Общие принципы построения антенн.Антенна является необ- ходимым элементом любого радиопередающего и радиоприемного устройства. Антенна радиопередатчика (передающая антенна) пред- назначена для преобразования тока высокой частоты в энергию излу- чаемых ею электромагнитных волн. Антенна радиоприемника (прием- ная антенна) предназначена для преобразования принятых ею элек- тромагнитных волн в энергию тока высокой частоты. Характер про- цессов, происходящих в передающей и приемной антеннах, опреде- ляет обратимость их использования. Обратимость антенн находит выражение не только в принципиальной возможности использования одной и той же антенны в качестве передающей или приемной, но и в том, что основные параметры антенны сохраняются при использова- нии ее как для передачи, так и для приема. Это имеет большое прак- тическое значение. Так, многие передвижные радиостанции, предна-
знаменные для связи, имеют общую антенну для передачи и для приема.
Электрическая цепь и вспомогательные устройства, с помощью которых энергия радиочастотного канала подводится от радиопере- датчика к антенне или от антенны к радиоприемнику, называется фи- дером. Конструкция фидера зависит от диапазона передаваемых по нему частот. При передаче электромагнитной энергии по линии стре- мятся уменьшить излучение самой линии.
Для этого провода линии располагают параллельно и по возмож- ности ближе друг к другу. При этом поля двух одинаковых по значе- нию, но противоположно направленных токов взаимно компенсируют- ся и излучения энергии в окружающее пространство не происходит. При создании антенны ставится противоположная задача: получение возможно большего излучения. Для этого можно использовать те же длинные линии, устранив одну из причин, лишающих фидер излу- чающих свойств. Можно, например, раздвинуть провода линии на не- который угол, в результате чего их поля не будут компенсировать друг друга. На этом основана работа V-образных и ромбических ан- тенн, излучающие провода которых расположены под острым углом один к другому (рис. 1.10, а, б), и симметричного вибратора, полу- чающегося при разведении проводов на 180° (см. рис. 1.10, в).
Компенсирующее действие одного из проводов фидера можно устранить, исключив его из системы. Это приводит к по- лучению несимметричного виб- ратора (рис. 1.11, а). Все антенны, использующие этот принцип работы, относятся к классу не- симметричных антенн. К ним также принадлежат Г-образные и Т-образные антенны (см. рис. 1.11, б, в)
Фидер излучает, если соседние участки его двух проводов обтека- ются токами, совпадающими по фазе, поля которых усиливают друг друга. Для этого необходимо создать фазовый сдвиг в половину дли- ны волны, например за счет неизлучающего шлейфа (рис. 1.12, а). На таком же принципе основаны синфазные антенны, получившие широ- кое распространение (см. рис. 1.12, б).
Фидер будет излучать, если расстояния между проводами по неко- торым направлениям приобретают значительную разность хода. Бо- лее того, можно так подобрать расстояние между проводами, что по некоторым направлениям произойдет сложение волн от обоих прово- дов. Это широко используется в многочисленных противофазных ан- теннах. Работу таких антенн нетрудно понять из трех примеров, при- веденных на рис. 1.12, в-д. В антенне (см. рис. 1.12, в) противофаз- ность токов в проводах обеспечивается подключением их к фидеру на расстоянии в полволны. Антенна, изображенная на рис. 1.12, г, пред- ставляет собой фидер, как бы расширенный на конце. В антенне на рис. 1.12, д противофазность токов обеспечивается перекрещиванием питающих проводов.
Остановимся на работе симметричного вибратора как излучателя, ко- торый входит в состав многих антенн. Симметричный вибратор можно представить как длинную линию, разомкнутую на конце, провода которой развернуты на 180°. Каждый элемент данной линии обладает опреде- ленной индуктивностью и емкостью между проводами (рис. 1.13).
