В ПОМОЩЬ КОНСТРУКТОРУ УКВ АНТЕНН
Инж. К. Харченко
Показатель эффективности антенны — это ее коэффициент усиления (Кус). Он определяется произведением коэффициента направленного действия (КНД) на кпд (n) антенны
Кус=КНД*n
КНД антенны — величина относительная. Она показывает, во сколько раз нужно уменьшить мощность излучения, если абсолютно ненаправленную антенну (которую называют также изотропным излучателем) заменить данной — направленной так, чтобы сохранилась одна и та же напряженность поля. Например, хорошо известный полуволновый вибратор (диполь), помещенный в свободное пространство, имеет КНД=1,64.
Кпд антенны определяется как отношение мощности, излучаемой антенной, к мощности, подводимой к ней. Из этого следует, что величина кпд антенны обусловлена потерями энергии в ее проводниках, а также окружающих предметах и не зависит от свойств и параметров фидера.
В УКВ диапазоне (на котором ведутся и телевизионные передачи), как правило; применяются высоко поднятые антенны, в которых длины отдельных , проводников соизмеримы с l/2. Кпд таких антенн высок, и практически можно с достаточной точностью считать, что у них Кус=КНД.
Значение КуС(КНД) может быть выражено в отвлеченных числах или децибелах. На рис. 1 дан график, пользуясь которым можно перевести значения Кус (КНД), выраженные в децибелах, в отвлеченные числа и наоборот.
Рис.1
Антенна «волновой канал» относится к числу продольно излучающих антенн. Рост эффективности такой антенны достигается путем распределения имеющейся энергии между линейными вибраторами, расположенными и возбужденными таким образом, что поля отдельных вибраторов в нужном направлении (например, на телецентр) складываются в фазе или с небольшим сдвигом фаз. При этом рост напряженности поля в заданном направлении (рост КНД) достигается за счет сужения диаграммы направленности.
Рис.2
Однако существует предел, после которого увеличивать длину антенны (а следовательно, и число ее элементов) становится нецелесообразно, так как КНД антенны будет расти медленнее по сравнению с ее удлинением. График рис. 2 дает возможность ориентировочно оценить этот предел. На нем показана зависимость ширины диаграммы направленности по половинной мощности такой антенны от отношения длины антенны L к длине волны l. При длине порядка l и больше КНД «волнового канала» численно можно определить как
КНД=K1(L/l)
Значение K1 зависит от сдвига фаз между напряженностями полей, создаваемых вибраторами в главном направлении, а также распределения амплитуд токов между вибраторами и убывает по мере роста длины антенны. Последнее объясняется тем, что с увеличением L возрастают трудности в соблюдении оптимального соотношения между фазами и амплитудами токов в вибраторах. Регулировка амплитуд и фаз производится изменением длины вибраторов и расстоянии между ними. При этом одновременно меняются как амплитуды, так и фазы токов. В результате режим наилучшего распределения амплитуд не соответствует режиму оптимального соотношения фаз токов. На рис. 3 показана ориентировочная зависимость коэффициента К1 от отношения L/l.
Рис.3
Если необходимо иметь значение КНД выше указанного ранее предела для одиночной антенны «волновой канал», то несколько таких антенн объединяют в так называемую решетку, обычно с синфазным питанием. Расстояния между отдельными антеннами в решетке желательно делать оптимальными. Эти расстояния зависят от направленных свойств антенн. При расстояниях меньше оптимальных антенны в решетке будут недоиспользованы и КНД решетки будет меньше возможного. Расстояния больше оптимальных нецелесообразны, так как в этом случае неоправданно увеличиваются размеры антенного устройства в целом и ухудшается характеристика направленности (сужается главный лепесток и растут боковые). Ориентировочную оценку разнесения антенн в решетке можно дать, пользуясь понятием эффективной поверхности Sэфф одиночной антенны с КНД=Дo. Значение Sэфф выражается через ее КНД и длину волны следующим образом
Представляя условно эту поверхность в виде квадрата со стороной:
мы можем располагать многоэлементные антенны в решетке так, как схематично показано на рис.4. При этом эффективная поверхность SЭфф антенной решетки примерно учетверяется, а ее КНД=4Дo. Рис. 4 позволяет уяснить, насколько эффективная поверхность антенной решетки, составленной из вибраторных антенн, может быть больше ее геометрической поверхности. Так, например, для пятиэлементной антенны «волновой канал» (Дo=10 дб) размер а=0,9l.
Рис.4
Очевидно, что значение КНД антенной решетки зависит как от значения Дo (КНД каждой одиночной антенны, входящей в решетку), так и от числа антенн в решетке. С увеличением этого числа возрастают технические трудности в синфазном питании антенн решетки и в ее согласовании с фидером. Когда нужно получить высокие значения КНД, избежав эти трудности, в частности используют простой первичный облучатель в комбинации с рефлектором. КНД такой системы зависит от формы и размеров выбранного рефлектора. Если этот рефлектор параболического типа (параболоид вращения, вырезка из параболоида вращения, параболический цилиндр и т. п.), то стремятся поместить фазовый центр (линию) облучателя в фокус (фокальную линию) рефлектора и сосредоточить первичное излучение на его поверхности (рис. 5).
Рис.5
При этом желательно облучить рефлектор так, чтобы в его раскрыве амплитуды поля были одинаковыми. Однако выполнить это условие не удается в силу конечных размеров рефлектора и несовершенства диаграмм направленности облучателей. С приближением к равномерному распределению амплитуд поля в раскрыве рефлектора растет доля теряемой энергии, не попадающей на рефлектор (рис. 5). Считается оптимальным, когда амплитуда :поля на краю рефлектора составляет примерно 0,3 от максимального значения. Следует иметь также в виду, что облучатель, который сам является относительно направленной антенной, находясь перед излучающим раскрывом, затеняет его. Это затенение тем существеннее, чем меньшие относительные размеры имеет раскрыв рефлектора по сравнению с облучателем.
В результате воздействия всех перечисленных выше факторов эффективная поверхность Sэфф. большинства антенн с параболическим рефлектором примерно в два раза меньше, чем геометрическая поверхность раскрыва рефлектора. Или, как принято говорить, коэффициент у использования поверхности антенн с параболическим рефлектором лежит в пределах 0,5-0,6. Значение КНД таких антенн можно определить как
Для сопоставления на рис. 6 показаны поверхность раскрыва параболического цилиндра, облучаемого полуволновым вибратором, и пятиэлементная антенна «волновой канал». Обе антенны имеют одинаковые значения КНД=10.
Рис.6
Нетрудно прийти к выводу, что применение антенн с параболическим рефлектором в любительских условиях затруднительно даже для приема по самому высокочастотному из существующих 12 телевизионных каналов.
Приведенные формулировки, графики и соотношения в некоторой степени помогут читателям выбрать тип антенны для практического использования, направления для творческого поиска новых вариантов, антенн, а также при описании их.
Радио №2 1965 г.