АНТЕННО-ФИДЕРНЬ1Е УСТРОЙСТВА

Простейший вид антенны это одиночный прямолинейный провод. Такую антенну принято называть, как уже отмечалось, вибратор, вдоль которого укладывается половина длины волны (l/2). Протекающий в передающей антенне Переменный ток радиочастоты замыкается через емкость между антенной и землей (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Распределение токов в вибраторе

Для уменьшения сопротивления цепи тока высокой частоты на участке между землей и источником ЭДС, а также для увеличения проводимости земли в зоне протекания токов высокой частоты основание антенны заземляется. Чем меньше сопротивление заземления и больше проводимость грунта, тем лучше условия излучения и меньше потери в земле.

Заземление может быть выполнено специальным противовесом. Он состоит из сети проводов, изолированных от земли и подвешенных над землей на высоте 1- 1,5 м (рис. 3.10). По проводам противовеса, расходящимся во все стороны от основания антенны, токи высокой частоты сходятся к генератору радиопередатчика, не попадая в землю. Эти провода выполняют функции экрана, на который замыкаются силовые линии электрического поля антенны. Симметричный (полуволновой) вибратор излучает радиоволны с неодинаковой интенсивностью в различных плоскостях.

Рис. 3.10. Устройство противовеса

О направленности действия любой антенны дает представление соответствующая диаграмма, т.е. график, показывающий зависимость напряженности поля радиоволн от направления излучения. Различают диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Диаграммы могут быть получены аналитическим методом или опытным путем, например измерением напряженности электромагнитного поля вокруг излучающей антенны (все измерения проводятся на одинаковом расстоянии от антенны). Строятся диаграммы направленности как в полярных, так и в декартовых системах координат. Для большей наглядности чаще используются диаграммы, построенные в полярных координатах. В этом случае по окружности откладываются углы от 0 до 360°, а вдоль радиуса - отношение напряженности электромагнитного поля (для соответствующего направления) к его максимальной напряженности (рис. 3.1 1).

Диаграмма направленности полуволнового вибратора (рис. 3.11, а) в горизонтальной плоскости представляет собой окружность (рис. 3.11, 6). Это значит, что в горизонтальной плоскости такая антенна является ненаправленной. В вертикальной плоскости излучение вибратора происходит неодинаково в различных направлениях (рис. 3.11, б). Наибольшая напряженность электромагнитного поля образуется в направлениях, перпендикулярных оси вибратора, а вдоль оси излучения нет.

Рис. 3.11. Диаграммы направленности полуволнового вибратора:

а - распределение тока и напряжения; б - диаграмма направленности в горизонтальной

плоскости; в - диаграмма направленности в вертикальной плоскости

Наряду с симметричным вибратором в УКВ-радиосвязи находит применение несимметричный вибратор. Такой вибратор образуется, если одну часть симметричного вибратора убрать, а освободившийся зажим соединить с землей. Длина вибратора в этом ‘случае равна четверти собственной длины радиоволны, т. е. i = l./4. Поэтому заземленный вибратор называют четвертьволновым. диаграммы направленности четвертьволнового вибратора показаны на рис. 3.12. Вдоль земли у такого вибратора излучение одинаково во всех направлениях.

Для оценки направленных свойств антенны любого типа служит коэффициент направленного действия (КНД), который показывает, во сколько раз нужно увеличить мощности электромагнитного излучения при переходе от направленной антенны к ненаправленной, чтобы сохранить неизменной напряженность электромагнитного поля в пункте приема. При этом за ненаправленную принимают воображаемую антенну, равномерно излучающую радиоволны во все стороны.

Коэффициент усиления антенны показывает, во сколько раз нужно увеличить мощность передатчика при переходе от направленной антенны к ненаправленной, чтобы сохранить неизменной напряженность электромагнитного поля в пункте приема.

Рис. 3.12. Диаграммы направленности четвертьволнового вибратора:

а - распределение тока и напряжения; б - диаграмма направленности в горизонтальной

плоскости; в - то же в вертикальной плоскости

Коэффициент усиления антенны численно равен произведению коэффициента направленного действия D на коэффициент полезного действия hа, т.е.

s = Dhа (3.5)

Коэффициент полезного действия hа = Ризл/ Ра, где Ризл - мощность излучения антенны; Ра - мощность, подводимая к антенне.

