Приемные антенны. Рамочная антенна. Антенна бегущей волны Бевереджа

3. Приемные антенны

а) Рамочная антенна

Рамочные антенны длинноволнового диапазона применяются главным образом как пеленгаторные антенны, необходимые для определения направления на передающий пункт по минимуму приема, получаемого в направлении нуля диаграммы направленности. Для отыскания пеленга должна быть обеспечена возможность поворота диаграммы направленности в горизонтальной плоскости.

Рассмотрим свойства рамочной антенны на примере одновитковой круглой рамки с радиусом а (рис. 62) Размеры такой антенны на волнах, длиной порядка сотен и тысяч метров, всегда много меньше рабочей длины волны. Поэтому ток по проводу распределен равномерно, как в цепях с сосредоточенными постоянными, и антенна близка по обоим свойствам к элементарному излучателю. Малая рамка с электрическим током эквивалентна малому магнитному диполю. Здесь мы установим количественную связь между размерами этих двух излучателей. Для этого разобьем виток на элементы, длиной , и проинтегрируем поля этих электрических диполей в точке наблюдения, лежащей в горизонтальной плоскости xz, под углом α к оси рамки (рис 62). Ток в каждом элементе следует разложить на две компоненты и , причем горизонтальные составляющие  в верхней и нижней половинах рамки направлены противоположно, и их суммарное поле в горизонтальной плоскости равно нулю

Вертикальные составляющие тока , наоборот, имеют одинаковое направление, и пара, симметрично расположенных относительно горизонтальной плоскости элементов создает удвоенное вертикально поляризованное поле, равное

,

что соответствует экваториальной    плоскости    вертикальных электрических диполей.

Аналогичная пара вертикальных диполей,   лежащих в пределах угла π>φ> π /2 , создает поле

Суммарное поле равно

            ,       (59)

где - площадь рамки.

Рассматривая полученное выражение, отмечаем, что диаграмма направленности рамки (sinα) действительно имеет вид восьмерки с нулевыми направлениями вдоль ее оси (вдоль оси магнитного диполя). Напряженность поля пропорциональна моменту рамки sI. Если применяется многовитковая рамка (катушка), то ее момент возрастает пропорционально первой степени числа витков п.

Сравнивая выражения поля рамки (59) и магнитного диполя мы можем

, установить связь между дипольным моментом магнитного диполя  и рамочным моментом электрической рамки

.                                                           (60)

Пользуясь этим соотношением, найдем   R_Σ  рамочной   антенны, находящейся в свободном пространстве.

 ,            (61)

Здесь использовано   соотношение   между    и , следующее из принципа двойственности   для элементарных диполей

,

Для многовитковых рамок результирующая   площадь рамки составляет . Отсюда равно

.                                                     (62)

Из выражения (61) следует, что сопротивление излучения малых рамок уменьшается пропорционально четвертой степени их линейного размера (радиуса а), в то время как диполей уменьшается пропорционально лишь второй степени их линейного размера. Следствием этого являются весьма малые сопротивления излучения и низкий к.п.д. рамочных антенн.

Качество рамочной антенны, как «пеленгатора» зависит от точности совпадения нуля ее диаграммы направленности с геометрической осью рамки. Если не принимать специальных мер, то возможно смещение и заполнение нуля диаграммы вследствие так называемого антенного эффекта рамки. Он проявляется в том, что в ряде случаев рамка может принимать как вертикальный вибратор, если ее питание не строго симметрично (рис. 63). На схеме рис. 63 дери наличии нескомпенсированной емкости монтажа С распределение токов таково, что на входе приемника создается напряжение под влиянием антенного эффекта.

Чтобы устранить несимметрию питания рамки, применяют экранированные рамки с разрезом экрана в его верхней точке (рис.64). В таких рамках токи, возникающие под действием антенного эффекта I₁и I₂, замыкаются по внешней поверхности экрана на Землю, минуя катушку связи с приемникам. При этом напряжение на разрезе экрана равно нулю.

В то же время полезная составляющая тока I₃ (рис.63), текущая в направлении витка рамки, создает на разрезе экрана напряжение, которое возбуждает поле внутри экрана, передаваемое вдоль провода рамки, как   по коаксиальной линии, к катушке связи с приемником.

Таким образом, экранированная рамка обеспечивает прием только за счет рамочного эффекта и лишена антенного (дипольного) эффекта. Поворот диаграммы направленности рамки в процессе пеленгования при размерах рамки ~ 10 м и более целесообразно производить, не поворачивая самой антенны. Для  этогоприменяют две вертикальные рамки со взаимно перпендикулярными плоскостями, называемые радиогониометром. Такая шара рамок эквивалентна кресту горизонтальных магнитных диполей. При синфазном питании диполей токами I_хи I_у, находящихся в разных соотношениях, можно менять положение результирующего магнитного диполя (рис. 65). Причем угол его поворота φ будет определяться как

Соотношение токов изменяется посредством подвижной катушки связи, соединенной с

приемником и вращающейся относительно двух других неподвижных катушек с перпендикулярными осями, каждая из которых питает свою рамку.

б) Антенна бегущей волны Бевереджа

Антенна бегущей волны Бевереджа (представляет собой горизонтальный провод, длиной в несколько километров, подвешенный над Землей на высоте hоколо 5 ÷ 8 м и нагруженный на одном конце на согласованную заземленную нагрузку (рис. 66).

Несмотря на малую электрическую   высоту   подвеса h/λ, в горизонтальном проводе наводится некоторая э.д.с., главным образом под действием горизонтальной составляющей поля Е. Дело в том, что вследствие неидеальной проводимости Земли на ее поверхности   касательная   составляющая E_t не равна нулю, и результирующий вектор  вблизи поверхности Земли несколько наклонен по отношению к ее нормали. Поэтому в отличие от рассмотренных ранее проводов с бегущей волной тока, антенна Бевереджа обеспечивает   максимум приема в направлении своей оси (рис. 67).