Рассмотрим процесс свободных электрических колебаний в сим- метричном вибраторе. Присоединим обе его половины к зажимам ис- точника постоянной ЭДС (рис. 1.14, а). После того как распределен- ные емкости проводов вибратора зарядятся и между его половинами возникнет разность потенциалов, отключим источник питания и замк- нем обе половины вибратора перемычкой (см. рис. 1.14, б). При этом распределенные емкости начнут разряжаться через перемычку. Оче- видно, что через отрезки провода вибратора, расположенные у сере- дины, протекает наибольший электрический заряд, и поэтому разряд- ный ток имеет наибольшее значение; к концам же провода ток уменьшается до нуля. Ток в проводе нарастает постепенно, поскольку в распределенных индуктивностях возникает ЭДС самоиндукции. Разность потенциалов между точками, равноудаленными от середи- ны вибратора, тем больше, чем дальше эти точки от середины, так как тем большая часть распределенной индуктивности провода уча- ствует в его создании (см. рис. 1.14, б). Знак потенциала относитель- но средней точки по обе стороны от нее различен, так как в одной по- ловине вибратора ток течет к ней, а в другой - от нее.
По мере разряда распределенной емкости ток в проводе нараста- ет и достигает максимума, когда она полностью разрядится. При этом вся энергия электрического поля, запасенная емкостью, переходит в энергию магнитного поля распределенных индуктивностей (см. рис. 1.14, в). Если вначале индуктивность проводов вибратора пре- пятствовала нарастанию тока, то теперь она препятствует его умень- шению. Поэтому ток уменьшается постепенно, сохраняя прежнее на- правление (см. рис. 1.14, г). За счет этого происходит перезаряд рас- пределенной емкости, и когда ток спадает до нуля, емкости оказыва- ются перезаряженными (см. рис. 1.14, д). После этого процесс проте- кает в обратном направлении (см. рис. 1.14, е-и). Таким образом в вибраторе возникают свободные электрические колебания. При этом в нем устанавливаются стоячие волны тока и напряжения и вдоль его длины укладывается половина стоячей волны тока и на- пряжения. Следовательно, длина волны Х0 собственных колебаний симметричного вибратора вдвое больше его длины, т.е. А. = 21. По- этому симметричный вибратор называют также полуволновым дипо- лем, чем подчеркивается, что он вдвое короче длины волны собст- венных колебаний.
На рис.3а показаны электрическое и магнитное поля вокруг вибратора. Распространившиеся от вибратора электромагнитные волны всегда имеют определенную поляризацию, т. е. электрические и магнитные силовые линии у них располагаются в определенных плоскостях. Если волны распространяются свободно, без преломлений и отражений, то на значительном ударении по направлению, перпендикулярному к вибратору, электрические силовые линии располагаются параллельно вибратору, а магнитные силовые линии — перпендикулярно к нему ] (рис.3 б).
Принято поляризацию радиоволн определять по направлению электрического поля. Когда вибратор расположен вертикально (рис.3), волна поляризована вертикально, так как электрические силовые линии расположены в вертикальной плоскости. Если же вибратор расположен горизонтально, то излучаемые им волны имеют горизонтальную поляризацию.
Следует обратить внимание на то, что электромагнитные поля вблизи вибратора и вдали от него имеют различный характер. На значительном расстоянии от вибратора поле представляет собой бегущую волну, удаляющуюся от вибратора. Здесь, как и во всякой бегущей волне, колебания электрического и магнитного полей совпадают по фазе и энергия распределена поровну между этими полями. Такое электромагнитное поле принято называть полем излучения. Конечно, это поле существует и вблизи вибратора, поскольку он излучает и в нем имеются бегущие волны тока и напряжения, переносящие вдоль вибратора к отдельным его элементам энергию, расходующуюся на излучение.
Однако в вибраторе имеются также стоячие волны, амплитуда которых гораздо больше, чем амплитуда бегущих волн. Энергия стоячих волн является чисто реактивной. Поле этих волн не удаляется от вибратора, а в нем совершается лишь колебание энергии, переходящей из электрического поля в магнитное и обратно. Таким образом, непосредственно около вибратора существует сравнительно сильное электромагнитное поле стоячих волн, в котором электрическое и магнитное поля совершают колебания со сдвигом фаз 90°. Это поле, значительно более сильное, нежели поле излучения, называют полем индукции. Его напряженность очень быстро убывает при удалении от вибратора.
Пространство вблизи вибратора на расстояниях, меньших длины волны от него, в котором существует поле индукции, называют зоной индукции или ближней зоной. А пространство на расстояниях, значительно больших длины волны, в котором практически наблюдается только поле излучения, называют дальней или волновой зоной (или зоной излучения).
