Настроєні несиметричні антени вертикальної поляризації
Як зазначалось вище, хвильовий опір та діюча висота антени у вигляді короткого несиметричного вібратора, розташованого над ідеально провідною поверхнею (рис. 14.1), вдвічі менші від аналогічних параметрів симетричного вібратора.
, Ом; (14.1)
. (14.2)
Рис. 14.1
Штир висотою l/4 - це резонуюча антена з вхідним активним опором 36,1 Ом. Діаграма випромінювання чвертьхвильового штиря у вертикальній площині для випадку ідеально провідної землі притиснута до поверхні (рис. 7.5).
У випадку реальної землі у діаграмі випромінювання такої антени відбувається зміна – збільшується кут нахилу
пелюсток діаграми відносно поверхні, що призводить до послаблення інтенсивності електромагнітного поля поверхневої хвилі.
При подовженні штиря від резонансного розміру l/4 до величини (5/8)l, тобто 0.625l, максимуми випромінювання дещо опускаються до землі. При l=0,625l кут відносно землі найменший, що вигідно для зв’язку наземною (ближня зона) та іоносферною (далека зона) хвилею.
Проте в діаграмі напрямленості штиря такої довжини, поряд з інтенсивним випромінюванням під малими кутами, з’являється випромінювання помітної інтенсивності під значними кутами до поверхні землі (рис. 14.2). Це може призвести до завмирань (федінгів) сигналу в проміжній зоні, куди одночасно приходять поверхнева і просторова хвилі, пов’язані відповідно з пологою та крутою пелюстками діаграми.
У діаграмі напрямленості трохи коротшого штиря висотою l=(0,53…0,58)l інтенсивність крутих пелюсток зменшується, через що послаблюється ефект федінгування сигналу в проміжній зоні. Антени з довжиною l=(0,53…0,58)l використовуються в радіомовленні як антифедінгові.
Рис. 14.2
Антени довжиною 0,625l та 0,55l можна перетворити в резонансні, налаштувавши їх за допомогою реактивних елементів. Зокрема, антену висотою 0,625l можна налаштувати так, як показано на рис. 14.3.
Рис. 14.3
Котушка індуктивності повинна мати на робочій частоті опір, рівний реактивному опору ємнісної складової вхідного опору подовженного штиря. Активний опір такого випромінювача низький (близько 70 Ом), оскільки живлення антени здійснюється у точках, близьких до пучності струму.
Для радіомовлення в діапазонах кілометрових та, частково, гектометрових хвиль (ДХ, СХ) через велику довжину робочої хвилі доводиться використовувати вкорочені антени з геометричною довжиною (висотою) l<<l. При цьому опір випромінювання RS, діюча висота lД, коефіцієнт корисної дії h виявляються низькими.
Можна збільшити lД, приєднавши до верхнього кінця вертикальної антени ємнісне навантаження у вигляді горизонтальних провідників (рис. 14.4).
Рис. 14.4
Антени з ємнісним навантаженням залишаються випромінювачами вертикальної поляризації, незважаючи на протікання струмів і в їх горизонтальних частинах. Справа в тому, що горизонтальні частини, за умови l<<l, розташовані низько над землею і є малоефективними випромінювачами (див. розділ 7-й). У таких конструкціях струм на кінці вертикальної частини вже не нульовий (рис. 14.5), внаслідок чого діюча висота зросте в порівнянні з ненавантаженим штирем.
Рис. 14.5
Якщо загальна довжина вертикальної та горизонтальної частин антени не перевищує 0,25l, то розподіл струму буде таким, як зображено на рис. 14.5 б. При цьому lД зростає, бо вертикальна частина майже однаково ефективно випромінює по всій її довжині. Діюча висота Г-подібної антени обчислюється за формулою:
lД= 2 sin (k(lекв-l/2)) × sin kl / (k sin klекв ). (14.3)
Тут lекв рівне сумі довжин вертикальної та горизонтальної частин антени. Крім збільшення lД, а отже, опору випромінювання, вхідного опору, коефіцієнта корисної дії застосування ємнісного навантаження дозволяє настроїти антени в резонанс з робочою частотою. Описані конструкції використовуються для радіомовлення на ДХ та СХ.
