Резонансные антенны умеренной направленности

Харченко К.П.

Для увеличения направленности антенн надо таким образом разместить проводники в пространстве, чтобы токи на них имели одинаковые направления, а проводники находились в одной плоскости.

Для резонансных антенн в этих целях можно использовать так называемый гармониковый провод. Это провод, на котором укладывается несколько полуволн тока. Известно, что в пределах одной полуволны ток не меняет своего направления, а в соседней полуволне его направление оказывается встречным. Поэтому участки гармоникового провода со встречными токами свертывают так, чтобы они не создавали полей излучения (если это не сделать, то в диаграммах направленности появляются глубокие провалы и диаграммы становятся многолепесжовыми).

На рис.1 показан вариант такой антенны. Стрелками условно показаны направления токов в один из моментов времени, штриховыми линиями — распределения уровней тока вдоль проводников. Антенна имеет несимметричное питание. Ее противовесы выполнены из трех проводников длиной Lпр = λ/4, которые симметрично расположены вокруг оси мачты под углом 30° к ней. В точке закрепления концы противовесов гальванически соединены с экранной оболочкой фидера.


Рис.1. Антенна из вертикальных гармониковых проводников.

Штыревая часть антенны сделана из двух симметричных один относительно другого гармониковых проводников. Каждый из них имеет три участка L1, L2 и L3. Участок L1=λ/2 является основным излучающим элементом штыря. Участок L2=λ/4 частично вносит свою долю в поле излучения, а частично играет роль фидера, разветвляя энергию токов высокой частоты от центрального проводника фидера по двум направлениям. Участок L3 = λ/4 выполняет роль фидера и представляет собой петлю (свертку проводника), так как является участком с противофазными (встречными) токами, поля излучения которых практически компенсируют друг друга.

Антенна представляет собой на резонансной частоте fрез систему проводников, эквивалентную по эффективности излучения в главном направлении трем полуволновым вибраторам. Диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости имеет два максимума излучения, ориентированных в направлении нормали к плоскости расположения проводников Антенна обладает направленностью и в вертикальной плоскости. Активнай составляющая входного сопротивления антенны на резонансной частоте равна Rа (90—100) Ом, что обеспечивает хорошее согласование с 75-омным питающим фидером: к.б.в≈(0,7—0,8).

Рассмотрим работу антенны при отклонении рабочей частоты от резонансной. При уменьшении частоты (увеличении длины волны) минимумы тока на гармониковых проводниках смещаются в сторону точек питания антенны. Первый минимум (нуль трка) всегда расположен на конце разомкнутого проводника как штыря, так и противовеса. На излучающих участках гармоникового проводника появляются противофазные токи. Участок L3 начинает вносить свою долю искажений в диаграмму направленности. На выводах антенны появляется реактивная составляющая входного сопротивления емкостного характера.

По мере увеличения рабочей частоты (уменьшении длины волны) минимумы тока смещаются в противоположном направлении, что вместе с появлением излучения от участка L3 ведет к появлению противофазных токов на излучающих участках гармоникового провода. На выводах антенны появляется реактивная составляющая входного сопротивления индуктивного характера.

Направленность антенны можно усилить за счет дальнейшего наращивания длины гармоникового провода (рис.2). Принцип действия и размеры элементов антенны, схема которой приведена на рис.2, аналогичны предыдущим. Следует отметить, что раcфазировка ее при изменении частоты относительно резонансной наступает быстрее и резче, поскольку набеги фазы фактически удваиваются за счет двойного увеличения длины гармоникового провода. По к.н.д. антенна примерно эквивалентна пяти полуволновым вибраторам. Ее диаграмма направленности в горизонтальной плоскости по сравнению с предыдущим случаем не претерпевает изменения, а в вертикальной плоскости ширина диаграммы уменьшается почти вдвое.


Рис.2. Антенна из вертикальных удлиненных гармониковых проводников.

