Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства в телерадиовещании

19 Антенны мириаметровых, километровых и гектометровых волн | назад | содержание | вперёд |

19 Антенны мириаметровых, километровых и гектометровых волн

19.1 Особенности распространения радиоволн и требования, предъявляемые к антеннам

Для частотных полос выделенных для радиовещания, часто используют иные, традиционно сложившиеся названия рассматриваемых диапазонов. Соответственно, мириаметровые волны называют сверхдлинными (СДВ), километровые – длинными (ДВ), а гектометровые – средними (СВ). В дальнейшем мы будем пользоваться этими обозначениями.

Как известно из теории распространения радиоволн, сверхдлинные (СДВ) и длинные (ДВ) волны (λ = 105 ÷ 103 м) хорошо огибают поверхность Земли, распространяясь в своеобразном сферическом волноводе. Верхней стенкой волновода служит отражающий слой ионосферы D (ночью слой Е), а нижней стенкой - поверхность Земли. В этом диапазоне отражающий слой ионосферы имеет большую проводимость, и радиоволны проникают вглубь его незначительно, отражаясь как от проводящей поверхности.

По этой причине сверхдлинные и длинные волны распространяются на большие расстояния (вплоть до половины периметра Земли) с малым затуханием и отличаются большой стабильностью амплитуды напряженности и фазы поля.

В соответствии с граничными условиями силовые линии электрического поля поверхностной волны практически нормальны к поверхности Земли. Поэтому на СДВ и ДВ, как правило, применяются вертикальные антенны.

В действительности, из-за конечной проводимости почвы Земли вектор Е электрического поля волны имеет небольшой наклон к поверхности Земли, в результате чего появляется горизонтальная составляющая электрического поля. Угол наклона вектора Е относительно нормали к поверхности Земли можно оценить из формулы

(19.1)

Горизонтальная составляющая электрического поля обычно много меньше вертикальной и сдвинута по отношению к ней по фазе на угол близкий к 45°. Поэтому в плоскости распространения (вертикальной) поляризация волны оказывается эллиптической. Это позволяет в качестве приемных антенн использовать горизонтальные длинные провода ориентированные своей осью в направлении на передающий центр. Считается, что стоимость антенны растет пропорционально третьей степени её высоты. Поэтому антенны СДВ и ДВ имеют высоту, как правило, много меньшую, чем длина волны. Имея относительно малую электрическую длину , антенны СДВ и ДВ обладают низкой излучающей способностью (сопротивление излучения составляет от долей до единиц Ом). Поэтому для устойчивой радиосвязи требуются весьма большие мощности передатчиков (сотни кВт).

При < 0,25 входное сопротивление антенны имеет большую реактивную составляющую емкостного характера (до нескольких кОм), поэтому Rвх << Xвх. Как следствие, в точках питания антенны напряжение становится очень большим (Uвх =ImaХвх). Большое напряжение увеличивает вероятность электрического пробоя изоляторов, пробоя в системе проводов и относительно Земли. Это обстоятельство ограничивает возможность увеличения мощности, подводимой к антенне.

За счет большого значения реактивной составляющей входного сопротивления Хвх с антенной связана большая реактивная мощность, не участвующая в излучении. Поэтому КПД антенны не превышает 10 ÷ 30%. По этой же причине добротность антенны СДВ и ДВ очень велика, а полоса пропускания, соответственно, очень мала. Поэтому антенны СДВ и ДВ используют для радиотелеграфной связи с малыми скоростями передачи. В основном эти антенны нашли широкое применение в навигации и передаче сигналов точного времени из-за высокой стабильности амплитуды и фазы сигнала. Коротковолновая часть диапазона ДВ (λ= 1000 ÷ 2000 м) отведена для радиовещания.

Средние волны (СВ) занимают диапазон 1000 м ÷ 100 м и могут распространяться как земные (поверхностные), и как пространственные (ионосферные). В последнем случае эти волны в основном отражаются от слоя Е, а слой D для них является поглощающим. Из-за увеличенного поглощения в земной поверхности по сравнению с СДВ и ДВ, средние волны как поверхностные распространяются на расстоянии порядка 500 ÷ 700 км.