Разумеется, что резкой границы между ближней и дальней зонами нет. Одна постепенно переходит в другую, и между ними существует промежуточная зона, в которой поле индукции и поле излучения имеют напряженности одного порядка.
Если полуволновый вибратор расположить вертикально, его раз- мер можно уменьшить вдвое благодаря проводящим свойствам зем- ли. При вертикальном расположении нижний конец антенны подклю- чается к одному из зажимов генератора электромагнитных колебаний (рис. 1.15, а), второй зажим генератора при этом заземляется. Если предположить, что земля является идеальным проводником, то в ней
наводится ЭДС, которая действует как зеркальное изображение ос- новного вибратора (см. рис. 1.15, б). Такая антенна называется вер- тикальной несимметричной антенной, ее высота приблизительно равна . Все сказанное справедливо только в том случае, когда земля представляет собой идеальный проводник. Когда же земля об- ладает плохими проводящими свойствами, характер распределения тока в земной поверхности изменяется. Особенно большое значение имеет сопротивление земли вблизи основания антенны. Для улучше- ния проводимости этого участка применяют металлизацию земли: закапывают в землю металлические листы, провода; улучшают хими- ческий состав почвы, пропитывая ее различными солями.
Опыт показывает, что нет надобности осуществлять полную ме- таллизацию земли, достаточно хорошо работает система радиальных расходящихся проводов, закопанных в землю на глубину 20...50 см. Качество металлизации улучшается, если радиальные провода со- единяются между собой перемычками.
Часто заземление заменяют системой проводов, не зарытых, а поднятых над землей, называемых противовесом. Последний дол- жен достаточно хорошо экранировать антенный провод от земли, иг- рая роль хорошо проводящей поверхности. Он обычно дает худшие результаты, но на передвижных радиостанциях является единствен- ным выходом из положения. Обычно в качестве противовеса исполь- зуется корпус автомобиля, на котором расположена радиостанция. Таким же образом поступают при необходимости установки радио- станции на каменистом грунте.
Основные характеристики и параметры антенн.Излучаемая мощность - мощность электромагнитных волн, излучаемых ан- тенной в свободное пространство. Это активная мощность, так как она рассеивается в пространстве, окружающем антенну. Следова- тельно, излучаемую мощность можно выразить через активное со- противление, называемое сопротивлением излучения, где - эффективный ток на входе антенны.
Сопротивление излучения характеризует способность антенны к излучению электромагнитной энергии и качество антенны в большей степени, чем излучаемая ею мощность, поскольку последняя зависит не только от свойств антенны, но и от создаваемого в ней тока.
Мощность потерь - мощность, бесполезно теряемая пере- датчиком во время прохождения тока по проводам антенны, в земле и предметах, расположенных вблизи антенны. Эта мощность также является активной и может быть выражена через активное сопротивление, называемое сопротивлением потерь:
Мощность в антенне - мощность, подводимая к антенне от передатчика. Эту мощность можно представить в виде суммы излу- чаемой мощности и мощности потерь:
полезного действия (КПД) антенны - отношение излучаемой мощности к мощности, подводимой к антенне:
Вхоаное сопротивление антенны - сопротивление на входных зажимах антенны. Оно имеет реактивную и активную составляющие. При настройке в резонанс антенна представляет для генератора чис- то активную нагрузку и используется наиболее эффективно.
Направленность антенны - способность излучать электромагнит- ные волны в определенных направлениях. Об этом свойстве антенны судят по диаграмме направленности, которая графически показывает зависимость напряженности поля или излучаемой мощности от на- правления. Обычно пользуются нормированными диаграммами на- правленности, где величины, характеризующие напряженность поля или мощность излучения, выражены не в абсолютных значениях, а отнесены к максимальному значению. В целях упрощения исполь- зуют не пространственную диаграмму направленности, а ограничи- ваются диаграммами направленности в двух плоскостях: горизон- тальной и вертикальной.
На рис. 1.16, а показана диаграмма направленности симметрично- го вертикального вибратора в горизонтальной плоскости, а на
рис. 1.16, б и в-в вертикальной плоскости в полярной и прямоуголь- ной системах координат соответственно.
