Требования, предъявляемые к антеннам. антенны декаметровых волн

АНТЕННЫ ДЕКАМЕТРОВЫХ ВОЛН

Звуковое вещание и связь на декаметровых волнах на большие расстояния осуществляется пространственными волнами. Надеж­ность связи при работе пространственной волной в значительной степени определяется выбором оптимальных частот в зависимос­ти от протяженности трассы и состояния ионосферы. На трассах протяженностью 2000... 4000 км Δм = 3... 21°, на трассах свыше 4000 км Δм =2... 12°. В этих условиях антенна должна иметь возможность изменять на­правление главного излучения в вертикальной плоскости или ДН должна быть достаточно широкой, не уже 10°. За счет неоднородностей в ионосфере возможны отклонения траекторий распространения пространственной волны от направления дуги большо­го круга, поэтому ширину ДН в горизонтальной плоскости выби­рают не менее 4 ... 6°.

Линейно поляризованная волна при отражении от ионосферы преобразуется в эллиптически поляризованную, эллипс поляри­зации которой изменяет свою ориентацию в пространстве. Сле­довательно, приемная и передающая антенны при связи простран­ственной волной могут работать волнами разной поляризации. Антенны с вертикальными вибраторами требуют металлизации земли, их ДН существенно зависят от параметров почвы, значи­тельная доля энергии, излучаемая вдоль поверхности земли, по­глощается почвой. Учитывая эти обстоятельства, на передаче и приеме при связи пространственной волной применяют преиму­щественно антенны с горизонтальными вибраторами.

Основными факторами, ухудшающими отношение сигнал-шум в диапазоне декаметровых волн, являются помехи от других ра­диостанций. Чтобы уменьшить эти помехи, приемные и передаю­щие антенны должны иметь ДН с малыми боковыми и обратным лепесткам. Для уменьшения общего числа антенн и упрощения их коммутации антенны должны быть диапазонными.

СЛАБОНАПРАВЛЕННЫЕ АНТЕННЫ

Простейшей антенной для связи пространственной волной яв­ляется симметричный горизонтальный вибратор, обозначаемый ВГ (l/Н). Здесь l — длина плеча, м; Н — высота подвеса, м. Ви­браторы выполняются из биметаллического или медного прово­да диаметром 3, 4 и 6 мм и имеют большое волновое сопротив­ление, примерно равное 1000 Ом Входное сопро­тивление полуволнового вибратора (2l = 0,5λ) 73,1 Ом, одноволнового — примерно 5000 Ом. Такие входные сопротивления пло­хо согласуются с симметричным фидером с W = 300 или 600 Ом. Поэтому антенны типа ВГ применяются ограниченно.

При работе в узкой полосе частот (Δf/f=0,05) можно получить хорошее согласование фидера с полуволновым вибратором, используя схему так назы­ваемого шунтового питания Точки подключения фидера к вибра­тору выбираются из условия Wф = Rа. Для фидера с W_Ф = 600 Ом 2l₁=0,12λ, 2l=0,47 и l₃=0,15λ.

Для расширения диапазона и получения возможности подво­дить к антенне большие мощности С И. Надененко предложил использовать вибратор с пониженным волновым сопротивлением, получившим название диполя Надененко, в дальнейшем обозна­чаемый ВГД. С изменением частоты входное сопротивление виб­ратора с пониженным волновым сопротивлением изменяется в меньших пределах (см. рис. 7.10) и согласование с фидером обес­печивается в более широком диапазоне частот. Антенна типа ВГД выполняется из 6—12 параллельных медных или биметал­лических проводов диаметром 3, 4 или 6 мм, расположенных по образующей цилиндра с радиусом R = 0,5 ... 0,76 м (рис. 13.2).

