проволочного цилиндра снижает волновое сопротивление антенны, что позволяет вмещать в нее большую мощность и улучшать ее диапазонные свойства. Конструктивно для понижения волнового сопротивления используется часть тросов верхнего яруса оттяжек вместе с дополнительными проводами. Наличие наклонных проводов оттяжек приводит к увеличению излучения под высокими углами. Поэтому шунтовые антенны-мачты с пониженным волновым сопротивлением не используются в качестве антифединговых антенн. Высота шунтовых

антенн - мачт обычно выбирается в пределах 0,15 £ l/λ £ 0,5.

Антенна-мачта верхнего питания представляет собой заземленную мачту, внутри которой снизу вверх проходит несимметричный концентрический фидер. Экран фидера имеет электрический контакт с телом мачты, а внутренний провод, выходя за пределы внешнего цилиндра и самой мачты на некоторую (незначительную) высоту, подсоединяется к так называемому зонтику. В качестве последнего используются верхние части оттяжек, крепящиеся к верхнему концу мачты через изоляторы. Схематично такая антенна показана на рис.14.4. Длина лучей зонтика равна примерно половине высоты мачты. Лучи зонтика составляют с мачтой угол 45°. Входное сопротивление антенны с верхним питанием приближенно можно рассматривать как последовательное соединение емкостного сопротивления зонтика и сопротивления вертикального излучателя (мачты). Преимущества антенны с верхним питанием по сравнению с антеннами нижнего питания особенно проявляются при малой высоте антенн (l < λ/4), так как в этом случае антенна-мачта верхнего питания имеет более равномерное распределение тока и, следовательно, большие действующую длину и сопротивление излучения, чем антенна-мачта нижнего питания. С целью расширения рабочего диапазона антенн-мачт, улучшения их антифединговых свойств и повышения коэффициента усиления были разработаны антенны с регулируемым распределением тока (АРРТ).

Принципиальная схема одного из вариантов АРРТ приведена на рис.14.5. Как видно, АРРТ представляет собой антенну-мачту высотой около 260 м, изолированную у основания. Нижняя часть мачты Н, составляющая примерно 1/3 ее высоты l, окружена цилиндрическим экраном диаметром около 10м, состоящим из нескольких проводов. Нижние концы этих проводов присоединяются к оболочке проволочной коаксиальной линии, идущей от генератора. Верхняя часть мачты также окружается проволочным цилиндром, изолированным от нижнего, но имеющим электрические контакты в нижней и верхней своих частях с мачтой. Точками включения генератора можно считать точки а, b. Излучение создается токами, текущими по проводам нижнего и верхнего цилиндра. Заметим, что ток, вышедший в точке b на наружную поверхность нижнего цилиндра, совпадает по фазе с током, текущим по верхней части антенны. Распределение тока можно регулировать включенным между землей и нижним концом проволочного экрана переменным реактивным сопротивлением Х_н. Оно выполняется в виде короткозамкнутого шлейфа, в качестве которого используется внешний экран питающей линии. Одна антенна с регулируемым распределением тока может обслужить весь радиовещательный диапазон (λ = 200...2000 м). В диапазоне 600...2000 м длина короткозамкнутого шлейфа устанавливается равной нулю. В этом режиме антенна имеет повышенное сопротивление излучения. Антифединговые свойства сохраняются в диапазоне 240...570 м. Разработаны и другие варианты АРРТ, в том числе антенна высотой 320 м с двумя точками питания, имеющая более узкую ДН в вертикальной плоскости и малый уровень бокового излучения. Для обеспечения вещанием территории, имеющей форму сектора, разработана антенная система, состоящая из четырех антенн мачт, расположенных по вершинам квадрата. Две из них питаются от передатчика, две другие играют роль пассивного рефлектора. Комбинируя с помощью соответствующей системы коммутации различным образом вибраторы, работающие в качестве антенн и рефлекторов, можно получить четыре обслуживаемых сектора. Обычно используют АРРТ, расположенные в вершинах квадрата со стороной 70 м. Для обслуживания вещанием территорий, удаленных на значительные расстояния, разработана СВ антенная система, состоящая из восьми антенн-мачт, расположенных в два ряда. Четыре мачты, расположенные в одном ряду, питаются от передатчика, четыре другие играют роль пассивного настроенного рефлектора. Расстояние между рядами составляет 75 м. Антенна имеет управляемую ДН в секторе ±30°. Коэффициент усиления антенной системы в диапазоне 185...575 м изменяется от 28 до 5. В качестве излучателей выбраны антенны-мачты шунтового питания с пониженным волновым сопротивлением (W_a=150 Ом). Развитие техники прочных полимерных пленок создало условия для разработки новых конструкций антенн. Г.З. Айзенбергом и В.Н. Урядко разработана пневматическая антенна-мачта из прочных полимерных материалов. Она представляет собой усеченный конус высотой 60 м, выполненный из высокопрочного полимера, поддерживаемый избыточным давлением воздуха (давление в баллоне несколько выше атмосферного). В качестве излучателей используют либо металлические оттяжки, предназначенные в то же время и для поддержки антенны в вертикальном положении, либо систему проводов, облегающих цилиндр. Преимущество таких антенн состоит в быстроте установки, возможности регулирования высоты и др.

