Режим сильного сигнала в радиолиниях СВЧ

В диапазоне СВЧ интересуются мощностью на входе приемника, а не напряжением. Здесь под чувствительностью понимают минимально необходимую мощность сигнала на входе приемника Р_{пр мин}. Чувствительность приемного устройства по-прежнему оценивается величиной Е_мин

Необходимо, чтобы Р_пр > Р_{пр мин} , Е > Е_мин

 

 

Случай, когда приемник подключается непосредственно к антенне - мощность, рассеиваемая на активной составляющей входного сопротивления приемника равна:

,

где I - амплитуда тока в цепи приемной антенны.

Т.к.: и .

Получаем: .

 

В режиме сильного сигнала необходимо стремиться к получению на входе возможно большей мощности - это имеет место при полном согласовании:

Для режима полного согласования: .

Если при этом антенна не имеет потерь и прием произво­дится с направления максимума ДН, то на вход приемника будет поступать наибольшая из всех возможных мощность:

- оптимальная мощность

При наличии потерь в антенне мощность уменьшается:

Из ранее приведенных формул можно определить оптимальную мощность, как:

и найти полезные соотношения между в режиме приема:

; ; , где – КНД в максимуме.

Цепочка расчетных формул теперь имеет вид:

При рассогласовании приемника с антенной для направления максимума приема имеем:

Отношение мощности на входе приёмника к оптимальной называется коэффициентом передачи мощности антенной цепи.

.

Случай, когда приемник подсоединяется к антенне с помощью фидера. При согласованной на обоих концах линии (- фидер) мощность будет отличаться от оптимальной на величину потерь в антенне и фидере:

В диапазоне СВЧ антенна обычно хорошо согласована с фидером , а приемник часто рассогласован с фидером. В этих условиях от приемника часть электромагнитной энергий отражается к антенне и полностью переизлучается, т.к. фидер согласован с антенной. Доля отраженной от приемника энергии определяется квадратом модуля коэффициента отражения на входе приемника . Таким образом, при отсутствии потерь в антенне и фидере на вход приемника попадает мощность: .

С учетом потерь: .

Т.к. , то

Коэффициент передачи мощности равен:

Из этого следует, что в режиме сильного сигнала на приемном конце радиолинии СВЧ необходимо стремиться к повышению КПД АФУ и улучшению согласования.

В режиме слабого сигнала мощность полезного сигнала на входе приемника соизмерима с мощностью внешних помех и собственных шумов приемника. При этом нормальное функционирование линии обеспечивается при отношении , не меньшем коэффициента различимости:

.

У современных приёмников приближается к единице (зависит от

конструкций, способа обработки сигнала, спектральных характеристик помех).

 

 

Режим слабого сигнала в радиолиниях ДВ,СВ,КВ

 

Здесь характерно то, что собственные шумы приемника можно не принимать во внимание, т.к. интенсивность внешних помех в этих диапазонах обычно гораздо больше интенсивности собственных шумов.

Как полезный сигнал, так и внешние помехи, попадающие по частоте в полосу пропускания приемника, совместно проходят через антенну и фидерный тракт, поэтому КПД, действующая длина и сте­пень согласования АФУ на величину почти не влияют. Однако эта величина в ряде случаев существенно зависит от направленнос­ти антенны:

.

Т.е. при равномерно распределенных помехах в пространстве применение направленных антенн дает увеличение отношения в раз. При неравномерном распределении помех выигрыш в за счет направленности антенны будет зависеть от этого распределения. При сосредоточенных источниках помех влияние антенны на помехозащищенность оценивается коэффициентом .

 

Режим слабого сигнала в диапазоне СВЧ

 

Помехи в этом диапазоне создаются сосредоточенными и распределенными источниками радиоизлучения, а также тепловыми радиоизлучениям Земли, окружающих предметов и атмосферы. Абсолютный уровень этих помех, как правило, очень мал, поэтому имеет смысл снижать собственные шумы приемника, увеличивая его чувствительность. Применением различных устройств чувствительность прием­ника может быть доведена до величин порядка Вт. При столь высоких чувствительностях заметную роль начинают играть помехи, вызванные тепловым движением электронов в антенне, фидере, устройствах согласования и коммутации, т.е., так называемый соб­ственный шум АФУ.

 

ЭФФЕКТИВНАЯ ШУМОВАЯ ТЕМПЕРАТУРА

 

Эффективная шумовая температура антенны или АФУ вводится как параметр приемной антенны при приеме слабых сигналов диапазона СВЧ по аналогии с источниками теплового шума.