На практике s < D, так как первый учитывает не только выигрыш за счет направленности антенны, но и проигрыш за счет бесполезных потерь в реальной антенной системе. Используя направленные свойства передающей антенны, можно уменьшить мощность передатчика, питающего эту антенну. При приеме (благодаря направленным свойствам передающей антенны) уменьшаются помехи. Указанные свойства направленных антенн можно использовать для стационарных пунктов радиосвязи.

Для полуволнового вибратора в направлениях максимального излучения D = 1,6; КПД такого вибратора близок к единице. Поэтому и коэффициент усиления в направлении максимального излучения s = 1,5 - 1,6. Передающая и приемная антенны взаимозаменяемы, т.е. обратимы.

Наводимая в приемной антенне ЭДС от приходящей радиоволны Епр, связана с напряженностью электромагнитного поля Е в месте приема соотношением

Епр = Еhд, (3.6)

где hд действующая высота приемной антенны.

Передающая антенна отличается от приемной тем, что к ней подводится более высокое напряжение. Это обстоятельство накладывает ограничения на изоляционные характеристики конструктивных элементов передающих антенн.

Дkя организации радиосвязи в пожарной охране в основном используются УКВ-радиостанции. В качестве антенн, устанавливаемых на ЦУС, пунктах связи части (ПСЧ) и других пунктах радиосвязи, чаще всего применяются стационарные антенны типа «стакан» (рис. 3.13, а). Такая антенна представляет собой симметричный полуволновой вибратор, состоящий из двух полных медных цилиндров 1 с заваренными верхними торцами. Верхняя и нижняя половины вибратора образуют как бы опрокинутые стаканы. Отсюда и название антенн. Оба «стакана» эквивалентны четвертьволновым отрезкам коаксиальной фидерной линии, замкнутой на конце. Такая линия для токов высокой частоты представляет собой конечное активное сопротивление. Поэтому, хотя верхнее и нижнее плечи вибратора имеют электрическое соединение с заземляемой металлической опорой 5, токи высокой частоты не замыкаются на землю. Геометрическая длина антенны выбирается равной l = l/2, а входное сопротивление - около 72 Ом.

Рис. 3.13. Конструкция антенн:

а - стационарная типа - стакан: 1- металлические цилиндры (стаканы); 2 - место подсоединения центральной жилы кабеля; 3 - изолятор; 4 - коаксиальный кабель;

5 - металлическая опора; б - автомобильная штыревая: 1 - металлический штырь;

2 - пружина; 3 - проходной изолятор; 4 - согласующий четвертьволновый трансформатор;

в - носимая антенна Куликова: 1 - стальной трос; 2 - металлические цилиндры; З - пружина; 4 - система натяжения троса и замок; 5 - резьбовое соединение

Рассмотренная конструкция антенны обеспечивает эффективное преобразование энергии токов высокой частоты в энергию радиоволн и одновременно выполняет роль молниеотвода. диаграммы направленности такой антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях аналогичны представленным на рис. 3.11, 6, в.

Для установки на подвижные объекты широкое применение находят штыревые антенны, обладающие такими ценными качествами, как простота конструкции и достаточная механическая прочность. Штыревая антенна представляет собой несимметричный четвертьволновой вибратор. Его входное сопротивление примерно в 2 раза меньше, чем у антенны типа «стакан». Конструктивно антенна выполняется в виде металлического штыря 1, пружины 2, проходного изолятора 3. для согласования антенны с коаксиальным кабелем используется четвертьволновой трансформатор 4 (рис. 3.13, 6). Экранирующая оплетка кабеля должна быть заземлена. Подвижные объекты не заземляются, поэтому используются противовесы.

