Глава 2. АНТЕННО-МАЧТОВЫЕ И ФИДЕРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ

2.5. АНТЕННЫ ДЛЯ ЛИНИЙ РАДИОСВЯЗИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ РАДИОВОЛН

Общие сведения.

При работе линий радиосвязи с использованием пространственных радиоволн излучение электромагнитных волн осуществляется по отношению к поверхности земли под углом 7 ... 20°. Такое излучение обеспечивается горизонтально подвешенными антеннами декаметрового диапазона волн.

Диаграмма направленности в вертикальной плоскости у этих антенн имеет нулевое излучение в направлении поверхности земли, чем достигается снижение потерь энергии в земле и повышение КПД.

На линиях радиосвязи малой - R1 и большой R2 протяженностей требуется излучение энергии соответственно под большими и малыми углами по отношению к поверхности земли (рис. 2.7).

Наиболее распространенными типами антенн, которые устанавливаются на радиостанциях при работе пространственными радиоволнами, являются: ВГ — вибратор горизонтальный; ВГД —

25

вибратор горизонтальный диапазонный; ВГДШ — вибратор горизонтальный диапазонный шунтовой, РГД — ромб горизонтальный двойной и БС2 — антенна бегущей волны с активными элементами связи. Указанные типы антенн, исключая БС2, используются как для излучения, так и для приема электромагнитных волн. Физические процессы, происходящие в этих антеннах, их технические характеристики и конструкции рассмотрены ниже.

Симметричный горизонтальный вибратор ВГ.

Симметричный горизонтальный вибратор является наиболее простым и распространенным типом антенны (рис. 2.8).

При подведении к вибратору радиочастотных колебаний от передатчика вдоль проводов создаются стоячие волны, причем на концах вибратора создаются узлы тока / и пучности заряда q (напряжения).

Симметричный вибратор состоит из двух равных отрезков провода 1 длиной I каждый, в симметричных точках которых токи равны и совпадают по направлению. Высота подвеса выбирается с учетом угла излучения диаграммы направленности в вертикальной плоскости, необходимого для обеспечения заданной напряженности поля в пункте приема. Волновое сопротивление такого вибратора равно 1000 Ом. Вибратор имеет условное обозначение

          l
ВГ= ---.
         h

Для уменьшения наведения больших токов в канатах 3, поддерживающих вибратор, на расстоянии 3 м от концов вибратора устанавливают палочные изоляторы 4. Расстояние между мачтами антенны L=2l+(5 ... 6) м. Снижение вибратора 5 —- двухпроводное и выполнено тем же проводом, что и вибратор (биметалл диаметром 3 ... 6 мм), с расстоянием между проводами 300 мм. Вибратор подвешен на изоляторах 2 и подключается к передатчику через двухпроводный фидер с волновым сопротивлением 600 Ом и используется для работы на фиксированной волне  λ₀=4l но реально эксплуатируется в диапазоне волн 1,6l≤λ≤4l т.е λmin=1,6l, а λmax=4l.

На рис. 2.9 представлены диаграммы направленности симметричного вибратора в горизонтальной плоскости, из которых видно, что все они определяются отношением l/ λ.

Вибратор излучает в обе стороны от своей оси: наибольшее излучение перпендикулярно оси, вдоль оси излучение равно нулю. Диаграмма излучения формой напоминает восьмерку (см. рис. 2.9,а, б). 

Симметричный вибратор при l=0,63λ или λ=1,6l обладает наибольшим КНД (рис. 2.9,в), имеет более острую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, малые уровни боковых лепестков, поэтому при работе на одной фиксированной волне является наиболее пригодным для эксплуатации. Приl>0,63λ. направленность антенны ухудшается.

26

При эксплуатации симметричного вибратора в качестве диапазонной антенны волновое сопротивление антенны и фидера не удается согласовать во всем рабочем диапазоне волн, что снижает коэффициент бегущей волны в фидере. Эта несогласованность влияет на выходной контур передатчика: режим работы передатчика становится неустойчивым, снижается мощность, излучаемая в пространство.

Диаграмма направленности в вертикальной плоскости симметричного горизонтального вибратора при высоте подвеса /i=A,/4 имеет один лепесток с максимумом, направленным перпендикулярно поверхности земли (рис. 2.Щ,а). По мере приближения высоты подвеса антенны к рабочей длине волны угол максимального излучения уменьшается, максимум излучения «прижимается» к поверхности земли, диаграмма направленности в вертикальной плоскости при /г = 0,5л имеет два боковых лепестка (рис. 2.10,6). Однако при /г = А, и дальнейшем увеличении отношения АД число боковых лепестков растет и направленность антенны ВГ ухудшается.

