Конструкции и параметры вертикальных антенных устройств

ЛЕКЦИЯ №4

Активные антенны

Щелевые антенны

Замкнутые антенны со щелевыми элемен­тами на проводящей поверхности. Длина щелей составляет от l /2 до l, а сами они бывают линейными (щели на плоскости или цилиндре) или крестообразными (на­пример, на дисковой щелевой антенне).

Активная антенна представляет собой пас­сивный элемент (вибратор или монополь) со встроенной «активной частью» (усилите­лем). В результате получается малогаба­ритная чувствительная и широкополосная антенная система, однако линейность ее ограничена и не соблюдается принцип взаим­ности.

При установке проводника антенны по вер­тикали и хорошей проводимости земной поверхности вполне достаточен излучатель длиной l ¤4. В данном случае входное со­противление излучателя оказывается ак­тивным и резонансным. При этом речь идет всё-таки о полуволновом излучателе, так как благодаря грунту, который можно считать более или менее приличным проводником, четвертьволновый отрезок зеркально до­полняется до полуволнового вибратора. В своей простейшей форме такой четверть­волновый (над грунтом) излучатель извес­тен как антенна Маркони (рис. 1).

Рис. 1. Распределение тока и напряжения в антенне Маркони

В отличие от диполей их называют монопо­лями. Эквивалентная схема входного со­противления вертикальной четвертьволно­вой антенны состоит из последовательно включенных сопротивления излучения R _s, реактивного сопротивления X _s (равного нулю при резонансе) и сопротивления грун­та R _e (рис. 2). Отсюда следует, что сум­марная мощность P _a, поданная на резонан­сную антенну Маркони, рассеивается на сопротивлении излучения R _s и сопротивле­нии грунта R _e, так что справедливо соотно­шение

P _a = I ² × (R _s+ R _e), (4.1)

где I - эффективная величина тока антенны.

Рис. 2. Эквивалентная схема входного сопротивления четвертьволнового излучателя над землей

Сопротивление земли R _e является чис­тым омическим сопротивлением потерь, на котором высокочастотная энергия расходуется на нагревание грунта. Отсюда вытекает за­висимость между мощностью излучения P _s = I ² R _s и мощностью потерь Р _V= I ² R _e

P _s = P _a - Р _V.(4.2)

Для эксплуатации антенны Маркони с вы­соким КПД необходимо, прежде всего, пре­дельно низкое сопротивление земли R _e, чтобы сделать отношение R _s: R _e, как можно более высоким. На практике к сопротивле­нию R _e следовало бы добавить и все про­чие сопротивления потерь, которых может быть достаточно много. Поскольку длина (или высота) четвертьволнового излучате­ля составляет только половину полуволно­вого вибратора, его эффективная высота h _eff также оказывается вдвое меньшей:

h _eff = l / 2 p = l /6,28. (4.3)

Подставив вместо длины волны частоту f, получаем:

h _{eff м} =47,75/ f _МГц. (4.4)

Эффективная высота входит в соотноше­ние Рюденберга для определе­ния сопротивления излучения:

R _sOм =1579 × h _{eff м} /2 pl _м. (4.5)

Отсюда для четвертьволнового излуча­теля получается сопротивление излучения R_s величиной 40 Ом. По теории Э. Зигеля точное значение равно 36,6 Ом, если резонансный четвертьволно­вый излучатель установлен прямо на зем­ле.

Входное сопротивление R _E резонансного четвертьволнового излучателя над землей равно сумме сопротивления излучения R _s и сопротивления потерь R _V:

R _E= R _s+ R _V.(4.6)

В R _V входят все сопротивления потерь, но главный вклад вносят потери в грунте.

В идеальных условиях входное сопротивление R _E при резонансе равно сопротивлению излучения R _s, составляющему 36,6 Ом у антенны Маркони. Но поскольку сопротивление земли R _e и сопротивление излучения R _s включены последовательно, входное сопротивление R _Е надо складывать с сопротивлением R _e. Поэтому у любой действующей антенны Маркони фактическое входное сопротивление R _Е всегда выше идеального, равного 36,6 Ом. Тогда вполне реальна си­туация, при которой входное сопротивле­ние составляет 75 Ом и 75-омный коакси­альный кабель оказывается безупречно со­гласованным с излучателем. Однако это не дает оснований для ликования, поскольку такое значение параметра свидетельствует о том, что сопротивление суммарных потерь достигает 38,4 Ом и почти целиком обуслов­лено сопротивлением земли R _e. В итоге по­чти половина мощности Р _а, посылаемой ан­тенне, излучается в виде мощности излу­чения Р _s, а оставшаяся половина является мощностью потерь Р _у и расходуется на на­гревание грунта. В этих условия для повы­шения КПД следует снизить сопротивле­ние земли R _e, применив соответственно уве­личенную сеть заземления. Другой способ улучшить КПД антенны при неблагоприят­ных условиях заземления состоит в том, что­бы повысить сопротивление излучения R _S путем изменения конструкции излучателя (например, применить несколько провод­ников) и тем самым сделать R _S» R _e.

Коэффициент укорочения V четвертьвол­нового штыря зависит от отношения его дли­ны к диаметру l / d. Его называют степенью утолщения S. На рис. 3 показаны прибли­зительные значения, свойственные антенне в свободном пространстве на хорошо проводя­щем грунте. Для практических целей в них надо вносить незначительные поправки.

Степень утолщения S определяет также среднее волновое сопротивление Z _A шты­ревой антенны согласно соотношению:

Z _A= 60×1n(1,15 × S). (4.7)

Это выражение представлено на рис. 4 в виде графика, с которого считываются требуемые значения без всяких вычисле­ний. Из соотношения следует, что Z _A антен­ны уменьшается вслед за степенью ее утол­щения S.

С другой стороны, известно, что у «толстых» излучателей полоса частот шире, чем у «тонких».

Наглядный пример тому - широкополосные вибраторы. Взаимосвязь степени утолщения S и шири­ны полосы В легко представить в виде фор­мулы, если исходить из добротности излуча­теля Q. Это безразмерная величина, пред­ставляющая собой отношение волнового сопротивления антенны Z _a к ее входному сопротивлению R _E:

Q = Z _A / R _E. (4.8)

Ширина полосы пропускания В в герцах:

B = f _res/ Q. (4.9)

После подстановки имеем:

B = f _res × R _E/ Z _A (4.10)

Из этого соотношения следует правило: полоса частот антенны тем шире, чем боль­ше ее входное сопротивление R _E и чем мень­ше волновое сопротивление Z _A антенны. По­скольку Z _A зависит от степени утолщения S, из формулы (4.7) ясно, что ширина по­лосы В растет с уменьшением S.

Дата добавления: 2014-01-07