Основные типы штыревых антенн

 

 

Министерство образования и науки Республики Казахстан

 

ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Д.Серикбаева

 

Факультет Информационных технологий и энергетики

 

                   Кафедра ПиАТП

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

По дисциплине: «Антенно-фидерные устройства»

 

Тема: «Штыревая антенна»

 

 

 

 

 

 

Проверил                                                                    Черниговец В.Н.

 

Выполнил студент гр.12-РТ-1                               Жайлаубаева С.Б.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Усть-Каменогорск, 2015

 

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Антенна — устройство, предназначенное для излучения или приёма радиоволн.

 

Антенны в зависимости от назначения подразделяются на приёмные, передающие и приёмопередающие. Антенна в режиме передачи преобразует энергию поступающего от радиопередатчика электромагнитного колебания в распространяющуюся в пространстве электромагнитную волну. Антенна в режиме приёма преобразует энергию падающей на антенну электромагнитной волны в электромагнитное колебание, поступающее в радиоприёмник. Таким образом, антенна является преобразователем подводимого к ней по линии питания электромагнитного колебания (переменного электрического тока, канализированной в волноводе электромагнитной волны) в электромагнитное излучение и наоборот.

 

Первые антенны были созданы в 1888 году Генрихом Герцем в ходе его экспериментов по доказательству существования электромагнитной волны (Вибратор Герца).[3] Форма, размеры и конструкция созданных впоследствии антенн чрезвычайно разнообразны и зависят от рабочей длины волны и назначения антенны. Нашли широкое применение антенны, выполненные в виде отрезка провода, системы проводников, металлического рупора, металлических и диэлектрических волноводов, волноводов с металлическими стенками с системой прорезанных щелей, а также многие другие типы. Для улучшения направленных свойств первичный излучатель может снабжаться рефлекторами — отражающими зеркалами различной конфигурации и системами зеркал, а также линзами. Излучающая часть антенн, как правило, изготавливается с применением проводящих электрический ток материалов, но может изготовляться из изоляционных (диэлектрик) материалов, могут применяться полупроводники и метаматериалы.

 

С точки зрения теории электрических цепей антенна представляет собой двухполюсник (или многополюсник), и мощность источника, выделяемая на активной составляющей полного входного сопротивления антенны, расходуется на создание электромагнитного излучения. В системах автоматического регулирования антенна рассматривается как дискриминатор — датчик угла рассогласования между направлением на источник сигнала или отражатель и ориентацией носителя (например, антенна с суммарно-разностной диаграммой направленности в составе радиолокационной головки самонаведения). В системах пространственно-временной обработки сигнала антенна (антенная решётка) рассматривается как средство дискретизации электромагнитного поля по пространству. В особый класс принято выделить антенны с обработкой сигнала. В частности, одним из таких устройств являются антенны с виртуальной (синтезированной) апертурой, применяемые в авиационной и космической технике для задач картографирования и увеличения разрешающей способности за счёт использования когерентного накопления и обработки сигнала.

 

Штыревая антенна

 

Помимо свойств радиоволн, необходимо тщательно подбирать антенны, для достижения максимальных показателей при приеме/передаче сигнала. 
Давайте ближе познакомимся с различными типами антенн и их предназначением. 
 
 
Антенны — преобразуют энергию высокочастотного колебания от передатчика в электромагнитную волну, способную распространяться в пространстве. Или в случае приема, производит обратное преобразование — электромагнитную волну, в ВЧ колебания. 
 
Диаграмма направленности — графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве. 
 

Антенны

 

Симметричный вибратор

 
 
 
В простейшем случае состоит из двух токопроводящих отрезков, каждый из которых равен 1/4 длины волны. 
 
Широко применяется для приема телевизионных передач, как самостоятельно, так и в составе комбинированных антенн. 
Так, к примеру, если диапазон метровых волн телепередач проходит через отметку 200 МГц, то длина волны будет равна 1,5 м. 
Каждый отрезок симметричного вибратора будет равен 0,375 метра.

