Рассмотрим наиболее распространенные антенны для коротких и метровых волн (а иногда и для средних волн), используемые как в качестве передающих, так и в качестве приемных.
Штыревая и вертикальная антенны. Переносные и передвижные радиостанции для работы на небольшие расстояния пользуются штыревой антенной, представляющей собой металлический вертикальный стержень, составленный из нескольких частей (колен) и установленный обычно на самой радиостанции (рис.1 а).
Для увеличения дальности действия на верхушку штыря насаживается звездочка или метелка, которая несколько увеличивает емкость антенны и изменяет распределение тока в штыре. Без звездочки на верхнем конце штыря будет узел тока (I = 0), а при наличии звездочки узел тока сместится на концы ее лучей и, следовательно, на конце штыря ток и излучение не будут равны нулю (рис.1 б).
Противовесом для штыревой антенны обычно служит металлический корпус радиостанции.
Большую дальность действия дает вертикальная антенна в виде металлической мачты или в виде вертикального провода, подвешенного на деревянной мачте (рис.2). Противовес для вертикальной антенны обычно делается из нескольких проводов, расположенных невысоко над землей.
Штыревая и вертикальная антенны не обладают направленным действием в горизонтальной плоскости. Антенны типа «диполь». Эти антенны у переносных радиостанций малой мощности представляют собой два провода одинаковой длины, растянутые в одну линию (рис.3). Низко расположенный диполь дает наибольшее излучение и наилучший прием в направлении, в котором растянуты лучи, а наименьшее излучение и наихудший прием в направлении, перпендикулярном лучам.
При работе на малых расстояниях лучи диполя, если они сделаны из изолированного провода, могут даже быть растянуты на земле. Для повышения дальности действия луч, включенный в качестве антенны, поднимают в наклонное положение, и тогда максимальное излучение будет в сторону противовеса.
Для связи на больших расстояниях диполь располагают высоко над землей, а также применяют антенны, состоящие из нескольких вибраторов. Длина вибратора должна быть выбрана в зависимости от отношения длины волны λ к диаметру провода d. Так, например, если λ/d = 40, то L = 0,47 (лямбда), а при λ/d = 1000 длина вибратора должна составлять 0,485 *λ. Вибратор из тонкого провода обладает более высокой добротностью, а следовательно, узкой полосой частот пропускаемых колебаний. Если желательно расширить эту полосу, чтобы вибратор работал хорошо в пределах некоторого диапазона, его делают из стержней или трубок диаметром 10—30 мм.
При небольшом расстоянии от передатчика или приемника до антенны могут применяться фидеры со стоячей волной. Например, антенны с короткими фидерами, работающими в режиме стоячих волн, применяются для передвижных радиостанций на автомашинах, самолетах и т.д. Простейшие антенны с такими фидерами показаны на рис.4. В антенне (рис.4 а), вибратор имеет симметричное питание в пучности тока (питание током), в которой его входное сопротивление получается порядка 80 ом. Длина фидера при индуктивной связи с контуром передатчика или приемника должна быть равна целому числу полуволн,, чтобы в катушке связи Lа была пучность тока. Практически длину фидера всегда берут на 5—10% меньше расчетной.
Несимметричное питание антенны напряжением показано на (рис.4 б). Фидер подключается только одним проводом к концу вибратора. Так как в пучности напряжения Zвх очень велико (как у разомкнутой линии с длиной ½*λ ), то фидер работает в режиме стоячих волн и его длина должна составлять нечетное число четвертей волны.
На (рис.4 в), показано питание вибратора напряжением с помощью коаксиального кабеля. Сам вибратор при питании по (рис.4 б и е), может располагаться под углом от 90 до 180° к фидерной линии. Питание напряжением может быть симметричным, если оно применяется для двух синфазных вибраторов. Такая схема питания широко используется в сложных синфазных антеннах (рис.4 г), дающих остронаправленное излучение. Подобные антенны впервые были разработаны и исследованы проф. В.В. Татариновым. Они имеют несколько вибраторов-антенн, в которых токи совпадают по фазе, и обычно такое же количество вибраторов-рефлекторов.
