Питание антенн вертикальной поляризации

НАЗНАЧЕНИЕ ФИДЕРНЫХ ЛИНИЙ И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ

Устройства, предназначенные для передачи высокочастотной энергии от передатчика в антенну или от антенны к приемнику, называют фидерами (ли­ниями передачи энергии). Качество фидерной линии во многом определяет работоспособность радиотехнического устройства в целом, поэтому к фидеру предъявляют ряд требований: передающий фидер не должен излучать, а прием­ный — возбуждаться под действием электромагнитных волн. Кроме того, пере­дача энергии вдоль фидера должна осуществляться с наименьшими потерями, наименьшим напряжением и с наименьшими искажениями передаваемых сиг­налов.

Основным параметром линии передачи является волновое сопротивление Z_o= . Оно характеризуется погонными (приходящимися на единицу длины) индуктивностью L и емкостью С линии.

Волновое сопротивление на радиочастотах является величиной чисто актив­ной и определяется формой и относительными поперечными геометрическими размерами линии, а при наличии диэлектрика и его параметрами.

Ливия передачи может быть образована параллельными проводами, плас­тинами, коаксиальными или другими проводниками, разделенными изоляторами. В любительских условиях наибольшее распространение получили коаксиальные и двухпроводные симметричные линии. На рис. 15 показаны графики, которые позволяют выбрать геометрические размеры для построения линий по задан­ному волновому сопротивлению или определить последнее по геометрическим размерам имеющейся линии с воздушным заполнением.

В коаксиальной линии, состоящей из внутреннего и внешнего проводников (внешней концентрической оболочки), электромагнитное поле сосредоточено внутри линии. Внешний проводник выполняет роль экрана и поэтому в таких конструкциях нет потерь на излучение. Двухпроводная линия не имеет этого свойства. С ростом частоты у нее увеличиваются потери на излучение. Для уменьшения потерь двухпроводные линии иногда помещают в экран либо стре­мятся уменьшить их длину.

Рис.15. Зависимость волнового сопротивления фидерных линий

от поперечных размеров.

Во всем диапазоне УКВ для передачи электромагнитной энергии на значительные (по сравнению с l) расстояния применяют, как правило, гибкие коаксиальные кабели различных типов, которые отличаются волновыми сопротивлениями и способом крепления центрального проводника.

Эффективность передачи энергии по линии определяется погонным затуха­нием β, выраженным в децибелах или неперах на метр, и длиной линии (КПД фидера η_ф).

Так как по пути движения волны часть переносимой ею энергии расхо­дуется на потери в линии, то полезная мощность Р_к на конце линии меньше полной мощности в ее начале Р_н, и максимальный КПД равен

η_{ф mах} = Р_к/Р_н=е^-2βl, (27)

где l — длина линии. Из формулы следует, что чем меньше коэффициент по­гонного затухания линии β и ее длина l, тем больше КПД.

Рис.16. Коэффициент рассогласования нагрузки с фидером.

Если к фидерной линии подключить нагрузку (в частном случае антенну), сопротивление которой, например R_н, не равно волновому сопротивлению Z_o фидера, то часть энергии, подведенной к нагрузке, отразится обратно и полез­ная мощность, выделенная на ней, станет меньше Р_к.

Оказывается, что η_ф будет максимальным, если сопротивление нагрузки равно волновому сопротивлению фидера R_K = Z₀. Считают, что в этом случае фидер полностью согласован с нагрузкой. Степень согласования фидера с на­грузкой характеризует КБВ = К. Коэффициент бегущей волны (КБВ) может изменяться в пределах от 0 до1: K= R_н/Z_o, если R_н < Z_o и К=Z_o/R_н, если R_н > Z_o. При неполном согласовании фидера с нагрузкой η_ф становится меньше η_{ф max}. На рис. 16 дана зависимость параметра m от КБВ в фидере, который позволяет оценить КПД фидера как

η_ф » η_{ф max} m = е ^-2βlm. (28)

В любительской практике выполнять задачи согласования антенн с питаю­щим фидером затруднительно, так как им сопутствуют сложные измерения. Радиолюбители нередко недооценивают важности этапа согласования при по­строении направленных антенн — антенных решеток и допускают на этом этапе некоторые просчеты, один из которых иллюстрируется примером, приведенном на рис. 17.

Рис.17. Роль согласования с фидером при передаче мощности в приемник.

Рис.18. Зависимость поглощаемой мощности P_Σ , эффективной поверхности S_эфф на входе приемника P_пр от числа n элементов антенной решетки

Будем считать, что имеем антенну, представляющую собой один (п=1) из­лучатель с эффективной площадью S_{o эфф}, полностью согласованный (К=1) с питающим фидером (без потерь), волновое сопротивление которого равно Z_o (рис. 17а). Такая антенна поглощает из падающей на нее плоской электро­магнитной волны мощность Р_S, = Р_о и полностью (без потерь) канализирует ее на вход приемника.

Мощность на входе приемника P_пр1 = Р_S, = Р_о. Увеличим вдвое эффективную площадь антенны за счет построения решетки из двух (п=2) таких излучателей, волновое сопротивление питающего фидера оставим прежним, т. е. Z_o (рис. 17,6). При этом антенна поглощает мощность Р_S, — 2P_o, а к приемнику подводится только часть этой мощности, так как в питающем фидере после параллельного подключения излучателей одного к другому

К = 1/n = 0,5.

При п=2 Р_пр2 = Р_S,

m = 2Р₀0,89 = 1,78Р_о,

где т взято по гра­фику рис. 16 для К = 0,5. Сходный эффект получается и при параллельном сое­динении трех элементов (рис. 17,в). Если продолжить рассуждения, то можно получить зависимость, приведенную на рис. 18. Из рисунка видно, что эффек­тивная площадь антенны прямо пропорциональна числу п излучателей в ре­шетке. Мощность же, подводимая к приемнику, с ростом числа п асимптотически приближается к 4Р_о.Этот пример наглядно показывает бесплодность по­пыток увеличивать эффективность антенной решетки без учета согласования ее . элементов с фидером. Трудности, связанные с согласованием, можно разрешить или применением специальных согласующих устройств, или обойти специальным выбором типов облучателей и фидеров. Второй путь в ряде случаев оказывается предпочтительнее. Ниже эти вопросы будут рассмотрены подробнее.