14.3. Передающие антенны ДВ и СДВ диапазонов

Основными типами антенн, используемых в ДВ диапазоне, являются так называемые Т-образные, Г-образные и зонтичные излучатели с вертикальными и горизонтальными частями, состоящими из нескольких параллельных или слабо расходящихся проводов (рис.14.6), и развитой системой заземления, но с тем отличием, что длина проводов заземления увеличивается по мере приближения к проекции горизонтальной части антенны на землю и примерно на высоту мачты должна превосходить значение этой

104

Подпись: Рис. 14.7. Распределение тока по верти¬кальной и горизонтальной части вибратора

проекции. В ДВ и СДВ передатчиках большой мощности иногда применяют сложные (секционированные) заземления. С помощью таких заземлений, а также специальных мер для уменьшения потерь, в элементах настройки удается даже на СДВ получить КПД антенны близкий к 90%. Горизонтальное полотно антенны имеет длину до 250 м и более и служит лишь для того, чтобы сделать распределение тока на вертикальной части более равномерным и тем самым увеличить действующую высоту антенны и ее сопротивление излучения. Токи, распределенные на горизонтальной части, практически не излучают, так как их действие компенсируется противофазным зеркальным изображением. Излучение вертикальной части антенны, называемой снижением, за счет влияния земли, напротив, усиливается. Диаграммы направленности в горизонтальной плоскости оказываются практически равномерными, а в вертикальной - такими же, как у вертикального диполя Герца. Распределение тока по вертикальной l и горизонтальной b частям антенны показано на рис.14.7. Для определения действующей высоты l_д нагруженного (т.е, имеющего горизонтальную часть) вертикального вибратора заменим его эквивалентным вибратором длиной l_э = l + b_э (рис.14.8) так, чтобы распределение тока на участках обоих вибраторов было одинаковым. Для этого входные сопротивления в точке А действительного вибратора (см. рис. 14.7) (Х_А=-W_Гctg(kb)) и в точке В эквивалентного вибратора (Х_В= -W_Bctg(kb_Э)) должны быть равны,

