§ 128. ПРОВОЛОЧНЫЕ АНТЕННЫ

Антенны этой группы широко распространены, что связано с их относительной простотой и пригодностью для работы в значительной части радиодиапазона. Основной элемент такой антенны — линейный проводник, в котором специальным образом возбуждается волна переменного тока радиочастоты. Мы рассмотрим характеристики основных представителей таких антенн.

1. «Точечный диполь». В простейшем варианте эта вибраторная антенна представляет собой два отрезка проводника равной длины, расположенных на одной прямой и подключенных к выходу передатчика (входу приемника), как показано на рис. XXI.1. В «усах» антенны, имеющих длину возбуждается стоячая волна тока Фактически такое устройство представляет собой двухпроводную линию, оба проводника которой развернуты в одну прямую. Ток в цепи замыкается через распределенную емкость между «усами».

Излучение антенны проще всего описать, вычислив ее дипольный момент или

Рис. XXI.1. Антенна «точечный диполь» и распределение тока в ней.

Рис. XXI.2. Антенна «полуволновой вибратор» и распределение тока в ней.

Воспользовавшись условием и представив ток в виде найдем

Векторы и параллельны оси х, поэтому мы можем ограничиться рассмотрением скалярных выражений. Пространственное распределение излучения такое же, как и у диполя, ось которого параллельна оси х. Подставив (128.2) в соотношение (124.5), получим

После усреднения по времени и интегрирования по телесному углу

Таким образом, максимум излучения дипольной антенны соответствует направлению, ортогональному ее «усам», а распределение интенсивности симметрично относительно оси антенны. Сопротивление излучения в этом случае

зависит от длины волны.

Отметим, что дипольные антенны — широкополосные, т. е. могут работать в относительно широком диапазоне длин волн, хотя их эффективность быстро падает с ростом длины волны. Тем не менее «точечные» диполи применяются не только как отдельные антенны, но и как основной элемент более сложных антенных устройств в СВ, ДВ и СДВ диапазонах.

2. Полуволновой вибратор отличается от дипольной антенны тем, что длина его «усов» выбирается равной половине длины волны излучения: . В этом случае формулы дипольного излучения прямо применять нельзя, так как размер излучающей систе

мы сравним с длиной волны, и необходимо учитывать интерференцию излучения от отдельных частей антенны. Распределение тока в антенне теперь принимает вид

Каждый элемент антенны можно считать точечным излучателем, поле которого в волновой зоне описывается дипольным векторным потенциалом

Здесь — сдвиг или запаздывание фазы волны, испускаемой элементарным излучателем (рис. XXI.2). Этот сдвиг фазы и учитывает интерференцию волн от элементарных излучателей. Суммарное поле в волновой зоне описывается вектор-потенциалом

Записав этот интеграл в виде

найдем

Для нахождения полей в волновой зоне воспользуемся соотношением (124.1), которое справедливо в данном случае, поскольку по-прежнему Поэтому

Нетрудно видеть, что излучение линейно поляризовано, причем вектор Н направлен ортогонально плоскости векторов Поскольку модуль комплексного вектора

Соответственно поток энергии в единицу телесного угла, усредненный

по времени,

Полученное соотношение описывает пространственное распределение излучения данной антенны. Оно, как и в случае точечного диполя, аксиально-симметрично, имеет максимум по углу

и обращается в нуль при Полуволновой вибратор обладает большей направленностью излучения, чем «точечный» диполь.

Полный поток энергии излучения получим, как и прежде, проинтегрировав (128.9) по телесному углу:

Интеграл в этом выражении сводится к известным определенным интегралам

где — постоянная Эйлера, — значение интегрального косинуса при . В результате откуда сопротивление излучения для полуволнового вибратора Ом. По этой причине волновое сопротивление стандартных коаксиальных кабелей, которыми антенны такого типа соединяются с передатчиками (приемниками), равно 75 Ом.

Ясно, что полуволновой вибратор — «монохроматическая» антенна, наиболее эффективно работающая на резонансной частоте

3. Петлевой вибратор (рис. XXI.3) является модификацией полуволнового устройства и эквивалентен двум полуволновым вибраторам, поставленным рядом. Из-за емкостной связи между вибраторами токи в них направлены в одну и ту же сторону, а не в противоположные, как это было бы в квазистационарном случае. Поэтому для расчета излучения этой антенны можно использовать формулы (128.8) -(128.10), заменив на . Диаграмма направленности излучения сохраняет свой вид; максимум потока энергии и полный поток вчетверо больше (при том же чем у полуволнового вибратора, а сопротивление излучения Ом.