В ночное время суток после исчезновения слоя D появляется пространственная волна, уровень которой становится соизмеримым с уровнем поверхностной волны на расстоянии от передатчика от 200 км до 1000 км в зависимости от электрической длины антенны. В результате интерференции поверхностной и пространственной волн возникают замирания сигнала (фединг) в пункте приема, что ухудшает качество радиосвязи. Для борьбы с замираниями применяют антифединговые антенны. При увеличении электрической длины антенны до 0,63λ основной лепесток ДН сужается и тем самым сильнее «прижимается» к Земле. При этом уровень пространственной волны существенно уменьшается.

На СВ электрическая длина антенны значительно больше, чем на СДВ и ДВ. Поэтому благодаря значительно большему сопротивлению излучения (десятки Ом) КПД СВ антенны существенно увеличивается по сравнению с антеннами СДВ и ДВ (до 80-85%), увеличивается также полоса пропускания антенны.

Средние волны применяются в основном для радиовещания, морской радиосвязи и для отдельных видов служебной связи.

В заключении раздела сформулируем общие требования к передающим антеннам СДВ, ДВ, СВ. Они сводятся к следующему:

1. Увеличение мощности излучения за счет увеличения сопротивления излучения.

2. Уменьшение напряжений в антенне.

3. Увеличение КПД антенны.

4. Расширение полосы пропускания антенны.

5. Расширение зоны действия поверхностной волны (для СВ антенн).

19.2 Передающие антенны СДВ, ДВ, СВ диапазонов

В диапазоне СДВ, ДВ, СВ в качестве передающих антенн используются антенны вибраторного типа: Г-образные, Т-образные, зонтичные (СДВ и ДВ), антенны-мачты, антенны-башни (СВ).

Применяемые на СДВ и ДВ Г-образные и Т-образные антенны состоят из ряда параллельных горизонтальных проводов, подвешенных на двух мачтах, и вертикального провода, причем в Г-образных антеннах вертикальный провод присоединяется к одному концу горизонтальной части, а в Т-образных антеннах – к её середине (рис.19.1а, б). В зонтичных антеннах верхняя часть состоит из наклонных проводов, роль которых может выполнять верхний ярус оттяжек (рис.19.1в).

Увеличение сопротивления излучения вертикального вибратора возможно за счет увеличения его высоты, что неоправданно ни технически, ни экономически. Наличие горизонтального провода способствует более равномерному распределению амплитуды тока по вибратору, что может дать увеличение сопротивления излучения в четыре раза по сравнению с вертикальным вибратором без горизонтальной части (рис. 19.2). Важно отметить, что увеличение сопротивления излучения в четыре раза эквивалентно увеличению высоты вибратора в два раза.

Горизонтальная часть Г-образных и Т-образных антенн практически не участвует в излучении, т.к. создаваемое ей поле излучения компенсируется противофазным полем зеркального изображения.

Г-образные и Т-образные антенны требуют для своей установки две мачты. Такая антенна занимает большую площадь антенного поля и экономически сильно проигрывает перед вертикальным вибратором при соответствующем увеличении его высоты. Альтернативным вариантом антенны является зонтичная антенна, имеющая только одну мачту.

Для расчета электрических характеристик антенн с горизонтальной частью заменим исходную антенну высотой (длиной) l эквивалентным вертикальным вибратором с длиной lэ (рис.19.3):

где lэг - длина эквивалентной горизонтальной части.

lэг находится из условия равенства входных сопротивлений горизонтальной части длиной lг и ей эквивалентной вертикальной с длиной lэг. В случае Г-образной антенны

(19.2)

откуда

. (19.3)

Для Т-образной и зонтичной антенн соответственно

, (19.4)

, (19.5)

где n – число лучей зонда.

Действующая длина вертикального заземленного вибратора определяется по формуле:

, (19.6)

Волновое сопротивление вертикального заземленного вибратора можно вычислять по приближенной формуле

, (19.7)

где l - длина вибратора, Rэ – эквивалентный радиус поперечного сечения антенны.

В случае антенны с горизонтальной частью волновое сопротивление для каждой части антенны вычисляется отдельно.

