Направленные свойства полуволнового вибратора
Колесников Александр Иванович
Основным элементом почти всех антенных устройств является полуволновой вибратор, представляющий собой металлический стержень длиной, близкой к половине длины рабочей волны. Вокруг такого проводника на значительной, расстоянии (не менее 10-15 λ) можно обнаружить и измерить ВЧ поле, которое заполняет объем, ограниченный торроидальной поверхностью (рис. 7-1,а).
Рас. 7-1. а — пространственная характеристика излучения полуволнового диполя;
б — характеристика получения диполя в горизонтальной плоскостиЕсли через антенну или ось торроида провести плоскость, параллельную земле то сечение торроида представится в виде кривой, напоминающей цифру 8, которая показывает, как распределена мощность излучения в горизонтальной плоскости. Это так называемая диаграмма направленности в горизонтальной плоскости. Из нее видно, что вдоль оси самой антенны излучения нет, а в направлении вдоль линии АВ, перпендикулярной к lа , оно будет наибольшим. Если антенну повернуть в сторону от АВ на такой угол, при котором мощность в удаленной точке упадет наполовину, то удвоенное значение этого угла, равное φн, определит ширину диаграммы излучения. Для полуволнового вибратора она очень широка и равна φн~ 78°.
В табл. 7-1 приведены относительные значения напряженности Е или мощности Р поля по разным направлениям (угол θ), отсчитываемым от направления, перпендикулярного к антенне.
Таблица 7-1
Угол θ
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Е, в/м
Р, вт
0
0
0,141
0,019
0,275
0,080
0,418
0,186
0,557
0,310
0,696
0,485
0,817
0,665
0,914
0,832
0,978
0,956
1,0
1,0
Данные таблицы интересны для сравнения с более острыми характеристиками и позволяют судить о том, как должна измениться громкость сигнала при повороте полуволновой антенны.
Для того чтобы громкость сигнала в месте приема изменилась на одно деление девятибалльной шкалы S, необходимо, чтобы напряженность поля и напряжение на входе приемника изменились в два раза или излученная мощность в четыре раза. В обоих случаях это соответствует уменьшению или увеличению силы сигнала на 6 дб. Оказывается, что только при повороте антенны примерно на 55° мощность в направлении на корреспондента упадет до значения 0,25 от максимума, т. е. уменьшится в четыре раза, и громкость снизится на 1S по сравнению с первоначальным значением. При повороте на 70° соотношение мощностей будет 12,5 раза (1/0,08) и по рис. 7-1,6 это соответствует изменению на 11 дб, или почти на 3S. Такую проверку направленных свойств антенны нельзя, конечно, делать внутри города, так как напряженность поля у корреспондента может быть обусловлена отражениями от разных местных предметов и т. д.
Увеличение мощности сигнала в месте приема гораздо экономнее можно получить за счет направленных свойств антенны, чем от увеличения мощности самого передатчика. Трехэлементная антенна, дающая усиление 6-7 дб, равноценна по своему значению пятикратному увеличению мощности самого передатчика. Положение это некритично при переходе с мощности 1 вт к 5 вт. Если уверенную связь не обеспечивает даже 40-ваттный передатчик второй категории, то увеличение его мощности до 200 вт требует коренной перестройки всех узлов. Трехэлементная антенна проще, дешевле и лучше повышает устойчивость связи.
Влияние размеров полуволнового вибратора
Полуволновой вибратор по своим свойствам является открытым колебательным контуром и поэтому имеет свою резонансную частоту fа, добротность Qa, а также входное сопротивление Za и сопротивление излучения Ra. Все упомянутые величины определяются размерами и конструкцией вибраторов.
На рис. 7-2,а,б, показаны наиболее часто встречающиеся конструкции вибраторов и способы их питания. Длина вибратора lа всегда короче полуволны, т. е. lа<0,5λ. Степень укорочения V зависит от соотношения между длиной волны λ и диаметром вибратора а и определяется по графику на рис. 7-3.
Рис. 7-2. Разновидности полуволновых диполей и способов их возбуждения
Рис. 7-3. Номограмма для расчета степени укорочения вибраторов и входных сопротивленийВ табл. 7-2 приведены длины полуволновых УКВ вибраторов, изготовленных из трубок разных диаметров для середины диапазонов 28,5; 145 и 432 Мгц.
Таблица 7-2
f, Мгц
λ/2, см
а1, см
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
28,5
526
515
512
-
-
-
504
502
501
500
499
498
145
103,5
100
98
97,5
96,7
96,2
95,9
95,4
95
94,6
94,2
—
432
34,7
32,6
32,1
31,6
31,4
31,2
31,0
—
—
—
—
—
Выбор диаметра d зависит от назначения и местных условий работы: для портативных антенн для диапазона 144- 432 Мгц достаточно 3-4 мм, для стационарных — в зависимости от климатических условий — 4-12 мм. В качестве материала лучше всего применять дюралюминий, не следует применять латунь, так как она трескается на морозе, а медь слишком тяжела. Действующая длина вибратора зависит также от способа их крепления: внесение слишком больших масс материала, изоляции и т. п. в поле вибратора (особенно у его концов) понижает резонансную частоту.
Под длиной lа полуволнового вибратора надо понимать общую длину без учета зазора между точками А и В (рис. 7-2, а) или до середины колена у петлевого вибратора (рис. 7-2,6). Расстояние АВ в точках питания вибратороа может быть любым при условии, что оно меньше длины волны, например АВ = 0,01λ. Практически расстояние должно быть удобным для надежного крепления линии питания.
Входное сопротивление вибраторов
По отношению к передатчику и линии питания вибратор является нагрузкой, имеющей какое-то входное сопротивление:
Zа = Ra + jX,
где Za — полное входное сопротивление, ом;
Ra — активная составляющая, ом;
jX — реактивная составляющая.Составляющая Rа не зависит от частоты и потребляет подводимую мощность, которую затем открытый контур (антенна) излучает. Реактивная составляющая X зависит от частоты и может иметь как емкостный jXC, так и индуктивный jXL характер.
Источник: А.Колесников "Справочник ультракоротковолновика", ДОСААФ, 1966 г.
[ На главную ] [ Антенны ]