4. Антенна «волновой канал», или «директорная антенна» (от англ. director — направляющий), состоит из нескольких вибраторов.

Рис. XXI.3. Антенна «петлевой вибратор» и распределение тока в ней.

Рис. XXI.4. Антенна «волновой капал». Формирование излучения в плоскости, ортогональной «усам».

Рассмотрим простейший вариант такой антенны (рис. XXI.4): петлевой вибратор А и два полуволновых и размещенных в одной плоскости. Отличительная особенность этой антенны — острая: направленность излучения в обеих плоскостях, возникающая в результате интерференции полей излучения каждого элемента. Для описания пространственного распределения излучения мы можем воспользоваться известным уже выражением для поля одиночного полуволнового вибратора (128.8) и сложить поля всех излучателей, с учетом разности фаз между ними:

где — углы сферической системы координат, ось которой направлена параллельно «усам» антенны, а начало координат находится в центре петли и — расстояния между вибраторами, — разности хода. Будем считать, что амплитуды токов во всех трех излучателях одинаковы, а их фазьг сдвинуты относительно друг друга. Тогда

где — амплитуда полей, — сдвиги фаз, которые, как и расстояния между вибраторами, выбираются так, чтобы

В результате суммарное поле излучения антенны принимает вид

а пространственное распределение интенсивности излучения описывается выражением

Максимум излучения антенны лежит на направлении и равен

т. е. в 16 раз больше интенсивности излучения одиночного вибратора при том же значении — это результат сложения полей, а не интенсивностей.

У антенны «волновой канал» излучение в сторону вибратора В («рефлектора») резко ослаблено и направлено преимущественно в сторону директора

В антеннах передающих станций малой мощности и в приемных антеннах обычно директор и рефлектор выполняются как пассивные вибраторы — токи в них возбуждаются за счет электромагнитной связи (емкостной или индуктивной) с основной антенной А. Для этого нужно директор сделать несколько короче А (индуктивный характер связи, запаздывание по фазе), а рефлектор — длиннее А (емкостный характер связи, опережение). Более сложные антенны, обладающие еще большей направленностью, имеют один рефлектор и несколько директоров.

Антенны, описанные в применяются главным образом в УКВ и СВЧ диапазонах и отчасти в диапазоне. Это связано с естественными трудностями создания конструкций таких антенн для больших длин волн.

5. Штыревая антенна представляет собой наиболее простой в техническом отношении вариант вибраторной антенны. Ею обычно снабжают йортативные радиостанции. принципу работы эти антенны являются все тем же дипольным излучателем, точнее, его половинкой, а роль второй половины играет «изображение» антенны, возникающее из-за ее расположения над проводящей поверхностью Земли (рис. XXI.5). Иногда антенну дополняют «земляным» проводником, который в радиотехнике принято называть «противовесом». Такой противовес существенно улучшает приемнопередающие характеристики радиостанции. Удельное сопротивление различных земляных пород колеблется в очень широких пределах — от 100 кОм для сухих скальных пород до 0,3 Ом для осадочных (укажем для сравнения, что удельное сопротивление меди составляет ). В антеннах стационарных радиостанций такие проводники-противовесы располагают веерообразно в поверхностном слое земли под мачтой, повышая тем самым проводимость земли и соответственно качество токов «изображения». Если длина штыря антенны то антенна работает как «точечный» диполь. При антенна является полуволновым вибратором. Соответственно излучение такой антенны имеет те же характеристики, что и у названных излучателей.

Разновидность штыревой антенны — антенны типа «нагруженный вибратор». К ним относятся широко распространенные в практике антенна с горизонтальным проводником и зонтичная антенна (рис. XXI.6). В них излучателем является вертикальная часть

Рис. XXI.5. Штыревая антенна и распределение тока в ней. а — свободная антенна; антенна с «противовесом».

Рис. ХХ1.6. (см. скан) Антенны типа «нагруженный вибратор». а — антенна с горизонтальным проводником и распределение тока в ней; б — зонтичная антенна; с — ее эквивалентная схема.

Рис. XXI.7. Антенна с верхним питанием (а) и ее эквивалентная схема — мачта антенны, 2— радиопередатчик; 3 — проводник, питающий систему верхних проводников 4, соединенных через изоляторы 5 с оттяжками мачты в. Стрелками на рисунке о показано растекание тока по антенне. Распределение тока на рисунке соответствует случаю . (антифединговая антенна).