Шириной диаграммы направленности называют угол (см. рис. 1.16, б, в), в пределах которого мощность излучения уменьшает- ся не более чем в 2 раза по сравнению с мощностью в направлении максимального излучения. Так как мощность пропорциональна квад- рату напряженности поля, то границы угла раствора диаграммы на- правленности определяются величиной от напряженно- сти поля в направлении максимального излучения.
Коэффициентом направленного действия называется отно- шение плотности потока мощности, излучаемой данной антенной в определенном направлении, к плотности потока мощности, которая излучалась бы абсолютно ненаправленной антенной в любом на- правлении при условии равенства общей излучаемой мощности в обеих антеннах. Наибольший интерес представляет коэффициент направленного действия в направлении максимального излучения:
Коэффициентом усиления антенны называется произведе-
ние коэффициента направленного действия антенны на ее КПД: . Этот коэффициент дает полную характеристику антенны: он учитывает, с одной стороны, концентрацию энергии в определенном направлении благодаря направленным свойствам антенны, а с дру- гой - уменьшение излучения вследствие потерь мощности в антенне. Преимущественное излучение антенн в заданном направлении эк- вивалентно увеличению мощности передатчика. Следовательно, на- правленность передающей антенны весьма желательна. Исключение составляют антенны радиостанций, предназначенных для обслужи- вания определенного района, в центре которого находится станция. Такие антенны не должны обладать направленностью в горизонталь- ной плоскости.
Действующая высота антенны . Количество энергии, излучаемой каждым элементом антенны, пропорционально проходящему по нему току. Так как распределение тока в антенне неравномерно, то излучение различными элементами неодинаково: оно наиболее интенсивно в пучности тока и равно нулю в узле тока (рис. 1.17).
Если площадь, охватываемую кривой распределения тока и проводом антенны, заменить равным по площади прямоугольником, то количество излучаемой энергии не изме- нится. Полагая основание прямоугольника
равным по величине амплитуде тока в основании антенны (Iмо), по- лучаем высоту прямоугольника, называемую действующей высотой антенны
Особенно важно понятие действующей высоты для приемных ан- тенн, у которых оно определяет величину наводимой в них ЭДС.
Поляризация
Как известно, электромагнитные (радио) волны представляют собой комбинацию колебаний электрических и магнитных полей. В обычных условиях направление колебаний электрического поля (вектор Е) перпендикулярно направлению колебаний магнитного поля (вектор Н). Причем оба вектора находятся в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. В зависимости от направления вектора Е волну называют вертикально (рис. 13,а) или горизонтально (рис. 13,6) поляризованной, хотя возможна наклонная и даже изменяющаяся в процессе распространения волны поляризация. Любая антенна наилучшим образом принимает волны только одной поляризации. Сама же поляризация зависит от конструкции передающей антенны и от условий распространения волны. Для ДВ и СВ поверхность земли является хорошим проводником, поэтому горизонтально поляризованные волны этих диапазонов вдоль нее распространяться не могут. По этой причине передающие антенны ДВ и СВ строят так, чтобы они излучали волны вертикальной поляризации.
Вертикально поляризованная волна
Горизонтальноо поляризованная волна
Рис.13
В диапазоне УКВ земная поверхность - скорее диэлектрик, чем проводник, к тому же в этом диапазоне антенны обычно подняты над ней на высоту, значительно превышающую длину волны. Так что здесь выбор поляризации особого значения не имеет. Однако чаще все-таки применяют горизонтально поляризованные волны, поскольку на их распространение меньше влияют всевозможные сооружения и растительность, ориентированные в основном вертикально.
Самое сложное положение с выбором поляризации в диапазоне коротких волн, которые в настоящее время применяют для связи на большие расстояния. При дальней связи передатчик может излучать волны с любой поляризацией, но, проходя сквозь ионосферу и отражаясь от нее, короткие волны непредсказуемо изменяют плоскость поляризации. В результате к антенне радиоприемника никогда не приходят строго горизонтально или строго вертикально поляризованные волны.
