Простейшие вибраторные антенны

В диапазонах дециметровых и метровых волн в качестве про­стейших антенн вертикально поляризованных волн применяются различные симметричные и несимметричные вибраторы. На под­вижных объектах желательно иметь антенну с наименьшей дли­ной. Этим требованиям удовлетворяет вертикальный несиммет­ричный штыревой вибратор (рис.а), питаемый коаксиаль­ным фидером. Центральный проводник фидера подключается к четвертьволновому вибратору, а внешний к противовесу или корпусу. Входное сопротивление такого резонансного вибратора приблизительно равно 36 Ом. Непосредственное подключение фидера с волновым сопротивлением 50 ... 75 Ом обеспечивает КБВ соответственно 0,7... 0,5. При желании получить больший КБВ между фидером и вибратором ставят четвертьволновый трансформатор с волновым сопротивлением 40 ... 50 Ом.

При установке антенн на мачте для лучшей грозозащиты ее вибраторы должны заземляться. На рис. б показан коаксиальный симметричный полуволновый вибратор, плечи которого непосредственно соединены с металлической мачтой, заземленной в своем основании. Внутри мачты диаметром (0,007... 0,008)λ, располагают коаксиальный фидер. Вибраторы выполняют из трубок диаметром примерно 0,02 λ.

На рис.б изображен вибратор, у которого нижнее плечо выполнено из металлических трубок или стержней. На рис.г приведена конструкция несимметричного вибратора, у которого оба плеча выполнены из трубок или стержней. Такие вибраторы обладают пониженным волновым сопротивлением, более широкой полосой пропускания и относительно небольшой парусностью.

Большими диапазонными свойствами λмак / λмин = 4... 5 при КБВ>0,5 обладает диско-конусная антенна (рис. д), питаемая фидером с волновым сопротивлением 50 Ом. Размеры антенны определяются максимальной длиной волны и выбираются из условий l= (0,25... 0,28)/ λмакс; 2Rк=(0,18...0,2) λмакс. Размеры узла возбуждения должны удовлетворять соотношению t≈0,3d. Для уменьшения парусности в метровом диапазоне волн антенна выполняется из стержней или трубок, расположенных по радиусам диска и образующим конуса. Внешние концы трубок диска и конуса для увеличения жесткости присоединяются к металлическим кольцам, при этом Rд=0,7Rк.

Направленные в плоскостях ДН позволя­ют получить коллинеарные синфазные антенны(рис. 11.4), составленные из коаксиальных вибраторов. В коллинеарной антенне из трех полуволновых симметричных вибраторов с учетом взаимного влияния сопротивления излучения крайних вибраторов оказываются равными 95 Ом, а среднего 126 Ом. При параллельном соединении всех вибраторов входное сопротивление антенны при этом равно 35 Ом. Для работы с горизонтально поляризованными волнами антенны выполняют симметричными.

Петлевой вибратор. Предложенный А. А. Пистолькорсом петлевой вибратор (рис. 11.5,а) можно рассматривать как два полуволновых синфазных вибратора, расположенных на малом расстоянии (D<<λ) друг от друга, соединенных по концам. Относительно точек питания ае вибратор является симметричной системой. В наиболее удаленной от точек питания точке с система оказывается короткозамкнутой, и здесь устанавливается пучность тока. По мере продвижения от точки с ко входу антенны амплитуды тока уменьшаются и в точках b и d, отстоящих от точки с на расстоянии, равном 0,25 λ, образуются узлы тока.

Далее за точками b и d токи меняют свое направление на обратное, а их амплитуды по мере приближения к точкам а и е возрастают. Отрезки вибратора bа и de соответственно в точках b и d относи­тельно верхнего отрезка bed развернуты навстречу друг другу, следовательно, токи в обоих вибраторах 1 к 2 имеют одно направление. Расположение в точке с пучности тока и узла напряжения позволяет крепить вибратор в этой точке к металлической стреле или мачте непосредственно без изоляторов, обеспечивая надежную грозозащиту.

