Учебное пособие: Командно-штабна машина Р-142Н

Однак не вся потужність РА, яка підводиться до антени, затрачається на створення поля випромінювання.

Потужність втрат РП - частина потужності передавача РА, що витрачається на нагрівання металу провідників, на діелектричні втрати в ізоляторах, на втрати в землі з кінцевою провідністю і втрати іншого фізичного походження. Тому:

РА=Р∑ +РП (3)

Вхідний опір антени ZА визначається вираженням (4):

 (4)

де: RA і XA - активна і реактивна складові вхідного опору антени.

5. Коефіцієнт корисної дії антени ηА визначається як відношення випромінюваної потужності Р∑ до потужності РА, яка підводиться до антени (5):

 (5)

Коефіцієнт корисної дії визначає ефективність антени як перетворювача ВЧ енергії в енергію ЕМХ. Для того щоб передавач віддавав в антену максимальну потужність необхідно погодити вихідний опір передавача вхідним опором антени. Однак активна складова RА вхідного опору антени може відрізнятися від величини вихідного опору передавача, тому виникає необхідність у трансформації активної частини вхідного опору антени. Ця задача вирішується за допомогою органів зв'язку з антеною. Компенсація ж реактивної складовий XА вхідного опору антени здійснюється за допомогою органів настроювання антени (рис.2). Номінали органів настроювання і зв'язки залежать від значень реактивної й активної складових вхідного опору антени.

6. Характеристика направленості – це залежність амплітуди напруженості поля від напрямку в просторі на однаковому, досить великому, відстані від антени. На однаковій відстані від антени, але в різних напрямках, величина напруженості поля різна. Інакше кажучи, антена має спрямовану властивість. Графічне зображення характеристики направленості називають діаграмою направленості. Для порівняння різних антен по направленості користаються нормованою характеристикою направленості, у якої максимальне значення дорівнює одиниці. Вона виходить шляхом розподілу всіх значень характеристик направленості на максимальне значення:

 (6)

Побудова діаграм направленості можлива в полярній чи прямокутній системах координат. На практиці користаються перетинами просторової діаграми направленості звичайно в двох взаємно перпендикулярних площинах, що проходять через напрямок максимального випромінювання. Для антен, розташованих на поверхні землі, перетину вибирають таким чином, щоб одержати діаграми направленості в горизонтальній (функція F(j)) і вертикальної (функція F(q)) площинах, де q і j - кутові координати в сферичній системі координат.

У діаграмі направленості антени розрізняють головний і бічний пелюстки, рівень яких визначається стосовно головного.

Ступінь концентрації електромагнітної енергії в головному напрямку характеризується шириною головного пелюстка (шириною діаграми направленості).

Шириною головного пелюстка (шириною діаграми направленості) називають кут між двома напрямками, у межах якого напруженість поля зменшується в  раз.

7. Коефіцієнт спрямованої дії D показує властивість антени концентрувати випромінювання у визначених напрямках і він визначається як відношення потужності випромінювання ненаправленої (гіпотетичної) антени Р∑0 до потужності випромінювання спрямованої антени Р∑, що створюють на однаковій відстані рівні напруженості поля:

 (7)

Оскільки при застосуванні спрямованої антени потужність випромінювання затрачається на створення поля в більш вузькому секторі кутів, можна говорити про виграш у величині напруженості поля:

8. Коефіцієнт підсилення антени G показує, у скількох разів меншу потужність можна підвести до спрямованої антени в порівнянні з потужністю, яка підводиться до ненаправленої антени без утрат, щоб одержати однакову напруженість поля в крапці прийому. Коефіцієнт підсилення антени застосовується для оцінки виграшу, що дається застосуванням спрямованої антени і визначається вираженням (8):

 (8)

де: РАо - потужність, яка підводиться до ненаправленої антени;

РА - потужність, яка підводиться до спрямованої антени.