Горизонтальный вибратор при высоте подвеса h=Q,25X используется на линиях радиосвязи малой протяженности (до 250 км), а при /i=0,65X — большой протяженности (до 1500 км).

Вибратор горизонтальный диапазонный ВГД.

В декаметровом диапазоне волн широко используется симметричный вибратор с пониженным волновым сопротивлением, называемым диполем Надененко (рис. 2.11).

Антенна подвешивается на двух мачтах на высоте 13 ... 22 м, плечо вибратора выполняется в виде цилиндра диаметром 1 ... 2м, по образующим которого натянуто шесть проводов. Для антенны используется биметаллический провод диаметром 4 мм. Для облегчения конструкции антенны кольца 2 выполняются из медных или алюминиевых труб. Провода к этим кольцам припаиваются или крепятся специальными болтами.

Конструкция антенны с увеличенным диаметром вибратора позволяет получить волновое сопротивление в пределах 200 ... 400 Ом.

27

В месте подключения снижения из-за взаимного влияния вибраторов образуется повышенная распределенная емкость, что приводит к ухудшению согласования волновых сопротивлений вибратора и снижения. Для устранения этого концы цилиндров выполняются в виде конусов длиной l₁ = 1 м, l₂ = 3 м.

Диаграммы направленности антенны ВГД имеют те же формы, что и у антенн ВГ. На линиях радиосвязи протяженностью до 400 км антенна ВГД может быть использована как направленная.

Антенна применяется при работе с передатчиками мощностью 1 ... 5 и более кВт. Для перекрытия диапазона волн от 13 до 120 м применяется комплект из трех антенн ВГД. Диапазон волн, в котором антенна может быть эффективно использована, определяется отношением 1,6l≤λ≤4l. Условное обозначение антенны —

              l
ВГД = --- d.
             h

 где l — длина плеча вибратора, м; h — высота подвеса антенны над землей, м; d — диаметр кольца вибратора, м.

Симметричный вибратор шунтового питания.

Симметричный вибратор шунтового питания (рис. 2.12) применяется для работы

28

на фиксированной частоте, равной резонансной частоте вибратора, когда 2l=0,47λ . Антенна выполняется из целого провода, к которому подключается двухпроводный фидер с волновым сопротивлением 600 Ом.

В средней точке вибратора образуются пучность тока и узел заряда (U=0), поэтому активная составляющая входного сопротивления Rвх в этой точке равна нулю. В крайних точках вибратора В, В1 имеются пучность заряда q и узел тока I, поэтому при волновом сопротивлении вибратора W=800 Ом активная составляющая входного сопротивления в этих точках Rвх=W₂/R_Σ = 800²/73,1=8750 Ом. Следовательно, на вибраторе между точками В, В1 можно найти две симметричные точки А, А₁ в которых активная составляющая входного сопротивления при соответствующем подборе расстояния l2 равнялась бы волновому сопротивлению двухпроводной фидерной линии. Благодаря этому в фидерной линии обеспечивается режим бегущей волны.

При выполнении вибратора из провода диаметром 1,5 ... 5 мм наилучшее согласование получается при следующих размерах: /, где λ — фиксированная рабочая волна.

Точное значение длины l₁ подбирается путем ее регулировки и одновременного измерения коэффициента бегущей волны. Выбирается такое значение l₁ при котором коэффициент бегущей волны получается наибольшим.

В качестве диапазонной антенны применяется проволочный шунтовой симметричный вибратор ВГДШ (рис. 2.13), предложенный Г. 3. Айзенбергом и В. Д. Кузнецовым. Вибратор выполняется из шести проводов, двухпроводное снижение подключается только к четырем проводам вибратора, а два провода образуют шлейф. Антенна подвешивается на двух мачтах.

Шунтовой симметричный вибратор эксплуатируется в диапазоне волн от 1,6l до 6l, расширение диапазона получается в сторону длинных волн. Хорошее согласование волнового сопротивления вибратора с волновым сопротивлением фидера обеспечивается в широкой полосе частот при коэффициенте бегущей волны в фидере не хуже 0,3.