 

Определение и понятия

Несимметричными (штыревыми) называют антенны, расположенные непосредственно у земли (или металлического экрана) перпендикулярно (реже наклонно) к ее поверхности.

Если считать землю идеально проводящей и учитывать зеркальное отображение, то несимметричный вибратор можно считать половиной эквивалентного ему симметричного вибратора (рис. 1).

Сопротивление излучения несимметричного вибратора в два раза меньше, чем у эквивалентного симметричного вибратора, поскольку при одинаковых токах первый излучает в два раза меньшую мощность (нет излучения в нижнее полупространство) [1].

Входное сопротивление несимметричного вибратора в два раза меньше, чем у эквивалентного симметричного вибратора, поскольку при одинаковах токах питания у первого напряжение питания в два раза меньше (рис. 1).

Коэффициент направленного действия несимметричного вибратора в два раза больше, чем у эквивалентного симметричного вибратора, поскольку при однаковой мощности излучения первый обеспечивает в два раза большую угловую плотность мощности, так как вся его мощность излучается в одно полупространство (рис.2).

Все сказанное справедливо для идеального несимметричного вибратора, то есть когда земля представляет собой идеальный проводник. Если же земля обладает плохими проводящими свойствами, поле излучения вибратора меняется. Кроме того, это приводит к уменьшению амплитуды тока в вибраторе и, следовательно, к повышению его сопротивления и уменьшению излучаемой мощности. Почва является диэлектриком с большой диэлектрической проницаемостью (равной почти 80), что приводит к изменению электрической длины мнимого диполя, а также длины пути токов смещения. Результат — полное искажение диаграммы направленности (поднятие лепестков вверх и исчезновение излучения под малыми углами к горизонту) и увеличение сопротивления штыря.

По этой причине практически не используют почву в качестве "земли", а используют искусственную землю.

Земля штыревой антенны

Теоретические расчеты показывают, что наибольшие потери имеют место в зоне с радиусом 0,35 длины волны, поэтому в этой зоне желательно провести "металлизацию" земли: соединить радиальные провода между собой перемычками (рис.3). Очень хорошо, если эта металлизация будет проведена на всем расстоянии противовесов.

 
Рис.3

Противовесы следует изолировать от земли. Если они будут лежать на земле, то от влаги их электрическая длина не будет резонансной для антенны. Так же должны быть изолированы от земли и их концы. Только в одном случае можно не изолировать концы противовесов от земли: если они надежно соединены кольцом-перемычкой (рис.3).

Никогда не следует забывать о том, что идеальная штыревая антенна имеет КПД 47%, а КПД антенны с 3 противовесами — менее 5%. Значит, работая со штыревой антенной с тремя противовесами, из ваших 200 ватт, подводимых к штырю, 180 ватт (!!!) напрасно теряются, попутно создавая TVI. Многие процессы в ионосфере нелинейны, т.е. отражение радиоволн начинается, скажем, при подводимой мощности к вашей антенне в 7 ватт, и уже полностью не происходит при 5 ваттах. Значит, вы теряете уникальные возможности DX QSO, сэкономив на проводе для противовесов.

Следует еще учесть искажения диаграммы направленности при малом количестве противовесов. Из шарообразной она становится лепестковой, имеющей направление вдоль противовесов. Задача о нахождении оптимального количества противовесов была решена мною с помощью ЭВМ. Решение представлено на рис.4. Из него видно, что минимально необходимое число противовесов равно 12. При большем их количестве КПД растет медленно. Противовесы должны быть расположены на одинаковом расстоянии относительно друг друге.

 
Рис.4

Угол их расположения относительно штыря должен быть от 90° до 1350. При больших и меньших углах падает КПД и д.н. искажается. Противовесы должны быть длиной не менее основного штыря. Это'можно объяснить тем, что протекающие между штырем и противовесами токи смещения занимают определенный объем пространства, который участвует в формировании диаграммы направленности. Уменьшая длину противовесов, а, следовательно, уменьшая объем пространства, служащий формированию д.н., мы существенно ухудшаем характеристики антенны. С большим приближением можно сказать, что каждой точке на штыре соответствует своя точка на противовесе. Однако нет необходимости использовать противовесы длиннее чем основной штырь.