Вибраторы могут быть расположены как горизонтально, так и вертикально. Учитывая поляризацию волн, надо соблюдать условие, чтобы вибраторы передающей и приемной антенн были параллельны друг другу. Для упрощения конструкции в качестве зеркала часто применяют металлическую сетку, расположенную на расстоянии ¼*λот активных вибраторов. Зеркалом может служить также металлический лист, но сетка имеет меньший вес и на нее меньше давление ветра, что важно при значительных размерах антенны.
Питание активных вибраторов в сложных антеннах обычно производится при помощи разветвленной системы фидеров. На рис.5 показана сложная синфазная антенна с 16 вибраторами, расположенными горизонтально, и зеркалом в виде сетки. Для получения синфазной работы вибраторов каждый фидер, идущий от одной пары вибраторов к другой паре, перекрещивается. Это необходимо для компенсации сдвига фаз на 180 , получающегося вследствие того, что расстояние между двумя соседними парами вибраторов составляет ½*λ.
Фидеры, распределяющие энергию в подобной антенне, работают в режиме смешанных волн так как фидер подключается к двум синфазным вибраторам в пучностях напряжения, в которых входное сопротивление вибратора велико. Оно составляет тысячи Ом, т. е. много больше волнового сопротивления фидера.
При значительном удалении антенны от передатчика фидер должен работать в режиме бегущей волны, что достигается согласованием фидера с антенной. Наиболее простым является питание вибратора током при помощи коаксиальной линии имеющей Zo = 70-80 ом, т.е. примерно равное Zвх вибратора (рис.5 а) . Однако коаксиальная линия, будучи несимметричной, нарушает симметричность вибратора и ухудшает его работу.
На (рис.5 б и в), показано питание вибраторов двухпроводным и однопроводным фидерами, подключенными в точках А и Б находящихся между пучностью тока и пучностью напряжения В этих точках входное сопротивление вибратора является средним между его наименьшим значением Zвх=80 Ом в пучности тока и наибольшим значением в пучности напряжения. Точки А и Б подобраны так, что Zвх = Zo. Размеры, показанные на рис.5 относятся к работе антенн на основной волне, но можно возбуждать их и на некоторых гармониках.
Антенна на (рис.5 б) является симметричной. Часть фидера с расходящимися проводами является трансформатором сопротивления (его иногда называют дельта-трансформатором). По мере увеличения расстояния между проводами 20 линии возрастает и в точках А и Б оно равно Zвх вибратора.
Большими преимуществами обладает широко распространенная петлевая или шлейф-антенна, предложенная А. А. Пистолькорсом Она представляет собой два близко расположенных параллельных полуволновых вибратора, замкнутых друг с другом на концах, с питанием током в пучности одного из них (рис.6). Токи обоих вибраторов совпадают по направлению, и поэтому такая антенна эквивалентна одному вибратору с удвоенным током.
Сопротивление излучения, а следовательно, и входное сопротивление петлевой антенны примерно в четыре раза больше, чем у обычного вибратора, и составляет около 320 ом. При такой величине Zвx можно получить согласование с симметричным фидером, у которого отношение расстояния между проводами к диаметру проводов составляет b/d = 6-8. Петлевая антенна является более широкополосной, чем обычный вибратор.
Для получения более острой направленности часто применяют антенну с рефлектором и директором (рис.7), а также с несколькими директорами (рис.8), называемую антенной типа «волновой канал», или директорной антенной.
В таких антеннах основным излучателем служит обычный полуволновой вибратор, или петлевая антенна. Для получения наилучших результатов нередко производят регулировку антенны опытным путем, определяя характер ее излучения при помощи индикатора напряженности поля. Наличие пассивных вибраторов (рефлекторов и директоров) снижает входное сопротивление антенны. Практически расстояние между вибраторами может быть в пределах от 0,1λ до 0,25λ. Размеры, показанные на рис.7 и 8, являются не единственно возможными, а примерными.
Направленное действие антенн характеризуют коэффициентом направленного действия (кнд), введенным А. А. Пистолькорсом в 1929 г. Он показывает, во сколько раз нужно увеличить мощность излучения при переходе от направленной антенны к ненаправленной для сохранения неизменной напряженности поля в месте приема.