Антенны СВ диапазона в отличие от антенны СДВ и ДВ имеют намного большее сопротивление излучения. Поэтому их выполняют в виде вертикального вибратора без развитой горизонтальной части. Это могут быть либо антенны мачты, либо антенны башни (рис.19.4 а, б). В первом случае антенна крепится к Земле с помощью системы оттяжек. Для антенны – башни система оттяжек не требуется. Иногда антенны – мачты и антенны – башни снабжаются емкостной нагрузкой («шапкой»), которая представляет собой сплошной или проволочный диск, установленный у вершины мачты или башни (рис. 19.4б). В случае антенны – мачты в качестве емкостной «шапки» часто используют верхний ярус оттяжек. Ёмкостная нагрузка позволяет на 20% уменьшить высоту антенн, которая обычно составляет 60÷200 м (башни) и 60÷350 м (мачты).

Антенны – мачты и антенны – башни устанавливаются на бетонном основании, опираясь на изолятор. Изолятор должен выдерживать на пробой большие напряжения (до 100 кВ) и большие механические нагрузки (до 200 т).

Входное сопротивление антенн в общем случае имеет комплексный характер при работе на частоте, когда собственная длина волны антенны отличается от рабочей длины волны:

где

, (19.8)

Если < 0,25 , то . Отсюда и Хвх становится отрицательной величиной, т.е. принимает емкостной характер. Если 0,5> >0,25, то , и Хвх становится положительной величиной, т.е. принимает индуктивный характер. Наличие реактивного сопротивления антенны приводит к снижению излучаемой мощности, большому напряжению в антенне и сужению полосы пропускания антенны.

Для компенсации реактивной составляющей входного сопротивления последовательно с ней включают укорачивающий конденсатор Сук, когда >0,25, и удлиняющую катушку индуктивности Lудл, когда < 0,25. За счет включения в антенный контур Lудл резонансная длина волны контура увеличивается, поэтому катушку индуктивности называют удлиняющей. При включении Сук соответственно резонансная длина волны контура уменьшается, и конденсатор называют укорачивающим.

Величина Lудл и Сук определяется из условия

, (19.9)

откуда

, (19.10)

При настройке антенны в резонанс её активное сопротивление может не равняться волновому сопротивлению фидера. Поэтому для согласования антенны с фидером между антенной и фидером устанавливается трансформатор сопротивлений.

В качестве трансформатора применяется реактивный четырехполюсник (рис. 19.5). Задача трансформатора заключается в трансформации входного сопротивления антенны Rа в волновое сопротивление фидера Wф. Для того, чтобы в фидере существовала бегущая волна, сопротивление в точках 2,2 должно быть активным и равняться Wф:

; . (19.11)

Проводимость в точках 1,1 :

,

сопротивление в точках 1,1

,

или

, (19.12)

Согласно (19.11)

, (19.13)

,

Из (19.12) и (19.13) соответственно

, (19.14)

, (19.15)

Схема трансформатора (рис.19.5) пригодна для согласования только в том случае, когда Ra >Wф. В противном случае величина С и L оказываются мнимыми. Когда Rа < Wф, для согласования используется схема трансформатора, приведенная на рис. 19.6. Выполнив аналогичные операции подобно случаю, когда Ra > Wф, получим:

, (19.16)

, (19.17)

КПД антенны СДВ, ДВ и СВ диапазонов определяется соотношением сопротивления излучения и сопротивления потерь. Потери складываются из потерь в проводах антенны, изоляторах элементах настройки, оттяжках мачт, окружающих сооружениях и заземлении. С целью уменьшения потерь в проводах антенны их выполняют из биметаллических проводов со стальной сердцевиной и медной оболочкой. Потерями в изоляторах обычно при расчетах пренебрегают. Для уменьшения потерь в оттяжках их разрубают на секции, связанные изоляторами. Для уменьшения потерь в окружающих предметах антенные сооружения выполняются на свободной от застроек площади.

Таким образом, основными потерями в диапазонах СДВ, ДВ, СВ являются потери в заземлениях. Вследствие конечной проводимости почвы Земли получить высокий КПД антенны невозможно без специальных устройств заземления. Устройство заземления представляет собой систему радиальных лучей из медной проволоки диаметром 2 ÷ 4 мм, уложенных в землю на глубину 20 ÷ 30 см (рис. 19.7). У основания антенны лучи привариваются к кольцевым сборным шинам, которые соединены с внешним проводником коаксиального фидера. Число лучей обычно берут порядка 120.Длина лучей равняется ориентировочно высоте антенны.

