СИММЕТРИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА АНТЕНН
Инж. К. Харченко
Многие KB и УКВ антенны, в частности телевизионные, относятся к классу симметричных антенн. При питании таких антенн через коаксиальный фидер их работа во многом зависит от выполнения переходных симметрирующих устройств. Однако нередко радиолюбители, изготовляя антенну, вообще не делают таких устройств или конструируют их неправильно, исходя из ошибочных рекомендаций, которые встречаются в некоторых популярных книгах по антенным устройствам.
В настоящей статье описаны способы симметрирования антенн и свойства некоторых симметрирующих устройств, а также даны рекомендации по их выполнению.
Непосредственное присоединение коаксиального фидера к симметричной антенне (например, к диполю) нарушает симметрию токов в ней и приводит к появлению тока на наружной поверхности экрана фидера, то есть вызывает появление антенно-фидерного эффекта. На рис. 1,a показано такое соединение диполя с фидером. При этом выходное напряжение фидера приложено не только к входным зажимам 1-2 симметричного вибратора, но также и к одному зажиму 2 и экранирующей оболочке 3 фидера.
Puc.1
Напряжение между зажимами вибратора вызывает в нем симметричные токи, замыкающиеся с одной половины вибратора на другую, как показано на рис. 1,а сплошными стрелками. Напряжение между правой половиной вибратора и оболочкой кабеля вызывает дополнительный ток, показанный пунктирными стрелками. Появление этого тока приводит к излучению (приему) фидером электромагнитной энергии, что нарушает симметрию токов в антенне и в итоге искажает диаграммы направленности.
На рис. 1,б приведена эквивалентная схема симметричной антенны с непосредственно подключенным коаксиальным фидером, где антенна изображена в виде сопротивления Rн нагрузки выходных зажимов генератора или потребителя (передатчика или приемника). Как видно из схемы, один из этих зажимов будет соединен не только с сопротивлением нагрузки Rн, но и с землей через конденсатор С, обкладками которого являются вибратор антенны и экранирующая оболочка фидера. Таким образом, симметрия антенны нарушится. Поэтому для соединения коаксиального фидера с симметричной антенной используют специальные переходные устройства, называемые также симметрирующими, благодаря которым достигается электрическая симметрия каждой половины антенны относительно экранирующей оболочки фидера.
Переходное устройство типа "запирающий стакан" показано на рис. 2,а.
Puc.2
В этом устройстве входные зажимы 1-2 вибратора антенны непосредственно подключаются к внутреннему и внешнему проводникам коаксиального кабеля, который размещен внутри металлического стакана В по его оси так, что стенки стакана и экранирующая оболочка Б кабеля образуют коаксиальную линию с волновым сопротивлением r (формулы для расчета волновых сопротивлений коаксиальных и двухпроводных линий приведены в журнале "Радио" N 11 за 1962 г.). Входное сопротивление этой линии между точками 2 и 3 равно:
При l=l/4 величина Z2,3 велика, ток от точки 2 к точке 3 не потечет, и токи на обеих сторонах антенны будут равны. Если же длина l стакана В будет отлична от l/4, то Z2,3 не будет велико и, как это видно из эквивалентной схемы рис. 2,б, симметрия нарушится: в точке 2 часть тока будет ответвляться на землю и напряжения между землей и точками 1-2 уже не будут равны и противофазны. Поэтому рабочая полоса частот такого симметрирующего устройства невелика. Обычно она не превышает 10% от значения основной частоты, на которую спроектировано устройство.
Puc.3
Полоса частот симметрирующего устройства со стаканом может быть увеличена путем введения второго отрезка коаксиальной линии с таким же волновым сопротивлением, что и стакан (рис. 3,а). При этом, как видно из эквивалентной схемы (рис. 3,б), сопротивления точек 1 и 2 относительно земли будут равны, независимо от их величины, то есть Z1,2=Z2,3. Благодаря этому питание антенны будет симметрично в широкой полосе частот. Различие между устройствами, приведенными на рис.3 и рис.4, заключается в том, что в последнем два элемента (Б и Б') помещены рядом, образуя замкнутую на конце двухпроводную линию.
Входное сопротивление этого симметрирующего устройства равно
где r'- волновое сопротивление двухпроводной линии.
Симметрирующее устройство рис.4 просто по конструкции, работает в широкой полосе частот и в любительской практике употребляется наиболее часто. Одним из проводников этого симметрирующего устройства является экранирующая оболочка коаксиального фидера (элемент Б), в качестве второго (элемент Б') могут быть взяты либо отрезок кабеля, из которого выполнен фидер, либо трубка равного ему диаметра. Основное преимущество этого устройства перед предыдущим (рис.3) - вдвое меньшая длина.
Puc.4
|
На рис.2,3 и 4: А - внутренняя жила коаксиального кабеля, Б и Б'-наружная оплетка кабеля, B и B'- металлические стаканы. |
Схема симметрирующего устройства типа "U-колено" показана на рис.5,а. Здесь центральный провод основного коаксиального фидера присоединяется к зажиму 1 левой половины вибратора. От этой же точки напряжение к зажиму 2 правой половины вибратора подается через отрезок кабеля длиной l/2, где l - длина волны в кабеле (с учетом укорочения). Фаза напряжения при прохождении участка кабеля длиной l/2 сдвигается на 180°, поэтому к зажимам вибратора подводится требуемое противофазное напряжение. Экранирующие оболочки кабелей соединены между собой.
Puc.5
Радио N 2 1966 г., c.24