При этом под ненаправленной антенной понимают некоторую воображаемую антенну, излучающую во все стороны одинаково. Практически такая антенна не существует даже полуволновой вибратор, у которого направленность наименьшая по сравнению с другими типами антенн, имеет кнд, равный 1,64. Значения кнд, конечно, относятся к случаю, когда радиосвязь осуществляется в направлении главного максимума диаграммы направленности.
У директорных антенн величина кнд примерно равна числу директоров, умноженному на 5. Для современных сложных остронаправленных антенн кнд может иметь значения до нескольких тысяч.
Если предполагается при помощи направленной антенны вести радиосвязь в различных направлениях, то антенну вращают
при помощи тросов из помещения, в котором расположена радиостанция.
Для согласования фидерной линии с антенной применяются различные устройства, из которых рассмотрим два наиболее распространенных.
1. Четвертьволновый трансформатор представляет собой четвертьволновую линию, включенную между главной линией и антенной и работающую как трансформатор сопротивлений (рис.9).
Предположим, что главная линия имеет волновое сопротивление Zo, а сопротивление нагрузки R не равно Zo. Оказывается, что входное сопротивление трансформирующей четвертьволновой линии, т. е. сопротивление в точках А и Б, равно
где Zoт —волновое сопротивление трансформирующей линии.
Подобрав величину Ζот, можно получить Zаб = Zo. Тогда в основной линии (слева от точек А и Б) получится режим бегущей волны, а режим смешанных волн будет только в короткой трансформирующей линии (справа от точек А и Б). Определить требуемое Ζот можно по формуле
Например, если Ζο = 320 ом, а сопротивлением нагрузки является Ζвх вибратора, равное 80 ом, то Ζοτ=160 ом. Для этого случая на рис.9, показаны распределение тока и напряжения вдоль линии. В трансформирующей линии
Поэтому ток и напряжение вдоль этой линии изменяются в два раза, причем ток к концу линии возрастает, а напряжение уменьшается. На конце линии
В начале линии напряжение в два раза больше, а ток в два раза меньше, чем в конце линии. Отсюда
Таким образом, четвертьволновая линия преобразовывает нагрузочное сопротивление 80 ом в 320 ом и создает в основной линии кбв = 1. А без согласующегося устройства в основной линии получился бы кбв = 0,25.
Чтобы получить нужное волновое сопротивление, подбирают расстояние между проводами трансформирующей линии b или диаметр провода d или то и другое так, чтобы отношение b/d соответствовало нужному значению Zот. Для коаксиальных линий нужная величина Zот получается путем подбора отношения диаметров.
2. U-колено служит для согласования несимметричного коаксиального фидера с симметричной антенной. Устройство U-колена в наиболее простом варианте показано на рис.10. Она представляет собой отрезок коаксиального кабеля, подключенный своим началом в точке А к концу коаксиального фидера и к одной половине вибратора. Другой конец U-колена присоединен к проводу второй половины вибратора (точка Б).
Наружные провода (оболочки) фидера и U-колена замкнуты накоротко.
Чтобы волна, прошедшая через U-колено в точку Б, отстала по фазе на 180° от волны в точке А, длина U-колен а должна составлять
где λ — рабочая длина волны, a ε — диэлектрическая проницаемость изолятора, примененного в кабеле. У большинства коаксиальных кабелей, имеющих сплошной диэлектрик между внутренним проводом и оболочкой, є = 2,3 и поэтому L = 1/3 λ.
Так как в точках А я Б фазы противоположные, то к этим точкам можно присоединить симметричную нагрузку в виде вибратора. При этом, если волновое сопротивление фидера равно Zo, то сопротивление между точками А и Б равно 4Zo. Для получения согласования Z8Х вибратора также должно быть равно 4 Zo. Например, при применении коаксиального фидера с волновым сопротивлением 80 ом через U-колено удобно питать одиночный петлевой вибратор, имеющий Ζвх = 320 ом. Если Ζвх вибратора значительно отличается от 4Zo, необходимо между U-коленом (точки А и Б) и вибратором включить согласующий четвертьволновый трансформатор.