При равенстве диаметров трубок вибратора в них будут равны и токи. Поле излучения создается суммарным током 2I. Мощность излучения петлевого вибратора РΣ = (2Iэф)²*RΣп Подводимая мощность P=I²эф Rа

Решая совместно эти уравнения относительно Ra и полагая РΣ=Р, определяем входное сопротивление петлевого вибратора Rа=4 RΣп ≈4•73,1≈300 Ом.

Входное сопротивление петлевого вибратора можно менять, изменяя соотношение диаметров трубок вибратора. При изменении отношения диаметра верхнего вибратора (1) к нижнему (2) от 0,5 до 2 входное сопротивление петлевого вибратора изменяется от 220 до 380 Ом.

Петлевой и симметричный полуволновый вибраторы имеют примерно одинаковые ДН, КНД и КУ. Плоскость расположения трубок в вибраторе существенного влияния на его параметры не оказывает. Для получения большего входного сопротивления антенны применяют двухпетлевые вибраторы, состоящие из трех полуволновых синфазных вибраторов. Входное сопротивление такого вибратора примерно равно 9RΣп.

Волновой канал. В качестве направленных более распространены антенны типа волновой канал. Эта антенна состоит из вибратора Б, рефлектора А и нескольких директоров В, Г и Д. Для упрощения конструкции в данной антенне рефлектор и директоры выполняются вторичными — к ним не подводят питания. Вторичные вибраторы в этом случае возбуждаются полем первичного вибратора Б.

Рассмотрим систему, состоящую из первичного вибратора 1 и вторичного 2 (рис. 11.6,6). Предположим, что в вибраторе 1 генератором возбуждается ток I₁. В вибраторе, как и в разомкнутой на конце линии с малыми потерями устанавливается режим стоячей волны, при котором напряжение U₁ отстает от тока I₁ на угол, приблизительно равный 90°. Напряжение U1 создаст около вибратора 1 поле E1, совпадающее с ним по фазе. Это поле, достигнув вибратора 2 (E12), отстанет по фазе на угол kd=90° и наведет в вибраторе 2 ЭДС Э2. Возьмем вторичный вибратор 2 несколько длиннее 0,5λ. Реактивное сопротивление такого вибратора Х=—Wa ctg kl₂ имеет индуктивный характер kl₂ > 90°

Рис. 11.6. Волновой канал:

а—пятиэлементкый; б—вибратор с вторичным рефлектором; в—вибратор с вторичным директором

и ток I2, обусловленный ЭДС Э2, будет отставать от него на угол, приблизительно равный 90° . В свою очередь ток I2создаст у вибратора 2 поле Е2, отстающее по фазе от тока на 90°. Поскольку поля Е12 и Е2 противофазны, результирующее поле позади вторичного вибратора ослаблено.

Поле Е2 вибратора 2 , достигнув вибратора 1 (Е21), отстанет по фазе на угол kd= 90° и будет совпадать с полем Е1 . В направлении от вибратора 2 к вибратору 1 и далее поля складываются. Вторичный вибратор длиной 2 l2>0,5 λ, ведет себя как рефлектор.

Если вторичный вибратор короче 0,5 λ , то его реактивное сопротивление имеет емкостной характер и ток I3 опережает ЭДС Э3 на угол, приблизительно равный 90°. Максимум излучения направлен в сторону вторичного вибратора 3 , а позади первичного вибратора ослаблено. Такой вторичный вибратор (2 l3 < 0,5 λ) называется директором..

В антенне «волновой канал» длину рефлектора выбирают равной (0,5…0,53) λ, а расстояние между рефлектором и первичным вибратором (0,15…0,25 ) λ. Длины директоров выбирают равными (0,4..0,45) λ, а расстояние между вибратором и ближайшим к нему директором , а также между директорами (0,1..0,34) λ. С уменьшением расстояний между вибраторами ток во вторичных вибраторах увеличивается, но при этом сильно уменьшается входное сопротивление первичного вибратора.