При исследовании радиоприемных устройств СВЧ эффективная шумовая температура источника шумов (в градусах Кельвина) вводится как коэффициент, связывающий мощность шумов и полосу пропускания:

 

,

где - постоянная Больцмана

 

 

Эффективную шумовую температуру, характеризующую мощность всех внешних помех, называют условно шумовой температурой излучения . Ее обычно рассчитывают, вводя по­нятие яркостной температуры ис­точников помех . Участок по­верхности источника помех имеет температуру , если создаваемая им интенсивность помех равна интенсивности радиоизлучения соответствующего участка абсолютно черного тела, имеющего температуру , и такую же пространственную конфигурацию, что и источник помех. Интенсивность - это спектральная плотность мощности выходящей через единичную площадку поверхности излучающего тела в единичный телесный угол.

Для абсолютно черного тела: .

На приемную антенну попадает только та часть мощности, кото­рая излучается площадкой (элементарная площадка на излучающей поверхности) в телесный угол, опирающийся на площадку, равную эффективной площади антенны . Таким образом, спектральная плотность мощности излучения от площади на входе приемника, согласованного с антенной, равна:

где телесный угол, под которым видна от антенны излу­чающая площадка ()

Т.к. поля помех приходящих с разных участков излучающей поверхности, статистически независимы, то полная спектральная плотность мощ­ности помех на входе приемника определится суммированием по всем направлениям от антенны, на участки излучающей поверхности:

Полная мощность шумов:

Шумовая температура:

Величина зависит не только от параметров антенны, но и от интенсивности распределения внешних источников помех.

Собственные шумы антенны определяются сопротивлением потерь антенны , температуру которого нужно считать равной температуре окружающей среды - физическая температура антенны. С учетом потерь эквивалентная схема антенны как генератора шумовой ЭДС показана на рисунке, где приписана шумовая температура , отличная от температуры окружающей среды .

 

 

Внешние шумы и шумы за счет потерь в антенне статически независимы, поэтому нужно складывать их среднеквадратические значения:

 

или ,

где - эффективная шумовая температура антенны.

После преобразования имеем:

, ,

где - КПД антенны.

По аналогичной методике учитываются шумы за счет потерь в фидере вместе с включенными в него различными устройствами:

где - КПД линии передачи, - физическая температура линии передачи (фидера), - коэффициент передачи мощности антенной цепи без учета потерь в антенне и линии. Здесь антенна с фидером согласована, а приемник нет ().

Рассогласование приемника с фидером часто используется для уменьшения шумов входной цепи приемника при реализации предельной чувствительности в диапазоне СВЧ.

 

ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИЕМНЫХ АНТЕНН

 

Поляризация приемной антенны определяется поляризацией поля, создаваемого этой антенной в режиме передачи.

Поляризационная согласованность приемной антенны по отношению к набегающей волне характеризуется коэффициентом поляризационной согласованности:

,

где - оптимальная мощность в приемной антенне при полном поляризационном согласовании, - оптимальная мощность при поляризационном рассогласовании.

Коэффициент поляризационной согласованности может изменяться в пределах . Антенны, имеющие - поляризационно полностью согласованные, - поляризационно полностью развязанные. Коэффициент зависит от коэффициента эллиптичности и антенн 1 и 2 и от угла между осями их поляриз-х эллипсов :

.

 

Полная поляризационная привязка () достигается при:

1) чисто круговых поляризациях противоположного направления вращения ,

2) при одинаковых эллипсах с противоположными направлениями вращения и перпеньдекулярными большими осями .

Получение поляризационных развязок в 35-40 дБ является сложной, но важной технической задачей, т. к. довольно часто, это единственное средство избавиться от мешающего действия посторонних излучений.

Полное поляризационное согласование () достигается при:

1) чисто круговой поляризации падающего поля и приемной антенной при одинаковых направлениях вращения ,

3) линейно поляризованных при параллельных плоскостях поляризации ;

4) эллиптической поляризации при и параллельных больших осях эллипсов .

 

СИММЕТРИЧНЫЕ ВИБРАТОРЫ

 

Симметричный вибратор – это антенна в виде металлического провода или стержня, у которого в сечениях, симметричных относительно середины, продольные в. ч. токи равны по величине и имеют одинаковую фазу, т. е. обеспечивается равенство .

Для этого достаточно выполнить следующие условия:

- обе половины вибратора по своим размерам и форме должны иметь зеркальную симметрию относительно плоскости, проходящей через середину вибратора перпендикулярно его оси;

- симметричные участки вибратора должны быть на одинаковых расстояниях от окружающих предметов;

- питающий двухпроводной фидер должен подключаться к разрыву вибратора, расположенному в его середине, сам фидер должен быть симметричным, т. е. напряжения на его проводах в каждом сечении по отношению к телу нулевого потенциала должны быть равны по величине и противоположны по знаку.

 

 

 

 

 

Для изготовления вибраторов используются хорошо проводящие металлы. в диапазонах КВ и СВ в антеннах обычно применяются многожильные гибкие провода – антенные канатики. В диапазоне СВЧ – стержни или полные трубки.

