Свойства излучения вертикальных антенн

Диаграмма направленности в вертикальной плоскости отвесного излучателя над зем­лей отличается малым углом возвышения, что крайне желательно для дальней радиосвязи. Однако при этом предполагается, что антенна установлена непосредственно на хорошо проводящем грунте или что его про­водимость улучшена благодаря соответству­ющей сети заземления. Графики на рис. 6 демонстрируют, на­сколько недостаточная проводимость зем­ной поверхности отрицательно влияет не только на КПД антенной системы при от­весном положении излучателя, но и на его вертикальную диаграмму направленности, вызывая рост угла возвышения. Идеаль­ный случай представлен кривой 1, когда угол возвышения теоретически равен 0. На практике этот случай нереализуем, по­скольку предполагает идеальную проводи­мость грунта на высоких частотах. Кривая 2 относится к ситуации, когда четвертьвол­новый штырь установлен на плохо прово­дящем грунте. Из-за больших потерь в зем­ле КПД антенны явно ниже 50% даже в максимуме, где угол возвышения возраста­ет до 30°. Кривая 3 описывает положение, реализуемое при хорошей проводимости грунта, когда КПД достигает 65%, а угол возвышения в максимуме составляет 20-25°. Подобные диаграммы имеют место, только если вход излучателя находится непосред­ственно на грунте. При подъеме входа ан­тенны над грунтом на диаграмме появляют­ся различные боковые лепестки.

Простой вертикальный излучатель ха­рактеризуется круговой диаграммой на­правленности в горизонтальной плоскости. Диаграмма зависит от свойств грунта, а так­же от наличия окружающих препятствий, которые искажают ее форму.

На вертикальные диаграммы отвесных из­лучателей существенно влияет их длина l (высота), приведенная к рабочей длине волны l. Отметим, что необязательно вы­бирать геометрическую длину излучателя так, чтобы выполнялись условия собствен­ного резонанса. Механическая длина шты­ря может быть совершенно произвольной, лишь бы обеспечивался электрический ре­зонанс (l /4, l /2, 3 l /4 и т.д.) с помощью та­ких дискретных схемных элементов, как удлиняющие катушки или укорачивающие конденсаторы. Эту возможность широко используют на практике.

На рис. 7. представлены примеры вер­тикальных диаграмм отвесных излучателей различной длины, установленных прямо на грунте средней проводимости. У четверть­волнового излучателя вертикальная ширина диаграммы по половинной мощности со­ставляет около 45°, а угол возвышения мак­симума близок к 30^o (рис. 7 а). Ширина диаграммы штыря длиной 3 l /8 сужается до 32°, угол возвышения ее максимума убывает до 23° (рис. 7 б). Еще благоприятнее ши­рина 30° и угол возвышения 17° у полуволно­вого штыря над грунтом (рис. 7 в). Наи­лучшими свойствами обладает известный излучатель длиной 5 l /8 с шириной 24° и уг­лом возвышения всего 12° (рис. 7 г). При дальнейшем удлинении излучателя его свойства вновь ухудшаются. Сопоставление вертикальной диаграммы излучения го­ризонтального полуволнового вибратора с вертикальными диаграмма­ми отвесных излучателей (рис. 7) явно указывает на преимущества последних для дальней связи по такому параметру, как угол возвышения.

Геометрическую длину излучателя 5 l /8 можно считать оптимальной при дальнем радиообмене. С увеличением длины верти­кальная диаграмма становится все менее благоприятной для дальней связи из-за бы­строго роста угла возвышения главного луча и слишком крутого излучения радио­волн.

Излучатели, размер которых превышает четверть длины волны, благоприятны так­же и по величине сопротивления излуче­ния R _s. Как видно из рис. 5, R _s прохо­дит через максимум между значениями длины l /4 и l /2. Благодаря этому в данном интервале повышается КПД и расширяет­ся частотная область излучателя.

Вертикальная антенна не реализует сво­его назначения, если ее не установить на открытом и по возможности плоском уча­стке местности. Это значит, например, что ее не следует сооружать в промежутке меж­ду городскими зданиями. На густо застроен­ных территориях такую антенну надо ста­вить на самых высоких опорах, чтобы она возвышалась над любыми окрестными препятствиями. Разумеется, вертикальный штырь, удаленный от грунта, уже не сможет вести себя «нормально» относительно зем­ли и станет, образно говоря, искать свою «вторую половину» в первую очередь сре­ди металлоконструкций близлежащих зда­ний, что самым непредсказуемым образом изменит его параметры. К тому же возрас­тает вероятность превратить его в источник помех телевизионному и радиоприему. По­этому сеть заземления должна быть при­способлена к условиям, когда вход антенны удален от грунта. Такая сеть строится в виде совокупности ненастроенных ради­альных противовесов. Если поблизости имеются какие-либо металлоконструкции, тоих следует включить в состав сети заземления.

На практике редко удается разместить столь растянутую систему проводников на возвышенном основании. В таких случа­ях почти всегда применяются радиальные противовесы, настроенные рабочей длиной волны на четвертьволновый резонанс.

Здесь достаточно трех настроенных чет­вертьволновых противовесов, но их ис­пользуют и в большем количестве. Проти­вовесы распределяют вдоль радиусов через равные угловые интервалы вокруг антенны и гальванически соединяют у ее основания. Сюда же подключают грозозащитное за­земление.

Как правило, настроенные противовесы располагают горизонтально, тогда входной импеданс четвертьволнового излучателя составляет около 40 Ом. Более высокая ве­личина (к примеру, 70 Ом) является при­знаком наличия в системе больших сопро­тивлений потерь, понижающих ее КПД. «Естественный» способ увеличить вход­ное сопротивление состоит в том, чтобы проложить лучевые противовесы с накло­ном вниз. Чем больше наклон, тем сильнее растет сопротивление. В предельном слу­чае, когда лучи идут отвесно вниз, входное сопротивление достигает 60 Ом, поскольку при этом образуется вертикальный полуволновый вибратор.

Вертикальные антенны несимметричны относительно земли и поэтому всегда дол­жны возбуждаться такими же несиммет­ричными фидерами, то есть коаксиальны­ми кабелями.

ЛЕКЦИЯ №5 (РРвАФУ)

Дата добавления: 2014-01-07