Это вынуждает либо усложнять антенну, уменьшая ее чувствительность к поляризации, либо мириться с потерями, вызванными несовпадением поляризаций. В бытовых и любительских условиях выбирают последнее. Тем не менее для улучшения дальнего приема всегда имеет смысл поэкспериментировать с поляризацией приемной антенны, изменяя угол ее наклона к горизонту. Интересно, что характерные для коротких волн замирания сигнала часто связаны не только с изменением его интенсивности во времени, но и с вращением плоскости поляризации.
Направленные KB антенны, как правило, делают с горизонтальной поляризацией, так как они конструктивно проще аналогичных по характеристикам антенн с вертикальной поляризацией.
Антенны километровых и гектометровых волн.Километровые и гектометровые волны (длинные и средние) используются для ра- диосвязи, радиовещания, навигации и других целей.
На длинных и средних волнах земная поверхность имеет обычно хорошую проводимость. У поверхности же хорошего проводника электрическое поле может быть направлено только перпендикулярно его поверхности. Поэтому как передающие, так и приемные антенны для этих волн должны обладать развитой вертикальной частью. Для того чтобы антенна была резонансной и имела достаточно большие сопротивление излучения и КПД, ее размеры должны приближаться,
по крайней мере, к т.е. на ДВ высота ее должна быть равна не-
скольким сотням метров. Практически удается построить антенны (мачты) высотой не более 200...300 м. Поэтому на волнах длиннее 1000 м, как правило, приходится работать с антеннами длиной меньше резонансной. Вследствие этого входное сопротивление антенны имеет реактивную составляющую емкостного характера, для компенсации которой последовательно с антенной приходится включать катушку индуктивности (рис. 1.18, а). Эти катушки часто называют удлинитель- ными. Сопротивление излучения у антенн с малой электрической дли- ной весьма мало. В то же время активное сопротивление удлинитель- ных катушек довольно значительно. Поэтому сопротивление потерь в цепи антенны становится больше или того же порядка, что и сопро- тивление излучения, и КПД антенны получается довольно низким.
На СВ при работе антенны в широком диапазоне частот может оказаться, что частота подводимых к ней колебаний ниже резонанс- ной. В этом случае реактивная составляющая ее входного сопротив- ления имеет индуктивный характер, и для настройки антенны прихо- дится применять конденсатор, который принято называть укорачи- вающим. В общем случае цепь настройки диапазонной антенны должна содержать как емкость, так и индуктивность.
Применение элементов настройки не изменяет сопротивления из- лучения антенны, которое определяется только ее электрической длиной, и поэтому при работе с короткими антеннами сопротивление излучения всегда невелико. Поэтому для получения большой мощно- сти излучения в таких антеннах приходится возбуждать большие токи. Малое сопротивление излучения приводит также к тому, что резо- нансная характеристика антенны становится очень острой; вследст- вие этого антенна очень критична в настройке. Кроме того, при низком сопротивлении излучения приходится особенно тщательно выполнять заземление нижнего конца антенны, где проходит большой ток, так как в противном случае резко снижается КПД системы.
Для увеличения КПД вместо использования катушки индуктивно- сти часто увеличивают длину антенны до резонансной и сгибают ее на высоте мачты под прямым углом, образовав оставшейся частью горизонтальный участок. Такая Г-образная антенна излучает лучше, чем прямая антенна с удлинительной катушкой, но она требует уста- новки второй мачты (см. рис. 1.18, б). Если высота подвеса Г-образ- ной антенны невелика, то горизонтальная часть ее практически не излучает, так как она образует со своим зеркальным изображением двухпроводную линию. Однако при этом распределение тока в излу- чающей вертикальной части существенно улучшается. В ней уклады- вается часть стоячей волны тока, близкая к пучности, к тому же пуч- ность располагается ближе к верхнему концу, который находится в наиболее благоприятных для излучения условиях.
Увеличить амплитуду тока на конце антенны можно также, создав дополнительную горизонтальную часть в виде двух горизонтальных лучей (Т-образная антенна на рис. 1.18, д) или в виде многих лучей (зонтичная антенна на рис. 1.18, е). Во всех случаях горизонтальные элементы образуют с землей некоторую емкость. Благодаря этому амплитуда тока на конце вертикальной части антенны уже не равна нулю, и распределение тока вдоль нее становится более равномер- ным. Площадь тока, а следовательно, и действующая высота антен- ны увеличиваются.
