Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств

Подождите немного. Документ загружается.

Очевидно, что для получения наибольшей направлен-

ности угол 2ф

между проводами горизонтальной V-об-

разной антенны должен быть меньше 2 8

гл

. Его величи-

ну необходимо выбрать так, чтобы конусы, образуемые

Рис 6-12 Положение максимумов и нулей интер-

ференционного множителя горизонтально-поляри-

зованной антенны, расположенной над идеально

проводящей почвой ( максимум;

. — нуль).

&,„

"Ч>

vsA

'-О

'-N

—

2Ч>о

ч)

10 20 30 40 та 60

град

Рис G-13

—

к выбору соотношений между углами б

гл

, Д

гл

и ф

для получения наи-

большей направленности, б

—

зависимость между углами Д

гл

и ф

для V об-

разной антенны заданной длины.

311

направлениями главных максимумов ДН каждого из

проводов, пересекались как раз под углом возвышения

гл

. При заданных высоте подвеса антенны и длине ее

проводов углы А

гл

и 6

ГЛ

легко определяются по графи-

кам рис. 6-12 и 6-1 или по соответствующим формулам.

Половину угла между проводами антенны <г

можно опре-

делить из геометрических соотношений (рис. 6-13,а):

cos 8

гл

— cos Д

гл

cos f

. (6-22)

Для облегчения вычислений на рис. 6-13,6 представлены

графики зависимости Д

гл

от ф

для различных длин про-

водов антенны.

Горизонтальная V-образная антенна обладает низ-

ким КНД; для его увеличения могут применяться ре-

шетки V-образных антенн. Однако подобного рода ре-

шетки не получили распространения, так как они усту-

пают по своим данным ромбическим антеннам.

6-3.

РОМБИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ

Горизонтальная ромбическая антенна (рис. 6-14),

предложенная Брюсом [Л. 4] в 1931 г., фактически со-

стоит из двух горизонтальных V-образных антенн, соеди-

ненных последовательно. Питание подводится к одному

Рис 6-14 Горизонтальная ромбическая антенна

острому углу ромба, а активное нагрузочное сопротивле-

ние,

равное волновому сопротивлению ромба, подключе-

но к его другому острому углу. Идентичность обеих

V-образных антенн, составляющих ромб, и последова-

тельность питания обеспечивают сложение главных ле-

пестков их ДН в направлении, лежащем в вертикальной

312

плоскости, проходящей через большую диагональ, и от-

клоненном от горизонтали на угол А

гл

[ЛО. 18, ЛО. 21.

Максимальная направленность, так же как и для V-об-

разной антенны, получается при выполнении условия

(6-22).

Если задан угол А

л (что является обычным при про-

ектировании коротковолновых антенн), то условие (6-22)

может быть выполнено при различных длинах стороны

ромба и углах

кро

(см. графики рис. 6-13,6). Из всех воз-

можных соотношений / и ф

необходимо выбрать наибо-

лее благоприятное, соответствующее антенне, не только

обеспечивающей главное излучение под углом места А

гл

но и обладающей наибольшим КНД при относительно

невысоком уровне боковых лепестков. Выбор парамет-

ров такой ромбической антенны может быть произведен

по графикам рис. 6-15 [ЛО. 11]. Эти графики показы-

вают, что для |Дгл=Ю—18° высота подвеса антенны Н

лежит в пределах

1 —

1,5Яо,

а острый угол ромба 2ф

—

в пределах 30—60°. Длину волны ко, для которой проек-

тируется ромбическая антенна и на которой она имеет

наибольший КНД, называют оптимальной. При из-

менении рабочей длины волны направленные свойства

антенны ухудшаются. Однако у ромбической антенны

эти ухудшения остаются небольшими в довольно широ-

ком диапазоне радиоволн, указанном в верхней части

рис.