Как первая, так и вторая антенны очень просты и неприхотливы в работе. Их некоторая громоздкость окупается сравнительно большой направленностью. Настройка антенны, как правило, не требуется. Однако по мере надобности ее можно провести изменением длины участков L3, перемещая короткозймыкатели вправо (настолько же и влево) от точек K. Эти перемещения регулируют распределения токов на участках проводников от точек K до точек питания антенны, оставляя неизменным распределение тока на участках L1 (для антенны рис.1). Для антенны, приведенной на. рис.2, дело обстоит сложнее. Перемещая короткозамыкатели около точки K1, производят регулировку токов, аналогичную той, что нужна для антенны на рис.1. Перемещая же короткозамыкатели около точки K2 изменяют дополнительно к первому случаю еще и распределение токов на средней части антенны. Поэтому регулировку более разветвленной и сложной антенны (рис.2) надо начинать с точки K1 и заканчивать точкой K2. Пользуясь этими двумя степенями свободы, можно несколько расширить рабочий диапазон частот антенны, «уведя» регулировку антенны в точке K1 влево от резонанса, а в точке K2 — вправо.

Для образования требуемой конфигурации проводников в пространстве нужен силовой каркас. В качестве такого каркаса может быть взята диэлектрическая мачта с одной (двумя) реями и одной (двумя) распорками (рис.3). Здесь пунктиром показаны расположения проводников в пространстве, а также установка изоляторов, на которых закрепляются проводники, чтобы они не касались рей и распорок (изоляторы 1) и друг друга при изгибах (изоляторы 3). Вариант, предложенный на рис.3, не является обязательным. Однако он настолько прост, что может быть положен в основу любой другой модификации силового каркаса.


Рис.3. Каркас для антенны из гармониковых проводников.

Вертикальная антенна из горизонтальных гармониковых проводников

Разветвление гармониковых проводников в вертикальной плоскости не единственное решение задачи построения антенн вертикальной поляризации умеренной направленности. Гармониковые проводники для тех же целей можно разветвлять и в горизонтальной плоскости. Пример построения такой антенны показан на рис.4.


Рис.4. Антенна с разветвлением в горизонтальной плоскости.

Антенна имеет несимметричное питание. Ее противовесы выполнены из трех проводников Lпр=λ/4. Они симметрично расположены вокруг оси мачты под углом 30° к её оси. В точке закрепления концы противовесов гальванически соединены с экранной оболочкой фидера. Штыревая часть антенны выполнена из двух симметричных гармониковых, проводников. Каждый из них состоит из отрезков L1 и L2, длины которых L1=λ/4 и L2=λ/2. Все отрезки проводников имеют между собой угол 90°, тем самым каждый из них наклонен под 45° к плоскости горизонта. Такое расположение излучающихэлементов в пространстве и их длины обеспечивают сложение в дальней зоне вертикальных составляющих поля излучения Ев и вычитание горизонтальных составляющих поля излучения Ег. Как видно из рис.4 (где для примера полные токи> на двух отрезках проводников разложены на вертикальную и горизонтальную составляющие), все вертикальные составляющие токов оказываются направленными в одну сторону, т. е. сфазированными, а все горизонтальные направлены попарно встречно, т. е. попарно противофазны. Отмеченное обстоятельство и лежит в основе работы антенны, обеспечивая преимущественное, излучение вертикальной составляющей вектора напряженности электрического поля.

В отличие от предыдущих конструкций здесь характерно отсутствие на резонансной частоте участков проводников с противофазным направлением токов, которые надо было бы искусственно свертывать. Однако по мере отклонения частоты от резонансной такие участки начинают возникать и антенна теряет свои направленные свойства с одновременным ухудшением согласования с фидером.

Антенна двунаправленная: максимумы ее излучения лежат в направлении нормали к плоскости расположения гармониковых проводников. На практике необходимо осуществлять поворот антенны в горизонтальной плоскости, направляя максимум ее излучения на корреспондента.

В качестве силового каркаса для придания гармониковым проводникам в пространстве требуемой конфигурации можно применить две диэлектрические реи: верхнюю и нижнюю. В данной на рис.4 схеме верхняя рея длиннее нижней. Однако брать это за правило не следует, поскольку при увеличении гармоникового проводника еще на один отрезок длиной L2 нижняя рея станет длиннее верхней, и направленность антенны в горизонтальной плоскости увеличится. Проводники к реям следует крепить на изоляторах.

Источник:
Харченко К.П. Антенны вертикальной поляризации. МРБ 1072, 1964г.