РАЗДЕЛ 7

АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА

СОДЕРЖАНИЕ

7-1. Общие сведения......... 278

7-2. Основные характеристики передающих

антенн ............. 281

Сопротивление излучения (281). Волновое сопротивление (281). Входное сопротивление (281). Сопротивление потерь (283). Коэффициент полезного действия антенны (284). Направленное действие (284). Коэффициент усиления антенны (285). Частотная характеристика антенны (285).

7-3. Основные характеристики приемных

антенн ............. 287

Действующая длина (высота) (287). Эффективная площадь (287). Принцип взаимности (288).

7-4. Согласование антенн с фидерной линией .............. 289

7-5. Влияние земной поверхности на характеристики антенн ....... 290

Заземление, противовес (290). Характеристика направленности (291). Сопротивление излучения (292).

7-6. Антенны -Ялинных и средних волн . . 293 Передающие антенны (293). Приемные антенны (296). Магнитные антенны

(298). Антенны Бевереджа (300). Согласование антенн на длинных и средних волнах (301). 7-7, Антенны коротких волн ...... 301

Диполь Наденеико (301). Ромбическая антенна (301). Антенна бегущей волны (303). Настроенные направленные антенны (303). Согласование антенн (305).

7-8. Антенны ультракоротких волн . . . 306 Антенны метровых волн (307). Телевизионные антенны (310). Приемные телевизионные антенны (311). Антенны дециметровых и сантиметровых волн (315).

7-9. Основные сведения о фидерных устройствах ............, 324-

Проволочные лннин передачи (325). Коаксиальные кабели (326). Элементы коаксиальных трактов (327). Вол-.-иоводные фидеры (329). Элементы вол-новодных трактов (331). Другие типы линий передач (334). Согласование сопротивлений в лияниях передач (336). Максимальная мощность, передаваемая линией передачи и ее к. п. д. (338). Симметрирующие устройства (339).

7-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Всякое проводящее тело, по которому течет переменный ток, в состоянии излучать электромагнитные волны. Но чтобы это излучение было существенным и могло служить практическим цепям, размеры тела должны быть соизмеримы с длиной волны излучаемых колебаний, так как излучение энергии переменных токов связано с конечной скоростью распространения электромагнитных волн. В квазистационарных системах, какими являются, например, катущки индуктивности, конденсаторы, длина которых мала по сравнению с длиной волны, временем распространения колебаний вдоль них можно пренебречь (за исключением случая очень коротких волн). Если при этом не учитывать тепловые потери энергии, то в таких системах сдвиг фаз между током и напряжением составляет 90° и эти

системы не поглощают активной мощности-, а следовательно, и не излучают. Если же при распространении вдоль той или иной системы колебания запаздывают на некоторый промежуток времени, то на зажимах системы появляется добавочный к 90° сдвиг фаз (созф) между током п напряжением. По мере того, как cos ф становится отличным от нуля, система потребляет энергию от источника тока и расходует ее на излучение.

Наиболее удобно применять в качестве излучающей системы проводящее тело, длина которого соизмерима с длиной волны. В этом случае сдвиг фаз между током и напряжением увеличивается и излучатель-ная способность проводника повыщается.

Устройство, предназначенное для излучения или приема радиоволн называется антенной.

Передающая антенна преобра-

зует энергию токов высокой частоты, создаваемых генератором, в энергию электромагнитных волн, приемная антенна выполняет обратную задачу, создавая на входе приемника напряжение высокой частоты. На основании принципа взаимности (см. ниже) любая передающая антенна при использовании ее в качестве

Рис. 7-1. Определение электрического и магнитного полей вибратора Герца.

приемной сохраняет свои основные характеристики (направленное действие, диапа-зонность н др.), хотя конструктивно передающие и приемные антенны обычно имеют различия.

Кроме излучения и приема радиоволн антенна может концентрировать и даже распределять по заданному закону излученную энергию в пространстве (передающая антенна) и извлекать ее, преимущественно с определенного направления (приемная антенна). Это свойство антенн щироко используется, например, в радиоастрономии, радиолокации и т. д.

Поле произвольной антенны при заданном распределении вдоль нее тока можно определить при помощи векторного потенциала Герца:

.H=-rotA. (7-1)

где Н - вектор напряженности магнитного поля;

А - векторный потенциал [Л. 3, 17]; jAj- магнитная п]роницаемость среды.