 

Распределение тока на симметричном вибраторе

 

Расчет распределения тока вдоль проводов антенны при заданных напряжении на ее клеммах, частоте этого напряжения и геометрии антенны, т. е. задача о вынужденных колебаниях тока в вибраторе, является важной задачей в теории линейных антенн. Если распределение тока известно, то расчет всех характеристик излучения – ДН, КНД, входного сопротивления, поляризации – не представляет принципиальных затруднений.

Решение этой задачи довольно сложное, однако выражения для функции распределения тока по тонкому цилиндрическому вибратору показывают, что распределение тока зависит от относительной тол­щины вибратора , где - половина длины вибратора и - его радиус. В общем случае ток в различных сечениях вибратора имеет различную фазу и амплитуду, сложным образом зависящую от коорди­наты вдоль вибратора.

Если , т.е. для очень тонких вибраторов, распределе­ние токаявляется почти синусоидальным и симметричным относитель­но середины вибратора. Оно имеет вид стоячих волн с узлами на концах вибратора и в сечениях, отстоящих на расстояниях от концов (n - целое положит. число). Максимальное значение тока в стоя­чей волне есть значение тока в пучности – In.

 

(Ж)

 

Таким образом, выражение для амплитуды тока в произвольном сечении вибратора имеет вид :

 

,

 

где - волновое число.

 

Фаза тока во всех сечениях вибратора одинакова (синфазное распределение) или изменяется скачком на при изменении знака синуса. Соответственно мгновенные значения тока:

 

 

Распределение тока для вибраторов длиной - синфазное, а для вибраторадлиной - переменно-фазное.

Распределение тока в вибраторах конечной толщины отличается от синусоидального и тем сильнее, чем толще вибратор. Наиболее существенные отличия: отсутствие чистых нулей, уменьшение рассто­яния между минимумами полуволн тока, эквивалентное укорочению длины волны, несинфазность тока по длине в пределах каждой полу­волны. Распределение тока на вибраторе конечной толщины соответ­ствует сложению чисто стоячей и бегущей волн, последняя характе­ризует потери главным образом на излучение.

 

Симметричный вибратор с емкостной нагрузкой на концах

 

Емкостная нагрузка выполняется в виде диска или системы проводов, перпендикулярных оси вибратора и используется при необходимости уменьшить длину вибратора с сохранением его основных характеристик излучения. Токи, текущие по проводам концевой час­ти, практически не учавствуют в излучении, однако, при емкостной нагрузке ток на конце вибратора отличен от нуля. На рис. (ж) пока­зано распределение тока по вибратору длиной с нагрузкой на конце - здесь распределение тока на участке между клеммами и кон­цевой нагрузкой такое же, как у вибратора длиной без нагрузки. Концевая нагрузка как бы "удлиняет" вибратор. При ее эффект в отношения распределения тока по вибратору такой же, как и эффект подключения емкости к концу разомкнутой двухпровод­ной линии ("емкостная нагрузка").

Распределение тока для этого случая описывается выражением:

где - кажущееся приращение длины вибратора - эквивалентная длина емкостной (концевой) нагрузки.

Распределение напряжения по симметричному вибратору

 

Напряжение в симметричном вибраторе определяется как разность потенциалов в симметричных относительно середины участках . Если вибратор имеет значительную электрическую длину , то электрические процессы в пространстве вокруг вибратора будут иметь волновой характер и понятие напряжения теряет смысл (из-за разности рас­стояний от излучателя до проводов фазы наводимых ЭДС в проводах будут заметно различаться - результирующая ЭДС в контуре будет отлична от нуля).

 

 

Для коротких вибраторов поле вблизи вибратора - по­тенциальное, как в поперечном сечении двухпроводной линии, и рас­пределение напряжения аналогичное двухпроводной линии .

Для вибраторов большой длины - определяется напряженность нормальной к поверхности вибратора составляющей электрического поля, которая пропорциональна поверхностной плотности заряда (рис.). Наиболее опасными с точки зрения эл. пробоя являются участки вибратора вблизи пучностей или максимумов распределения заряда.

 

Поле излучения симметричного вибратора

 

Напряжение электрического поля, создаваемого симметричным вибратором в некоторой точке М окруж. пространства, может быть определена как векторная сумма полей, создаваемых в этой точке всеми бесконечно малыми участками вибратора длиной . Т.к. длина участка может быть сколь угодно малой, то распределение тока на этом участке можно считать равномерным, т.е. сим­метричный вибратор можно считать состоящим из непрерывно распреде­ленных диполей Герца длиной .

 

 

М – элементарное поле – сумма симметричных участков ,

- в дальней зоне.

 

Напряженность поля, создаваемую вибратором в точке М, можно найти интегрированием по всем элементам:

- величина поля и его зависимость от полярного угла определяются распределением комплексных амплитуд тока по вибратору и длиной вибратора. |

Прямолинейный вибратор имеет только меридиональную составляющую электрического поля , поэтому магнитное поле имеет только составляющую (волновое сопротивление среды).