При цьому вважається, що ненаправлена антена має ККД рівний 100%, тобто РАо=Р∑0, тому вираження для коефіцієнта підсилення G можна записати у виді:

 (9)

9. Діапазонні властивості антени визначаються інтервалом частот fmin-fmax, у межах якого такі параметри, як спрямовані властивості і вхідний опір антени залишаються постійними.

Смуга частот може визначатися у відсотках щодо середньої частоти діапазону:

 (10)

Антени, що забезпечують роботу в смузі частот менше 10%, називаються вузькосмуговими (вузькодіапазонними, резонансними), а при смузі більше 10% - широкосмуговими. Якщо смуга робочих частот більше 100%, то антени називають діапазонними (широкодіапазонними). Коефіцієнт перекриття широкодіапазонних антен лежить у межах від 2 до 10.

10. Діючою довжиною антени ℓg називається довжина вібратора з рівномірним розподілом струму, рівним току на її затисках, що створює в напрямку максимуму випромінювання ту ж напруженість поля, що і розглянута антена (рис. 3):

Симетричний вібратор – це прямолінійний провід, розділений по середині на два відрізки, називаних плічми ℓ, між якими включається генератор.

Власною довжиною хвилі вібратора λ0 називається найбільша довжина хвилі, при якій реактивний вхідний опір антени дорівнює нулю. Для симетричного вібратора власна довжина хвилі складає λ0=4ℓ.

Вібратор називають напівхвильовим, у якого повна довжина антени дорівнює половині довжини хвилі (довжина плеча антени дорівнює ℓ=0,25λ). Вібратор налагоджений у резонанс і тому реактивна складова ХA вхідного опору антени дорівнює нулю.

Вібратор називається хвильовим, якщо загальна довжина антени дорівнює довжині хвилі (довжина плеча дорівнює половині довжини хвилі), реактивна складова ХА вхідного опору антени дорівнює ±∞.

Режимом подовження називають роботу вібратора при ℓ<0,25λ Антена в цьому режимі має ємнісний реактивний опір.

Режим укорочення має місце при ℓ>0,25λ. При 0,25λ< ℓ<0,5λ вхідний опір вібратора має індуктивний характер. Для настроювання такого вібратора в резонанс необхідно використовувати ємність (скорочуючий конденсатор).

Штирьові антени.

Штирьова антена являє собою твердий несиметричний напівхвильовий вібратор. Поверхнею штиря, що підстилає, можуть бути: земля, металевий кузов рухомого об'єкта, корпус радіостанції і спеціальні дроти - противаги.

А

Б

Рис.4 Діаграми направленості штирьової антени у вертикальній (А) і горизонтальної (Б) площинах.

Діаграма направленості штирьової антени в горизонтальній площині - кругова, у вертикальній площині - пелюсткова (рис.4).

З діаграм випливає, що штирьова антена не випромінює в зеніт, а максимум випромінювання спрямований уздовж поверхні, що підстилає, причому коефіцієнт підсилення антени в цьому напрямку росте з подовженням штиря. Однак при h>0,5λ з'являються додаткові пелюстки з максимумами під великими кутами q, тому коефіцієнт підсилення антени для поверхневих хвиль зменшується, тому що збільшується потужність, випромінювана додатковими пелюстками.

Діаграми направленості антен формуються в результаті додавання хвиль, що приходять у кожну крапку простору по прямій, із хвилями, відбитими від поверхні, що підстилає, тому провідність поверхні, що підстилає, позначається на формі діаграм. На рис.5 показана еволюція форми діаграми направленості у вертикальній площині, зв'язаної з погіршенням провідності ґрунту, над якою розгорнута антена. Коефіцієнт підсилення антени зменшується з погіршенням провідності, а його максимум піднімається на більший кут θ.

Рис. 5. Еволюція діаграми направленості, зв'язана з погіршенням провідності ґрунту.