6-15. Приведенные здесь значения

манс

и >,

МИ

позволяют выбрать оптимальную длину волны в том

случае, когда задан рабочий диапазон антенны. Отметим,

что ^о во всех случаях лежит несколько ближе к

лтп

Горизонтальная ромбическая антенна обозначается бук-

вами РГ с цифрами у h'; здесь Ф — половина тупого

угла ромба в градусах, l'

l/k

и h'

H/k

. Например,

ромбическая антенна с

70°,

длиной стороны ромба

4Хо

и высотой подвеса Н

0,8к

обозначается как

РГ^

0,8.

Горизонтальная ромбическая антенна излучает как

горизонтально (перпендикулярно), так и параллельно

поляризованное поле. (Поляризация определяется по по-

ложению вектора Е относительно вертикальной плоско-

сти,

включающей рассматриваемое направление.) Для

полной характеристики ее излучающих свойств необхо-

димо рассмотреть ДН для обеих поляризаций.

313

В системе координат

ф и Л

(q>

—

азимутальный угол,

отсчитываемый

от

большой диагонали ромба)

ДН для

горизонтально 'поляризованного поля определяется

вы-

ражением [J10.

2]:

/^(Д,<Р) =

COS

(Ф— <f)

COS

(Ф +

<?)

sin (Ф + у) cos Д — —

[io.

sin

^Ф

+ 'f) cos.

&—i-j]

}Х

sin(® —<f)cos

— -

X{l

_ e

sin (

*-^

cos

-''

[ 1

+1 R

(Ф1

Я S

(6-23)

—

грид

6fl

*-—-

*--

2ip,,

*r„

2<po

Pep

Ar„

s*<—

ГТ

«Чг

360"

— •>-

Sflfl

5Й7

300

200

100

8 9

Рис.

С-15 Графики, позволяющие произве-

сти выбор оптимальных параметров ромби-

ческой антенны.

Для параллельно поляризованного поля

ДН

опреде-

ляется

как

з1п(Ф + ч) I

^и

(Д, 9) =

sin А

sin

(Ф—

<р)

в1п(Ф— f) COS Д •

sin (Ф + ?) cos

— —

м [la sin

(Ф

+ if) cos Д—("Tl .1 w

314

x{1

['-->n(*-9)co.

-«Tn

}[

i_|^

"*ii-

,ni

]f(6

.24)

где Ф

—

половина тупого угла ромба:

= |-?.. (6-25)

Основным является горизонтально поляризованное поле;

в вертикальной плоскости, проходящей через большую

диагональ ромба

('<р

0),

и в горизонтальной плоскости

(Д

параллельно поляризованное поле вообще от-

сутствует. Для ДН ромбической антенны в горизонталь-

ной плоскости

(А

из (6-23), пренебрегая затуханием,

получаем:

F (0 у) — \

С08

+ У) 1 С08(Ф-

) 1

'1^>т; j^i_81п(Ф + «р)~1

—

вщФ

— ч)

J*-

Xsin {-£-

[ 1

- sin

(Ф

*>)]

j sin {4

[ 1

- sin

(Ф

?)]}.

(6-26)

Горизонтальная плоскость не проходит через направле-

ние главного максимума, и поэтому формула (6-26) мо-

жет быть использована только для получения качествен-

ной картины распределения поля при небольших А

гл

Значительно интереснее сечение ДН поверхностью кону-

са Д=Д

ГЛ

, проходящей через направление главного мак-

симума (Д

гл

, щ

=0); это сечение часто несколько неточ-

но тоже называют ДН в горизонтальной плоскости. Вы-

ражение для указанного сечения ДН при пренебрежении

затуханием имеет вид:

F (ч>

А \ — [ cos

(Ф

у)

W, Агл) —

|_1_

81п(ф

+ ?)с08

д;

+ТЗ,г?Г7^А

.]»»{4[1-^(Ф + У)совД

.]}х

Xsin /-у-

[ 1 —

sin

(Ф — <р)

cos Д

гл

]

(6-27)

Сечение ДН другой главной плоскостью — вертикаль-

ной— при тех же допущениях определяется выражением

совф

^°)^Т^и^т*т

^ (1-sin ©cos А)

X УI +1

/?JL

| R

| cos (Ф

— 2аЯ sin

A).