Для линий радиосвязи протяженностью до 400 км антенна ВГДШ имеет круговое излучение. Чтобы не создавать значительных помех работе других линий радиосвязи из-за слабой направленности, антенну рекомендуется использовать при работе с передатчиками мощностью 5 ... 20 кВт.

Для перекрытия диапазона волн от 12 до 150 м применяется

комплект из пяти антенн ВГДШ 6/9*1,2; ВГДШ8/12*1,5; ВГДШ 12/18*2,4; ВГДШ 16/24*3,0; ВГДШ 24/22*3,5. В данной конструкции вибраторов длина шунта принята равной длине плеча вибратора: lш = l.

29

Антенны ВГДШ с длиной вибратора l, равной 6, 8, 12 и 16 м, изготавливаются из шести проводов, а антенны ВГДШ с длиной вибратора l=24 м для снижения диаметра вибратора и сохранения волнового сопротивления изготавливаются из девяти проводов; при этом питание подводится к шести проводам. Для изготовления вибраторов применяется биметаллический провод d=4 мм.

В районах с повышенной грозовой деятельностью средняя часть шунта антенны ВГДШ заземляется в точке А металлическим проводом d=6 мм (см. рис. 2.13).

Антенны ромбические горизонтальные РГ и РГД.

Остронаправленной широкодиапазонной антенной в декаметровом диапазоне волн является ромбическая антенна, излучающими элементами которой служат провода, расположенные в горизонтальной плоскости по сторонам ромба. Антенна подвешивается на четырех мачтах и ориентируется на корреспондента большой диагональю ромба (рис. 2.14). Принцип работы антенны основан на обтекании бегущей волной тока длинного провода. Известно, что диаграмма направленности провода с бегущей волной тока в любой плоскости, проходящей через ось провода, имеет два главных лепестка. Эти лепестки расположены симметрично относительно провода и наклонены в сторону движения волны тока.

Представим на элементах А, В, А\, В\ проводов ромба лепестки излучения (рис. 2.15,а). Если провода достаточно длинны, то излучения элементов A и Б, расположенных на расстоянии l, будут

30

находиться в фазе. Следовательно, излучения лепестков a1 и a2, a3 и a4 складываются, а лепестков b1 и b2, b3 и b4 — взаимно вычитаются. В результате образуется суммарная диаграмма направленности излучения ромбической антенны (рис. 2.15,6). Диаграмма имеет острую направленность, и максимальное излучение сосредоточено в направлении большой диагонали ромба. Однако полная взаимная компенсация излучений лепестков b1 и b2, b3 и b4 отсутствует, и в диаграмме направленности появляются боковые лепестки. На излучение боковыми лепестками бесполезно затрачивается около 40% энергии передатчика, поэтому КНД одинарной ромбической антенны не превышает 125 ... 150.

Для получения однонаправленного излучения и режима бегущей волны в антенне к проводам острого угла ромба, обращенного в сторону корреспондента, подключается нагрузочное сопротивление (поглощающая линия). К другому острому углу ромба подключается двухпроводное снижение, по которому подаются через горизонтальный фидер от передатчика радиочастотные колебания. Снижение имеет волновое сопротивление, равное волновому сопротивлению ромбической антенны (600 ... 700 Ом). Коэффициент полезного действия антенны составляет 60 ... 80%-Основными размерами ромбической антенны являются: длина стороны ромба /, половина тупого угла Ф и высота подвеса h. Необходимый уровень сигнала в месте приема при заданной мощности передатчика зависит от угла излучения энергии, последний же

31

определяется высотой подвеса антенны h. Набор рабочих частот для линии радиосвязи определяет оптимальную длину волны λ₀, а следовательно, и длину стороны ромба l.

Для линий радиосвязи малой протяженности (600 ... 2000 км) применяются ромбические антенны размерами l=1,7λ₀ , Ф=57º и l=2,8λ₀, Ф=65º; для линий средней протяженности (2000 ... ... 4000 км) — l=4λ₀ , Ф=65º;  для линий большой протяженности (4000 ... 6000 км и более) l=6λ₀ , Ф=70º .

Условное обозначение ромбических антенн —

 ,

где РГ — ромб горизонтальный одинарный; Ф — половина тупого угла; a=l/λ₀ -, b—h/λ₀ ; I — длина стороны ромба; h — средняя высота подвеса антенны над землей; λ₀  — оптимальная длина волны.