З діаграм направленості можна зробити висновок, що штирьові антени можуть використовуватися, насамперед, як ненаправлені антени для зв'язку в декаметровому діапазоні земною хвилею і, крім того, як ненаправлені антени для зв'язку іоносферною хвилею, випромінюваної під відносно невеликими кутами до земної поверхні.

Дальність зв'язку в обох випадках істотно залежить від співвідношення h/λ і провідності ґрунту.

Носимі радіостанції метрового діапазону забезпечуються штирьовими антенами висотою від 1 до 2,7 м, а радіостанції рухомих об'єктів висотою до 4 м. У цьому діапазоні штирьові антени дуже ефективні.

На Рис.6 представлені криві залежності абсолютних коефіцієнтів підсилення штирьових антен GА від частоти при роботі земною хвилею, що дозволяють зробити порівняльну оцінку ефективності антен.

Рис. 6 Коефіцієнти підсилення штирьових антен.

Для збільшення дальності зв'язку в діапазоні метрових хвиль штирьову антену часто встановлюють на щоглі висотою 11-18 м. Роль поверхні, що підстилає, у цьому випадку грають тверді противаги (рис.7). Живлення антени здійснюється за допомогою коаксіального кабелю (фідера).

Оскільки антенний пристрій, що погоджує, знаходиться в передавачі, а не в основі штиря, більш-менш задовільне узгодження фідера з антеною виходить в обмеженій ділянці довжин хвиль (у межах ±10-15% від власної довжини хвилі штиря, що дорівнює λ/4). Тому конструкція антени передбачає можливість зміни висоти штиря і довжини противаг (таблиця 1.3). Така антена називається комбінованою штирьовою антеною (КШМ Р-142 Н).

Висота штиря повинна бути якомога ближче до величини λ/4, а противаги небагато коротше. Коефіцієнт хвилі, що біжить, КБХ у цьому випадку досягає 0,8, але при відхиленні довжини хвилі від власної на 10-15%, він може упасти до 0,4. При КБХ <0,5 різко знижується ККД фідера.

Розглянута антена обмежує можливість частотного маневру в ході ведення зв'язку, тому поряд з нею знаходить широке застосування антена, що називається об'ємним вертикальним вібратором (КШМ Р-145 БМ, БМП-1 КШ).

Такі об'ємні антени (рис.8) володіють зниженим вхідним опором, а це поліпшує діапазонність узгодження з фідером. У діапазоні з двократним перекриттям по частоті (наприклад, 30-60 МГц) КБХ у фідері такої антени звичайно міняється в межах 0,5-0,8.

Рис. 7. Комбінована штирьова антена Рис.8 Об'ємний вібратор.

Штирьові антени дуже зручні для установки на рухомих об'єктах, однак їхня висота по причинах зручності руху і габаритів розв'язок транспортних магістралей не може бути більш 4 м.

Зв'язок у русі на закритих трасах земною хвилею можна здійснити тільки в діапазоні декаметрових хвиль. Однак неефективність 4-метрового штиря в цьому діапазоні і великі втрати енергії хвиль у землі приводять до того, що дальність зв'язку навіть при такій потужності передавача, як 1 кВт, обмежується декількома десятками кілометрів.

Симетричні вібратори.

Симетричний похилий вібратори показаний на рис.9.

Характер випромінювання похилого вібратора визначається додаванням хвиль, випромінюваних безпосередньо вібратором, і хвиль, відбитих від землі. Форма діаграми направленості залежить від висоти підвісу антени над землею і довжини пліч щодо довжини хвилі збудливих коливань.

На рис.10 представлені діаграми направленості типового похилого вібратора у вертикальних площинах. З діаграм видно, що в межах деякого діапазону частот (для даного вібратора в межах 1,5-6 МГц) максимум випромінювань приходиться в зеніт. На більш високих частотах діаграми деформуються, а максимум випромінювання зміщається в область менших кутів θ, іншими словами, зменшується кут узвишшя максимуму.

Рис.9 Симетричний похилий вібратор.

