Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
5
ГЛАВА 8. АНТЕННЫ ДЕКАМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА
8.1. Особенности коротковолновых антенн. Учет влияния земли на диаграмму направленности
К диапазону декаметровых (или коротких) волн относят радиоволны длиной 10 ... 100 м. Основная область использования этого диапазона - связь на большие расстояния (сотни и тысячи километров), которая осуществляется с помощью пространственных волн, достигающих места приема либо однократным отражением от верхних слоев ионосферы (слои F2 F1E), либо многократным отражением от ионосферы и поверхности Земли. Поэтому направление максимального излучения (приема) антенны должно составлять с линией горизонта некоторый угол (∆mах). Радиус действия земной волны в декаметровом диапазоне волн из-за сильного поглощения в земле сравнительно невелик и при обычно используемых мощностях передатчиков составляет несколько десятков километров, лишь незначительно превышая (из-за дифракции) расстояние прямой видимости.
Волны данного диапазона используют для построения систем дальней связи, для радиовещания, исследования ионосферы, дальней (загоризонтной) радиолокации и т. п. В этих случая обычно применяют горизонтальные антенны, так как горизонтально поляризованные волны при отражении от почвы при углах наклона ≤ 30° испытывают меньшее поглощение, чем вертикально поляризованные.
При связи на небольшие расстояния (связь с помощью земной волны) используют антенны вертикальной поляризации. Чаще всего из-за конструктивных преимуществ применяют несимметричные вибраторы. Вертикальные вибраторы создают более интенсивное излучение, чем горизонтальные, вдоль поверхности земли.
На декаметровых волнах удается выполнять антенны, размеры которых превосходят длину волны в несколько раз и которые обладают значительным направленным действием. Сопротивление излучения таких антенн значительно больше сопротивления потерь, вследствие чего КПД антенн в большинстве случаев близок к единице.
Основные особенности антенн KB диапазона связаны с тем, что условия прохождения коротких волн определяются состоянием ионосферы, зависящим от времени суток, времени года, солнечной активности и т. п. Для обеспечения непрерывной радиосвязи необходимо иметь несколько рабочих волн, значительно отличающихся друг от друга. В связи с этим желательно применять антенны диапазонного типа, что позволит повысить маневренность радиоцентров в отношении возможности выбора рабочих частот.
Вследствие непрерывного изменения состояния ионосферы изменяются углы прихода (наклона) волн. Поэтому антенна должна достаточно интенсивно излучать (принимать) в определенном секторе углов прихода лучей. Наиболее вероятные значения углов прихода (∆) изменяются в пределах 5 ... 25°. В соответствии с приведенными данными должна выбираться ширина ДН антенны в вертикальной плоскости. Для обеспечения радиовещанием очень удаленных территорий приходится применять антенны с большим КУ, имеющие в коротковолновой части рабочего диапазона ширину ДН в вертикальной плоскости меньшую, чем сектор наиболее вероятных углов прихода лучей. У таких антенн желательно предусмотреть формирование по крайней мере двух ДН, одна из которых имеет максимум под более низкими углами возвышения, а другая - под более высокими. Сужение ДН в вертикальной плоскости является также эффективным средством борьбы с замираниями и явлением эха, присущими KB диапазону. В этом случае конструкция антенны должна обеспечивать возможность управления положением луча в вертикальной плоскости. Для устранения явления кругосветного эха, как передающие, так и приемные антенны должны обладать однонаправленными свойствами, коэффициент защитного действия антенн должен быть велик.
Для уменьшения помех, создаваемых близкими по частоте радиостанциями, а также помех грозового и промышленного происхождений УБЛ ДН приемных антенн должен быть мал. При этом, кроме того, уменьшаются эффекты замираний и эха.
Другие особенности KB антенн вызваны стремлением удешевить стоимость антенных полей радиоцентров. Поскольку хорошие
характеристики можно получить только от антенн, размеры которых соизмеримы с λ, то KB антенны обычно являются довольно сложными и дорогими инженерными сооружениями, которые занимают на крупных радиоцентрах территорию в сотни гектаров и стоимость которых достигает 40 % стоимости всего радиоцентра. Известны следующие способы экономии территории и уменьшения стоимости:
- так называемое многократное использование антенн. Например, одна антенна может обслуживать одновременно (при наличии специальных фильтрующих устройств) несколько передатчиков (приемников). В этом случае от антенны требуется лишь достаточная широко» полосность или многочастотность (возможность работы на нескольких фиксированных частотах при заданных для каждой из частот характеристиках);
- применение специальных сложных антенн с несколькими входами и различными характеристиками при возбуждении разных входов с возможностью независимого управления ДН, соответствующими этим входам;
- использование антенн, обладающих возможностью реверсирования, т.е. изменения направления излучения на противоположное при изменении точки питания.
