Рис. 1.21. Синфазная горизонтальная антенна

Предположим, что такая антенна используется как приемная. Диаграмма направленности каждого вибратора в вертикальной плоскости представляет собой окружность. На рис. 1.22 показаны горизонтальные полуволновые вибраторы, расположенные в два этажа (плоскость чертежа совпадает с вертикальной плоскостью) на расстоянии / = TJl.

При достаточном удалении источника принимаемых волн линии и , соединяющие вибраторы с этим источником, можно считать параллельными. Поэтому токи от вибраторов будут складываться в общей линии, присоединенной к ним. Если угол прихода ф = 90°, то г, и /-2 равны и токи складываются с одинаковой фазой. При ф ф 90° появляется разность расстояний г и /-2, представленная на рис. 1.22, а отрезком d. Если же d = Ul, то токи в вибраторах окажутся в противоположных фазах, суммарный ток будет равен нулю и приема сигналов с этого направления не будет.

Таким образом, система из двух горизонтальных вибраторов, расположенных на разных высотах (этажах) относительно земли, даст диаграмму направленности в вертикальной плоскости, изображенную на рис. 1.22, б сплошной линией. Чем больше этажей, тем уже диаграмма направленности.

Для магистральной связи в качестве приемных и передающих антенн применяются антенны с узкими диаграммами направленности в обоих плоскостях, содержащие 32 и более вибраторов. Коэффициент усиления этих антенн более 160. С изменением длины волны расстояние между этажами будет отличаться от значения В результате вибраторы разных этажей будут питаться токами разных амплитуд и фаз. Все это искажает диаграмму направленности. Поэтому такие антенны могут применяться в узком диапазоне волн ( ахАтш-а 1,35 для двухэтажной; iaxAmm ~ 1,15 для четырехэтажной).

Рис. 1.22. К пояснению влияния числа вибраторов на диаграмму направленности синфазной горизонтальной антенны в вертикальной плоскости

Для того чтобы получить остронаправленную диапазонную антенну, необходимо обеспечить без перестройки элементов антенно-фидерной системы постоянство направления максимального излучения, а по возможности и всю диаграмму направленности при изменении длины волны. Это может быть успешно решено, если во всей антенной системе создать режим бегущих волн. К такому типу антенн относится ромбическая антенна, изображенная на рис. 1.23. Она состоит из четырех горизонтальных проводов 1-4, образующих стороны ромба. Генератор подключается к проводам 1 и 3 с помощью фидера, волновое сопротивление которого равно волновому сопротивлению антенны. Концы проводов 2 и 4 замкнуты на активное сопротивление, также равное волновому. Таким образом, во всей антенной системе создается режим бегущих волн.

Каждый провод антенны создает излучение, максимум которого направлен под углом фа к проводу. Если острый угол ромба равен 2фд, то основные лепестки (а, aj, Эд, а) диаграммы направленности всех четырех проводов совпадают по форме и направлению. При этом максимум излучения совпадает с направлением большой диагонали ромба.

При достаточно большой длине провода (/ > 4>-) изменение длины волны существенно не изменяет угол фтах, следовательно, направление максимального излучения ромбической антенны сохраняется постоянным в широком диапазоне волн. Рабочий диапазон волн ромбической антенны составляет (0,8...2,5)>-. Для перекрытия

Генератор

Рис. 1.23. Ромбическая антенна

всего диапазона коротких волн достаточно иметь две ромбические антенны.

Недостатком ромбической антенны является сравнительно низкий КПД, обусловленный тем, что часть энергии, поступающей от передатчика, поглощается в сопротивлении нагрузки и не расходуется на излучение, а диаграмма направленности характеризуется довольно большими боковыми лепестками (Ь, -Ь на рис. 1.23). Последний недостаток в значительной степени устраняется в двойной ромбической антенне (РГД). Антенна состоит из двух полотен ромбических антенн, смещенных по горизонтали в направлении малой диагонали и соединенных параллельно в вершинах острых углов. Высота подвеса ромбов отличается на 2...3 м, что исключает возможность замыкания между проводами антенны. Это позволяет уменьшить интенсивность боковых лепестков и значительно увеличить коэффициент усиления антенны.

Для получения диаграммы направленности с одним главным направлением излучения или приема рассмотрим систему, состоящую их двух вибраторов 1 и 2, удаленных друг от друга на расстояние d = 0,25Х, токи в которых равны по амплитуде, а фазы сдвинуты относительно друг друга на 90° (рис. 1.24, а) так, что ток вибратора 2 опережает ток вибратора 1. Следовательно, в любой момент около виб-

1 2

0,25?.

Направление излучения

(р=0° (р=90

е2 fl2

U1 Е1

U1 Е1

Направление излучения о -

е2 £12

Рис. 1.24. Система из двух вибраторов:

а - вибратор с активным рефлектором; б - вибратор с пассивным рефлектором; в - вибратор с пассивным директором

ратора 2 формируется поле £2, опережающее по фазе на 90° поле £1, излученное вибратором 1. За время прохождения полем £2 расстояния d = 0,25Х от вибратора 2 до вибратора 1 произойдет отставание по фазе на угол 90°. Имевшееся опережение по фазе окажется скомпенсированным, и около вибратора 1 поля £1 и £2 обоих излучателей будут иметь одинаковые фазы. Таким образом, в направлении вибратора 1 будет распространяться волна с удвоенной напряженностью поля (левая векторная диаграмма на рис. 1.24, а).