Волновое сопротивление ВГД выбирается в пределах 250... 600 Ом и рассчитывается по формуле

W_B= 276 lg (l/R ⁿ√ (nr/R)-120. (13.1)

Здесь n — число проводов; r — радиус проводов; l — длина пле­ча вибратора; R — радиус образующей вибратора. Для лучшего согласования переход от фидера к вибратору должен выполнять­ся плавно. Для этого провода вибратора вблизи точек питания образуют конуса, вершины которых подключаются к фидеру с волновым сопротивлением 300 Ом. При использовании фидера с Wф = 600 Ом между фидером и ВГД ставят экспоненциальный трансформатор ТФ 350/600, длиной, примерно равной 0,75 λмакс. Рабочий диапазон ВГД с длиной плеча связан соотношениями

λ= (7,7 ...3,3)l; l=(0,3...0,59)λ. (13.2); (13.3)

У приемных антенн четырехпроводный «перекрещенный» фи­дер с Wф = 208 Ом к ВГД подключается непосредственно.

Дальнейшее расширение диапазонных свойств вибраторов до­стигается наряду с понижением волнового сопротивления при­менением схем компенсации реактивной составляющей входного сопротивления. На рис. 13.3,а показан упрощенный вариант сим­метричного вибратора с шунтом (ВГДШ) и его эквивалент в виде отрезков двухпроводных линий (рис. 13.3,б). Входное сопротив­ление концов вибратора l₁, Z₁=R—iW₁ctg k1₁ а шунта Z₂=iW₂tg kl₂. Реактивные составляющие этих сопротивлений име­ют разные знаки и частично компенсируют друг друга. Подбором длин l1, 12, l3 и их волновых сопротивлений можно получить до­статочно широкополосный вибратор. Проволочный вариант ВГДШ разработан Г. 3. Айзенбергом и В. Д. Кузнецовым (рис. 13.3,в). Этот вибратор рекомендуется использовать в диапазоне λ= (1,67 ...6,25)l.

Характеристики направленности ВГ, ВГД и ВГДШ рассчиты­ваются по формулам: F(φΔ) = F(φ) = (cos(klsinφ) – coskl)/cosφ и Fгз(Δ) = 2sinkH sinΔ, оптимальная высота по H=λ sinΔм.

В качестве слабонаправленных диапазонных антенн могут ис­пользоваться плоские вибраторы, применяемые в синфазных ан­теннах. Антенны с вибраторами, выполненными по схеме рис. 13.3,а,б, обозначаются как ВГДП, а по рис. 13.3,в — ВГДШП.

При конструировании проволочных антенн важно знать их то­ки и напряженности поля у поверхности проводников. Эффектив­ное значение тока в пучности тока вибратора

I_п.эф=√(P/P_Σп) (13.5)

Напряжение на концах вибратора

U_п.эф =WвI_п.эф (13.6)

Напряженность поля в пучности напряжения на вибраторе

E = (60/nr) √(2P/P_Σп (13.7)

Допустимой напряженностью поля считают значение Едоп≤8 кВ/см. На влажных изоляторах Едоп <1,5 кВ/см. Для пони­жения максимальных значений напряженности поля на вибраторе необходимо понижать его волновое сопротивление, т. е. увеличи­вать диаметр проводов, их число и радиус образующей вибра­тора.

Слабонаправленные антенны подвешиваются на трубчатых асбестоцементных или деревянных мачтах (опорах) с оттяжками. Оттяжки выполняются из стальных канатов и делятся на секции длиной 0,25λкор такелажными изоляторами. Чтобы избежать наве­дения значительных токов в тросах, поддерживающих вибрато­ры, в эти троссы на расстояниях 2... 3 м от концов вибраторов вводят дополнительные изоляторы. Расстояние между мачтами при подвесе между ними одного вибратора выбирают равным 2l+6... 8 м.

Слабонаправленные антенны ВГД, ВГДШ и ВГДШП можно применять для радиосвязи на расстояниях до 600 км при ограниченной мощности передатчиков, поскольку они являются слабонаправленнымы антеннами и создают помехи другим стан­циям.

Для получения ненаправленной ДН в горизонтальной плоско­сти А. А. Пистолькорсом была предложена уголковая антенна УГД. Эта антенна представляет собой симметричный горизон­тальный вибратор с пониженным волновым сопротивлением, пле­чи которого располагают перпендикулярно друг другу.