(6-28)

315

Если почва идеально проводящая, то R. =

и Ф =it,

и выражение для ДН в вертикальной плоскости несколько

упрощается:

cos

F (Д, 0)=-: . д, „

с r

ы'п

-^-(1

—

sin

Ф cos

Д)

' '

1 —

sin

cos

Xsin(a#sinA). (6-29)

Оба главных сечения ДН ромбической антенны даюг до-

статочно подробную ее характеристику. Однако про-

странственная ДН ромбической антенны настолько слож-

на, что приходится прибегать к топографическому ее

изображению в той или иной картографической проек-

ции. На рис. 6-16 показана типичная ДН по мощности

горизонтальной ромбической антенны РГ-j- 0,8. Харак-

терной особенностью этой ДН является наличие значи-

тельных боковых лепестков; основные из них расположе-

ны под углами возвышения, близкими к Д

Г1Т

; уровень

первых боковых лепестков около 30% по мощности. На

более длинной волне (Л/Ао=1,25) основной лепесток еще

больше отклоняется от горизонта и расширяется. Уро-

вень боковых лепестков несколько возрастает. На более

короткой волне (АДо=0,75) основной лепесток прибли-

жается к горизонту и сужается. Уровень боковых ле-

пестков несколько снижается. Общий же характер ДН

не меняется во всем рабочем диапазоне частот. Это

является основным положительным качеством ромбиче-

ской антенны.

Коэффициент усиления антенны как функция угла

возвышения Д в главной вертикальной плоскости опре-

деляется [ЛО. 2] как

г(\\ 1 ал

468

со5

е~

' у

G (А)

=1,64—

51пфс05Д)г

Xsin

Гх

~~ sina>co5A)lsin'(a//sinA), (6-30)

где р

— волновое сопротивление ромбической антенны.

КНД антенны может быть рассчитан по известному

КУ и КПД. Последний с достаточной для инженерных

расчетов точностью может быть определен как

т)=1-е-

4р/

. (6-31)

316

SO 80 Ш 60 50 10 30 20 10 0 10 20 30 40 SO Ю 70

80 90

а,

град

Рис 6 16 ДН по мощности на оптима1ьной дпине вочны горизонтатьной ромбической антенны РГ -д~ 0

в прямо\гольно параболической проекции (ДН симметрична относительно направления

0'>

Коэффициент затухания определяется по одной из

формул теории длинных линий:

где Ri — активное сопротивление на единицу длины

ромба.

Если ромб выполнен из одиночных проводов, тор

000 ом; если каждая сторона ромба состоит из двух

расходящихся проводов, то р

;«700 ом. В любом случае

расчет р

можно произвести по общим формулам для

волновых сопротивлений антенн (см., например,

[Л О. 19]).

Распределенное активное сопротивление состоит из

двух частей:

^Rv+_Rn^

t (6

)

где R

—

сопротивление излучения ромбической антенны;

•<?пот

— ее сопротивление потерь.

Сопротивление потерь ввиду его относительно не-

большой величины можно пренебречь, а за R

с доста-

точной степенью точности можно принять собственное

сопротивление излучения сторон ромба:

^AR

(6-34)

Величина R

определяется как сопротивление излучения

одиночного провода с бегущей волной тока:

= 60 (in 2а/ - Ci 2a/ -f Щ£1 - 0,423 V (6-35)

Изменение КУ антенны РГ-^- 1 для различных

углов Л в зависимости от длины волны показано на

рис.