Подпись: Рис. 14.9. Антенна Александерсена т.е. W_Гctg(kb) = W_Bctg(kb_Э), где W_Г и W_B - соответственно волновые сопротивления горизонтальной и вертикальной части проводов; b_Э - эквивалентное удлинение, определяемое из выражения ctg(kb_Э)=(W_Г/W_B)ctg(kb). В случае Г-образной антенны Х_А= -[W_Гctg(kb)]/2. Ток в эквивалентной антенне распределен по закону I(z) = I₀sink(l_Э-z), где l_э= l + b_Э; z-координата, отсчитываемая вдоль вибратора, начиная с точки входа. Величина l_д определяется по формуле l_д = (coskb_Э - coskl_Э)/(k sinkl_Э). Если l/λ < 0,1, то сопротивление излучения R_S » 1600(l_д/λ)² . Если l ³ 0,2λ, то R_S определяют методом вектора Пойнтинга. При этом полагают, что ток по вибратору распределен по синусоидальному закону и излучает только вертикальная часть вибратора. Если длина ненагруженного вибратора примерно равна l_э нагруженного вибратора, то ДН и сопротивления излучения этих вибраторов примерно одинаковы. Таким образом, добавление горизонтального провода позволяет уменьшать длину вибратора, не ухудшая его направленных свойств и не изменяя величины R_S. Реактивную составляющую входного сопротивления нагруженного вибратора можно рассчитать по формуле Х_вх = W_Bctg kl_Э.Если l_э< λ/4, то k(l+b_Э) < π/2 и сопротивление Х_вх емкостное. Если l+b_Э > λ/4, то k(l+b_Э)>π/2 и сопротивление Х_вх индуктивное. Длину волны λ₀, при которой Х_вх=0, называют собственной. Она определяется из условия 2πl_Э/λ₀=π/2. При b_Э=0 имеем λ₀ = 4l. Обычно стремятся к тому, чтобы Х_вх=0. При этом ток и напряжение на входе вибратора оказываются в фазе и заданная мощность достигается при меньшем напряжении на зажимах. Кроме того, при чисто активном входном сопротивлении создаются оптимальные условия для работы генератора. Поэтому, если антенна работает не на волне λ₀, для настройки антенны в резонанс вблизи точек питания последовательно с генератором включают реактивные элементы настройки. Если антенна работает на волне λ>λ_p (λ_p - рабочая длина волны), то для настройки в резонанс включают индуктивность (режим удлинения). Если λ_р<λ₀, то для настройки антенны в резонанс включают емкость (режим укорочения). Полотно антенны обычно содержит 2...16 проводов, отстоящих на 1...3 м друг от друга. Большое число проводов приводит к снижению волнового сопротивления антенны и тем самым потенциала, что позволяет увеличивать излучаемую антенной мощность. В рассматриваемых диапазонах снижение волнового сопротивления практически не приводит к улучшению диапазонных свойств антенны, как это имеет место в более коротковолновых диапазонах. Узость полосы пропускания связана, в основном, с малостью сопротивления излучения. Данный недостаток усугубляется в СДВ диапазоне. Для увеличения сопротивления излучения в СДВ диапазоне используются более сложные антенны, являющиеся комбинациями нескольких Г- или Т- образных антенн, прилегающих друг к другу и имеющих синфазно возбужденные вертикальные части. Схемы одной из таких антенн (антенны Александерсена, или антенны со многими снижениями) показана на рис.14.9. Питание подводится к нижней точке среднего снижения. Другие снижения являются пассивными, они снабжены реактивными настроечными сопротивлениями, с помощью которых добиваются синфазности токов во всех снижениях. Расстояния между вертикальными частями антенны малы (сотни метров) по сравнению с длиной волны. По этой причине взаимные сопротивления вертикальных частей близки к собственным и токи во всех снижениях оказываются равными по амплитуде, а излучаемая мощность в n² раз больше (n - число снижений), чем мощность, излучаемая аналогичной антенной с одним снижением при той же амплитуде тока. Таким образом, сопротивление излучения для антенны с n снижениями возрастает в n²раз. Очевидно, сопротивление потерь возрастает примерно в n раз, так что КПД сложной антенны увеличивается. В целях увеличения КПД антенн СДВ диапазона для их размещения выбирают территорию с высокой проводимостью почвы, устраивают разветвленную систему заземления и предпринимают ряд других мер, направленных на снижение потерь при этом достижим КПД около 0,9.