Для целей вешания в пределах круговой зоны радиусом от 400 до 1000 км МККР рекомендует применять антенны, представляющие собой систему из четырех горизонтальных одноволновых вибраторов с пониженным волновым сопротивлением, расположенным по сторонам квадрата на высоте 0,15λ от поверхности земли.

Синфазные антенны.

Антенны декаметровых волн для радиовещания должны допускать работу передатчиками большой мощности, быть диапазонными, иметь высокий КПД, позволять независимое формирование ДН в горизонтальной и вертикальной плоскости, управлять направлением главного излучения. Таким требованиям удовлетворяют синфазные горизонтальные диапазонные антенны СГД. .

Не требуют перестройки антенны с питаемым (активным) диапазонным реф­лектором СГД-РАД. В антенне СГД-РАД, рефлектор питается через направ­ленный ответветвитель (рис. 13.7,в). Волна, идущая от генератора, частично по­ступает в антенну и частично через направленный ответвнтель в рефлектор; при этом в балластной нагрузке мощность не выделяется. В ней поглощаются только волны, отраженные от рефлектора. За счет направленного ответвителя ток в рефлекторе опережает по фазе ток в антенне на 90°. Необходимое соот­ношение амплитуд токов в антенне и рефлекторе достигается подбором коэф­фициента ответвления направленного ответвителя.

В антенне СГД-РАД2 питание полотен антенны и рефлектора осуществля­ется с помощью мостовой схемы (рис. 13.7,6). В этом случае необходимое со­отношение токов в вибраторах антенны и рефлектора достигается подбором волновых сопротивлений распределительных фидеров и четвертьволновых транс­форматоров в них. Опережение фазы тока в рефлекторе обеспечивается удли­нением фидера, питающего полотно антенны, на 0,25λ.

Антенны СГД-РАД позволяют работать без перестройки в двукратном диа­пазоне волн. В качестве балластной нагрузки используют поглощающую ли­нию. В антенне СГД-РН практически нет потерь и КПД = 1. Антенны СГД-РАД на оптимальной волне имеют КПД η_а = 0.9 и на краях диапазона η_а =0,7.

Расчет ДН антенн СГД-РН и СГД-РАД может быть выполнен по формулам в виде трех сомножителей:

в горизонтальной плоскости

F(φ)= F₁(φ) F_сн(φ) F_р(φ),

Где множители, учитывающие направленные свойства вибратора, решетки и рефлектора, определяются:

F(φ,∆)=F (φ) = (cos (к1 sin φ) – cos kl) / cos φ

F_сн(φ) = (sin (0,5n_сkd₁ sin φ)/ (n_с sin (0,5kd₁ sin φ)

F_р(φ) = √(1+m² +2mcos(Ф-kd₁ (cos φ)))

в вертикальной плоскости множители решетки, рефлектора и земли определяются урав­нениями:

F_сн(φ) = (sin (0,5n_сkd₁ sin φ)/ (n_с sin (0,5kd₁ sin φ)

F_р(φ) = √(1+m² +2mcos(Ф-kd₁ (cos φ)))

Дальнейшее расширение диапазона рабочих частот достигает­ся применением широкополосных вибраторов, апериодического рефлектора и многоступенчатых (с различными волновыми со­противлениями) распределительных фидеров, например, в антен­не СГД-РА (рис. 13.8). В этих антеннах вибраторы выполняются концентрическими трехпроводными. Вибраторы могут выполнять­ся плоскими (рис. 13.9,а). В этом случае антенна обозначается СГДП (Lв/Lг) РА, где Lв и Lг — соответственно вертикальный и горизонтальный размеры полотна антенны, выраженные в долях λо.

Для устранения паразитных резонансов в отдельных проводах вблизи точек питания вибраторов ставят вертикальные пере­мычки (рис. 13.9,6) или применяют плоские шунтовые вибраторы (рис. 13.9,0).