Г. 3. Айзенбергом была предложена усовершенствованная конструкция антенны—двойная ромбическая антенна РГД (рис. 2.16). Эта антенна представляет собой параллельное соединение двух одинарных ромбических антенн. Большие диагонали ромбов сдвинуты относительно друг друга в горизонтальной плоскости на величину (0,8 ... 1) Ко- Вся конструкция полотна антенны подвешивается на шести мачтах. Снижения антенн запараллеливаются, благодаря чему входное сопротивление антенны становится равным 300 ... 350 Ом.

Для работы с двойными ромбическими антеннами применяют фидеры с волновым сопротивлением 300 Ом. Провода острых углов ромбов, обращенных в сторону корреспондента, синфазно запараллеливаются и подключаются к одному нагрузочному сопротивлению (фехралевой линии). Параллельное соединение ромбов уменьшает излучение антенны через боковые лепестки, увеличивает коэффициенты усиления и направленного действия в 1,5 ... 2 раза.

Условное обозначение двойной ромбической антенны —

Диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях ромбической антенны зависят от ее геометрических разме-

32

ров (l, Ф, h). Для обеспечения круглосуточного действия линии радиосвязи на весь период 11-летней солнечной деятельности применяется комплект из двух-трех ромбических антенн. В этом случае каждая антенна используется в ограниченном участке диапазона радиоволн (0,8...2) λ₀, т. е. одна антенна работает в дневные, другая — в ночные и третья — в промежуточные часы суток.

Для сохранения величины волнового сопротивления антенны по ее длине одиночный провод ромба заменяется двумя проводами, расходящимися у вершин тупых углов (см. рис. 2.16). Провода у тупых углов подвешиваются один над другим на расстоянии 2,5 м.

Ромбические антенны используются при работе с передатчиками мощностью 1 кВт и выше.

Антенна бегущей волны с активным элементом связи БС2.

Антенна бегущей волны с активными элементами связи БС2 широко применяется на приемных радиостанциях. Она представляет собой горизонтально подвешенную четырехпроводную собирательную линию, ориентированную в направлении на корреспондента и соединенную через резисторы с горизонтальными симметричными вибраторами (рис. 2.17). Конец собирательной линии со стороны корреспондента нагружается на резистор Ru, равный по величине волновому сопротивлению линии, второй конец через снижение и фидер соединяется с приемным устройством. Собирательная линия позволяет довести энергию от всех вибраторов до приемного устройства, потому она и получила название собирательной. Число вибраторов и их длина выбираются в зависимости от протяженности линии радиосвязи и диапазона частот, перекрываемого антенной. Для повышения направленных свойств применяют два, реже три параллельно соединенных полотна антенн бегущей волны.

Условное обозначение антенны —                       

где БС2 — антенна сдвоенная бегущей волны с активным элементом связи; N — число симметричных вибраторов; l — длина плеча симметричного вибратора, м; г — сопротивление элемента связи, Ом; l₁ — расстояние между соседними вибраторами, м; h — высота подвеса антенны, м.

Рассмотрим принцип действия антенны. Электромагнитные волны, приходящие со стороны корреспондента, пересекая симметричные вибраторы 1, 2, 3, ..., 20, 21, наводят в каждом из них соответственно ЭДС е1, е2, eз, ..., е20, е21. Эти ЭДС через резисторы связи Rсв создают в собирательной линии две волны тока, одна из которых направляется к нагрузочному резистору Rн, другая — в сторону приемного устройства.

Положим, что скорость распространения электромагнитных колебаний в пространстве от вибратора 1 до вибратора 21 равна скорости распространения волны тока в собирательной линии от вибратора 1 до вибратора 21.

33

Первоначально, когда ток i1от ЭДС е1 индуктированной в вибраторе 1электромагнитными колебаниями, дойдет до вибратора 2, то во втором вибраторе будет индуктирована ЭДС е2 и в сторону вибратора 3 потечет ток i1+i2+'V Когда эта сумма токов дойдет до вибратора 3, то в нем будет индуктирована ЭДС е3. Далее в сторону вибратора 4 потечет ток i1+i2+i3 и т. д. Таким образом, направляющиеся в сторону приемного устройства токи от вибраторов суммируются и создают во входной цепи этого устройства напряжение сигнала. Токи, направляющиеся по собирательной линии в сторону нагрузочного сопротивления, поглощаются этим сопротивлением.