В переносних радіостанціях діапазонів метрових та дециметрових хвиль іноді теж вкорочують штир до довжини l<l/4 для зручності експлуатації, незважаючи на відносно малі габарити повнорозмірних резонансних антен цих діапазонів. У такому випадку настроїти антену в резонанс можна методом електричного “подовження” штиря котушкою індуктивності, розташованою внизу, в пучності струму (рис. 14.6).
Рис. 14.6
Реактивний опір вертикальної антени з l<l/4 приблизно можна визначити, як вхідний опір двопровідної лінії, розімкненої на кінці:
XA= - rectg(kl). (14.4)
Індуктивність потрібно вибрати так, щоб виконувалось співвідношення :
wL= -XA= rectg(kl). (14.5)
Для визначення r окремого провідника, піднятого високо над землею, можна скористатися формулою Щелкунова:
r = 276 lg(2l/r)-120 Ом . (14.6)
У випадку вкорочених антен з пониженим опором випромінювання RS для забезпечення достатньо високого к.к.д. особливе значення має якість заземлення:
h=RS/( RS+Rвтрат+Rз). (14.7)
У стаціонарних антенних спорудах для зменшення опору заземлення біля основи вертикального штиря закопують радіально розташовані провідники довжиною (0,1…0,4)l, які з’єднуються з клемою заземлення. Щодо залежності к.к.д. від кількості проводів ”металізації” землі одержано такі експериментальні результати:
Таблиця 14.1
| Число проводів заземлення | к.к.д., % | Вхідний опір, Ом |
Як видно з виразу (14.7), для підвищення к.к.д. можна рекомендувати збільшення RS, для чого подовжують штир, наприклад до l/2.
Для антен, піднятих високо над землею, роль штучної землі виконує система противаг (рис. 14.7). Такі антени мають назву GP (ground plane).
Рис. 14.7
У них струми зміщення замикаються, в основному, між штирем і рівновагами, а не між штирем і землею, тому к.к.д. може становити 98…99% навіть при трьох-чотирьох противагах. В цілому система горизонтальних противаг практично не випромінює, оскільки поля окремих провідників з протилежними струмами компенсуються. Противаги виконують роль близької до ідеальної землі (довжина противаги @ l/4).
Для простого узгодження зі стандартним фідером противаги іноді розташовують не в горизонтальній площині, а дещо нахиляють вниз (рис. 14.8), збільшуючи у такий спосіб RS до 50 Ом. При цьому кут між штирем та противагами виявляється близьким до 135°. Проте одночасно збільшується
вертикальний кут випромінювання через нескомпенсованість вертикальних складових струмів у нахилених противагах.
Рис. 14.8
При ще більшому нахиленні противаг ми можемо прийти до вертикального l/2-вібратора, заживленого несиметричним фідером, як показано на рис. 14.9.
Рис. 14.9
Така антена називається коаксіальною, у неї RS=RA=73,1 Ом, як у l/2-диполя. Діаграма напрямленності в горизонтальній площині – кругова, а у вертикальній – притиснута до горизонту. Фідер частково захищений від витікання струму на нього, адже внутрішня поверхня нижнього плеча випромінювача та зовнішня поверхня фідера утворюють запірну чвертьхвильову лінію.
Існує багато інших різновидів антен типу GP, зокрема, заслуговують на увагу варіанти заземленої антени (рис. 14.10 а, б), вкороченої антени (рис. 14.10 в), подовжених антен (рис. 14.10 г, д).
Рис. 14.10
Для компенсації індуктивного опору додаткового провідника g-узгодження (рис. 14.10. а) можна під’єднатися до нього через додатковий конденсатор (рис. 14.10 б) або дещо вкоротити сам штир.