Сопротивление потерь в заземлении ориентировочно можно определить по формуле, предложенной М.В. Шулейкиным:

, Ом, (19.18)

где λ0 – резонансная (собственная) длина волны антенны, λр – рабочая длина волны, А – коэффициент, учитывающий качество заземления, Ом.

При хорошем заземлении А=(0,5÷2) Ом, при плохом А=(4÷7) Ом. В подвижных радиостанциях роль заземления выполняет либо противовес, аналогичный по конструкции системе заземления, либо собственно металлический корпус объекта (кузов автомобиля, и т.д.)

Коэффициент усиления антенн СВ определяется по общей формуле (В.9):

, (19.19)

где в качестве эталонной антенны служит вертикальный несимметричный вибратор длиной с КПД равным 100%. На рис. 21.8 приведен график зависимости коэффициента усиления от длины антенны. Из приведенной зависимости следует, что применение антенны высотой (0,5÷0,65)λ позволяет увеличить мощность излучения примерно в 1,9 раза.

ДН антенны в вертикальной плоскости рассчитывается по формулам (12.11) для верхней полуплоскости:

, (19.20)

Опорный изолятор, как было показано ранее, работает в очень тяжелых условиях. Поэтому его применение значительно удорожает стоимость антенны и понижает надежность ее работы. Всегда существует вероятность выхода изолятора из строя в результате механических повреждений и электрического пробоя. Поэтому большой практический интерес представляют антенны с заземленным основанием, не требующие применения опорного изолятора. К таким антеннам относятся антенна с верхним питанием, предложенная Г.З. Айзенбергом, и антенна с шунтовым питанием, предложенная Моррисоном. В обоих случаях антенны устанавливаются на металлическом подпятнике, который крепится к прочному железобетонному основанию без опорного изолятора.

Конструкция антенны с верхним питанием представлена на рис. 19.9а. Антенна представляет собой вертикальную металлическую трубу (мачту) с заземленным основанием, внутри которой с помощью изоляторов фиксируется вертикальный провод. Центральный проводник коаксиального фидера через отверстие в нижней части трубы соединяется с проводом в трубе, а внешний провод фидера соединяется с трубой у её основания. Верхний конец вертикального проводника выходит из трубы и соединяется с емкостной нагрузкой. Роль емкостной нагрузки обычно выполняют оттяжки верхнего яруса, изолированные от трубы.

Эквивалентная схема антенны представлена на рис. 19.9б. Как следует из рис. 19.9б, генератор как бы находится на вершине мачты, что и определило название антенны. Емкостная нагрузка за счет токов смещения возбуждает токи на внешней поверхности мачты-трубы, вызывающие излучение. Возникает явление, подобное антенному эффекту коаксиального фидера. В данном случае этот эффект играет положительную роль. Если воспользоваться методом зеркальных изображений, то нетрудно доказать, что у основания мачты имеет место узел потенциала и пучность тока. У вершины мачты благодаря емкостной нагрузке амплитуда тока не равна нулю, в отличие от антенны с нижним питанием. Если высота мачты значительно меньше длины волны, то распределение амплитуды тока по всей длине мачты близко к равномерному (рис.19.9б). При этом площадь, занимаемая током, почти в два раза больше площади тока в антенне с нижним питанием (рис. 19.9в) при одинаковой их длине. Поэтому действующая длина антенны с верхним питанием почти в два раза больше действующей длины антенны с нижним питанием, а сопротивление излучения возрастает в четыре раза. Соответственно увеличивается полоса пропускания антенны.

Вопросы для самопроверки

1. Какие требования предъявляются к передающим и приемным антеннам СДВ, ДВ, СВ?
2. Какие существуют типы передающих антенн в диапазонах СДВ, ДВ, СВ?
3. Объяснить назначение емкостной нагрузки у антенн СВ диапазона.
4. Какие достоинства имеет антенна с верхним питанием? Какие у неё недостатки?

назад | cодержание | вперёд