Значительное влияние на излучение KB антенн оказывает Земля, поверхностный слой которой по своим электрическим параметрам относится к полупроводящим средам. Оценка влияния Земли сводится к следующему.
Поле, создаваемое антенной в присутствии Земли, можно рассматривать как сумму первичного поля, непосредственно излучаемого антенной, и вторичного (отраженного) поля. Влиянием Земли на структуру первичного поля обычно пренебрегают, т. е. считают его таким же, как в свободном пространстве. Отраженное поле учитывается методом, который является развитием метода зеркальных изображений, при этом землю считают плоской. Первичное поле, падающее на плоскую границу Земли, которую будем считать однородной и изотропной, может быть представлено в виде суперпозиции плоских однородных и неоднородных электромагнитных волн. Однородные волны падают на границу под различными углами и отражаются в соответствии с законом Снеллиуса. Амплитуды однородных плоских волн пропорциональны значениям комплексной ДН (в свободном пространстве) для соответствующих углов. Амплитуды отраженных однородных волн, очевидно, равны амплитудам падающих волн, умноженным на соответствующие коэффициенты Френеля, причем амплитуда отраженной волны, распространяющейся в некотором направлении (∆, φ), определяет соответствующее значение ДН, формируемой отраженными волнами.
Первичные неоднородные плоские волны порождают отраженные неоднородные волны, экспоненциально убывающие при удалении от границы раздела. Их следует учитывать только при рассмотрении процессов зарождения и распространения земной волны.
Пусть антенна расположена на высоте h от поверхности Земли (точка 1 на рис.1). Обозначим ее ДН в собственной системе координат как f (∆, φ). Введем также систему координат центром О, расположенным на поверхности Земли непосредственно под антенной.
Применяемые на практике антенны, состоящие из решеток горизонтальных или вертикальных вибраторов, обычно в вертикальной плоскости имеют симметричную первичную ДН.
Учитывая это обстоятельство, результирующую ДН, которую будем обозначать f3 (∆, φ) с учетом влияния Земли, можно представить:
(1)
Рис. 1 – Первичные неоднородные плоские волны
где R (∆) и Ф(∆) - модуль и фаза коэффициента отражения для соответствующей поляризации; f (∆, (φ) - первичная ДН по соответствующей поляризации. В большинстве случаев нас интересует амплитудная ДН, которая представляется как:
(2)
Отметим, что, хотя эта формула была получена в предположении однородности поверхности Земли, ею можно пользоваться и тогда, когда параметры почвы ε и σ являются медленно меняющимися функциями координат (термин «медленно меняющаяся функция» означает, что изменения εr и σ должны быть незначительными на участке поверхности длиной λ). В этом случае функции R(∆) и Ф(∆) следует вычислять для каждого ∆ в соответствии с локальными характеристиками поверхности в точке отражения, определяемой по законам геометрической оптики.
Он являлся предметом научного интереса многих ученых с мировыми именами (Зоммерфельд, Вейль, Ван-дер-Поль, Фок, Бреховских и др.). Приведем лишь окончательные результаты. При параллельной поляризации земная волна на небольших расстояниях от антенны изменяется как е-ikr/r, причем ее амплитуда равна удвоенной амплитуде поля антенны в отсутствие Земли. С ростом r скорость убывания напряженности поля постепенно возрастает, стремясь к величине 1/r2 (еще раз напомним, что рассматривается случай плоской Земли). Дополнительные сведения по этому вопросу приводятся в главах, посвященных распространению радиоволн.
При горизонтальной (нормальной) поляризации амплитуда земной волны оказывается весьма малой, поэтому использование этой волны для целей радиосвязи практического значения не имеет. В этом случае без большой погрешности можно считать, что ДНf3(∆, φ), выражаемая формулой (2), отражает поведение полного поля дальней зоны антенны.
Отметим, что при нормальной поляризации для реальной Земли коэффициент R1(∆) при всех ∆ мало отличается от -1. Особенно сказанное справедливо при малых ∆, которые для антенн дальней связи и представляют основной интерес. Это приводит к тому, что ДН по нормальной поляризации оказывается близкой к ДН той же антенны над идеально проводящей плоскостью. Отличие состоит лишь в том, что нулевые провалы, обусловленные интерференцией первичного и отраженного полей, в случае реальной Земли заменяются минимумами, причем тем более глубокими, чем под меньшими углами к поверхности Земли они расположены. В направлении вдоль поверхности Земли (∆ = 0)R1 = -1, поэтому здесь нулевой провал сохраняется и максимум ДН оказывается отклоненным от поверхности Земли на некоторый угол ∆mах, зависящий, в частности, от высоты подъема антенны h. Это обстоятельство полезно используется для ориентации направления максимального излучения под желаемым углом к поверхности Земли.
