Приемные антенны на коротковолновых линиях связи

В качестве приемных антенн на КВ линиях получили широкое распространение антенны бегущей волны. Антенна бегущей волны (АБВ) представляет собой систему из параллельно расположенных симметричных вибраторов, подсоединенных к собирательной симметричной линии через элементы связи R (рис.9.1.).

Рис.9.1. Антенна бегущей волны на сопротивлениях связи R

 

С одного конца антенна подключена посредством фидера к приемнику, другой конец антенны нагружен на активное сопротивление R_н, равное волновому сопротивлению собирательной линии W_сл. Равенством R_н = W_сл обеспечивается в собирательной линии режим бегущей волны, что и определяет название антенны. Роль элементов связи заключается в том, чтобы уменьшить шунтирующее действие вибраторов на режим работы собирательной линии. Поэтому, чем больше W_сл, тем больше должна быть величина R – сопротивление связи. Однако это приводит к росту потерь в антенне и соответственно к снижению ее КПД. Обычно КПД антенны не превышает 0,5 и снижается с ростом длины волны. Поэтому АБВ применяются только как приемные.

Чтобы увеличить КПД антенны, необходимо уменьшать волновое сопротивление собирательной линии. Поэтому ее выполняют как систему параллельно соединенных проводов, что позволяет довести W_сл до величины 168 Ом.

Принцип действия и основные свойства АБВ подробно рассмотрены в [1, 2].

Длины плеч вибраторов антенны выбирают равными (0,5…0,6)λ. С уменьшением размера вибраторов появляется емкостная составляющая входного сопротивления вибраторов, что уменьшает фазовую скорость волны в собирательной линии. В свою очередь это приводит к увеличению коэффициента замедления волны в линии и соответственно к уменьшению оптимальной длины антенны . Увеличение длины плеча ℓ < 0,64λ приводит к увеличению уровней боковых лепестков.

Из конструкторских соображений длина антенны выбирается не более 100 м. Число вибраторов выбирается из следующих соображений. Увеличение числа вибраторов при фиксированной длине антенны, с одной стороны, уменьшает уровень боковых лепестков, с другой стороны, увеличивает шунтирующее действие вибраторами на собирательную линию. Обычно число вибраторов ограничивается величиной n = 20…30, при этом шаг d лежит в пределах , где λ_кор – самая короткая длина волны рабочего диапазона.

Диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости определяется по формуле

, (9.1)

где F₁ (φ) – ДН одиночного вибратора; F_с (φ) – множитель решетки бегущей волны

 

.

В вертикальной плоскости ДН определяется по формуле

 

, (9.2)

где F_с(Δ) – множитель решетки бегущей волны; F_з(Δ) – множитель, учитывающий влияние Земли.

где h – высота подвеса антенны над Землей.

 

Из (9.1) и (9.2) следует, что АБВ формирует ДН одновременно в двух плоскостях (Е и Н).

КНД антенны бегущей волны ориентировочно можно определять по формуле для решетки бегущей волны:

 

, .

где N – кол-во элементов решетки, d – шаг решетки.

Антенна бегущей волны обозначается как БС , где БС – антенна бегущей волны с сопротивлением связи в виде активных сопротивлений, N – число симметричных вибраторов, ℓ - длина плеча симметричного вибратора, м, R – сопротивление резистора (сопротивление связи), Ом.

Например, БС обозначает: антенна бегущей волны с резисторами в качестве сопротивлений связи, N = 21, = 8 м, ℓ₁ = 4,5 м, R = 200 Ом, h = 25 м.

Антенны бегущей волны в качестве сопротивлений связи могут иметь емкости или индуктивности и, тогда обозначаются БЕ или БИ. При емкостной связи вибраторов с собирательной линией уменьшается фазовая скорость волны в собирательной линии и соответственно, как было показано выше, уменьшается оптимальная длина антенны. При индуктивной связи вибраторов с собирательной линией фазовая скорость в собирательной линии становится больше скорости света, что, как известно приводит к расширению главного лепестка ДН (и даже к его раздвоению). Если при этом длина плеча ℓ = 2,5λ, то входное сопротивление вибратора приобретает емкостный характер. Совместно с индуктивным сопротивлением связи на отдаленных частотах рабочего диапазона возникают резонансные явления, приводящие к резкому шунтированию вибраторами собирательной линии, в результате чего коэффициент усиления на этих частотах резко падает. По указанным причинам антенны БЕ и БИ широкого применения не нашли.