Рис. 10 Діаграми направленості у вертикальних площинах антени.

Ця властивість сприятлива тим, що при правильно обраних частотах антену можна використовувати в широкому діапазоні відстаней зв'язку без яких би то ні було провалів чи мертвих зон (від 0 до 1000-1500 км).

Рис. 11 Діаграми направленості в горизонтальній площині.

Діаграми направленості в горизонтальній площині показані на рис.11. З них випливає, що при роботі на відстані до 300 км антену можна вважати ненаправленою і немає необхідності її орієнтувати. При роботі на відстані, що перевищують 300 км, антену варто орієнтувати так, щоб напрямок на кореспондента був перпендикулярним до площини вібратора.

Усі приведені діаграми дозволяють судити про відносний коефіцієнт підсилення антени. Коефіцієнт підсилення антени в зеніт істотно змінюється у діапазоні: швидко росте з ростом частоти, досягає максимуму і потім знову падає. Хід залежностей коефіцієнта підсилення від частоти окремо показаний на рис.12.

Великі межі зміни коефіцієнта підсилення вказують на те, що вібратор є відносно вузькодіапазонною антеною. Щоб перекрити широкий діапазон частот при високому коефіцієнті підсилення антени, необхідно з ростом частоти укорочувати довжину пліч ℓ і зменшувати висоту підвісу h. Практично це досягається включенням у комплект антен радіостанцій щонайменше двох антен з розмірами, що відрізняються, (іноді укорочення пліч досягається включенням перемичок).

Рис. 12 Залежність коефіцієнтів підсилення симетричних вібраторів.

Оскільки вібратор є резонансною антеною, то КБХ у фідері антени в більшій частині робочого діапазону виявляється дуже низьким, тому як фідер використовується повітряна лінія, що вносить менше втрат при низькому КБВ, чим наприклад, симетрична коаксіальна лінія.

Вхідний комплексний опір фідера змінюється в дуже широких межах, що створює значні труднощі при розробці узгоджуючих антенних пристроїв передавачів. Це є однією з причин, що спонукають скорочувати ширину робочого діапазону вібратора.

Похилі однощоглові симетричні вібратори застосовують з метою скорочення часу їхнього розгортання. Діаграми направленості похилих вібраторів трохи відрізняються від діаграм горизонтальних вібраторів, але загальний характер їх зберігається. Наближення пліч вібратора до землі приводить до збільшення енергетичних втрат. У залежності від провідності ґрунту коефіцієнт підсилення похилого вібратора в 2-4 рази менше, ніж горизонтального (рис.12). У випадках, коли представляється можливість підняти кінці пліч (наприклад, на місцеві предмети), цим не слід зневажати. Потрібно тільки пам'ятати, що максимум коефіцієнта підсилення при цьому переміститься трохи вниз по частоті.

Рис. 13. Узгоджуючий трансформатор.

Оскільки антени оборотні з погляду збереження властивостей при роботі на передачу і на прийом, то розглянуті вібратори використовуються і для передачі і для прийому сигналів.

Автономні радіостанції середньої потужності зі спільним розміщенням передавача і приймача для забезпечення дуплексної роботи мають окремі передавальні і приймальні антени. В інтересах ЭМС прийомна антена відноситься якомога далі від передавальної антени (до 50м) і з'єднується з приймачем коаксіальним кабелем. Хвильовий опір кабелю відрізняється від середнього вхідного опору вібратора, крім того, кабель є несиметричним ланцюгом. Для узгодження опорів і переходу від симетричного вібратора до несиметричного кабелю використовується широкосмуговий феритовий трансформатор (рис.13).

Прийомні вібратори розраховують звичайно на більш широкий діапазон частот, чим передавальні.

Дахові антени зенітного випромінювання.