Величина интеграла слабо зависит от вида функции , поэтому действительное распределение тока можно заменить синусоидальным:

Тогда:

 

Симметричный вибратор имеет фазовый центр, расположенный в сере­дине вибратора (фаза поля не зависит от угловых координат, а мно­житель описывает сферическую волну).

Вычисление интеграла производится заменой произведения тригонометрических функций их суммой; получаем:

,

где - ток в антенне.

Диаграмма направленности симметричного вибратора

 

ДН определяется множителем в выражении для амплитуды поля Е , зависящим от угла

ормированная ДН получается умножением на нормирующий множитель, равный величине, обратной . При ДН имеет один максимум, перпендикулярный оси. Для этого случая (), имеем: . Нормированная ДН запишется в виде:

 

, при .

При , необходимо определить направление максимального излучения и затем вычислить нормирующий множитель.

 

 

Пространственные ДН получаются вращением этих кривых вокруг оси z. При увеличении ДН сужаются. Однако уже при в ДН появ­ляются побочные лепестки, затем главный лепесток расщепляется на несколько. Чем больше (), тем уже каждый лепесток и тем больше их число. Короткие вибраторы () имеют такую же ДН, как и ди­поль Герца.

Для полуволнового вибратора () ненормированная и нормированная ДН совпадают:

.

Действующая длина симметричного вибратора

 

Для вибраторов с одним максимумом ДН действующая длина, от­несенная ко входу антенны, равна:

,

или:

Напряженность эл. поля в максимуме ДН рассчитывается через дейст­вующую длину по формуле:

.

Действующая длина полуволнового вибратора одинакова при отс­чете как к току в пучности, так и к току на входе, т.к. пучность тока совпадает со входными клеммами: .

Для коротких вибраторов (): ,

- половина геометрической длины.

Сопротивление излучения симметричного вибратора рассчитывается по известному полю в дальней зоне. Отметим две характерные точки: для

полу­волнового вибратора (): Ом, а для волнового (): Ом.

 

 

Входное сопротивление симметричного вибратора

 

В случае тонких вибраторов оно определяется через известные напряжение и ток на входе, в случае не очень тонких вибраторов () обычно пользуются экспериментальными данными. Рассмотрим экспериментальные кривые зависимости R_A и X_A составляющих входные сопротивления цилиндрического симметричного вибратора для разных относительных диаметров.

 

 

При активное сопротивление мало зависит от толщины вибратора и с увеличением частоты монотонно растет, достигает максимума и снова уменьшается. Положение максимумов R_A сильно зависит от толщины вибратора: для очень тонких - максимум достигается при длинах l, близких к nλ/2 , где n - целое число. Т.е. большое значение R_A будут иметь вибраторы длиной 2l ≈ λ, 2λ, 3λ,..... Чем толще вибратор, тем при меньших λ/l достигается максимум R_A и тем меньше его ве­личина. Если зафиксировать длину вибратора и менять рабочую часто­ту (длину волны), то окажется, что более толстые вибраторы будут более диапазонными, т.к. их входное сопротивление меняется более плавно, чем у тонких.

Реактивная составляющая также изменяется в очень широких пределах. Увели­чение толщины вибратора сглаживает кривую X_A(l/λ).

С увеличением длины вибратора максимумы реактивной составляющей X_A входного сопротивления уменьшаются, а максимумы и минимумы акт. сост. сближаются, стремясь к величине волнового сопротивления вибратора W_B. Когда длина каждого плеча вибратора станет больше десятка длин волн, входное сопротивление будет активным, близким к величине W_B.

 

Резонансная длина вибратора

Рез. длина - это длина, при которой реактивное сопротивление на входе антенны X_A = 0. Для очень тонких вибраторов резонансная, длина близка к целому числу полуволн: λ/2, λ, 3/2λ, ... Чем больше толщина вибратора, тем больше так называемое укорочение вибратора, т.е. отличие резонансной длины от величины, кратной целому числу полуволн. Резонанс при 2l ≈ λ/2 называется первым, при 2l ≈ λ - вторым и т.д.

 

 

Абсолютное значение укорочения при этом растет:

 

 

где - укорочение на одном плече вибратора.

Характер изменения реактивного сопротивления вблизи нечетных и четных резонансов различен - эквивалентные схемы по входному сопротивлению не оди­наковы, вибратор фиксированной длины при изменении частоты вблизи нечетных резонансов эквивалентен последовательному резонансному контуру, а вблизи четных - параллельному. При 2l < λ/2 вибратор имеет емкост­ное входное сопротивление, при λ/2 < 2l < l - индуктивное и т.д.