антенны (так называемый «спуск»), тогда как горизонтальный проводник и «зонтик» существенного вклада в излучение не дают — горизонтальный проводник из-за интерференции его излучения с «излучением» изображения (рис. XXI.6, а), а «зонтик» из-за малой длины «спиц». Однако оба элемента изменяют распределение тока по вертикальной части антенны. Так, если длина горизонтального проводника равна , а длина вертикальной части то вместо (128.2), (128.4) получим

В области интенсивность излучения возрастает по мере

увеличения хотя эффект и не очень велик:

(ср. (128.4)). Так, при выигрыш по сравнению с точечным диполем описывается множителем

Аналогичный результат получается и при расчете эффективности зонтичной антенны. Ее «зонтик» играет роль «емкости на землю», которая также сдвигает распределение тока по антенне, что повышает эффективность устройства (задача 1, А ниже).

Штыревые антенны используются в диапазонах от ДВ до Их наиболее распространенным представителем является раздвигающаяся антенна бытовых радиоприемников, конструктивно простая и удобная. При сооружении передающих антенн диапазонов конструктивные проблемы неизмеримо сложнее. И одна них — необходимость устанавливать антенную мачту на изоляторе, чтобы «оторвать» от земли нижний конец излучателя (см. рис. XXI.6).

Существует красивое решение этой проблемы в виде так называемой антенны с верхним питанием (рис. XXI.7). У нее излучателем является наружная поверхность мачты, а внутренняя поверхность вместе с проводником 3 образует коаксиальную линию, которая подводит ток к верхним проводникам. Емкость между ними и землей замыкает цепь тока. Распределение тока по антенне и ее эквивалентная схема даны на рисунке. Теперь максимум тока находится в верхней точке антенны, а распределение тока зависит от соотношения I и к.

Антенны типа «нагруженный вибратор» обладают еще одним важным достоинством: диаграмма направленности их излучения зависит от длины антенны (см. задачу 1), что позволяет для вертикальной антенны выбрать оптимальное направление максимума интенсивности излучения. Это очень важно для антенн передающих средневолновых радиостанций, в рабочем диапазоне которых особенно ощутим фединг (от англ. fade — увядать) — явление ослабления и искажения радиосигнала на некотором расстоянии от радиостанции. Это явление связано с интерференцией двух частей волнового потока, излучаемого антенной, — одна из них распространяется вдоль поверхности Земли, а вторая уходит от поверхности Земли и, отразившись от ионосферы, возвращается обратно. Выбором направленности излучения антенны можно удалять область интерференции (зоны фединга) и тем самым повышать дальность устойчивой радиосвязи. Такие антенны называются антифединговыми.

Задача 1. Найти распределение интенсивности излучения для антенны «нагруженный вибратор» и антенны с верхним питанием.

А. Распределение тока в антенне «нагруженный вибратор» описывается прежними соотношениями, однако теперь поэтому интеграл имеет предел ±I и равен (ср. (128.7))

В результате получим

Таким образом, излучение антенны распределено аксиально-симметрично относительно оси антенны и зависит от угла в иначе, чем у полуволнового и дипольного вибраторов: максимум излучения соответствует углу значение которого зависит от параметра Излучение отсутствует при (вдоль антенны).

Б. У антенны с верхним питанием распределение тока по мачте и тока изображения описывается соотношением

Аналогично случаю полуволнового вибратора найдем

а распределение интенсивности

Излучение отсутствует при а направление максимума излучения зависит от значения параметра (рис. XXI.8).

В случае когда диаграммы различаются слабо: максимумы излучения лежат при для антенны с верхним питанием и для «нагруженного вибратора», а отношение интенсивностей излучения в максимумах равно 1,17. При различие гораздо значительнее: вшах составляют соответственно а отношение интенсивностей равно 1,4. Таким образом, антенна с верхним питанием обладает лучшими антифединговыми свойствами, нежели «нагруженный вибратор».

Отметим, что описание излучения штыревых антенн с помощью токов «изображения» в проводящей среде есть, по существу, способ учета явления интерференции прямого потока, излучаемого антенной по данному направлелению, и потока, отраженного проводящей поверхностью Земли. Это обстоятельство иллюстрирует задача 2.

Задача 2. Антенна «точечный диполь» расположена на высоте над поверхностью Земли, а ее «усы» параллельны поверхности. Считая проводимость Земля бесконечной, найти распределение излучения в плоскости, ортогональной «усам».