14.4. Питание передающих антенн СВ, ДВ и СДВ диапазонов

Питание проволочных антенн передатчиков небольшой мощности может осуществляться путем передачи электромагнитной энергии из выходного контура генератора с помощью специальных элементов связи в снижение антенны, которое вводится непосредственно в здание радиостанции. Средневолновые антенны (антенны-мачты и антенны-башни), а также ДВ антенны достаточно мощных передатчиков питаются с помощью несимметричных экранированных фидерных линий (коаксиальные кабели). Наибольшее распространение получили концентрические многопроводные фидерные линии, состоящие из внутренней и наружной систем проводов. Волновое сопротивление фидерной линии выбирается в зависимости от мощности передатчика Р. При Р = 60кВт W = 240 Ом; при Р=150 кВт W = 150 Ом; при мощности до 500 кВт и выше W = 60 Ом. Мощность, которую можно передать по фидеру, определяется по формулам (13.6) или (13.7). Для передачи от генератора в антенну максимальной мощности фидер должен быть нагружен на сопротивление R_H, равное его волновому сопротивлению W_Ф, т.е. должен работать в режиме бегущей волны. Генератор в этом случае нагружен на сопротивление, равное W_Ф. Задачу согласования антенны с фидером можно разделить на две части: 1) настройка антенны в резонанс путем компенсации реактивной составляющей ее входного сопротивления Х_вх, 2) трансформация сопротивления антенны R_BX в величину, равную W_Ф. Согласование осуществляется либо с помощью специальных элементов связи в виде сосредоточенных реактивных сопротивлений - катушек индуктивности и конденсаторов, располагаемых в специальных помещениях (антенные павильоны), либо с помощью отрезков длинных линий (короткозамкнутые шлейфы). Допустимая мощность в антенне определяется нормальной к проводнику составляющей напряженности электрического поля Е_п, при которой может произойти электрический пробой изоляторов или начинается ионизация воздуха вблизи антенны (явление «короны»), а также током, при котором возникает нагрев проводов. Допустимое значение Е_п у проводов должно быть меньше критического и составляет не менее 6...7 кВ/см. Допустимое значение Е_п на изоляторах считается равным 1 кВ/см.

14.5. Приемные антенны СВ, ДВ и СДВ диапазонов

Подпись: Рис.14.10. Рамка с симметрирующим устройством Приемные СВ, ДВ и СДВ антенны значительно отличаются от передающих, как по конструктивному выполнению, так и по типам. Для приемных антенн отсутствуют проблемы, связанные с подведением больших мощностей к антенне и возникновением в ней значительных потенциалов. В рассматриваемых диапазонах волн сильны атмосферные и промышленные помехи, а также помехи от других радиостанций и слабы помехи, связанные с тепловыми шумами приемника и фидера, поэтому с целью увеличения отношения сигнал/шум было бы желательно применять антенны, обладающие более или менее значительным КНД, тогда как КПД антенно-фидерной системы и согласованность антенны с нагрузкой не играют существенной роли из-за имеющейся возможности повысить коэффициент усиления приемника. Однако использование высоконаправленных антенн из-за их больших размеров возможно только при профессиональном приеме, да и то далеко не всегда. Основными видами приемных антенн являются рамочные, а также Г- и Т-образные антенны, отличающиеся от передающих только меньшими размерами и конструктивным выполнением. В качестве направленной антенны для приема радиовещания на радиотрансляционных узлах применяется однопроводная антенна бегущей волны (ОБ). Приемные Г- и Т-образные антенны имеют вертикальную (высотой 10...15 м) и горизонтальную (20...30м) части, выполненные из одиночного провода. Заземление реализуется либо в виде листа оцинкованного железа, закопанного в землю на глубину 1...2 м и соединенного с соответствующей клеммой приемника, либо в виде оцинкованной стальной трубы. Рамочные антенны из-за малости электрических размеров по своим свойствам подобны элементарным рамкам. Диаграмма направленности такой рамки должна иметь нули в направлении нормали к плоскости рамки, что позволяет осуществлять отстройку от мешающих станций. Однако если рамка соединяется с приемником несимметричной линией, то нулевые направления в ДН могут исчезнуть из-за так называемого антенного эффекта. Чтобы

устранить антенный эффект, наиболее часто рамка и симметрирующее устройство объединяются в единую конструкцию, изображенную на рис.14.10. Антенный эффект может возникнуть и в этом случае, если соответствующим образом не симметрирован вход приемника. Действующая длина (действующая высота) l_д рамки, имеющей площадь S, определяется по формуле l_д = 2πS/λ. Вблизи земли (если плоскость рамки вертикальна) l_д удваивается из-за влияния зеркального изображения. В рассматриваемых диапазонах действующая длина рамок обычно весьма мала, поэтому сопротивление излучения также мало, значительно меньше сопротивления потерь, так что КПД антенны очень низок. По этой причине рамочные антенны редко используются в качестве передающих. Реактивная составляющая входного сопротивления рамки имеет индуктивный характер, и для ее компенсации можно параллельно входу подсоединить настроечный конденсатор. Настройка рамки эквивалентна увеличению действующей высоты в Q раз, где Q - добротность контура, образованного рамкой и настроечным конденсатором. Действующую высоту можно также увеличить, увеличив до n число витков рамки. При этом l_д возрастает в n раз. Еще один способ увеличения действующей высоты состоит в использовании рамок с магнитодиэлектрическими сердечниками. В этом случае l_д= (2π/λ)nSμ_эф, где эффективная магнитная проницаемость μ_эф зависит от относительной магнитной проницаемости μ материала сердечника и от его формы. На рис.14.11 приведена серия кривых, показывающих зависимость μ_эф от отношения длины l сердечника и его диаметра 2а для разных μ.