Для сужения главного лепестка ДН и увеличения КНД на линиях КВ-связи широко используются антенны бегущей волны, имеющие в своем составе два полотна антенны БС, соединенных параллельно с помощью экспотенциальных трансформаторов (рис.9.2.). Трансформаторами являются сами распределительные фидеры, состоящие из двух последовательно соединенных вертикального ТФ 168/208 и горизонтального ТФ = 208/416, что обеспечивает согласование антенны с основным фидером с волновым сопротивлением W_ф = 208 Ом.

Для антенны БС-2 диаграмма направленности в горизонтальной плоскости определяется по формуле

.

 

Где D₁ – расстояние между собирательными линиями отдельных антенн БС. Обычно D₁ выбирают равным 25 м.

Рис.9.2. Антенна БС-2

 

В вертикальной плоскости ДН антенны БС-2 такая же, как и у антенны БС. На рис.9.3 показана зависимость КНД антенны АБС от длины волны.

Рис.9.3. Зависимость КНД антенны бегущей волны от длины волны

 

Достоинствами АБВ являются высокие диапазонные свойства (возможность использования во всем диапазоне коротких волн) и сравнительно с ромбическими антеннами низкий уровень боковых лепестков.

Недостаток такой антенны в более сложной схеме питания по сравнению с ромбической антенной и низкий КПД.

 

Порядок выполнения проекта

В проекте необходимо:

1. Определить:

- вертикальный угол прихода луча.

- оптимальную рабочую частоту.

- медианный множитель ослабления, например, по методу А.Н. Казанцева, а затем корректируется найденный множитель для учета быстрых и медленных замираний, это делается на тропосферных линиях связи.

2. На основании исходных данных и найденного множителя ослабления определить требуемый КУ и КНД приемной антенны.

3. На основе найденного КНД выбирать конструктивные размеры антенны (выбирается типовой вариант, или рассчитать самостоятельно геометрию антенны).

4. Рассчитать ДН антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

5. Рассчитать согласование фидера с антенной.

К графической части проекта относятся:

1. Эскизный чертеж антенны с указанием основных размеров;

2. Графики диаграмм направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскости.

Литература

1. Г.Н. Кочержевский, Г.А. Ерохин, Н.Д. Козырев Антенно-фидерные устройства. Радио и связь, 1989;

2. Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терешин Антенны УКВ (1, 2 том) Радио, 1977;

3. Лекционные материалы;

4. Л.К. Андрусевич, В.Г. Беленький Распространение радиоволн. СибГУТИ, 2003, с 7 – 157;

 

 

 

Приложение 1

 

Графики зависимости функций Бесселя первого рода первого и второго порядков для аргумента Х

 

 

 

 

 

Графики зависимости производной функций Бесселя первого рода первого порядка для аргумента Х

 

 

 

Приложение 2

 

Основные данные, коаксиальных кабелей со сплошной изоляцией

из стабилизированного полиэтилена

 

 

Марка кабеля	Коэффициент затухания, / номинальная пропускная мощность, Вт
	0,2 ГТц	1 ГГц	3 ГГц
РК- 50-4-11	0,14/350	0,33/150	0,63/80
РК-50-7-11	0,1/600	0,27/250	-
РК-50-7-21	0,1/2400	0,28/800	0,53/450
РК - 50 - 9 - 23	0,055/3000	0,27/1200	0,45/700
РК-50- 13-17	0,06/1200	0,17/400	-
РК-50-24- 17	0,045/2500	0,13/650	-
РК-50-33- 17	0,04/4000	0,12/900	-
РК-50-44- 17	0,031/5000	0,1/1000	-
РК-75-4- 11	0,15/320	0,36/130	0,7/70
РК - 75 - 4 - 12	0,16/300	0.38/120	0,8/60
РК-75-4-21	0,14/1000	0,3/400	0,6/200
РК - 75 - 7 - 11	0,1/600	0,27/250	0,52/140
РК-75-17-12	0,055/1800	0,16/600	0,35/300
РК-75-24- 18	0,07/1500	0,18/600	-
РК-75 -24-41	0,048/5600	0,088/400	0,16/1400
РК-75- 17-31	0,025/2900	0,75/800	0,17/460