Для облегчения согласования с фидером и из конструктивных соображений в качестве первичного вибратора часто применяют петлевой вибратор. Антенна волновой канал узкополосна, так как с изменением частоты существенно изменяются входные сопротивления, а следовательно изменяются амплитуды и фазы токов во вторичных вибраторах. Шести-, семи элементная антенна имеет полосу пропускания 10…15% от средней частоты. При увеличении числа элементов в антенне до десяти полоса сужается до 5%. Число элементов в антенне – это полное число первичных и вторичных вибраторов. Некоторым изменением размеров и взаимного расположения вибраторов можно расширить полосу пропускания , уменьшив КНД антенны.

Логопериодические антенны (ЛПА).Широкополосность с непрерывным перекрытием по частоте 1: 10 и более могут обеспечить ЛПА. Широкий диапазон перекрытия в ЛПА достигается тем, что на каждой длине волны излучение (или прием) осуществляется только частью антенны – активной ее областью. При изменении длины волны активная область перемещается вдоль антенны, сохраняя свои относительные (в долях волны) размеры. Упрощенно активную область ЛПА можно рассматривать как трехэлементную антенну «волновой канал», все вибраторы которой являются первичными. Расстояния между вибраторами и длины их плеч различны , но близки к 0,25 λ.

0

При работе на передачу активная область в ЛПА возбуждается со стороны короткого вибратора 1 и антенна излучает вдоль своей оси однонаправленно в сторону короткого вибратора. Если принять фазу тока короткого вибратора 1 условно за нулевую, тогда фаза тока вибратора 2 вследствие запаздывания в питающей линии длиной l12 ≈ 0,25 λ равна –lh12≈ -0,5π, а за счет перекрещивания линии получит опережение на π. Результирующая фаза питания вибратора 2 будет опережать фазу вибратора 2 на 0,5 π. В этом случае при распространении волны, излучаемой вибратором 2 в направлении вибратора 1 , поля от этих вибраторов складываются в фазе, так как опережение по фазе питания компенсируется отставанием за счет распространения волны от вибратора 2 до вибратора 1. Вибратор 3 вследствие запаздывания в линии длиной l12 +l23 ≈ 0,25 λ имеет фазу питающего тока -k(l12 +l23) ≈ - π

При распространении волны от вибратора 3 в направлении вибратора 1 произойдет дополнительное запаздывание фазы на π и полное запаздывание на 2 π, т. е на целый период, что эквивалентно совпадению фаз. Следовательно, поля от всех трех вибраторов в направлении короткого вибратора складываются в одной фазе. и создают в этом направлении главный лепесток ДН.

В ЛПА, состоящей из большого числа вибраторов, один из вибраторов на волне λ =4 l является резонансным, имеет малое чисто активное сопротивление и сильно загружает питающую линию.

Все вибраторы, кроме резонансного и ближайших к нему, из-за больших реактивных составляющих входных сопротивлений практически не возбуждаются. Таким образом, рабочими являются резонансный и расположенный по обе стороны от него соседние вибраторы, образующие активную область антенны. С изменением частоты активная область перемещается вдоль антенны и всегда состоит из трех-четырех вибраторов, при этом форма ДН, входное сопротивление и КНД антенны остаются практически неизменными.

Размеры антенны выбираются из соотношений:

l12:l23=l23:l34=….τ l12:l23=l23:l34=….-τ, где τ=0,5…0,95 – безразмерный период структуры. При меньшем τ число вибраторов в антенне уменьшается, антенна становится короче, вместе с этим увеличивается интервал между резонансными частотами соседних вибраторов. Это приводит к большим изменениям формы ДН антенны и значений КБВ в фидере с изменением частоты. При большем значении τ увеличивается длина антенны, возрастает ее стоимость. Расчет ЛПА поводят по заданным τ, λмакс и λмин .

Для приема ТВ вещания в I и II диапазонах используют плоские ЛПА с вибратором треугольной формы. В дециметровом диапазоне применяют пространственные ЛПА со сплошными трапецеидальными вибраторами.