Если же электромагнитные волны будут приходить со стороны вибратора 21 и распространяться в сторону вибратора 1, то во всех вибраторах после 21-го будут наводиться ЭДС с запаздыванием по отношению к ЭДС вибратора 21. Так, в точку подключения вибратора 21 ток от вибратора 20 придет с запаздыванием времени на путь электромагнитных волн от вибратора 21 к 20 и на путь прохождения тока по собирательной линии от вибратора 20 к 21 и т. д. Следовательно, токи  i21, i20, i19....i1,  от ЭДС вибраторов будут иметь разные фазы. В результате сдвига фаз результирующая величина тока в направлении к входной цепи приемного устройства будет минимальной. Токи, направляющиеся в сторону нагрузочного сопротивления, будут поглощаться этим сопротивлением. Таким образом, во входной цепи приемного устройства получаем максимальный уровень сигнала только в случае прихода электромагнитных волн со стороны вибратора 1, т. е. создается однонаправленный прием электромагнитных волн.

В реальных условиях скорость прохождения волн токов вдоль собирательной линии ниже скорости распространения радиоволн в свободном пространстве. Наличие разности в скоростях распространения электромагнитных волн и прохождения токов в собирательной линии вызывает фазовые сдвиги токов и уменьшение уровня сигнала во входной цепи приемного устройства, а также оказывает влияние на направленные свойства антенны. Скорость прохождения токов в собирательной линии зависит также от нагрузки, которую вносят вибраторы в эту линию. Для ослабления шунтирующего действия вибраторов последние подключают к собирательной линии через элементы связи — резисторы R_CB. Применение активных, а не реактивных элементов связи способствует работе антенны бегущей волны в широком диапазоне частот.

Диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости имеет малые уровни боковых лепестков, а в главном лепестке концентрируется прием почти всей энергии электромагнитных волн.

На приемных радиостанциях применяются две типовые антенны:

 (рис 2.18)

применяется на линиях радиосвязи протяженностью 400 ...

34

...1000 км, работает в диапазоне 18...135 м и состоит из двух параллельно соединенных полотен БС, выполненных каждое из 14 вибраторов с длиной плеча 11 м, присоединенных к собирательной линии через резисторы связи (200 Ом) с расстоянием между соседними вибраторами, равным 4,5 м, подвешенными над землей на высоте 11 м на шести мачтах.

К концам собирательных линий со стороны корреспондента подключаются четырехпроводные снижения с волновым сопротивлением 170 Ом. Снижения внизу закрепляются на опорах и подключаются к резисторам нагрузки (170 Ом) с грозоразрядниками. Другие концы собирательных линий нагружаются на снижения с волновым сопротивлением 170 Ом, соединенные внизу параллельно и подключенные к фидеру с волновым сопротивлением 208 Ом через согласующий экспоненциальный трансформатор 85/200 Ом.

Антенна

(рис. 2.19, 2.20) применяется на линиях радиосвязи протяженностью 2000... 4000 км и работает в диапазоне 12,5 . . . 100 м. Она состоит из двух параллельно соединенных полотен БС /, каждое из которых содержит 21 вибратор 7 с длиной плеча 8 м. Собирательные линии 6 имеют волновое сопротивление 170 Ом и со стороны корреспондента через снижения 5 нагружаются на сопротивления 170 Ом мощностью 10 Вт. Вибраторы подключаются к собирательной линии через резисторы сопротивлением 200 Ом. Полотна БС подвешиваются на шести мачтах 8. Концы собирательных линий антенны, обращенных к приемному устройству, через снижения, выполненные в виде двух согласующих трансформаторов 170/200 Ом (вертикальных 2) и

35

двух 200/400 Ом (горизонтальных 3), соединяются параллельно и подключаются к фидеру 4 с волновым сопротивлением 208 Ом. На рис. 2.21 представлен узел крепления вибраторов к собирательной линии. Высота подвеса полотна 11,17 и 25 м выбирается в зависимости от угла наклона главного лепестка диаграммы направленности в вертикальной плоскости.

Существенное увеличение эффективности антенн бегущей волны может быть достигнуто путем применения систем, состоящих из двух, трех и более антенн БС2, установленных друг за другом (2БС2, ЗБС2 и др.). Чтобы напряжения от антенн на входе приемника были в фазе, длины фидеров антенн подбираются и подключаются к входу приемника через линейный фазовращатель. С помощью фазовращателя можно изменять в небольших пределах угол максимального приема.

Коэффициент направленного действия антенны ЗБС2 увеличивается по сравнению с антенной БС2 примерно в 3 раза, а коэффициент усиления — в 1,3 раза.

далее