Дальність зв'язку в русі до 300-350 км можна забезпечити тільки з використанням іоносферної хвилі, тому що енергетичні втрати при її проходженні через іоносферу відносно невеликі. Але для цього потрібна антена з ефективним випромінюванням майже в зеніт. Цій вимозі задовольняють дахові антени, виконані у виді двох похилих штирів (рис.14), у виді симетричного вібратора (рис. 15., рис. 17) і у виді рамок (рис. 18). Такі антени називаються антенами зенітного випромінювання (АЗВ) і застосовуються вони в радіостанціях Р-140, Р-161-А2М и КШМ. Про принципову можливість роботи іоносферною хвилею з антеною у виді двох похилих штирів на далекі відстані свідчать приведені на рис.14 діаграми направленості в горизонтальній і вертикальній площинах.

Рис. 14. Здвоєна штирьова антена.

Дахові антени у виді симетричних вібраторів (рис. 15 і 17) і П-подібних рамок (рис. 18) звичайно мають невеликі розміри, обумовлені габаритами кузова.

.

Рис. 15. Симетричний даховий вібратор.

Збільшення розмірів антен здійснюється застосуванням зігнутих вібраторів із широких полотнин чи декількох рамок, що забезпечує також зниження хвильового опору. Збільшення довжини плеча вібратора і зниження хвильового опору дозволяють зменшити реактивний опір і втрати в органах настроювання, а також підвищити електричну міцність. Проте така антена завжди працює в режимі великого подовження. Вхідний опір такої антени має реактивну складову ємнісного характеру великої величини і вимагає для настроювання котушки індуктивності з великим реактивним опором, у результаті чого ККД антени, а отже, і коефіцієнт підсилення виявляються дуже низькими. Активна складова вхідного опору антени має дуже малу величину (одиниці і частки ома), тому підключення антен здійснюється за допомогою спеціальних узгоджуючих пристроїв.

Антена зенітного випромінювання КШМ Р-145БМ (рис.16) складається з двох вібраторів, виконаних зі сталевих труб діаметром 25 мм і товщиною 1,6 мм і може працювати в двох варіантах: симетричному і несиметричному.

У симетричному варіанті (рис.16) випромінювання електромагнітної енергії, в основному, створюється струмами на ділянці ВР і В|С|. На цих ділянках струми спрямовані в одну сторону і, отже, поля в точці прийому складаються. На інших ділянках антени й у проводах зниження струми спрямовані в протилежні сторони, тому сумарне поле в крапці прийому мінімально чи дорівнює нулю. Антена в цьому варіанті працює в режимі зенітного випромінювання. У симетричному варіанті АЗВ має характеристику направленості, що дозволяє сконцентрувати випромінювання в зеніт у межах кутів від 500-600 до 900 до обрію (рис.17а).

У несиметричному варіанті випромінювання електромагнітної енергії, в основному, створюються струмами на проводах зниження антени АВ і А|В|, де струми мають однакові напрямки. Антена в цьому варіанті працює в режимі земного випромінювання (рис.17б).

Антена зенітного випромінювання КШМ Р-142Н (рис.18) являє собою систему з двох рознесених вертикальних синфазних П-подібних рамок, з'єднаних у нижній частині поперечними штангами. До них підключається блок узгодження (БС) і блок регулювання(БР).

Як видно з малюнка, на ділянках АВ і CD струми рівні по величині і протилежні по напрямку, унаслідок чого в місці прийому поля, створювані випромінюючими ділянками AB і CD, виявляються в протифазі і взаємно знищуються. Напруженість поля в місці прийому створюється тільки горизонтальною частиною антени (ділянка ВС).

З метою підвищення ефективності рамкові антени розташовуються на об'єктах, що мають металевий дах, тому що в цьому випадку діюча довжина й опір випромінювання рамки збільшуються в два рази. Крім того. розташування рамки поблизу металевої поверхні дозволяє без погіршення електричних характеристик виключити нижній провід рамки і перейти до несиметричної П-подібної антени, антени, що дозволяє живлення, коаксіальним кабелем.

Страницы: 1, 2, 3