Направленные антенны

Лекция 4

Направленные антенны

Антенны с круговой диаграммой направленности не позволяют получить большого усиления, а из-за круговой диаграммы они относятся к классу относительно "шумных" антенн, поскольку они одинаково воспринимают шумы и помехи с любого направления.

Для обеспечения связи между двумя неподвижными станциями, расстояние между которыми превышает "дальнобойность" антенн типа GP, с успехом используют направленные антенны "Волновой канал" – рис. 4. 1. Эти антенны концентрируют максимум излучения в нужном направлении, обеспечивая выигрыш, как при передаче, так и при приеме.

Существенную роль при установлении устойчивой радиосвязи играет поляризация излучаемого сигнала. При дальнем распространении поверхностная волна испытывает заметно меньшее затухание при использовании горизонтальной поляризации. Поэтому горизонтальная поляризация используется в телевидении.

Рекомендуемые материалы

Рис. 4.1 – Антенны "Волновой канал"

Описанные здесь антенны при горизонтальном расположении вибратора имеют горизонтальную поляризацию. Прием такими антеннами сигналов радиостанций с вертикальной поляризацией будет сопровождаться заметным ослаблением.

Рис. 4.2 – Полуволновой вибратор

Самая простая из направленных антенн – полуволновой вибратор – рис. 4.2. Коэффициент усиления антенны принимается за единицу измерения, так как коэффициенты усиления других антенн определяются относительно полуволнового вибратора.

Диаграмма направленности антенны имеет вид восьмерки в горизонтальной плоскости и круга – в вертикальной. Подключение к вибратору может быть выполнено кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом. Возникающая при этом асимметрия, искажающая диаграмму направленности, проще всего устраняется с помощью ферритового кольца большого диаметра, на которое наматывается 2-4 витка используемого кабеля. Кольцо желательно располагать как можно ближе к антенне, а кабель - перпендикулярно вибратору на длине не менее 3 м от антенны. Эта антенна обычно не требует настройки. При подключении к такой антенне 50-омного кабеля (или подключении 75-омного кабеля к радиостанции) обеспечивается КСВ = 1,5 – что вполне приемлемо.

Удлиняя полуволновой вибратор, получают конструкцию "Длинный провод" (рис. 4. 3), имеющую существенно бόльший коэффициент усиления. На практике наиболее распространены антенны длиной l или 2l, поскольку размещение более длинных антенн на крышах городских зданий затруднительно. С учетом влияния краевых емкостей, полная длина вибратора составляет для l – 10,8 м; для 2l – 21,8 м. Для антенны длиной l максимум излучения ориентирован под углом 50° к направлению провода, а усиление по сравнению с полуволновым вибратором составляет 0,5 дБ. Для антенны длиной 2l эти параметры составляют – 30° и 1,5 дБ соответственно.

Рис. 4. 3 – Антенна "Длинный провод"

Сопротивление излучения антенн "Длинный провод" при высоте подвеса более 5 м над землей составляет 80 Ом для l и 105 Ом для 2l.

Для согласования таких антенн с 50-омным кабелем удобно использовать четвертьволновый трансформатор с волновым сопротивлением 75 Ом, т. е. включить между фидером и антенной 2-метровый отрезок телевизионного кабеля необходимой толщины, не менее толщины 50-омного фидера – рис. 4.4.

            Несимметричная – рис. 4.5; симметричная антенна – рис. 4.6. Для предотвращения «затекания» тока на внешнюю поверхность кабеля (что искажает диаграмму направленности антенны) желательно намотать 2…4 витка кабеля на ферритовое кольцо большого диаметра вблизи точки присоединения к антенне.

Объединив описанные выше антенны таким образом, чтобы их диаграммы суммировались, получаем антенну типа V – рис. 4.7.

Входное сопротивление настроенных в резонанс антенн типа V составляет около 100 Ом при длине l и 120 Ом при длине 2l (высота подвеса также влияет на сопротивление). Согласование антенн с 50-омным кабелем может быть выполнено с помощью трансформатора – рис. 4.4.

Вместе с этой лекцией читают "Работа с группами процессов".

При соединении вместе двух антенн типа V таким образом, чтобы их диаграммы суммировались, получают Ромбическую антенну – рис. 4.8. Направленность этой антенны выражена существенно сильнее. При подключении к вершине ромба, противоположной точкам питания, нагрузочного сопротивления величиной Rн и мощностью, равной половине мощности передатчика, достигается подавление заднего лепестка диаграммы направленности на 15…20 дБ. Направление главного лепестка диаграммы направленности в горизонтальной плоскости совпадает с диагональю а.

Рис. 4.8 – Ромбическая антенна

В вертикальной плоскости главный лепесток ориентирован горизонтально. Размеры ромбических антенн сведены в табл. 4.1, обозначения соответствуют рис. 4.8.

Таблица 4.1 – Размеры ромбических антенн

Согласование приведенных ромбических антенн с 50-омным кабелем удобно осуществляется с помощью четвертьволнового трансформатора, выполняемого из двух двухметровых отрезков кабеля рис. 4.4. Оплетки кабелей, входящих в трансформатор, соединены между собой и больше никуда не подключаются. Поскольку трансформатор в этом случае выполнен симметричной линией, симметрирующий трансформатор на ферритовом кольце при этом можно разместить на 50-омном кабеле фидера вблизи трансформатора. Для согласования антенны длиной l или 2l в трансформаторе используются отрезки 50-омного или 75-омного кабеля соответственно.