Собственная длина волны (первая гармоника) симметричного виб­ратора есть наибольшая из длин волн, при которой данный вибратор не имеет на входе реактивного сопротивления, т.е. длина волны на первом резонансе. Выполняя замену и получим:

- собственная длина волны несколько больше удвоенной полной геометрической длины вибратора.

 

 

Входное сопротивление полуволнового вибратора

Для тонкого вибратора длиной 2l = λ/2 :

Ż_A = (73,1 + i42,5) Ом

т.е. вибратор, имеющий длину, равную точно λ/2 не настроен в резонанс: он имеет на входе реактивное сопротивление индуктивного характера.

Укорочение полуволнового вибратора Δl, необходимое для настройки вибратора в резонанс, зависит как от толщины вибратора, так и от формы входного зазора (паразитная емкость в зазоре).

При λ/2a > 50 можно использовать формулу:

Для более толстых вибраторов формулы мало надежны, т.к. резонансная длина этих вибраторов сильно зависит от формы входного за­зора и законцовок. Необходимое укорочение определяют экспериментально, получая график аналогичный ранее, нарисованному и определяя .

Входное сопротивление волнового вибратора: активная составляющая:

У тонких вибраторов это сопротивление может достигать больших значений, что затрудняет согласование. Укорочение находится аналогично полуволновому вибратору. Приведем график зависимости укорочения от относительной толщины вибратора.

 

Настройка в резонанс

Это обязательное условие эффективной работы на передачу большинства линейных антенн. При заданном напряжении на клеммах амплитуда тока на входе антенны:

сильно зависит от величины X_ВХ. Максимальное значение амплитуды, тока получается при X_ВХ = 0, т.е. при настройке в резонанс. Т.к. мощ­ность излучения пропорциональна квадрату тока, то при неизменном напряжения на клеммах мощность излучения резко возрастает при приб­лижении режима работы к резонансному. Настройка в резонанс имеет смысл только для узкополосных антенн (настроенные антенны).

Реактивное входное сопротивление антенны в общем случае состоит из собс­твенного реактивного сопротивления антенны Х_А и сопротивления органов настройки Х_Н:

Х_В = Х_А + Х_Н

Основные методы настройки симметричных вибраторов

 

1. Подбор резонансной длины - лучший способ, если вибратор предназначен для работы на одной фиксированной частоте. Если на частоте длина вибратора соответствует первому резонансу (полуволновой вибратор), то этот вибратор будет настроен в резонанс на частотах кратных , т.е. при (применяется в диапазоне КВ). Однако изготовить вибратор, длина которого равна резо­нансной, не всегда возможно, особенно на подвижных объектах.

2. Настройка с помощью концевых нагрузок - применяется для уменьшения продольного размера вибратора, вибратор пригоден только для работы на фиксированных частотах. Его возможности не очень велики, т.к. длина концевых нагрузок не может быть больше длины вибратора.

 

 

 

Эквивалентная длина концевой нагрузки зависит от длины проводов этой нагрузки и числа проводов. При числе радиальных проводов больше шести концевая нагрузка действует как сплошной диск.

 

Подбором длины и числа проводов добиваются выполнения условия первого резонанса:

 

одновременно растет сопротивление излучения, т.к. действующая длина увеличивается.

3. Настройка с помощью сосредоточенных реактивностей - катушек индуктивности и конденсаторов - применяется в случае невозмож­ности выполнить антенну необходимых размеров, а также при необходимости, перестраивать антенну в широком диапазоне частот (самолетные связные KB станции – 2,0 ÷ 30 МГц). Условие резонанса: Х_Н = -Х_А .

 

 

k = 2π/ λ – волновое число.

 

Eсли антенна далека от резонанса и не очень толстая (2l/a > 100), то для расчета X_A распределение тока приближенно принимается синусоидальным. При этом: , где - характеристическое сопротивление линии.

Если настройка комбинированная (с концевой нагрузкой), то вместо нужно подставить .

Из формулы видно, что при , т.е. для настройки нужно включить катушку с индуктивностью: , которая как бы "удлиняет" вибратор до первого резонанса (удлинительная катушка).

При λ/2 < 2l < λ , X_H < 0, т.е. для настройки нужно включить конденсатор с емкостью который как бы "укорачивает" вибратор до первого резонанса.

При работе на частотах близкий к первому резонансу, характер изменения реактивного входного сопротивления такой же, как у последовательного кон­тура, поэтому для настройки применяется параллельный колебательный контур, у которого кривая зависимости реакт. сопротивления от частоты имеет обратный наклон по отношению к такой же кривой последовательного колебательного контура, вблизи второго резонанса применяется последовательный колебательный контур.

Элементы настройки в виде сосредоточенных реактивностей не могут влиять на распределение тока вдоль вибратора - они меняют лишь амплитуду тока и его фазу по отношению к питающему напряжению. Поэтому ни ДН, ни действ., длина, ни сопротивление излучения не изменяются.

