Симметрирование антенн и фидеров

Симметрирующие устройства применяют при питании симметричных: антенн несимметричным фидером, например коаксиальным. Как уже отмечалось, практическое применение симметричных антенн вертикальной поляризации имеет свои ограничения, связанные с размерами антенны и высотой ее размещения над землей. Однако для частот более 100 МГц и высот подъема антенн более 5 м симметричные антенны могут найти применение как антенны вертикальной поляризации.

Благодаря симметрирующим устройствам достигается электрическая сим­метрия каждого плеча (каждой половины) антенны относительно экранной обо­лочки фидера.

Наиболее часто в любительской практике употребляется симметрирующее устройство, изображенное на рис. 21 и получившее название «Ч-колено». Оно просто по конструкции и работает в широком диапазоне частот. Одним из проводников этого устройства является внешний проводник О коаксиального фидера. Пунктиром показан центральный проводник фидера. В качестве второго, проводника могут быть взяты либо отрезок кабеля, из которого выполнен фи­дер, либо металлическая трубка равного ему диаметра. Элементы 00' обра­зуют замкнутую на конце двухпроводную линию. Входное сопротивление «Ч-колена» равно

Z_cy = j/Z_лtg(2πl/l), (30)

где Z_л — волновое сопротивление двухпроводной линии; l — длина проводни­ков «Ч-колена».

Центральный проводник фидера, проходя в полости проводника О, в точ­ке 1 замкнут на проводник О'. Тем самым точки 1, 2 становятся точками пи­тания антенны, например симметричного вибратора.

Симметрирующие свойства «Ч-колена» обусловлены наличием на его про­водниках так называемой точки нулевого потенциала, которая используется для ввода несимметричного фидера. Распределение напряжения на проводниках короткозамкнутой на конце двухпроводной симметричной линии таково, что в точке П короткого замыкания всегда имеется узел (нуль) напряжения, неза­висимо от соотношения длин волны и линии. Если к разомкнутым концам такой линии подключить симметричную антенну, то ее можно будет питать коак­сиальным кабелем, прокладывая его через точку нулевого потенциала П внутри полости одного из проводов линии (либо используя оболочку фидера как провод линии).

Рис.21. Схема «Ч – колена»

Из схемы рис. 21 видно, что симметрирующее устройство подключено парал­лельно вибратору в точках 1 и 2. Поэтому входное сопротивление симметри­рующего устройства Z_су будет шунтировать входное сопротивление вибратора. Наименьшее влияние симметрирующее устройство будет оказывать в том слу­чае, если его длину выполнить равной l=l/4. В этом случае Z_су » ¥ и, следо­вательно, Z_вх =Z_а.

Многие симметричные антенны имеют на своих проводниках точку П нуле­вого потенциала. Это обстоятельство позволяет использовать ее для прокладки коаксиального фидера и питания антенны без применения специального сим­метрирующего устройства.

Как уже отмечалось, неэкранированные двухпроводные линии имеют потери на излучение. Если для использования двухпроводной системы не столько в качестве фидера, сколько в качестве антенны специально увеличить эти потери, то можно прийти к петлевому вибратору Пистолькорса, рамочной антенне и, зигзагообразной антенне (рис. 22).

Рис.22. Антенны с точками нулевого потенциала на проводниках:

а) – петлевой вибратор Пистолькорса;

б) – рамочная антенна; в) - зигзагообразная антенна.

Все эти антенны образованы из двухпро­водных короткозамкнутых линий в результате симметричного изгиба проводни­ков относительно прямой, соединяющей точки питания 1,2 с точкой нулевого потенциала П. Штриховой линией показана прокладка фидера к точкам /, 2 питания антенн. Для любой из этих антенн можно показать, что независимо от полярности приложенного напряжения, в силу симметрии конструкции, в точ­ке П сохранится нулевой потенциал.

Рис.23. Схема «U - колена»

На рис. 23 показано еще одно популярное среди радиолюбителей симмет­рирующее устройство (U-колено), выполненное в виде петли длиной

l = l/2 , где e — диэлектрическая проницаемость материала, заполняющего высокочастот­ный кабель, из которого сделана петля.

Экранная оболочка с обоих концов петли и внешний проводник питающего-фидера накоротко соединены между собой. Центральный проводник питающего фидера в точке 1 соединен с центральным проводником, например, левого конца петли. Тогда центральный проводник петли, выступающий из ее правого конца, образует точку 2. Точки 1, 2 — это точки питания. К ним можно подключить симметричную антенну.

Оболочки петли и фидера находятся под одним и тем же «нулевым» потен­циалом. Поэтому, если это требует конструкция антенны, симметрирующая петля, может иметь любую конфигурацию.

Следует иметь в виду, что «U-колено» является резонансным устройством. Кроме того, «U-колено» является своеобразным трансформатором сопротивле­ний. Так, если входное сопротивление антенны в точках 1, 2 равно Z_a, то со­противление на входе питающего фидера (между точкой / и оболочкой фиде­ра) будет равно Z_вx = (l/4)Z_a. Таким образом, «U-колено» вчетверо снижает вход­ное сопротивление антенны на входе фидера. Этим свойством «U-колена» нужно умело пользоваться. Например, оно может быть реализовано при питании петлевого вибратора, у которого Z_a=300 Ом, 75-омным коаксиальным кабелем. В этом случае получается полное согласование антенны с фидером, так как Z_bx » 300/4 » 75 = Z_o, где Z_o — волновое сопротивление фидера. При таком пи­тании петлевой вибратор имеет одновременно и симметрию, и согласование с фидером с помощью одного и того же устройства. «U-колено» полезно исполь­зовать и как переход от коаксиального 75-омного фидера к симметричной двух­проводной линии с Z₀ = 300 Ом.

