457_Andrusevich _Antenno-fidernye _Ustrojstva _

Но такой вибратор, в диапазоне ДВ, даже при длине ℓа = 250÷300 м, будет иметь сопротивление излучения RΣ , Ом. В то же время сопротивление потерь Rп за счет конечной проводимости металла, исчисляемое единицами в ан-

тенне Rп ~ 1Ом. Поэтому КПД антенны будет слишком низким, (ηa	=	RΣ		).
		RΣ +R
			п

Для излучения большей мощности необходимо увеличивать амплитуду тока в антенне, поэтому в этих диапазонах используются передатчики с большой мощностью (десятки и сотни кВт). Для увеличения R вертикальный вибратор дополняют системой горизонтальных или наклонных проводников. Эти проводники вместе с Землей формируют значительную емкость. Эта емкость улучшает равномерность распределения тока вдоль вибратора и тем самым приближает геометрическую длину антенны к действующей(hа=lа≈ lд), что приводит к возрастанию R . Кроме того, емкостная нагрузка уменьшает волновое сопротивление вибратора, что увеличивает полосу пропускания излучателя (рис.6.1).

Г-образная	Т-образная	Зонтичная
а)	б)	в)
	Рис.6.1. Антенны с нижним питанием

В качестве антенн, в этих диапазонах волн используют нессиметричные вибраторы, выполненные в виде проволочных конструкций, либо в виде металлических мачт-излучателей с нижним или верхним питанием. Для радиовещания используют антенны высотой 75…300 м, а отдельные антенны имеют высоту ~ 500 м (рис.6.2).

41

Рис.6.2. Антенна-мачта с нижним питанием

При подключении передатчика к антенне в ней устанавливаются вынужденные колебания, соответствующие длине волны передатчика и в общем случае не соответствуют собственной длине волны антенны. И здесь возможно три случая.

1. Высота вибратора равна hа= , такой вибратор называют четверть

волновым, (рис.6.3,а) В нем амплитуда тока на входе равна амплитуде тока в пучности I0=In.

а)

б)

в)

Рис. 6.3. Настройки вибратора в резонанс

2. Высота антенны hа < . вдоль антенны укладывается меньше четвери

длины волны, поэтому в основании (на входе) амплитуда тока меньше, чем в пучности ( I0<In ). Входное сопротивление антенны будет содержать реактивную составляющую Хвх:

42

xвх = -jwвctgкha .

(6.2)

где к=2π/λ0, wв- волновое сопротивление вибратора. И эта составляющая будет иметь емкостной характер. Из-за наличия реактивной составляющей ток в антенне уменьшается и уменьшается эффективность излучения антенны.

Для устранения реактивной составляющей Хвх последовательно входу подключают удлиняющую индуктивность Lуд, (рис.6.3,б), индуктивное сопротивление которой, должно быть равно по модулю сопротивлению Хвх:

ωLуд =wвctgкha ,

Lуд	=	wв	ctgкha .	(6.3)
		ω

Эта индуктивность увеличивает собственную длину волны λ вибратора, настраивая его в резонанс.

3. hа > , (рис 6.3,в). При этом пучность тока будет располагаться выше

входа антенны. Вдоль длины вибратора укладывается больше четверти длины волны, и поэтому входное сопротивление вибратора будет иметь реактивную составляющую индуктивного характера. Для настройки в резонанс последовательно входу антенны включают укорачивающий конденсатор Сук. С его помощью собственная длина волны вибратора λ укорачивается до длины волны генератора λ0. Значение емкости вычисляется по формуле:

1

ωCук

=wвctgкha

	Cук	=	tgкh	(6.4)
			ωwв

В общем случае входное сопротивление антенны не равно волновому сопротивлению фидера Ra ≠ wф.

Поэтому в диапазонах ДВ и СВ для согласования антенны с фидером питания используют реактивный четырехполюсник, (рис.6.4).

Рис.6.4. Согласующий реактивный четырехполюсник

Такой четырехполюсник располагается в специальном павильоне непосредственно у основания антенны. Расчет элементов четырехполюсника производится по формулам:

43

C		1					Ra		1,
		Ra wф
	Ra
L						Ra		1.			(6.5)
						wф

Из (6.5) следует, что входное сопротивление антенны должно быть больше волнового сопротивления фидера. Поэтому если Ra < wф, то у согласующего четырехполюсника нужно поменять местами вход с выходом.

Антенны с нижним питанием

В диапазонах СДВ, ДВ и СВ. используются вертикальные несимметричные вибраторы виде антенн-мачт или антенн-башен, (рис.6.5). При этом антенны размещаются на бетонном основании, а металлическая часть антенн опирается на СВЧ изолятор. Опорный изолятор должен выдерживать вес (до ≈ 200 т.) и большое напряжение на пробой (сотни кВт).

Рис.6.5. Антенны с нижним питанием

Мачты закрепляются в вертикальном положении с помощью системы оттяжек, а для башни они не требуются. В диапазоне СВ. антенны могут выполняться проволочного типа, (рис 6.1,а,б). Как правило, антенны СВ. диапазона выполняются без развитой горизонтальной части. Питание антенны выполняется с помощью коаксиального кабеля, который подводится к нижней части антенны в районе опорного изолятора. Наличие опорного изолятора ограничивает длину вибратора, поэтому высота антенны чаще всего не превышают 300 ÷ 350(м). В диапазонах СДВ и ДВ из-за низкого КПД и сопротивления излучате-

44

ля антенны выполняют с горизонтальной частью, которая играет роль емкостной «шапки». В антенны – мачте роль этой емкости играет верхний ярус оттяжек, а у антенны – башни – сплошной или проволочный диск, установленный на вершине башни (рис.6.5).