Подпись: 14.11. Кривые зависимости μэф от величены l/2a Действующая длина рамочной антенны пропорциональна площади рамки, поэтому для профессионального приема радиовещания (радиотрансляционные узлы) или других видов профессионального приема применяют большие неподвижные рамочные антенны, устанавливаемые на антенном поле с помощью мачт. Основным преимуществом рамочных антенн по сравнению с вертикальными несимметричными антеннами является наличие направлений нулевого приема в горизонтальной плоскости, что позволяет отстраиваться от мешающих сигналов. Если при использовании для индивидуального приема малых рамочных антенн ДН управляют просто вращением рамки или всего приемника, то в случае больших рамок для этой цели требуются сложные и дорогие

конструкции. Избежать этого можно, применив так называемый гониометр.
Гониометр состоит из двух небольших неподвижных (статорных) взаимно
перпендикулярных катушек, внутри которых помещается подвижная (роторная) катушка-искатель. Гониометр располагается в помещении рядом с приемником. Роторная катушка соединяется со входом приемника, а две статорные катушки - с двумя наружными взаимно перпендикулярными рамочными антеннами. Схема гониометрической антенной системы изображена на рис.14.12. Нормированные характеристики направленности рамок 1 и 2 определяются выражениями F₁(φ) = соsφ; F₂(φ) = sinφ, где φ - угол между направлением на принимаемую станцию и плоскостью рамки 1. Под действием наводимых в рамках ЭДС возникают токи в неподвижных катушках, включенных в эти рамки. Ток в катушке I, включенной в рамку 1, I₁=I₀соsφ, ток в катушке II I₂=I₀sinφ. Равенство амплитудных значений токов в обеих катушках обеспечивается идентичностью рамок 1, 2, катушек I, II и фидеров, соединяющих рамки с соответствующими катушками. Коэффициент взаимной индукции между неподвижной катушкой 1 и искателем М₁=М₀соsФ, где Ф - угол между катушкой I и искателем; М₀- коэффициент взаимной индукции при совпадении плоскостей неподвижной и подвижной катушек. Коэффициент взаимной индукции между катушкой II и искателем М₂=М₀sinФ. Электродвижущие силы, наведенные неподвижными катушками I и II в искателе, можно определить соответственно по формулам e₁=I₀wМ₀соsφсоsФ; e₂=I₀wМ₀sinφsinФ. Результирующая ЭДС в искателе равна сумме ЭДС, наводимых неподвижными катушками: e_р=e₁+e₂=I₀wМ₀(соsφсоsФ+sinφsinФ).Таким образом, нормированная характеристика направленности гониометрической антенны F(φ)=соs(φ-Ф). Эта характеристика направленности ничем не отличается от ДН обычной рамочной антенны. Как видно из формулы, изменяя положение искателя (угол Ф), можно управлять ДН антенны. Максимальное направление приема получается при φ = Ф; прием отсутствует при φ - φ = ± 90°. Таким образом, вращение катушки - искателя дает тот же эффект, что и вращение рамочной антенны. Если к рамочным антеннам добавить вертикальный несимметричный вибратор, то можно получить однонаправленную ДН типа кардиоиды с управляемым положением максимума F(φ) = 0,5[1+cos(φ - Ф)] Отметим, что существуют электронные аналоги гониометрических устройств. Качество приема радиовещания на радиотрансляционных узлах можно улучшить, применив антенны со значительными направленными свойствами. К таким антеннам относится однопроводная антенна типа бегущей волны (ОБ). Эта