Широкодиапазонные антенны. Ромбическая антенна. Коротковолновая антенна бегущей волны

2. Широкодиапазонные антенны

Диапазонные антенны с перекрытием по частоте в несколько раз могут быть построены главным образом на базе антенн бегущей волны (антенны с осевым излучением), практически лишенных резонансных узкополосных элементов. Поскольку их максимум диаграммы направленности должен быть расположен сравнительно низко над землей, ось таких антенн должна располагаться параллельно поверхности земли в направлении на корреспондента.

При ширине диаграммы направленности, около 10 ÷  15° электрическая длина оптимальной антенны этого типа согласно формуле (95) из части I конспекта равна

.

Таким образом, даже при самой короткой длине волны — 10 м геометрическая длина антенны должна составлять не менее 100 м. Следовательно, территория для размещения только одной антенны, обслуживающей в лучшем случае два направления—прямое и обратное (при питании ее с одного и другого конца), оказывается весьма значительной. Это является недостатком антенн данного типа.

Рассмотрим две основные диапазонные антенны: ромбическую и коротковолновую антенну бегущей волны.

а) Ромбическая антенна

Простейшая ромбическая антенна представляет собой проволочный ромб (рис. 44, а), подвешенный горизонтально над землей на опорах с изоляторами и питаемый двухпроводной линией с одной вершины, и нагруженный на согласованную нагрузку с противоположной вершины.

Согласованное сопротивление для приемных антенн выполняется мастичным, а для передающих — в виде двухпроводной линии с заметными потерями (из железного провода), длиной до 500 м, которая компактно монтируется на опорах вблизи вершины ромба.

В проводах ромбической антенны, благодаря согласованной нагрузке, устанавливается бегущая волна тока, фазовая скорость которой близка к скорости света, а коэффициент замедления равен

Для поддержания постоянного волнового сопротивления линии на участке самого ромба его провода делаются двойными (рис. 44, б). При этом эффективный диаметр провода оказывается равным

,                                                          (48)

где d— диаметр каждого проводника;

t (z) — переменное расстояние между проводниками одной стороны ромба.

Значения t(z) подбираются таким образом, чтобы   выполнялось условие

,                                                        (49)

на всей длине ромба.

Формирование диаграммы направленности ромбической антенны можно представить следующим образом, разбив ее на четыре отдельных вроёода, каждый из которых близок по своим свойствам к идеальной линейной антенне бегущей волны (см. часть I конспекта).   Диаграмма направленности каждой такой антенны имеет вид, показанный на рис 45, а .

Основное значение для формирования главного лепестка суммарной диаграммы ромбической антенны имеют лепестки диаграмм отдельных проводов, ориентированные в направлении оси ромба. В пределах этого лепестка пара проводов 1 и 3 может рассматриваться как синфазная антенна-решетка из двух элементов. Чтобы убедиться в синфазности их полей в главном направлении, достаточно учесть, что токи в проводах 1 и противофазны, а кроме того, противофазны поля в тех лепестках диаграмм направленности 1 и 3, которые используются для формирования суммарного главного лепестка (рис. 45, б).

Аналогично складываются шля и для пары проводов 2 и 4 (рис. 45, б).

Для синфазного сложения полей от обеих   пар   проводников должно выполняться условие

,                                                               (50)

где  — фазовое запаздывание тока в проводе ромба на участке между серединами проводов 1 и 2 (или 3 и 4), равное ;

 — фазовое запаздывание полей на участке пути (рис. 46), длина которого  равна

,                                                      (51)

где φ — половина угла при вершине ромба (рис. 44).

Фазовый сдвиг π в (50) учитывает, что первая и вторая пара излучателей при синфазных токах имеют противофазные поля, и эта разность фаз должна быть скомпенсирована.

В диапазоне волн условие (50) в точности не выполняется, но расфазировка полей лежит в приемлемых пределах. Практически размеры антенны устанавливаются   следующими

l≈ (2 ÷ 6)λ, α  ≈   10° ÷30°.

Высота подвеса ромбической антенны выбирается из расчета получения максимума диаграммы направленности с учетом влияния земли в заданное секторе углов α_m≈ 7° ÷20° (рис. 46) Это условие выполняется, если главный лепесток диаграммы целиком укладывается в самый нижний лепесток, множителя комбинирования (рис. 47), записанного для пары антенн: реальной и зеркально отраженной с учетом противофазности их токов. Исходя из этих соображений, высота подвеса h обычно принимается равной .

В пределах коротковолнового диапазона ромбические антенны с размерами, указанными выше, имеют КНД порядка D≈ 20 ÷ 125.

Одной из отличительных особенностей ромбических антенн является значительный уровень боковых лепестков, связанный с наличием в диаграмме направленности каждого из четырех проводов одного большого лепестка, направленного под углом к главному направлению.

Для подавления бокового излучения и повышения КНД применяется так называемый двойной ромб Айзенберга, представляющий собой два синфазно питаемых ромба (рис. 48), разнесенных в горизонтальном  направлении на расстояние около 0,8λ_cp. Это позволяет увеличить КНД в 1,5—2 раза.

Коэффициент полезного действия ромбических антенн относительно невысок ~ 60—70%, что связано с необходимостью нагружать антенну на активное сопротивление, поглощающее часть полезной мощности.

б) Коротковолновая антенна бегущей волны

Коротковолновая антенна бегущей волны так же, как и ромбическая, относится к антеннам с осевым излучением. Она представляет собой несколько десятков (до 40) горизонтальных симметричных вибраторов длиной 4 ÷ 8 м, подвешенных на высоте 15 ÷ 20 м над землей с интервалом d ≈ 0,8λ_cp (рис. 49) и образующих антенну-решетку бегущей волны.

Питаниевибраторов осуществляется от двухпроводной линии, нагруженной на согласованное сопротивление.

Для того чтобы распределение напряжения вдоль линий в диапазоне частот не зависело от входных сопротивлений сравнительно узкополосных вибраторов, шунтирующих линию своим Z_вх, элементы решетки подключаются к линии через небольшие емкости (С~5 мкф) или активные сопротивления (R~180÷200 ом).

Остаточное шунтирующее действие вибраторов проявляется в том,   что линия   получает дополнительную   распределенную емкостную или  активную проводимость.

Вследствие этого волна в линии в первом случае получает некоторое замедление, а во втором — затухание.

При малой связи вибраторов с линией большая часть энергии их линии поступает в оконечную нагрузку, а меньшая в излучатели. В результате к.п.д. таких антенн при емкостной связи довольно низок и составляет около 0,5 ÷ 20%. Поэтому коротковолновые антенны бегущей волны в основном применяются как приемные.

Использование для связи активных сопротивлений позволяет увеличить связь линии с вибраторами без ухудшения диапазонных свойств антенны в целом. При этом к.п.д. может быть доведен до 20 ÷ 60 %.

Отличительной чертой данной антенны по сравнению с ромбической является малый уровень боковых лепестков диаграммы направленности (рис. 50).

Это также делает наиболее выгодным   применение данной антенны в качестве приемной, поскольку ее диаграмма направленности позволяет заметно ослабить прием   помех с боковых направлений и улучшить качество приема полезного сигнала.