Оптимальная длина антенны (высота), с точки зрения борьбы с замираниями, для антенн – мачт и антенн – башен равна:

ha =0.53λ.

(6.6)

Для уменьшения потерь под антеннами выполняют систему заземления в виде радиальных лучей из медной проволоки диаметром 2…4мм, заглубленных в почву на 20 ÷ 30 см. Сопротивление потерь в заземлении ориентировочно можно определить по формулам Шулейнина М.В.:

λ

Rп =A р ,Ом, (6.7)

λ

где: λ – собственная длина волны антенны; λр – рабочая длина волны;

А=0.5÷0.7 Ом.

Антенны с верхним питанием

Конструкция антенны с верхним питанием показана на рис.6.6. Антенна представляет собой мачту – излучатель с заземленным основанием. Коаксиальный кабель питания у основания мачты входит внутрь ее и поднимается до верхнего конца. Центральный проводник коаксиального кабеля поднимается к емкостной шапки(нагрузки), роль которой играет верхний ярус оттяжек, изолированных от мачты. Наружная оболочка питающего кабеля соединена с самой мачтой и заземляется.

а)

б)

в)

Рис.6.6. Антенна с верхним питанием

Антенна представляет собой вертикальный заземленный вибратор и емкостную шапку, между которыми включается генератор. Антенна этого типа

45

имеет меньшую стоимость, большое сопротивление излучения по сравнению с антенной нижнего питания.

У такой антенны ток у основания мачты имеет всегда пучность (Iп), с увеличением высоты амплитуда тока постепенно уменьшается. Но генератор подключается к верхнему концу мачты. Поэтому ток у вершин антенн не будет равен нулю, как в случае с нижним питанием (рис 6.3). В результате, действующая высота антенны практически равна геометрической, что значительно увеличивает сопротивление излучения и КПД.

Существенным недостатком такой антенны является наличие стоячей волны в вертикальном кабеле. Так как генератор включается между антенной и

емкостной шапкой, то его нагрузка оказывается комплексной					( рис 6.6,в):
Zвх =Ra	+j(xa +xш )=Ra	+j(wactgkha-	1	).	(6.8)
			ωCш

где Сш – емкость шапки; Ra – активное сопротивление антенны; Ха – реактивная составляющая входного сопротивления антенны.

Антенные системы

В ряде случаев необходимы антенны, обладающие направленными свойствами. Простейшей системой является система, состоящая из двух излучателей – активного вибратора и пассивного, который играет роль рефлектора.

Расстояние между вибраторами выбирается в пределах dp=(0.2÷0.3)λ. Если предположить, что почва обладает свойствами хорошего проводника, то ДН такой системы в горизонтальной и вертикальной плоскостях можно рассчитать по следующим формулам:

Fp 1 m2 2mcos kdp cos ,

(6.9)

Fa F1 1 m2 2mcos kdp cos .

Здесь F1(θ)- множитель ДН одного излучателя, который рассчитывается по формулам ДН обычного симметричного вибратора в плоскости Е;

m – коэффициент, учитывающий соотношение амплитуд токов в активном и пассивном вибраторах; ψ – фаза питания тока в пассивном вибраторе по отношению к активному.

Эти параметры могут быть определены следующим образом:

46

R122 +x122

m=

;

R222+(x22 +x2н )2

x

12

x

22 +x

2н

(6.10)

ψ= +arct

-arctg

.

R22

R22

где R22 и X22- соответственно активная реактивная составляющие входного сопротивления рефлектора; R12 и X12- сопротивление связи для несимметричных вибраторов; Х2н – реактивное сопротивление настройки рефлектора. Компоненты сопротивления связи Z12 можно определить из графиков, приведенных на (рис 6.7), а составляющие входного сопротивления несимметричного вибратора по (рис 6.8) и (рис.6.9). Параметром кривых является относительный радиус плеча вибратора /λ. Подбирая реактивное сопротивление настройки (Х2н) рефлектора можно добиться требуемых значений параметров m и ψ.

Рис.6.7. Сопротивление связи

47

Рис.6.8. Активная составляющая входного сопротивления несимметричного вибратора, (а1=10-5, а2=10-3)

Рис.6.9. Реактивная составляющая входного сопротивления несимметричного вибратора, (а1=10-5, а2=10-3)

Входное сопротивление активного вибратора, с учетом наличия рефлек-

тора:

Zвх =R11+jX11+m R12cosψ-X12sinψ +j X12cosψ+R12sinψ , (6.11)

48

где R11 и X11 – составляющие входного сопротивления активного вибра-

тора.

Входное сопротивление одиночного вибратора может быть найдено по графикам (рис.6.8) и (рис.6.9) или по формуле:

Z

=

RΣn 0.5

-j

wв

sin 2k

2

2

2

вх

k

k

R

Σn

+sin2

R

Σn

+sin2

(6.12)

wв

wв

Графическая часть проекта

К графической части проекта относится:

1.Эскизный чертеж панели антенны с указанием основных размеров.

2.Графики диаграмм направленности в горизонтальной и вертикальной плоскости.

Литература

1.Чернышов В.П. Антенно-фидерные устройства радиосвязи и радиовещания. М.: “Связь”, 1978.

2.Надененко С.И. Антенны. М.:”Связь”, 1959.

3.Конспект лекций.

49

Приложение 1

Графики функций Бесселя первого рода первого и второго порядков для аргумента Х

0.4

0.2

J1(x)

Jn(2 x)

0
0.2
0.4	1	2	3	4	5	6	7	8
0

x

0.2

0.1

J1(x)

0

Jn(2 x)

0.1

0.2

8	9	10	11	12	13	14	15	16
				x

50