В настоящее время на линиях связи большой длины обычно применяют сложные антенны диапазонного типа, для линий связи небольшой длины - простые антенны, как диапазонные, так и узкополосные (настраиваемые).
8.2. Простые KB антенны
К простым антеннам обычно относят симметричные и несимметричные вибраторы, диапазонные вибраторы Надененко, шунтовые диапазонные вибраторы, уголковую антенну Пистолькорса и ряд других. Рассмотрим сначала конструкции горизонтальных антенн.
Из-за конструктивной простоты симметричный вибратор является одной из самых распространенных антенн. В KB диапазоне используют как горизонтальный, так и вертикальный симметричный вибратор. Горизонтальный вибратор выполняется из твердотянутого бронзового или биметаллического провода диаметром 4 ... 6 мм. При этом волновое сопротивление вибратора порядка 1000 Ом. Вибратор растягивается между двумя мачтами (деревянными, асбоцементными и т. п.) с помощью оттяжек, закрепленных у концов вибратора на изоляторах. Мачты также поддерживаются оттяжками, причем для уменьшения наводимых токов оттяжки расчленяются изоляторами на отрезки не длиннее чем λ/4. При высотах подвеса h = λ/2 ... λ угол максимального излучения ∆max=30...15°.
Симметричный вибратор предназначается для работы на фиксированной частоте (узкополосная антенна) в диапазоне (0,2...0,25) ≤ l/λ ≤ (0,63...0,67). При увеличении l/λ выше 0,63...0,67 ухудшаются направленные свойства вибратора. Минимальная величина отношения l/λ определяется допустимой наименьшей величиной естественного КБВ (КБВ без элементов настройки) в линии, равной 0,1...0,15. При уменьшении отношения l/λ падает активная и увеличивается реактивная составляющие входного сопротивления вибратора, вследствие чего уменьшается естественный КБВ. С помощью дополнительных настроечных элементов хорошее согласование на одной частоте может быть осуществлено при любом l/λ. Однако если естественный КБВ становится меньше 0,15, то согласование легко нарушается, например при изменении погодных условий.
Для работы в широком непрерывном диапазоне волн применяют вибраторы с пониженным волновым сопротивлением (диполь Надененко), диапазонные шунтовые вибраторы и плоские самодополнительные вибраторы.
Шунтовые диапазонные вибраторы, применяемые на KB, могут выполняться как в проволочном, так и в жестком варианте. С помощью шунтовых вибраторов удается обеспечить удовлетворительное согласование с КБВ > 0,3 в более чем четырехкратном диапазоне (0,16 ≤ l/λ, ≤ 0,65).
Примерно такой же широкополосностью обладают излучатели, являющиеся аналогами плоских вибраторов с плечами треугольной формы. В диапазоне KB металлические пластины заменяют системой проводов, что приводит к некоторому ухудшению диапазонных свойств. Входное сопротивление плоского вибратора можно варьировать изменением угла при вершине плеча. Достаточная широ-кополосность сохраняется при углах 60...90°. При питании антенны посредством фидера W- 220 Ом естественный КБВ ≥ 0,5 сохраняется примерно в трехкратном диапазоне волн.
Для сужения ДН вибратора и придания ей однонаправленных свойств применяют настроенные пассивные вибраторы - рефлекторы или директоры, располагаемые на расстояниях порядка (0,1...0,3)λ.
Для радиосвязи с корреспондентами, расположенными в различных направлениях, требуется расширение ДН. В этих случаях используют уголковые антенны, предложенные А. А. Пистолькорсом, имеющие в горизонтальной плоскости ДН, близкие к круговым.
Уголковая антенна (рис. 2) представляет собой симметричный горизонтальный вибратор, плечи которого расположены под углом 90° друг к другу. Слабая направленность антенны в горизонтальной плоскости объясняется тем, что направления максимального излучения каждого плеча антенны перпендикулярны друг другу. Диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости зависит от отношения l/λ, причем наиболее равномерное излучение получается при l/λ ≈ 0,5. В вертикальной плоскости ДН получаются близкими к ДН обычного симметричного вибратора. С целью улучшения согласования с фидером в широком диапазоне в таких антеннах обычно использую вибраторы Надененко или шунтовые вибраторы.