 

 

Широкополосные вибраторы

 

Это вибраторы с пониженным волновым сопротивлением, т.е. большой тол­щины - абсолютные значения реактивных сопротивлений уменьшаются, кри­вые зависимости вблизи резонансов сглаживаются (рис.). Вблизи вто­рого резонанса у толстых вибраторов резко понижается активное входное соп­ротивление, что упрощает согласование с фидером.

Однако, чтобы извлечь из этого выгоды, необходимо принять ме­ры для уменьшения емкости между торцами вибраторов на входе антенны. Для этого входная часть вибраторов выполняют в виде конусов.

Полоса пропускания достигает 50%, большую полосу можно полу­чить у биконических вибраторов (рис.), причем, чем больше угол Ψ₀, тем шире полоса пропускания.

На практике применяют плоскостные широкополосные вибраторы, их длина (горизонтальный размер) обычно составляет (0,3…0,4)λ₀, где λ₀ - длина волны в середине полосы пропускания. Распределение тока здесь сильно отличается от синусоидального, поэтому ДН и другие характеристики определяются экспериментально.

Петлевой вибратор Пистолькорса

Он состоит из двух вибраторов - активного и пассивного, кото­рые связаны сильной эл.магн. связью за счет ближних полей и кондуктивной связью с помощью перемычек на концах вибратора (диаметры вибраторов могут быть различными).

Если длина вибратора 2l ≈λ/2, то в обоих плечах устанавли­ваются стоячие волны одинаковой фазы с пучностью в середине вибра­тора. В середине пассивного вибратора (т.О) заряд равен нулю, т.е. здесь нулевой потенциал по отношению к экрану - здесь вибратор можно заземлять, закрепляя на металлической заземленной мачте.

ДН очень близко совпадает с ДН полуводнового вибратора, т.к. обязательным условием изготовления вибратора является условие d << λ, где d - расстояние между активным и пассивным вибратором. Однако вх. сопр. и сопротивл. излучения будут существенно отличными при одина­ковых токах на входе I_A : у петлевого вибратора имеется еще ток I_A в пассив­ном вибраторе, который может быть как больше, так и меньше тока I_A.

Вх. сопротивление петлевого вибратора:

;

где Z_П, Z_C – противофазные и синфазные колебания.

В системе наблюдается три резонанса (Х_А = 0), т.е. петлевой вибратор имеет более широкую полосу пропускания, чем обычный вибратор.
Вблизи резонанса (l ≈ λ/4) Z_П → ∞, а Z_C → 0. Учитывая это получаем:

Z^A ≈ R_A ≈ (1+n)²R_C = 73,1(1+n)² Ом.

Для наиболее часто встречающегося случая одинаковых диаметров n = 1: R_A = 292 Ом. Если нужно иметь входное сопротивление меньше этой величины, то диаметр активного вибр. должен быть больше диаметра пассивного, и наоборот.

Симметричные вибраторы применяются в диапазонах волн от KB до сантиметровых, в том числе и как элемент сложной антенной системы: в качестве облучателей зеркальных ант., ант. решеток,..

Т.к. электрическая симметрия получается при симметричном рас­положении вибратора относительно окружающих предметов, то вблизи экранов вибраторы должны располагаться параллельно поверхности экрана.

С увеличением высоты подъема антенны над экраном его влияние на распределение тока по вибратору уменьшается и при высотах, боль­ших λ становится пренебрежительно малым. Здесь вибратор можно располагать произвольно, не нарушая симметрии.

Влияние экрана (земли) на ДН и входное сопротивление вибратора так же, как и влияние других предметов, окружающих антенну, сво­дится к тому, что часть э/м энергии, излученной вибратором, отражается от этих предметов. Поле в каждой точке пространства яв­ляется результатом интерференции непосредственного излученного и отраженного полей. Точно оценить влияние окружающих предметов затруднительно, однако, наибольшее значение для практики имеет вопрос о влиянии хорошо проводящих плоских поверхностей (земля, металлический экран), параллельно которым обычно располагаются симмет­ричные вибраторы.

Рассмотрим диполь Герца - провод с зарядами противоположного знака на его концах. При изменении зарядов во времени по проводу течет ток I. Влияние плоского экрана на поле диполя Г. в верх­нем полупространстве можно учесть, заменив его зеркальным изобра­жением диполя. При горизонтальном расположении диполя ток в его зеркальном изображении направлен б сторону, противоположную току в самом диполе, т.е. сдвинут по фазе на π. (ток в зеркальном изображении вертикального диполя Г. будет синфазным).

 

 

Симметричный горизонтальный вибратор можно считать состоящим из распо­ложенных по оси вибратора диполей Герца. Зеркальным изображением симметричного вибратора будет такой же вибратор с противофазным током. Таким образом, поле горизонтального вибратора над идеально проводящей плоскостью можно рассчитать как сумму полей самого вибратора и его зеркально­го изображения.