Рещение уравнения (7-1) при гармонических колебаниях, имеющих зависимость от времени вида е , дает для вибратора Герца длиной / С X (с учетом обозначений рис. 7-1):

/с/sine /J

2)

Er = -j

. 2/o / cos e

4ясйе,

IqI sin e

4ЛСй8о

-ikr

(7-4)

/о - амплитудное значение тока, протекающего по вибратору; - составляющая магнитного поля в экваториальной плоскости;

Е и Eq -радиальная и меридиональная составляющие электрического поля соответственно; й=2л/Я - волновое число;

б(, - диэлектрическая проницаемость среды; г - расстояние от центра диполя до точки наблюдения;; G - меридиональный угол; ф - азимутальный угол. Пространство, окружающее антенну, можно разбить на три области:

1) ближнюю, называемую также зоной индукции, где в выражении для напряженности электрического и магнитного . полей существенное значение имеют члены, зависящие от расстояния г по закону г- (п>1). Электрический и магнитный векторы сдвинуты здесь на угол, близкий к 90°;

2) промежуточную, называемую, также зоной френелевской дифракции, где на монотонное убывание поля от расстояния по закону r- накладывается осциллирующее, затухающее с увеличением расстояния колебание. В этой зоне все три слагаемых, зависящих от расстояния, имеют примерно одинаковую величину;

3) дальнюю, называемую также волновой зоной или зоной фраунгоферовой дифракции и находящуюся на расстоянии от антенны г2 аК [а - максимальный размер антенны). В этой зоне поле убывает монотонно по закону г-, имеет локально плоский характер, направление распространения совпадает с радиусом вектором г.

Формулы (7-2), (7-3), (7-4) определяют поле элементарной антенны, какой является вибратор Герца, в ближней и дальней зонах. В дальней, волновой зоне:

Я,.= -sinee-/* (7-5)

. 4Лг

Н. о

(7-6)

Таким образом, в волновой зоне антенны электрическое и магнитное поля связаны соотнощением

-=2-

Входные зшаимы

Напряжение

Фидер

Рис. 7-2. Симметричный вибратор, п - полуволновый; б - длиной в волну.

Множитель sin 6 характеризует направленное действие антенны.

Определяя значение вектора Пойнтинга

Р=[ЕХН]==

120 я

и проведя интегрирование по сфере, в цент-.ре которой расположен диполь Герца, получаем мощность его излучения

2К 71

sin @d@d(p-

80 Я2 /;

(7-7)

Поле уединенного симметричного вибратора произвольной длины I в дальней зоне может быть определено по формуле

.60

г sin kl

cos(fe;cose) -cosfe/

sinG

где /ао -ток, протекающий через зажимы антенны и связанный со значением тока /д.п в пучности соот-нощением /ао=а.п sin й/.

Современная радиоэлектронная аппаратура работает в диапазоне волн длиной от долей миллиметра до десятков тысяч метров. Конструктивные особенности антенн, а также йх характеристики в значительной мере зависят от диапазона волн, в котором антенны должны работать.

По назначению антенны условно можно разделить на следующие группы: антенны радиовещательных станций; антенны станций радиосвязи; радиолокационные (радионавигационные) антенны; телевизионные антенны; радиоастрономические антенны.

Каждая нз этих групп может содержать антенны различного конструктивного выполнения. При этом в последнее время некоторые типы антенн станций радиосвязи (на радиорелейных линиях, при космической радиосвязи) становятся все более близкими по конструктивным, а иногда и по электрическим данным к радиолокационным антеннам.

По принципу действия, а соответственно конструктивному выполнению антенны

Фидер

/У -

Рнс. 7-3. Несимметричный вибратор.

делятся на: проволочные (вибраторные), выполненные из тонкой (в сравнении с длиной волны) проволоки или толстых труб, диаметры которых иногда соизмеримы с длиной волны; антенны оптического типа (металлические зеркала-рефлекторы и линзы); акустического типа (металлические рупоры); поверхностных волн (диэлектрические антенны, металлические стержневые или плоскостные антенны с диэлектрическим покрытием или периодической структурой); щелевые (дифракционные); с вращающейся поляризацией (спи ральные, крестообразные и др.).

В больщинстве антенн в качестве основных излучающих (принимающих) элементов применяются симметричные или несимметричные вибраторы.

Симметричный вибратор (рис. 7-2) состоит из двух проводников одинаковой длины, между которыми включается питающая линия - фидер, соединяющая антенну с передатчиком или приемником. Наиболее часто применяется симметричный вибратор длиной / в половину длины волны

называемый полуволновым (рис. 7-2, а). Вследствие отражения тока и напряжения у концов проводов антенн (если только на концах- не включены специальные нагрузочные элементы) вдоль проводов устанавливается стоячая волна тока и напряжения. Так, вдоль полуволнового вибратора укладывается полуволна тока и напряжения (рис. 7-2, а), вдоль вибратора длиной в волну -волна тока и напряжения (рис. 7-2,6)-. На концах ненагружен-ных проводов антенн всегда устанавливается узел тока (пучность напряжения). На входных зажимах получается некоторое искажение в распределении тока и напряжения из-за влияния нагрузки, оказываемой фидером. Так, напряжение на зажимах полуволнового вибратора не равно нулю (на риб. 7-2,а этот эффект не отражен).

Несимметричный вибратор (рис. 7-3), расположенный над проводящей поверхностью, имеет один проводник, соединенный с передатчиком (приемником), причем второй зажим передатчика (приемника) соединяется с землей (противовесом).