Противовесы и сам штырь должны быть покрыты защитной краской. Это необходимо для того, чтобы материал, из которого выполнена антенна, не окислялся. Окисление вибраторов приводит в негодность антенну из-за того, что тонкая пленка окисла имеет значительное сопротивление, а так как на ВЧ сильно выражен поверхностный эффект, то энергия передатчика поглощается и рассеивается в тепло этой пленкой.

Крайне желательно использовать для этого радиокраску (ту, которой красят локаторы). Обычная краска содержит частички красителя, поглощающие ВЧ энергию. Но, в крайнем случае, можно использовать и обычную краску.

Размеры вибраторов штыревой антенны

Как известно, сопротивление излучения антенны Ризл пропорционально отношению L/d, где L — длина и d — диаметр антенны. Чем меньше отношение L/d, тем широкополоснее антенна и больше КПД.

Следует учесть, что при использовании толстых вибраторов сказывается "торцевой эффект". Он обуславливается емкостью между торцами вибратора и землей. Физически это выражается в том, что антенна получается "длиннее" расчетной. Для его уменьшения обычно широкополосные штыри имеют конусообразную форму. Расчеты показывают, что минимально необходимая толщина противовесов должна составлять

d=D/2,4n, где

d — диаметр  противовесов, D — диаметр штыря, n — количество противовесов.

Часто радиолюбители не могут установить четвертьволновый штырь и используют штырь, имеющий меньшие размеры. В принципе можно согласовать штырь любой длины с помощью согласующих устройств. Однако короткие штыри имеют малое активное и большое реактивное сопротивление [3] и будут согласованы весьма неоптимально (на самих согласующих устройствах может рассеяться до 90% энергии). А если еще при этом используются и суррогатные короткие противовесы, то эффективность такой антенной системы будет весьма низка. Однако в средствах подвижной связи часто такие суррогатные антенны применяются. Но это только потому, что другие виды укороченных антенн будут работать еще хуже!

Диаграммы направленности штыревых антенн

Многих интересует, как влияет высота подъема штыря на его диаграмму направленности в горизонтальной плоскости и зависит ли его сопротивление от высоты подвеса. Важнейший результат [4] заключается в том, что распределение токов в штыре не зависит от высоты его подвеса при наличии идеальной "земли". Практически это означает, что на какой бы высоте штырь ни находился, его сопротивление будет постоянным. Общий результат решения показывает, что если штырь настроен в резонанс, то его нижний конец можно заземлить. При этом его можно питать в любой точке.

На результатах этого важного вывода и созданы штыревые антенны (флаг-антенны, мачта-антенны), нижний конец которых соединен с "землей" и которые питаются через гамма-согласование.

Диаграммы направленностей вертикальной плоскости полуволнового штыря приведены на рис.5. Из этого рисунка видно, что чем выше поднимается антенна, тем положе угол излучения к горизонту. Это объясняется тем, что происходит сложение излученной штырем волны и волны, отраженной от земли. Если почва обладает плохими проводящими свойствами, то диаграмма направленности будет близка к диаграмме направленности штыря над землей. Поднимать антенну на высоту более длины волны не имеет смысла, т.к. при этом уже не происходит уменьшения угла излучения, а только начинают дробиться верхние боковые лепестки.

 
Рис.5

Следует запомнить еще одну интересную особенность штырей, высота которых равна длине волны и более. Такие антенны в профессиональной связи используются как антифединговые [5]. Это означает, что такая антенна будет принимать без проблем сигнал, приходящий с замираниями на четвертьволновый штырь или диполь.

 Согласование штыревых антенн

Для успешной работы штыревая антенна должна быть согласована. Несмотря на все кажущееся многообразие согласующих устройств и штырей, их можно разбить на 3 группы.