При распространении в направлении вибратора 2 поле £1 вибратора 1, пройдя путь d = 0,25А. до вибратора 2, получит отставание по фазе на угол 90° и окажется в противофазе с полем £2 вибратора 2 (Фт = -90°, ф2 = +90°). Здесь поля взаимно компенсируются, и излучения в этом направлении не будет (правая векторная диаграмма на рис. 1.24, а). В рассмотренной системе вибратор 2 является отражателем и называется рефлектором или зеркалом. Рефлектор, который питается непосредственно от генератора, называется активным рефлектором.

Для упрощения конструкции антенн вибратор 2 часто выполняется пассивным. К нему не подводят питания. Пассивный вибратор возбуждается в этом случае полем активного вибратора. Рассмотрим, например, систему, состоящую из активного вибратора 1 и пассивного вибратора 2 (см. рис. 1.24, б). Предположим, что в вибраторе 1 генератором возбуждается ток Л. В вибраторе, как и в разомкнутой на конце линии с малыми потерями, устанавливается режим стоячей волны, при котором напряжение U отстает от тока Л на угол, близ-

КИЙ к 90° (векторная диаграмма на рис. 1.24, б). Напряжение (71 создает около вибратора 1 поле £1 , совпадающее с ним по фазе. При распространении поля £1 до пассивного вибратора 2 произойдет запаздывание фазы поля на угол 90° и поле у вибратора 2 - £12 будет отставать по фазе от тока Л на 180°. Поле £12 в вибраторе 2 наведет ЭДС е2, совпадающую по фазе с £12.

Пассивный вибратор 2 должен иметь плечо / > 0,25Х, т.е. общую длину, несколько большую 0,5}.. Реактивное сопротивление такого вибратора имеет индуктивный характер, и ток 12, обусловленный ЭДС е2, будет отставать от нее на угол, близкий к 90°. В результате ток 12 пассивного вибратора 2 оказывается отстающим от тока Л активного вибратора 1 на угол, близкий к 270°, что эквивалентно опережению на 90°. Пассивный вибратор с длиной 2/2 >0,5к в рассматриваемой системе ведет себя как пассивный рефлектор.

Если пассивный вибратор взять короче 0,5Х (см. рис. 1.24, в), то его реактивное сопротивление будет иметь емкостный характер. Теперь ток 12 будет опережать ток Л на угол, близкий к 90°. Максимум излучения будет направлен в сторону пассивного вибратора 2. За активным вибратором поле будет ослаблено. Такой пассивный вибратор называется директором.

Отметим, что антенны, использующие вышеописанный принцип, широко применяются и в диапазоне метровых волн. Наибольшее применение они нашли в качестве приемных телевизионных антенн метрового и дециметрового диапазонов.

Антенны метровых, дециметровых и сантиметровых волн.

В диапазоне УКВ используются преимущественно антенны, обладающие направленными свойствами хотя бы в одной плоскости. При малой длине волны такие антенны получаются достаточно компактными, что дает возможность, не встречая больших технических трудностей, делать их вращающимися. Благодаря этому имеется возможность, получая большой выигрыш в мощности и уменьшая взаимные помехи радиостанций, осуществлять связь по любым желаемым направлениям.

Антенны указанных диапазонов можно разделить на две группы: вибраторные и поверхностные. В диапазоне метровых волн наиболее часто используются различные симметричные и несимметричные вибраторы.

Рассмотрим в качестве примера некоторые типы телевизионных антенн.

Самой простой телевизионной приемной антенной является ди-польная антенна (линейный полуволновой вибратор) (рис. 1.25, а), а наиболее удобным в конструктивном отношении - петлевой вибратор Пистолькорса (см. рис. 1.25, б). Этот петлевой вибратор можно рассматривать как два полуволновых синфазных вибратора, распо-

0,5 >

0,5 >

Рис. 1.25. Дипольный (а) и петлевой (б) вибраторы и их диаграмма направленности (в)

ложенных на малом расстоянии друг от друга. В точке с вибратора располагаются пучность тока и узел напряжения, что соответствует режиму короткого замыкания. В точках b и d, отстоящих от с на 0,25Х, образуются узел тока и пучность напряжения. На зажимах антенны а и е возникает пучность тока. Наличие узла напряжения в точке с позволяет крепить вибратор в этой точке к стреле или мачте непосредственно без изоляторов.

Описанные антенны обычно могут обеспечить качественный прием телевизионных передач на сравнительно небольших расстояниях от телецентра, так как они являются слабонаправленными (см. рис. 1.25, в). Для приема на больших расстояниях или при неудовлетворительных условиях приема на малых расстояниях применяются более сложные антенны, имеющие лучшую направленность.

В диапазоне метровых волн в качестве направленных антенн большое распространение получили антенны типа волновой канал . Антенна волновой канал (рис. 1.26) состоит из активного вибратора А, рефлектора Р и нескольких директоров Д1, Д2, ДЗ. Из приведенной на рис. 1.26, б диаграммы направленности видно, что коэффициент усиления этой антенны довольно высок и она не будет реагировать на помехи с других направлений. Принцип действия рефлектора и директора рассмотрен нами выше.

Антенна типа волновой канал может работать и как передающая антенна. Активный вибратор А в этом случае излучает электромагнитное поле как в направлении рефлектора, так и в направлении директоров. Под воздействием этого поля в рефлекторе наводится ток, который создает вторичное поле - поле излучения рефлектора. Если длину рефлектора выбрать равной (0,51...0,53)>., а расстояние между рефлектором и активным вибратором (0,15...0,25)>., то вторичное поле, созданное рефлектором, будет опережать по фазе поле активного вибратора на угол около 90°. Результирующее поле за рефлектором будет равно разности напряженностей полей, созданных активным вибратором и рефлектором. В главном направлении - направлении