В районах с тяжелыми климатическими (частый гололед, сильный ветер) условиями применяют жесткие шунтовые вибраторы (рис. 13.9,г). Распределительные фидеры выполняют ступенчатыми, они содержат вставки длиной 0,25λ₀, отличающие­ся волновыми сопротивлениями и являющиеся трансформаторами сопротивлений. Подбором волновых сопротивлений распредели­тельных фидеров можно получить согласование антенны с фиде­ром в широком диапазоне волн λ=(0,8 ... 2) λ₀. Апериодический ре­флектор выполняется в виде плоского экрана из проводов диамет­ром 3, 4 или 6 мм, расположенных параллельно осям вибраторов на расстоянии d_p = (0,23...0,27)λ₀ от них. Размеры рефлектора должны превышать размеры полотна антенны в плоскости Е на 0,1λ₀, а в плоскости Н на (0,1...0,25)λ₀ с каждой стороны. За счет просачивания энергии за экран имеет место излучение энер­гии в задние квадранты. Коэффициент просачивания мощности через апериодический рефлектор рекомендуется выбирать в пре­делах σ=0,05...0,1. При этом расстояние между проводами реф­лектора выбирают в пределах (0,035... 0,07)λ₀.

Приближенно КНД антенн СГД D = 4πK₃S/λ2 где S —площадь раскрыва антенны; К₃ = 2 ... 3 — коэффициент, учитывающий влияние земли.

В антеннах СГД-РА и СГДП-РА с увеличением числа вибра­торов в этаже ДН в горизонтальной плоскости сужается. С уве­личением числа этажей сужается ДН в вертикальной плоскости, а за счет увеличения средней высоты подвеса антенны уменьша­ется угол максимального излучения Δ. Увеличение расстояния между вибраторами и рефлектором приводит к увеличению уров­ня боковых лепестков. Уменьшение d_p сопровождается уменьше­нием активной и ростом реактивной составляющих сопротивления вибратора. Это ухудшает согласование антенны с фидером.

Плоские вибраторы более равномерно заполняют проводами раскрыв антенны. Этим снижают уровни боковых лепестков в вертикальной плоскости, появляется возможность увеличить рас­стояние между этажами до dэ = 0,7λo, т. е. уменьшить число эта­жей и упростить вертикальный распределительный фидер. Плос­кие вибраторы имеют хорошее согласование с фидером в диапа­зоне К=(0,7... 1,5)λо. Применение коротких вибраторов позволяет сократить расстояние между секциями до зна­чений d1=0,5λo. В этом случае можно управлять ДН в горизон­тальной плоскости в более широких пределах — до ±30°. Боль­шее число проводов в плоском вибраторе позволяет подводить к нему соответственно и большие мощности.

РОМБИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ.

На радиочастотах входное сопротивление линии в режиме бе­гущей волны чисто активно и равно ее волновому сопротивлению. Применение режима бегущей волны в антенне позволяет полу­чить хорошее согласование ее с фидером в очень широком диа­пазоне частот. Факторы, ограничивающие диапазонные свойства таких антенн: понижение КПД и ухудшение ДН. Широко распро­страненными антеннами декаметровых волн, использующими ре­жим бегущей волны, являются ромбические антенны. Простейшая ромбическая антенна состоит из четырех горизон­тальных проводов, расположенных по сторонам ромба. Фидер подводится к одному из острых углов ромба, к другому подклю­чается нагрузочное сопротивление. Диаграмма направленности антенны формируется излучением проводов, образующих стороны ромба.

Провод длиной L представим в виде системы из п элемен­тарных излучателей длиной d (рис. 3,а). Поскольку элементарный излучатель не излу­чает вдоль оси, в этом направлении не будет излучать и провод.

Чтобы ДН ма­ло изменялась с изменением длины волны, необходимо выполнить неравенство 2L>>λ, т. е. провода антенны должны быть доста­точно длинными. С увеличением относительной длины провода (L/λ) направление максимального излучения приближается к оси провода. Ширина главных лепестков ДН сужается, одновременно увеличивается число боковых лепестков и их интенсивность. Ди­аграмма направленности является фигурой вращения вокруг про­вода. Поэтому поля главных лепестков, расположенные по раз­ным сторонам провода, отличаются по фазе на л. Чтобы получить главное излучение ромба в направлении большой диагонали, не­обходимо половину острого угла ромба сделать равной φ_м. С изменением длин сторон антенны изменяют и углы ромба: с увеличением длин необходимо острый угол уменьшать, а тупой увеличивать.