Конструктивно антенны ДВ и СВ очень часто выполняются в виде установленных на изоляторы стальных свободно стоящих антенн- башен (рис. 1.19, а) и антенн-мачт (см. рис. 1.19, б). Ток от передатчи- ка подводится к нижнему концу башни или мачты, которая является непосредственным излучателем энергии. Для радиовещания приме- няются антенны высотой 75...300 м. Для увеличения емкости антенны на вершине башни или мачты устанавливается емкостная шапка из
металлических трубок.
Недостатком передающих антенн-мачт и антенн-башен, имеющих высоту до 300 м и более, является их высокая стоимость. Кроме того, во многих случаях применение высоких антенн недопустимо вследст- вие близости радиоцентров к аэропортам. Во всяком случае все ан- тенны этого типа оборудуются системой светового ограждения мачт.
На средних волнах на расстояниях 100...300 км поля поверхност- ной и пространственной волн могут оказаться соизмеримыми по ам-
плитуде и случайными по фазе. Здесь наблюдаются замирания (фе- динги) селективного характера. В рабочей полосе отдельные частоты замирают по-разному, вызывая искажения передаваемого сигнала. Чтобы отодвинуть дальше от передающей станции зону, подвержен- ную замираниям, необходимо на передаче применять антенны со специальной формой диаграммы направленности в вертикальной плоскости. Эти антенны должны иметь максимум излучения, направ- ленного вдоль поверхности земли, и малое излучение под углом бо- лее 55°. Антенны с подобной диаграммой направленности называют- ся антифединговыми. Такими, например, являются несимметричные вертикальные вибраторы высотой
В отличие от передающих, приемные антенны, как правило, не на- страиваются на частоту принимаемых радиостанций. Для вещатель- ного приема часто используют вертикальные Г-, Т-образные и зонтич- ные антенны.
Антенны декаметровых волн.Чем короче волна, тем больше разнообразие используемых типов антенн. Для KB проводимость поч- вы ухудшается, и вследствие этого возрастают потери в заземлении. Поэтому на этих волнах обычно избегают использования заземлен- ных вибраторов. Только около больших водных поверхностей или при расположении радиостанции на сырых почвах заземленные вибрато- ры дают хорошие результаты.
В диапазоне декаметровых (коротких) волн (10...100 м) отношение длины антенны к длине волны может быть получено достаточно большим. Поэтому обеспечение большого сопротивления излучения и высокого КПД не вызывает затруднений. Более актуальным при по- строении коротковолновых антенн является вопрос о диаграмме на- правленности, к которой предъявляются следующие требования:
1. Она должна быть по возможности неизменной во всем диапазо- не волн, в котором поддерживается связь в течение длительного времени. Это требование вызвано тем, что по условиям распростра- нения приходится производить смену волн даже в течение одних су- ток связи. Антенны, имеющие неизменные диаграммы направленно- сти в широком диапазоне частот, называются диапазонными, в отли- чие от настроенных.
2. Направление максимального излучения и приема должно быть таким, чтобы число отраженных волн от ионосферы и земли было минимальным, так как каждый скачок волны сопровождается потеря- ми энергии. Поэтому угол возвышения луча следует уменьшать по мере удлинения линии связи. Например, для линий протяженностью 600 км рекомендуется выбирать угол 30...45°, а для линий длиной 3000 км- 10...25°.
3. В связи с неустойчивостью состояния ионосферы направленное действие антенны не должно быть чрезмерно большим во избежание
того, что излучаемая волна окажется вне сферы действия приемной антенны. Поэтому ширину угла диаграммы направленности коротко- волновой антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях ре- комендуется устанавливать равной 10...30°.
4. Для ослабления влияния промышленных помех на радиоприем максимум диаграммы направленности приемной антенны не должен быть слишком близок к земной поверхности. С этой точки зрения в коротковолновых антеннах предпочтительнее применять горизон- тальные вибраторы, а не вертикальные. Однако симметричный гори- зонтальный вибратор не рассчитан на работу в широком диапазоне частот, так как его входное сопротивление сильно зависит от частоты, что приводит к нарушению согласования с питающим фидером.
