Перископические антенны
Канд. техн. наук К. Харченко. г. Москва
На радиорелейных линиях нашли применение перископические антенно-фидерные устройства.
В публикуемой ниже статье К. Харченко показываются воможности использования таких антенн в радиолюбительски практике, рассказывается об их преимуществах перед другими антеннами при приеме передач удаленных телецентров. Из-за сравнительной громоздкости перископических антенн их можно рекомендовать устанавливать в сельской местности, где нетрудно выбрать необходимый по размерам участок вблизи дома.
В следующих статьях будет рассказано о практических конеструкциях радиолюбительских перископических антенн.
Для приема телевизионных передач в местности, удаленной от телецентров и ретрансляторов, приходится применять антенны с большим коэффициентом направленного действия. Такие антенны обычно относительно сложны, громоздки, тяжелы и дороги. Из-за громоздкости и тяжести затрудняется подъем антенны на заданную высоту, сохранение ее жесткости и ориентации в процессе работы при различных метеорологических условиях.
Известные осложнения вносит и фидер. Неполное согласование с антенной, большая длина и сравнительно высокие потери энергии на единицу длины фидера приводят к ухудшению эффективности антенно-фидерного устройства (АФУ).
В какой-то степени устранить отмеченные недостатки позволяют перископические АФУ. Такие устройства отличаются от обычных тем, что в них собственно антенна расположена на земле вблизи подножия мачты, а на мачте установлен рефлектор — переизлучатель (см. рис. 1).
Рис 1Благодаря этому облегчается доступ к антенне для ее настройки, при ремонте и замене элементов антенны, не требуется опускать и поднимать мачту.
Электромагнитные волны, создаваемые антенной телецентра (так называемое первичное излучение), попадают на перископический рефлектор, отражаются им (вторичное излучение) к приемной антенне и возбуждают последнюю. В антенне энергия волн вторичного излучения преобразуется в энергию токов высокой частоты, поступающих по фидеру на вход приемного устройства.
Известно, что процессы, протекающие в антенне, работающей в режиме приема и в режиме передачи, взаимообратимые. Воспользовавшись этим положением будем для большей наглядности рассматривать приемную антенну в режиме передачи. В этом режиме энергия токов высокой частоты по фидеру попадает в антенну, которая теперь создает первичное излучение электромагнитных воли. Перископический рефлектор, на который попадает это излучение, возбуждает волны вторичного излучения, формируя (что важно) итоговую характеристику направленности системы.
Применение перископического рефлектора, с одной стороны, позволяет перехватить излучение антенны телецентра (или направить его к телецентру) на некотором удалении от поверхности земли, где плотность электромагнитной энергии выше, а с другой стороны, дает возможность уменьшить длину фидера на отрезок, равный высоте мачты. Исключение же например, пятнадцатиметрового отрезка кабеля РК-75-4-15 увеличивает примерно вдвое КПД антенно-фидерного устройства на первом телевизионном канале и примерно вчетверо на двенадцатом канале при коэффициенте бегущей волны 0,3—0,4 на входе фидера со стороны антенны.
Кроме непосредственного доступа к антенне, радиолюбитель имеет возможность использовать всю мачту для крепления элементов антенны. Причем, она может быть нежесткой конструкции (из провода, антенного канатика и др.), иметь большие размеры, которые были бы немыслимы при размещении антенны на верху опоры.
Недостаток АФУ — применение нового элемента — перископического рефлектора. Однако он может быть сравнительно простым по конструкции и некритичен к длине волны, что удобно при эксплуатации.
Простейшим является плоский перископический рефлектор, который благодаря своей геометрической форме практически не влияет на итоговую диаграмму направленности системы и определяет лишь направление излучения. Если, например, антенна расположена у основания мачты и максимум ее диаграммы направленности ориентирован вертикально вверх, то для перензлучения энергии вдоль поверхности земли рефлектор следует установить над антенной под углом 45° к вертикали и развернуть фронтом на корреспондента (на телецентр), как показано на рис. 2.
Кроме того, рефлектор и антенна корреспондента должны быть расположены относительно друг друга так, чтобы между ними не было рассогласования по поляризации. Здесь надо иметь в виду, что плоский рефлектор, поверхность которого параллельна вектору Е напряженности электрического поля первичной волны излучения, не изменяет в пространстве направления этого вектора во вторичной волне. Если рефлектор выполнен в виде отдельных линейных проводников, то они должны быть параллельны вектору Е первичной волны излучения.
Рис 2Коэффициент направленного действия (КНД) антенно-фидерного устройства с перископическим рефлектором определяется КНД антенны и равен ему, если поверхность рефлектора неограниченно велика. В этом случае рефлектор перехватывает всю энергию, излученную антенной. Естественно, что на практике такой рефлектор неосуществим.
Практически часть энергии, определяемая боковые лепестками диаграммы направленности и в какой-то степени главным, излучается мимо рефлектора. Это снижает коэффициент использования поверхности (КИП) рефлектора. Очевидно, при заданных размерах рефлектора и известной диаграмме направленности антенны доля энергии, не попадающей на рефлектор, увеличивается по мере его удаления от антенны. Рефлектор с заданным КИП имеет минимальные размеры, если расположен в непосредственной близости от антенны. Однако приближать рефлектор к антенне, находящейся у поверхности земли, невыгодно, так как здесь невелика плотность потока энергии электромагнитных волн, приходящих от удаленного телецентра. Невыгодно также располагать антенну вблизи рефлектора, поднятого относительно высоко над землей, так как в этом случае теряются преимущества перископического АФУ.
Следовательно, выбор размеров рефлектора и его размещение зависят от ряда факторов, основными из которых являются удаление рефлектора от антенны и ее характеристика направленности.