Рассмотрим формирование ДН ромбической антенны в гори­зонтальной плоскости (при Δ=0). На проводах 1 и 2 ромба выделим элементы п' и n", удаленные друг от друга на расстояние, равное длине стороны ромба L

Проведем линию п"m перпендикулярную большой оси ромба. Для волн, распространяющихся стороны L. в направлении большой диагонали, их фазы на этой ли­нии должны совпадать.

Волна питающего тока за счет распрост­ранения по проводу антенны достигает элемента п" с запаздыванием по фазе относительно тока в элементе п' на угол кL. Элек­тромагнитное поле, излученное элементом n', в результате распро­странения в направлении большой оси ромба, пройдя до линии п"m путь L cos φ_м, отстанет по фазе относительно поля, излучае­мого элементом п", на угол kL cos φ_м. Результирующий сдвиг по фазе между полями элементов п' и п" kL—kL cos φ_м = кL(1- cos φ_м. Кроме того, между полем правого лепестка провода 1 и полем левого лепестка провода 2 существует сдвиг фаз π. Сле­довательно, для получения синфазного поля в направлении боль­шой диагонали необходимо выполнить условие kL(1-cos φ_м)- π =0, т.е. подтверждается не­обходимость выбора углов ромба в зависимости от длин его сто­рон. Сложение полей, созданных проводами 3 к 4, происходит аналогично. Чтобы поля всех проводов были синфазными, доста­точно провода 1 и 3 питать противофазно (рис.13,6), т. е. симметричным фидером.

Оптимальная длина стороны ромба

L_опт=λ/2(1-sinФ cos Δ_м )

Желательно длину стороны ромба выбирать такой, чтобы на­правления главного излучения проводов в вертикальной и гори­зонтальной плоскостях совпадали. В этом случае Ф = 90°— Δ_м и

L_опт=λ/2(1-cos² Δ_м )

Входное сопротивление ромбической антенны в вершинах ос­трого угла равно примерно 700 Ом и по мере приближения к ту­пому увеличивается до 1000 Ом. Вблизи острых углов волновое сопротивление ромба, за исключением небольших участков,

Wa = 276 1g(λ/πr)-120.

Входное сопротивление ромба

Ra = 276 1g(λ cosФ/2 πr)-69.

Для большинства ромбических антенн L»2λ.

В этом случае сопротивление излучения одной стороны ромба можно определить по упрощенной формуле:

R_Σ = 60 (ln2kL-0,423).

Полное сопротивление излучения ромба

R_Σa = 4 R_Σ. В этих формулах г — радиус проводов антенны; L — длина од­ной стороны ромба; Ф — половина тупого угла ромба.

Для повышения КПД необходимо увеличивать длины сторон и понижать волновое сопротивление ромба. В передающих антен­нах для повышения КПД и улучшения КБВ в фидере каждая сторона ромба выполняется из двух проводов, соединенных вме­сте в вершинах острых углов, а расходящихся к тупым углам на расстояние h = (0,25...0,03)L по высоте. Волновое сопротивление такого ромба по всей его длине остается постоянным.

При КПД антенны, равном 0,7... 0,8, значительная часть (30...20)% мощности передатчика выделяется в нагрузочном со­противлении. В передающих антеннах нагрузочное сопротивление выполняется в виде поглощающей линий из проводов с высоким удельным сопротивлением, например нихрома или фехраля диа­метром 1...2 мм и длиной 30...50 м или из железного (неоцинкованного) провода длиной 300...500 м. Поглощающая линия на конце может быть короткозамкнутой или разомкнутой. Если ее выполнить в виде двух линий, соединенных параллельно, одну короткозамкнутой, а вторую разомкнутой, то отраженные волны от концов линий будут противофазные.