Входное сопротивление вибратора будет изменяться в меньших пределах, если уменьшить его волновое сопротивление. Это может быть достигнуто за счет увеличения диаметра излучающих проводов. В диполе С.И. Надененко (антенны типа ВГД) плечи вибратора обра- зованы системой из 6-12 проводов, расположенных по образующей цилиндра диаметром 1...3 м (рис. 1.20).
С изменением частоты входное сопротивление такого вибратора изменяется в небольших пределах и согласование с фидером обес- печивается в более широком диапазоне частот. Рабочий диапазон волн диполя С.И. Надененко составляет (1,7...3,3)/. Эта антенна на- ходит применение на передающих и приемных станциях, если требу- ется слабонаправленная диапазонная антенна.
Симметричные вибраторы широко используются как элемент более сложных антенн, состоящих из нескольких вибраторов. Такие многовиб- раторные антенны обеспечивают остронаправленные излучения и при- ем. Антенная система состоит из горизонтальных полуволновых вибра- торов, расположенных рядами в несколько этажей. Расстояние между этажами , а между вибраторами Если токи во всех вибраторах возбуждаются в фазе, такую антенну называют синфазной.
На рис. 1.21 изображена синфазная горизонтальная антенна. Рассмотрим, чем будет определяться диаграмма направленности та- кой антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Предположим, что такая антенна используется как приемная. Диа- грамма направленности каждого вибратора в вертикальной плоскости представляет собой окружность. На рис. 1.22 показаны горизонтальные полуволновые вибраторы, расположенные в два этажа (плоскость чер- тежа совпадает с вертикальной плоскостью) на расстоянии
При достаточном удалении источника принимаемых волн линии r1, и r2соединяющие вибраторы с этим источником, можно считать па- раллельными. Поэтому токи от вибраторов будут складываться в об- щей линии, присоединенной к ним. Если угол прихода то r1, и r2равны и токи складываются с одинаковой фазой. При появляется разность расстояний r1, и r2, представленная на рис. 1.22, а отрезком d. Если же , 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, рас- положенных 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 диа- грамма направленности.
Для магистральной связи в качестве приемных и передающих ан- тенн применяются антенны с узкими диаграммами направленности в обоих плоскостях, содержащие 32 и более вибраторов. Коэффициент усиления этих антенн более 160. С изменением длины волны рас- стояние между этажами будет отличаться от значения . В резуль- тате вибраторы разных этажей будут питаться токами разных ампли- туд и фаз. Все это искажает диаграмму направленности. Поэтому та- кие антенны могут применяться в узком диапазоне волн
для двухэтажной; для четырехэтажной).
Для того чтобы получить остронаправленную диапазонную антен- ну, необходимо обеспечить без перестройки элементов антенно- фидерной системы постоянство направления максимального излуче- ния, а по возможности и всю диаграмму направленности при измене- нии длины волны. Это может быть успешно решено, если во всей ан- тенной системе создать режим бегущих волн. К такому типу антенн относится ромбическая антенна, изображенная на рис. 1.23. Она со- стоит 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 к проводу. Если острый угол ромба равен
то основные лепестки (а1, а2, а3, а4) диаграммы направленно- сти всех четырех проводов совпадают по форме и направлению. При этом максимум излучения совпадает с направлением большой диаго- нали ромба.
При достаточно большой длине провода изменение дли-
ны волны существенно не изменяет угол следовательно, на-
правление максимального излучения ромбической антенны сохра- няется постоянным в широком диапазоне волн. Рабочий диапазон волн ромбической антенны составляет Для перекрытия
всего диапазона коротких волн достаточно иметь две ромбические антенны.
Ромбические антенны находят широкое применение на приемных и передающих коротковолновых радиоцентрах, так как они без регулировок и настроек работают в очень широком диапазоне радиоволн, просты по конструкции и имеют достаточно высокую направленность. Их основными недостатками следует считать большое число, высокий уровень боковых лепестков и сравнительно большую площадь, занимаемую антенной, что приводит для крупных радиоцентров к увеличению занимаемой ими площади.