В радиостанциях, устанавливаемых на автомобилях, в качестве противовеса чаще всего используется крыша или другая металлическая деталь автомобиля. В автомобиле с брезентовым тентом противовесом должно служить кольцо с приваренными к нему четвертьволновыми штырями, расположенными друг к другу под углом 120°. Кольцо со штырями размещается в горизонтальной плоскости у основания антенны, и к нему припаивается экранирующая оплетка кабеля. От качества соединения экранирующей оплетки антенного кабеля с массой автомобиля или противовесом в большей степени зависит величина мощности радиоволны, излучаемой антенной.

Диаграммы направленности штыревой антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях аналогичны диаграммам, изображенным на рис. 3.12, 6, в. Практика показывает, что при установке штыревых антенн на крышах пожарных автомобилей, где размещено специальное оборудование (рукавные пеналы, лестницы, громкоговорители, проблесковые маяки и т. д.), диаграммы направленности антенн в значительной степени искажаются. Вследствие появления вторичного излучения от этих предметов диаграмма направленности антенн в горизонтальной плоскости будет отличаться от круговой. Излучаемое поле радиоволн является результатом интерференции электромагнитных полей первичного и вторичного излучателей.

Мощность потерь, возникающих при установке антенны близко к металлическим предметам (при L = 0,2 l), может составлять до 60 % от общей излучаемой мощности. При увеличении расстояния L мощность потерь уменьшается, и при L > 0,2 l она составляет единицы процента.

Практика показывает также, что дальность радиосвязи при антенне, установленной на крыше автомобиля, может в 2 - 2,5 раза превышать дальность связи при установке антенны на кронштейне в некотором удалении от крыши автомобиля.

В портативных и носимых радиостанциях в основном применяются штыревые антенны системы Куликова. Они представляют собой вибраторы длиной от l./ 4 (и менее) до 3/4l., выполненные в виде гибкого штыря, Основные элементы конструкции штыревой антенны приведены на рис. 3.13, в. Антенна состоит из стального троса / с нанизанными на него дюралюминиевыми звеньями 2, пружины 3, системы натяжения троса и замка 4, а также резьбового соединения 5 для крепления антенны к корпусу приемопередатчика. Антенна снабжена натяжным винтом с гайкой для регулировки натяжения троса в процессе эксплуатации.

Наряду со штыревыми антеннами системы Куликова в портативных и носимых радиостанциях применяются проволочные гибкие антенны, встроенные в ремень сумки, служащей для переноски радиостанции. С такой антенной радиостанция более удобна в эксплуатации, однако дальность радиосвязи уменьшается примерно в 2 раза.

В качестве противовеса антенны в портативных и носимых радиостанциях используется масса приемопередатчика. Для повышения эффективности антенны применяется противовес в виде отрезка провода длиной, примерно равной длине штыревой антенны. Диаграммы направленности антенн портативных и носимых радиостанций в горизонтальной и вертикальной плоскостях аналогичны диаграммам, показанным на рис. 3.12,6. в,

Следует учитывать, что тело оператора вносит искажения в форму диаграмм направленности антенн. При работе с радиостанцией на придельных по дальности связи расстояниях необходимо учитывать следующее:

• производить выбор места оператора с учетом особенностей распространения ультракоротких волн, которые, встречая на своем пути препятствия, отражаются и поглощаются ими;

• не располагаться с радиостанцией в непосредственной близости от крутых склонов, возвышенностей, насыпей, каменных и железобетонных зданий, металлических сооружений, поперечно идущих линий электропередач, воздушных линий проводной связи и т.д.;

• при ведении радиосвязи из зданий выбирать помещение с окнами, выходящими на корреспондента.

Фидер - электрическая цепь и вспомогательные устройства, с помощью которых осуществляется передача электрических колебаний радиочастоты. По конструкции фидеры подразделяются на симметричные открытые линии из параллельных проводов, симметричные и коаксиальные кабели, волноводы и др.

К фидерам предъявляются следующие требования: потери энергии высокочастотных сигналов в нем должны быть минимальными; они не должны иметь антенного эффекта, т.е. не должны излучать или принимать электромагнитные волны; обладать достаточной электрической прочностью, т.е. передавать требуемую мощность без опасности электрического изоляции.

В качестве фидеров при УКВ-радиосвязи используются в основном коаксиальные кабели, конструкция которых показана на рис. 3.14. с их помощью соединяются антенны с приемопередатчикам.