В этом случае длина ли­нии может быть уменьшена вдвое, так как только после двукрат­ного прохождения по линии отраженные волны окажутся в од­ной фазе. Грозозащита антенны осуществляется заземлением замкнутого конца поглощающей линии.

Достоинством ромбической антенны является относительно не­высокая стоимость и широкий диапазон рабочих частот. Антенна проста по конструкции, ее размеры некритичны и могут иметь большие допуски при изготовлении, хорошо согласуется с фиде­ром и обладает высокой надежностью.Наряду с этим ромбичес­кая антенна имеет невысокий КПД, а ДН характеризуется боль­шими уровнями боковых лепестков, достигающих 40... 60% от ос­новного по напряженности поля. Эти недостатки становятся осо­бенно ощутимы при работе большими мощностями.

Для уменьшения уровня боковых лепестков Г. 3. Айзенбергом предложена двойная горизонтальная ромбическая антенна РГД (рис.14,а). Антенна состоит из двух ромбов, смещенных в на­правлении малой диагонали и соединенных параллельно в верши­нах острых углов. Высоты подвеса полотен ромбов различаются на 2... 3 м, что исключает возможность замыкания проводов ан­тенны.

Антенну РГД можно рассматривать как синфазную решетку, составленную из излучателей РГ.

Подбирая расстояние D₁ таким образом, чтобы в направлении бокового лепестка ДН одного ромба множитель системы обра­щался в нуль, можно существенно ослабить боковые лепестки РГД.

Если необходимо подавить боковые лепестки в области углов 30 ... 40°, то ромбы смещают друг относительно друга по малой диагонали на расстояние D=(1... 0,8)λо. Из рис.14,6, иллю­стрирующего подавление лепестков в антенне РГД, что поля главных лепестков обо­их полотен ромбов складываются в фазе, а боковых - в противофазс. Наряду с ослаблением боковых лепестков, множитель сис­темы несколько сужает ДН в горизонтальной плоскости. В ре­зультате КУ антенны РГД по сравнению с РГ увеличивается в 1,5... 2 раза.

Поскольку полотна ромбов в антенне РГД подвешиваются примерно на одной высоте и не имеют смещения между собой в направлении большой диагонали, ДН антенн РГД и РГ в верти­кальной плоскости совпадают.

Протяженность трассы, км	Тип антенны	X.. м
4000 и более	РГД 70/6 1,25	15; 25
	РГД 65/4 1
2000... 4000	РГД 65/4 1	12,5; 22; 35
1000 ...2000	РГД 65/2.8 0,6	22; 43

Зависимости КПД и КУ ромбических антенн по диапазону приведены на рис. 15. Если принять за рабочий диапазон об­ласть частот, на краях которой КУ уменьшается вдвое (3 дБ) по сравнению с его максимальным значением, то для антенны РГД (65/4) 1 для углов Δ=15° рабочий диапазон волн λр=(0,8... 1,4)/ λо. Для меньших углов Δ рабочий диапазон смещается в об­ласть более коротких волн и наоборот. Например, при Δ = 12° λр = (0,7 ... 1,3) λо. а при Δ = 18° λр = (0,95... 1,5) λо. При использова­нии ромбических антенн в диапазоне λр = (0,7... 2) λо коэффици­ент усиления антенны на краях диапазона уменьшается в 10 раз (на 10 дБ). Использование ромбических антенн в коротковолно­вой части диапазона ограничивается ухудшением ДН, а в длинно­волновой — понижением КПД.

Ромбические антенны подвешиваются на асбоцементных или деревянных мачтах. Распределительные фидера РГД выполняют с W = 600 Ом. Входное сопротивление РГД примерно 300 Ом. В случае фидера с Wф = 600 Ом последний к РГД подключается че­рез экспоненциальный трансформатор ТФ4 300/600. имеющий длину λо

В приемных антеннах требования к КПД и КБВ в фидере по­нижаются. Из этих соображений приемные ромбические антенны выполняют однопроводными. Нагрузочные резисторы безындук­ционные с R = 650 ... 750 Ом мощностью 2 ... 5 Вт.

Ромбические антенны рекомендуется применять в качестве передающих на магистральных линиях радиосвязи