Рис. 2 – Угловая антенна
К простым антеннам можно отнести и так называемые антенны зенитного излучения. Они применяются на коротких линиях связи (до 300 км), когда углы прихода ∆ = 50...90°. При таких больших углах отражение от ионосферных слоев имеет место лишь для низкочастотной части KB диапазона с λ = 60...80 м, отведенной для местного радиовещания. По соображениям, связанным с условиями распространения радиоволн, в качестве зенитных антенн целесообразно использовать излучатели с круговой поляризацией, причем должна быть предусмотрена возможность оперативного изменения направления вращения при переходе с работы в дневное время на работу в ночное время.
Наиболее простой антенной зенитного излучения мог бы служить турникетный излучатель. Однако его ДН излишне широка. С целью увеличения КНД, а также скорости спадания уровня излучения за пределами рабочего сектора углов, что необходимо для повторного использования частот на других радиостанциях, в качестве антенн зенитного излучения применяются антенные решетки, состоящие из турникетных излучателей. Сами турникетные излучатели выполняются на базе либо вибраторов Надененко, либо проволочных аналогов плоских квадратных излучателей. Типовая антенна зенитного излучения, состоящая из четырех турникетных излучателей с диполями Надененко, показана на рис. 3. Электрический контакт между пересекающимися на рисунке вибраторами отсутствует, так как по вертикали они смещены. Геометрические размеры антенны: l = 30 м, d = 31 м, высоты подвеса пар вибраторов над землей 14 и 17 м. Вибраторы выполняются из шести проводов диаметром 4 мм, расположенных по образующим кругового цилиндра радиусом 12 м. Подробности, связанные со схемой питания антенны, можно найти в справочниках.
Для создания поля вертикальной поляризации обычно применяются симметричные и несимметричные вертикальные вибраторы с пониженным
Рис. 3 – Антенна зенитного излучения
волновым сопротивлением по типу диполя Надененко. В качестве проводов, образующих вибратор, часто используют отделенные изоляторами участки оттяжек деревянных или асбоцементных мачт.
Симметричные вертикальные вибраторы питаются с помощью двухпроводного фидера (рис. 4). Несимметричные вертикальные вибраторы могут выполняться как в варианте Надененко, так и в виде аналогов плоских и конических вибраторов. Различные варианты несимметричных вибраторов схематично показаны на рис. 5.
Особенностью вертикальных несимметричных вибраторов является необходимость металлизации поверхности земли под вибратором. Поверхностный слой почвы вблизи вибратора входит непосредственно в цепь входного тока и определяет основную часть мощности потерь.
Рис. 4 – Симметричный вертикальный вибратор
Рис. 5 – Несимметричные вибраторы
Металлизация поверхности позволяет существенно снижать уровень теряемой мощности.
Металлизация осуществляется с помощью 80…120 проводов длиной (1,5...2)l, веерообразно расходящихся от нижнего основания вибратора. Чтобы избежать повреждений, провода могут прокладываться на глубине 15...20 см. От качества металлизации зависит КПД вибратора. В приемном режиме допустимое значение КПД ниже, чем в передающем, поэтому при использовании вибратора только для приема достаточно 10... 15 проводов длиной около 0,5l.
Несимметричные вибраторы питаются с помощью либо коаксиального кабеля, либо его проволочного аналога - проволочной коаксиальной линии.
8.3. Синфазные горизонтальные диапазонные антенны (СГД)
Антенны СГД являются основным типом передающих антенн, применяемых в KB диапазоне для радиовещания и радиосвязи на трассах большой протяженности. Основными преимуществами антенн СГД являются возможности получения высокого КНД (и КУ, антенны имеют высокий КПД), а также управления ДН в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Антенны типа СГД могут работать без перестройки в непрерывном диапазоне волн с коэффициентом перекрытия 2 ... 2,5.
Антенна представляет собой плоскую синфазную решетку, состоящую из нескольких рядов (этажей) синфазно возбуждаемых симметричных вибраторов, расположенных на определенном расстоянии d2 друг от друга (рис. 6).
В настоящее время наиболее распространены двух- (трасса длиной 1000 ... 3000 км), четырех- (трасса длиной от 2000 до 6000 ... 8000 км) и восьмиэтажные (траса от 6000 км и более) антенны.
Синфазность возбуждения всех вибраторов на любой длине волны достигается благодаря тому, что расстояния от точек питания отдельных вибраторов до точек присоединения главного фидера (точки а1, а2) одинаковы.