Пусть излучение антенны при имеет интенсивность

не зависящую от угла Тогда для антенны, расположенной на высоте от проводящей поверхности, поток под углом к горизонту (см. рис. XXI.9)

— разность хода прямого (1) и отраженного (2) лучей; сдвиг фазы и во втором слагаемом учитывает изменение поляризации Е при отражении. В данном случае вектор Е параллелен «усам» антенны. В результате Нетрудно видеть, что метод «изображений» дает тот же результат, если учесть, что ток изображения направлен навстречу току антенны. В этом проще всего убедиться, вспомнив, что переменное магнитное поле вблизи идеально проводящей поверхности имеет только компоненту, касательную к поверхности. Это возможно, если токи антипараллельны.

Рис. XXI.8. Пространственное распределение излучения антенны с верхним питанием (2) и антенны «нагруженный вибратор» Диаграммы нормированы на максимум.

Рис. XXI.9. К задаче 2.

Антенны, рассмотренные в применяются в диапазонах от УКВ до СДВ.

6. Антенны с бегущей волной. Кроме антенн типа «точечный диполь» со стоячей волной используются также антенны с бегущей волной, излучение которых обладает рядом особенностей.

Задача 3. Найти распределение интенсивности излучения проводника длиной по которому распространяется бегущая волна тока

Вводя угол 8 между осью проводника и направлением на точку наблюдения, запишем выражение для вектор-потенциала

где — единичный вектор вдоль проводника. Дальше, как обычно, получим

Излучение отсутствует при . Направление максимума излучения зависит от значения параметра где -корень уравнения

В частности, при излучение отсутствует при При а интенсивность излучения (ср. (128,4)).

Задача 4. Горизонтально развернутая антенна бегущей волны длиной расположена на высоте над поверхностью Земли. Найти распределение излучения антенны.

Вводя углы как для антенны «волновой канал» и учитывая вклад излучения тока изображения, «расположенного» на глубине под поверхностью земли и текущего навстречу основному току, запишем аиалогичн» задаче 2:

Рис. XXI.10. Ромбическая антенна. 1 — радиопередатчик; 2 — проводники с бегущей волной тока (условно показано направление тока); 3 — нагрузка; — несущие мачты.

Отсюда по стандартной процедуре найдем

Здесь принято, что вертикальные проводники антенны (снижения) не излучают. Это достигается при подводе питания к антенне по экранированным проводам. Качественно распределение излучения носит тот же характер, что и для одиночного проводника (128.18). В частности, отсутствие излучения под углом (по вертикали) при означает, что такая система также является антифединговой. При

На практике антенны с бегущей волной в описанном простейшем варианте применяются редко и чаще как приемные. Больше распространена их модификация в виде ромбической антенны, применяемой в основном в диапазоне (рис. XXI.10).

Проводники, расположенные по сторонам ромба, представляют собой линии, по которым к нагрузке передается волна тока. Сопротивление нагрузки равно волновому сопротивлению линии, которое, вообще говоря, меняется вдоль линии из-за изменения расстояния между проводниками. Чтобы компенсировать это изменение, каждый из проводников раздваивают, как показано на рисунке. У ромбической антенны меньше сказывается влияние Земли, так как теперь не нужно замыкать обратный ток на Землю, в результате токи изображения могут быть искусственно подавлены. Кроме того, у такой антенны излучение обладает более высокой направленностью по сравнению с простой антенной бегущей волны, так как из-за интерференции излучения всех четырех сторон ромба исчезает симметрия относительно продольной оси антенны.

7. Рамочная антенна является наиболее распространенным типом антенн, применяемых в бытовых радиоприемниках. Поскольку выполняется она чаще всего в виде катушки, намотанной на ферритовый сердечник, то ее обычно называют «магнитной» либо «фер-ритовой» антенной. Размеры ее рамки много меньше длины волны во всем рабочем диапазоне радиоприемника, и антенна работает как магнитный диполь (задача 5). Можно описать ее действие на языке квазистационарного поля. Если вектор в падающей волне

Рис. ХХI.11. К расчету рамочной антенны.

составляет угол с осью антенны (с нормалью к плоскости рамки), то на катушке (рис. XXI.11)

где — угол между вектором Н и плоскостью векторов Предполагается, что ферритовый стержень длинный и .

Задача 5. Описать излучение магнитного диполя, образованного рамкой с током.

Магнитный дипольный момент плоского контура с током и интенсивность излучения

Для ферритовой антенны нужно в добавить множитель

8. Антенны СДВ диапазона также относятся к группе вибраторных антенн, размеры которых по естественным причинам много меньше длины волны (напомним, что Асдв 10 км). Обычно их выполняют в виде сложных композиций из нескольких рамок, поднятых на над поверхностью Земли на специальных мачтах. О применении этих антенн мы поговорим ниже (§ 131).