Отметим, что при малой высоте (h < 0,1λ) поле вибратора почти полностью компенсируется полем зеркального изображения, т.е. антенна мало эффективна. При h = λ/4 поля вибратора и его зеркальн. изображ. в направлении, перпендикулярном отражающей поверхности, складыва­ются (вибраторы УКВ располагают над экраном на этой высоте).

Влияние земли на сопротивление излучения вибратора можно увидеть из рисунка /горизонтальный полуволновой вибратор над идеальной проводящей поверхностью/: с удаление вибратора от поверхности сопротивление излучения стремиться к его значению для свободного пространства. На очень малых расстояниях от земли сопротивление очень мало, так как поле излучения вибратора компенсируется противофазным отраженным полем.

 

 

Питание симметричных вибраторов

 

Питание должно осуществляться помощью симметричного фидера. Если применяться коаксиальный кабель, то в близи клемм вибратора ставиться симметрирующее устройство.

Симметричные фидеры имеют сопротивление около 200 – 600 Ом. При непосредственном их подключение к вибратору с низким входным сопротивлением (полуволновому) получается большое рассогласование. Для устранения этого недостатка применяется шунтовое возбуждение симметричного вибратора от симметричного фидера, который позволяет в широких пределах изменять входное сопротивление.

 

 

Шунт представляет собой 2 последовательно соединённых двухпроводные линии, ширина которых . В этих линиях текут противофазные фидерные токи , поле излучения которого мало за счёт малого d. Однако ближнее магнитное поле шунта очень велико. Оно охватывает основной вибратор и возбуждает в нём синфазный ток , который и создаёт поле излучения. Это устройство напоминает автотрансформатор. У полуволнового вибратора при изменение от 0 до входное сопротивление изменяется от 0 до 290 Ом (при одинаковых диаметрах проводов). Провод вибратора можно заземлить в его середине (конструктивное преимущество).

 

НЕСИММЕТРИЧНЫЕ АНТЕННЫ

 

Под этим термином объединяться различные не симметричные вибраторы и собственно антенны: вибраторы со смещёнными клеммами; разноплечие вибраторы; вертикальный вибратор над экраном конечных размеров: - используется в основном в диапазонах УКВ и КВ. Не симметричнее антенны – провода, стрежни, башни, мачты расположенные у поверхности земли или в близи экранов, размеры которых обычно можно считать большими по сравнению с размерами антенны. Это в основном антенны ДВ и СВ: открытая вертикальная антенна, Г – образная антенна, Т – образная антенна и антенна с многократным снижением.

 

 

1.Несимметричные вибраторы со смещёнными клеммами используются главным образом в равновесном режиме, когда на их длине укладывается целое число полуволн тока. При изменение положения клемм в резонансном режиме изменятся значения тока в пучности и входное сопротивление, но кривая распределения тока изменяется мало. У вибраторов Длиной в число полуволн ДН такая же как и у симметричных вибраторов.

 

 

Если длина вибратора составляет целое число длин волн, то имеет место несимметричное распределение тока - , где z – координата отсчитываемая от середины вибратора вдоль его оси, l – половина полной геометрической длинны вибратора при этом ДН имеет вид:

 

,

где А – нормирующий множитель: m = 2, 4, … - число полуволн тока на длине вибратора; - угол отсчитываемый от оси вибратора. Значит m = 1, 3, 5, … соответствует симметричному распределению тока.

У толстых вибраторов и у тонких при ДН становиться не симметричной и в значительной мере зависит от положения клемм. На рис показана экспериментальная ДН вибратора Длиной при и .

 

 

2. Разноплечий вибратор с питанием по середине – образован 2 проводами одинаковой Длины и разных диаметров (2а₁ и 2а₂). На не очень толстых разноплечих вибраторах () при их длинах, близких к резонансным или меньших , распределение тока близко к синусоидальному. Соответственно ДН будет такой же, как и у вибраторов с плечами одинакового диаметра.

Входное сопротивление может быть рассчитано по формулам для симметричного вибратора, при этом для расчета волнового сопротивления может быть использована приближённая формула (по аналогии с 2х проводной линией, составленной из проводов разного диаметра):

.

3. Вертикальный вибратор над экраном конечных размеров – используется главным образом в диапазоне УКВ - выполняется виде стержня расположенного над металлическим экраном (диском). Если размеры экрана не очень велики, то токи затекают на нижнюю сторону экрана и наружную оболочку питающего коаксиального кабеля. Чем меньше их размеры тем меньше их влияние на ДН и входное сопротивление антенны. На рисунке показана ДН четвертьволнового несимметричного вибратора, расположенного над металлическим диском диаметром . Пунктиром показана диаграмма того же вибратора над бесконечно идеально проводящей плоскостью.