ВИБРАТОРНЫЕ АНТЕННЫ

У вибраторных антенн основными излучающими элементами являются линейные проводники — вибраторы, или, как их называют, диполи. В этом отношении вибраторные антенны по принципу действия подобны коротковолновым, основные типы которых — диапазонные вибраторы, плоскостные синфазные, зигзагообразные — применяются и на сверхвысоких частотах.

Однако по своему конструктивному выполнению эти антенны часто существенно отличаются от своих коротковолновых прототипов.

Одиночные вибраторы

На СВЧ одиночные вибраторы в качестве самостоятельных антенн применяются очень редко. Чаще всего они являются составными элементами более сложных антенн.

Под симметричным вибратором понимают антенну, состоящую из двух проводников, или, как говорят, двух плеч равной длины, расположенных на одной оси и питаемых в середине.

Входное сопротивление такого симметричного вибратора и его диаграмма направленности зависят в основном от длины его плеч и в меньшей степени от диаметра проводников, из которых выполнен вибратор.

При длине плеч, близкой к четверти волны, вибратор с точки зрения входного сопротивления ведет себя подобно последовательному контуру, а когда на каждом из плеч вибратора укладывается около полуволны, входное сопротивление антенны изменяется с частотой, как у параллельного кон-тура, составленного из L, С и R.

Известно, что при понижении волнового (характеристического) сопротивления параллельного контура p = и сохранении неизменным сопротивления R качество (Q = p/ R) такого контура падает, а его полоса пропускания увеличивается. Одновременно входное сопротивление контура понижается и становится менее зависимым от изменения частоты. На использовании этого принципа основано действие диапазонной коротковолновой антенны, так называемого «диполя Надененко», изображенного на рис. 13.

Каждое из плеч этого вибратора l₁ = l₂ состоит из 4—8 проводов, прикрепленных к металлическим кольцам диаметром от 1 до 2,5 м. Образующие плечи вибратора про­вода в точках подключения к питающему фидеру делаются сходящимися на конус для уменьшения величины шунтиру­ющей емкости между торцами вибратора.

Указанный способ увеличения диапазонных свойств виб­раторов за счет понижения их волнового сопротивления, раз­работанный учеными В. В. Татариновым, С. И. Надененко, В. Н. Кессенихом и др., широко используется при конструировании виб­раторных антенн на сверхвысоких частотах.

В отличие от коротковолновых антенн вибраторы на сверхвысоких частотах выполняются не только в виде ци­линдрических трубок, подобных диполю Надененко, но и в виде пластин различной конфигурации, конусов, каплеобраз­ных и сигарообразных тел.

Для уменьшения веса вибраторы часто делают пустоте­лыми.

Выбор той или иной формы вибраторов определяется как конструктивными соображениями (удобством их крепления и изготовления), так и требуемой полосой пропускания. Наибольшей полосой пропускания обладают вибраторы с плавно изменяющимися поперечными размерами. Резонансные длины вибраторов, т. е. те длины, при которых реактивная составляющая Х_А их входного сопротивленияравна нулю, оказываются несколько короче кратного числа четвертей длин волн. Так, например, у тонкого «полу-волнового» вибратора общая его длина 2l, при которой Х_А = 0, составляет не 0,5l, а 0.475l, т. е. на 5% короче полуволны. При понижении волнового сопротивления эта степень укорочения возрастает.

Увеличение поперечных размеров вибраторов оказывает влияние не только на входное сопротивление, но и на форму диаграмм направленности рассматриваемых антенн. На рис. 14 приведена своеобразная таблица диаграмм направленности симметричных цилиндрических антенн различ­ных диаметров d, экспериментально снятых в диапазоне ча­стот. В первом столбце этой таблицы приведены теоретиче­ские диаграммы направленности бесконечно тонких антенн.

Из их сравнения с опытными диаграммами видно, что у коротких диполей диаграммы практически не изменяются изменением толщины, однако, когда длина плеч начинает превышать половину волны, влияние увеличения диаметр_: становится заметным. С утолщением антенны в основном уменьшается глубина минимумов между соседними лепест­ками. На практике симметричные линейные антенны с дли­нами плеч, превышающими 0,5l, не применяются, поэтому указанная деформация диаграмм направленности не слиш­ком существенна.

Примером конструктивного выполнения одиночных виб­раторов на СВЧ может служить антенна самолетного альти­метра, изображенная на рис. 15.

Она состоит из собственно вибратора в виде сигарообразных трубок (плечи У), разделенных изолятором 2. К средней части вибратора под­ходят две трубки-стойки 3 длиной в четверть волны. Даль­ние концы этих стоек, припаянные к фланцу 4, служат для крепления антенны к фюзеляжу самолета. Стойки образуют двухпроводную линию, закороченную на дальнем от вибра­тора конце фланцем 4. Так как длина стоек равна l/4, то входное сопротивление образованной ими двухпроводной линии в точках подключения к вибратору очень велико, поэтому стойки являются как бы «металлическими изоляторами». Во внутренней полости одной из них помещен кабель питания. При этом стойки выполняют еще одну дополнительную роль — служат составным элементом переходного симметрирующего устройства.

У передающих радиолокационных антенн развитием поверхности вибратора обеспечивают излучение больших мощностей без возникновения «факелов», наличие которых приводит не только к затрате значительной доли мощности на тепловые потери, но и нарушает нормальную работу аппаратуры.