Для антенн с плоским излучающим раскрывом (поглощающим раскрывом в режиме приема), таких как рупорные, уголковые, параболические и др. размер рефлектора можно выбирать следующим образом. Если рефлектор устанавливают непосредственно у излучающего раскрыва (см. рис. 3), например, прямоугольной формы площадью S, то его поверхность Sp=√2S , то есть рефлектор выполняется таким образом, чтобы его проекция на плоскость излучающего раскрыва ограничивалась самим раскрывом.
Рис 3Если рефлектор удаляют от реального излучающего раскрыва, то в новом положении у основания рефлектора следует представить фиктивный излучающий раскрыв, размеры которого ограничены продолжением граней пирамиды, основанием которой служит реальный излучающий раскрыв с углами φ и θ при вершине. Углы φ и θ равны углам раскрыва диаграммы направленности антенны по половинной мощности. Размеры рефлектора определяются размерами фиктивного раскрыва, аналогичным предыдущему случаю образом.
При использовании антенны продольного излучения (например, волновой канал), не имеющей явно выраженного раскрыва, поверхность раскрыва такой антенны можно определить из соотношения
где D — коэффициент направленного действия антенны.
Принимая ориентировочно, что S=a2, где а — сторона излучающего раскрыва в форме квадрата, определяют размеры рефлектора указанным выше способом, считая, что поверхность излучающего раскрыва проходит через фазовый центр антенны перпендикулярно ее оси.
В общем случае перископический рефлектор можно сделать таким, что КНД АФУ будет выше, чем КНД антенны. На рис. 4 показана часть параболической поверхности с фокусом в точке 0 В этой точке располагают антенну, например, рупорную, таким образом, чтобы ее энергия излучения была практически сосредоточена в пределах угла α. При выполнении этого условия угол β, в котором сосредоточена энергия излучения АФУ, оказывается меньше угла α, а КНД АФУ будет больше КНД антенны примерно во столько раз, во сколько раз поверхность раскрыва рефлектора больше поверхности раскрыва облучателя.
Рис 4Проектируя перископическое АФУ, необходимо учитывать особенности распределения интенсивности электромагнитного излучения над поверхностью земли (см. рис. 5). Плоский поглощающий раскрыв антенны (например, синфазной решетки из симметричных вибраторов) с площадью S=a*h расположен на поверхности земли. Плоский рефлектор опирается на мачту высотой h. КНД антенны, как известно, прямо пропорционален S и, если нет других ограничений, может определяться высотой мачты h и шириной рефлектора а. Чем выше мачта и шире рефлектор, тем больший поток электромагнитной энергии перехватывается рефлектором и отклоняется по направлению к антенне. Однако в этих рассуждениях не учитываются реальные условия распространения электромагнитных волн УКВ диапазона вдоль земли за пределами прямой видимости передающей антенны.
Рис 5Так как по мере приближения к земле плотность потока электромагнитного излучения уменьшается, нижние участки поверхности рефлектора оказываются менее «эффективными», чем верхние. Доля участия в отражении одинаковых горизонтальных полосок рефлектора, начиная с верхних, показана на рис. 6: кривая 1 — для равномерного потока излучения, кривая 2 — для реального. За 0 дБ принят вклад первой, самой верхней полоски рефлектора, опирающейся на метровый отрезок мачты. По мере увеличения числа полосок общин поток электромагнитного излучения, падающего на антенну в реальных условиях, увеличивается, но не пропорционально их числу, и при 7—8 полосках прирост становится практически незаметным.
Рис.6Следовательно, для увеличения эффективности АФУ следует стремиться к увеличению поглощающего (излучающего) раскрыва антенны и соответствующей ему поверхности перископического рефлектора.
При увеличении высоты подвеса (мачты) перископического рефлектора его поверхность «невыгодно» увеличивать по размеру h сверх 7...8 м, так как затраты не будут окупаться получаемыми результатами. При заданной высоте мачты эффективность АФУ нужно повышать путем увеличения раскрыва антенны и поверхности перископического рефлектора по размеру а. Антенну под мачтой нужно устанавливать так, чтобы ее раскрыв принимал волны, отраженные от верхних участков перископического рефлектора, где интенсивность потока излучения больше.
Перископические антенны УКВ диапазона получаются сравнительно громоздкими. Чтобы они при этом были легкими, с небольшой парусностью, следует максимально использовать проволочные сетчатые или решетчатые конструкции. Решетчатые рефлекторы не полностью отражают падающее на них электромагнитное излучение. Часть его бесполезно просачивается сквозь рефлектор и теряется. Доля потерянной энергии зависит от параметров решетки (диаметра проводников и расстояния между ними) и длины волны падающего на рефлектор излучения. На рис. 7 приведены для ориентировки графики, показывающие, как нужно выбирать расстояние d между проводниками для данной длины λ волны излучения, зная их радиус г0, или как подобрать радиус проводников по заданному расстоянию между ними с тем, чтобы потери энергии не превысили некоторого значения δ от общей энергии, падающей на рефлектор.
Рис 7Заслуживает упоминания еще одна возможность увеличения дальности приема телевизионных передач при использовании перископических АФУ. Высокочастотные усилительные каскады выносят из телевизора и устанавливают непосредственно у антенны, благодаря чему отпадает необходимость в фидере от антенны к телевизору, облегчается согласование антенны с входным контуром усилителя ВЧ. При этом согласование удается достигнуть на каждом из поддиапазонов частот, в которых ведутся передачи, при использовании конструктивно простых и «недиапазонных» (в принятом толковании) антенн путем компенсации вносимого антенной реактивного сопротивления во входной контур элементами настройки последнего и подбора коэффициента включения антенны в контур.
Paдиo N6 - 1975 г.
[ На главную ] [ Антенны ]