Диапазонность по входному сопротивлению обеспечивается применением диапазонных вибраторов, а также включением в распределительные фидеры, подводящие питание к вибраторам, ступенчатых трансформаторов (трансформирующих вставок), обладающих различными волновыми сопротивлениями (на рис. 6 эти трансформаторы обозначены цифрами 1…4).
Рис. 6 – Антенна СГД
При тщательном подборе волновых сопротивлений ступенчатых трансформаторов можно получить КБВ в главном фидере не ниже 0,6...0,65 в двукратном диапазоне волн.
В качестве вибраторов применяют: проволочные вибраторы с пониженным волновым сопротивлением (W = 280...470 Ом), состоящие из трех проводов и имеющие треугольное поперечное сечение; жесткие шунтовые вибраторы и самодополнительные проволочные плоские вибраторы. В решетках, выполненных по принципу самодополнительности, можно уменьшить число этажей, что объясняется большими вертикальными размерами плоских вибраторов. Кроме того, увеличивается допустимая подводимая мощность.
В антеннах СГД наиболее часто применяют вибраторы с длиной плеча (0,35… 0,45)λ0, где λ0 = ; соответственно самые длинная и короткая волны рабочего диапазона.
Для создания однонаправленного излучения антенна снабжается рефлектором, располагаемым на некотором расстоянии dp от полотна антенны. Могут применяться рефлекторы трех типов: пассивные настраиваемые, апериодические и активные (питаемые).
Настраиваемый рефлектор выполняется в виде полотна из вибраторов (аналогично полотну антенны) и возбуждается благодаря пространственной электромагнитной связи между полотнами. К точкам a1 а2 рефлектора присоединяется отрезок линии, длина которого регулируется короткозамыкателем и который служит для настройки рефлектора.
Рис. 7 – Самодополнительные проволочные плоские вибраторы
Рефлектор устанавливается на расстоянии dp = (0,25.. .0,27)λ0. Использование настраиваемого рефлектора целесообразно в тех случаях, когда имеется необходимость в изменениях направления излучения (приема) на обратное.
Апериодический рефлектор представляет собой плоский экран, выполненный из горизонтальных проводов, параллельных осям вибраторов. Он устанавливается сзади антенны на расстоянии dp = (0,27...0,3)λ0. Размеры экрана несколько превосходят размеры полотна антенны. Апериодический рефлектор позволяет по сравнению с настроенным рефлектором значительно уменьшить уровень излучения в обратном направлении, что весьма важно для уменьшения взаимных помех радиостанций. Для этого расстояние между проводами экрана должно быть примерно (0,035...0,07)λ0.
Основным достоинством антенны с апериодическим рефлектором является ненужность настройки, а недостатками - сложное конструктивное выполнение и почти полное отсутствие электрической прозрачности (т.е. возможности прохождения электромагнитных волн, излучаемых другими антеннами).
Активно питаемый рефлектор, так же как и настроенный, представляет собой полотно, идентичное полотну антенны, возбуждаемое за счет части мощности, подведенной к рефлектору от генератора. Антенна СГД с активным диапазонным рефлектором не требует перестройки при смене рабочих волн. Такой рефлектор целесообразно применять в тех случаях, когда антенна используется при частой смене рабочих волн.
Чем больше число этажей m, тем уже главный лепесток и меньше угол ∆mах. Увеличение высоты подвеса антенны сопровождается сужением и прижатием к земле главного лепестка, а также увеличением УБЛ в вертикальной плоскости. Высота подвеса нижнего этажа обычно выбирается равной λ0...1,75λ0. При увеличении рабочей длины волны ДН антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях расширяются. Антенны СГД подвешиваются на деревянных, асбоцементных или металлических мачтах высотой до 100 м и более.
Для управления ДН в вертикальной плоскости полотно антенны обычно разбивают на две группы с равным числом вибраторов в каждой группе и изменяют соотношение фаз токов, протекающих в вибраторах различных групп.
Контрольные вопросы
1. Особенности антенн КВ диапазона.
2. Влияние Земли на излучение КВ антенн.
3. Амплитудная ДН КВ антенн.
4. Типы антенн КВ диапазона.
5. Антенна симметричный вибратор.
6. Шунтовой диапазонный вибратор.
7. Антенна зенитного излучения.
8. Особенность вертикальных несимметричных вибраторов.
9. Синфазные горизонтальные диапазонные антенны.
10. Особенности конструкции вибраторов синфазных горизонтальных диапазонных антенн.