 

 

Входное сопротивление несимметричного вибратора над диском зависит от длинны вибратора и диаметра диска. При диаметре диска, больше чем , поправка на конечный диаметр не превышает Ом для активного и реактивного сопротивлений и уменьшается с увеличение диаметра диска.

 

НЕСИММЕТРИЧНЫЕ АНТЕННЫ

 

Конструктивное выполнение несимметричных антенн зависит от геометрических размеров, т.е. от диапазона волн в котором работает антенна.

Основные параметры антенны при большой проводимости земли могут быть рассчитаны с помощью метода зеркальных изображений. Не симметричная антенна высотой h, расположенная над идеально проводящей плоскостью, создаёт в верхнем полупространстве () такое же поле, как симметричный вибратор длинной 2h при одинаковых токах на входе.

 

 

Несимметричные антенны с горизонтальными проводами по полю в верхнем полупространстве имеет своим эквивалентом симметричный вибратор с ёмкостной нагрузкой на конце.

1. Расчёт поля и ДН не симметричной антенны – производиться по формулам для эквивалентного симметричного вибратора, находящегося в свободном пространстве (необходимо заменить и ) для углов (нижнее полупространство) поле излучения отсутствует. В горизонтальной плоскости излучения несимметричных антенн также, как и эквивалентных симметричных вибраторов – направленное.

2. КНД несимметричной антенны высотой h в 2 раза больше, чем КНД эквивалентного симметричного вибратора (длиной 2h). Например, для антенны ;

3. Действующая длина несимметричной антенны – определяется как длина вертикального диполя Герца (или антенны с равномерным распределением тока), расположенного непосредственно над проводящей плоскостью и создающего при одинаковых токах такую же напряжённость поля в максимуме ДН, что и рассматриваемая антенна.

Из расчётов вытекает, что , т.е.действующая длина несимметричной антенны в 2 раза меньше длины эквивалентного симметричного вибратора.

Применительно к нем антеннам применяют термин «действующая высота» и обозначают её . При этом напряжённость поля несимметричной антенны рассчитывается по формуле:

.

4. Сопротивления излучения несимметричной антенны – в 2 раза меньше, чем сопротивление излучения эквивалентного симметричного вибратора, т.к. антенна излучает в 2 раза меньшую мощность (не излучает в нижнее полупространство).

5. Входное сопротивление не симметричной антенны – в 2 раза меньше входного эквивалентного симметричного вибратора, т.к. при одинаковых токах на входных клеммах у эквивалентного симметричного вибратора напряжение на них должно быть в 2 раза больше, чем у не симметричной антенны – ; - в режиме приёма электромагнитной волны одинаковой интенсивности наведут на клеммах несимметричной антенны наведут в 2 раза меньшую ЭДС.

Всё, что было сказано ранее о настройке и диапазонности симметричных вибраторов, в полной мере относиться к не симметричным антеннам. Настройка с помощью концевой ёмкости в не симметричных вертикальных антеннах используется гораздо чаще, чем в симметричных вибраторах, т.к. довольно трудно настроить антенну достаточно большой высоты, а создать разветвлённую концевую горизонтальную часть проще (особенно на ДВ).

6. Эквивалентная высота горизонтальной части антенны – зависит от числа, диаметра и длинны составляющих проводов. При высоте антенны , горизонтальные провода с их зеркальными изображениями можно рассматривать как разомкнутые на концах 2х проводные линии. На основании этого для расчётов длины антенны с N одинаковыми горизонтальными лучами получено уравнение:

где и - волновое сопротивление и длина горизонтальных проводов, а - волновое сопротивление вертикальной части антенны.

 

 

7. Несимметрично короткие антенны – антенны высота которых много меньше длины волны. Распределение тока в них описывается отрезком синусоиды и может считаться линейным. Такие антенны широко распространены в диапазонах ДВ и СВ.

ДН всех коротких антенн в горизонтальной плоскости имеет вид почти правильной окружности, а вертикальной – половины «восьмёрки», т.е. ; при .

Действующая высота коротких антенн проще всего определяется по методу равенства площадей тока (см. ранее). При отсутствии горизонтальной части () , а при её большом разветвлении , т.к. при этом распределение тока на вертикальной части приближается к равномерному.

Входное сопротивление коротких антенн состоит из сравнительно небольших по величине сопротивлений излучения и потерь и большого ёмкостного сопротивления:

Настройка коротких антенн производиться с помощью удлинительных катушек, индуктивность которых определяется из условия :

Удлинительные катушки обычно имеют большую индуктивность. Активное сопротивление их проводов может достигать значительных величин – до единиц Ом. Из-за больших реактивностей самой антенны и органов настройки и малой величины активного сопротивления короткие антенны имеют большую добротность, доходящую до сотен единиц. Поэтому полоса пропускания коротких антенн получается узкой, а напряжение в антенне большим.

 

Диско - конусная антенна