Рис. 3.14. Конструкция коаксиального кабеля:

1 — проводник; 2— изолятор; 3— металлическая оплетка; 4— внешняя изоляция

Главным условием правильного выбора антенно-фидерного устройства является согласование входного сопротивления антенны - Ra с волновым сопротивлением фидера Rа = rф вдоль фидерной линии (от передатчика к антенне) будут распространяться только падающие волны напряжения и тока, а отраженные электромагнитные волны будут отсутствовать. Такой режим, установившийся в антенно-фидерном устройстве, называют режимом бегущих волн. При этом в антенну будет поступать наибольшая часть вырабатываемой передатчиком мощности. Если входное сопротивление Ra не будет равно волновому сопротивлению фидера rф, в фидере часть энергии падающих радиоволн будет отражаться от нагрузки. В этом в фидере произойдет взаимодействие падающей радиоволны и отраженной, в результате чего образуется стоячая радиоволна. Полный сигнал, который устанавливается в фидере, будет равен сумме отраженной и падающей радиоволн.

Важной характеристикой антенны является ее входное сопротивление

R а = R вх + jХвх,

где R вх, - активная составляющая входного сопротивления; Хвх - реактивная составляющая входного сопротивления.

Активная составляющая определяет значение сопротивления излучения и показывает, что часты энергии излучения антенной не возвращается в цепь генератора передатчика. Реактивная составляющая обусловлена тем, что на небольшом расстоянии от антенны (порядка несколько длин волн) существует индукционное поле, энергия которого возвращается в цепь генератора передатчика.

Степень согласования фидера с антенной характеризуется коэффициентом бегущей волны или обратной ему величиной - коэффициентом стоячей волны. Коэффициент бегущей волны равен отношению напряжений (токов) в узле и пучности фидера, т,е. k = Umin/ Umax, и может изменяться от 0 до 1. В реальных антенно-фидерных устройствах он составляет 0,6 - 0,95. Появление стоячих радиоволн снижает КПД фидера, что особенно негативно сказывается на выходной мощности излучения. Нарушение согласования антенны с фидером также вызывает большие потери мощности излучения передатчика.

Различные по значению входное и волновое сопротивления фидера согласовываются с помощью четвертьволнового трансформатора, представляющего собой отрезок кабеля длиной в одну четверть длины электромагнитной волны. Сопротивление нагрузки, включенной на конце четвертьволнового трансформатора, трансформируется на его входе в величину, равную входному сопротивлению фидера:

(3.7)

где zтр - волновое сопротивление отрезка кабеля, используемого в качестве четвертьволнового трансформатора.

Отсюда следует, что входное сопротивление Rвх можно увеличить или уменьшить путем изменения волнового сопротивления кабеля четвертьволнового трансформатора, оставляя неизменным входное сопротивление антенны.

При использовании симметричной антенны и несимметричного коаксиального кабеля без симметрирующего устройства у фидера появляется антенный эффект. Он заключается в том, что фидер излучает и принимает электромагнитные волны вертикальной поляризации, из-за чего наблюдаются потери мощности излучения при передаче и возрастают помехи при приеме, для устранения антенного эффекта применяются симметрирующие устройства, которые выполняются из обрезков коаксиального кабеля или металлических трубок. На рис. 3.15, а изображена симметрирующая петля из отрезка коаксиального кабеля с электрической длиной l/2. длина симметрирующей петли определяется из выражения:

lсп = l / 2 Öe, (3.8)

где Öe - коэффициент укорочения петли кабеля.

Коэффициент укорочения вводится потому, что длина электромагнитной волны в фидерной линии lф меньше длины электромагнитной волны в свободном пространстве в Öe раз, где — диэлектрическая проницаемость изоляции кабеля.

Для современных радиочастотных коаксиальных кабелей Öe = 1,5.

На рис. 3.15, 6 показано симметрирующее устройство, которое одновременно является трансформатором сопротивлений. Отрезки аа’ и вв’ образуют четвертьволновой трансформатор, а отрезок ав - симметрирующую петлю.

Рис. 3.15. Симметрирующие устройства:

а - петля; б – U - образное звено