6-17,а. Здесь же пунктиром нанесена зависимость

от длины волны КУ в направлении главного максимума

ДН. Эта кривая является огибающей для кривых, соот-

ветствующих определенным углам А. Направления глав-

ных максимумов можно определить по точкам касания

пунктирной кривой со сплошными.

Изменение к. п. д. по диапазону для той же антенны

показано на рис. 6-17,6,

318

Максимальная мощность, которая может быть подве-

дена к антенне, определяется исходя из допустимой на-

пряженности поля у проводов (см. § 3-4):

£м

аК

= ^^, (6-36)

где d

—

диаметр проводов;

—

число проводов в одной стороне ромба.

Допустимую напряженность поля можно принять

равной 7 000 в/см.

60-

50-

зо-

20-

0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5

а)

1,64

///

V-V

Правая

максимальных НУ

V^N.

)>\J

:ч

1)А=5° 5)Л^15°

3) А=9° 7)

21°

U) Л-17° Р) Л-?Ц"

£^

Га

:г

~—

..-._

0,7 0,9 1,1 1,3 1,

, 1,7 1,9 2,1 2,3

б)

Рис.

6-17. КУ относительно полуволнового вибра-

тора антенны РГ-j-l при различных углах возвы-

шения Д (а); изменение к. п. д. антенны РГ -т-1

в зависимости от длины волны (б).

2,5

Максимальная мощность связана с максимальной

амплитудой напряжения между проводами ромба

Maitc

соотношением, справедлиным для любой линии, в кото-

рой имеется как падающая, так и отраженная волна:

. "маис v-

макс — S "Р^

б в

где

Кб в —

коэффициент бегущей волны.

(6-37)

319

В качестве примера рассмотрим антенну РГ - 1, вы-

полненную из двух проводов с

с?

= 0,4 см; волновое со-

противление такой антенны р

=700 ом, с/

мдкс

32,7

кв,

^ыакс

400

кет; эта величина относится к телеграфной

работе; при работе телефоном Р

акс примерно в 2 раза

меньше, т. е. имеет порядок 200 кет.

Диапазонность ромбической антенны, как уже отме-

чалось, определяется ухудшением ее направленных

свойств при удалении рабочей длины волны от оптималь-

ной Х

. Если надо обеспечить работу во всем коротко-

волновом диапазоне волн от 10 до 70—100 м, то целе-

сообразно применять две-три ромбические антенны. При

не очень жестких требованиях к КУ диапазон от 19—20

до 50 м может быть перекрыт одной ромбической антен-

ной.

Основными положительными качествами ромбиче-

ской антенны, благодаря которым она получила широкое

распространение, являются большая диапазонность,

простота конструкции и эксплуатации. Однако ромбиче-

ской антенне присущи два существенных недостатка

—

низкий к. п. д. и высокий уровень боковых лепестков,

в особенности в главном сечении ДН поверхностью ко-

нуса

ГЛ

Для заметного смягчения этих недостатков предло-

жен ряд сложных ромбических систем; остановимся на

тех из них, которые нашли наибольшее применение

в отечественной практике.

Заметное уменьшение уровня первых боковых ле-

пестков и, следовательно, значительное увеличение КНД

и КУ достигается в двойной ромбической ангенне

(РГД),

предложенной Г. 3. Айзенбергом [Л. 5] РГД со-

стоит из двух одинаковых ромбов, смещенных по гори-

зонтали на расстояние d\ порядка X

(рис. 6-18,а) с та-

ким расчетом, чтобы за счет этого сдвига подавлялись

боковые лепестки в секторе азимутальных углов

30—60°.

ДН антенны РГД в главной вертикальной

плоскости не отличается от ДН одиночной антенны. Вы-

ражение для ДН двойной ромбической антенны по тео-

реме умножения (2-96) имеет вид:

(A,<p)

= F

(b, ^cos/^cosAsin?), (6-38)

тде F,(A,

ср)

— выражение для ДН одиночной ромбической

антенны (6-23).

320