КОРОТКОВОЛНОВАЯ АНТЕННА ДЛЯ ШИРОКОГО ДИАПАЗОНА ВОЛН Советский патент 1937 года по МПК H01Q9/00 

Использование симметричных вибраторов обычной конструкции в широком диапазоне волн встречает следующие затруднения:

1. Исключена возможность настройки фидеров на бегущую волну и приходится питать антенну стоячей волной, при питании же стоячей волной входное сопротивление фидера зависит от его длины и может принимать такие значения, при которых становится затруднительным получение хорошей отдачи передатчика. В случае приемных антенн также могут возникать затруднения в получении хорошей отдачи.

2. При наличии стоячих волн на фидерах предельная допустимая мощность будет невелика из-за перенапряжений и появления факельных истечений.

Предлагаемая антенна исключает перечисленные недостатки и позволяет использовать антенны в диапазоне волн 1:2,5.

Пусть имеется симметричный вибратор длины 2l (фиг. 1). Эквивалентное диполю сопротивление Z_A в точке аа, как известно, равно W_gcthγl. Разлагая cthγl в ряд, получим

где R_εA - сопротивление излучения системы, отнесенное к пучности тока, W_g - волновая характеристика симметричного диполя, l - длина уса диполя.

Из формулы видно, что входное сопротивление диполя зависит от величины волновой характеристики, причем уменьшение волновой характеристики ведет к снижению как ваттной R_A=ƒ(λ), так и реактивной Х_А=ƒ(λ) составляющих сопротивления.

С уменьшением волнового сопротивления зависимость величины полного сопротивления антенны от волны становится менее резкой и диполь приближается по своим характеристикам к апериодическому контуру.

Таким образом, первая часть задачи - уменьшение колебаний полного сопротивления антенны с изменением длины волны - может быть решена путем уменьшения волновой характеристики антенны.

Вторая часть задачи - уменьшение размаха колебаний входного полного сопротивления фидера с изменением длины волны - может быть решена правильным выбором волновой характеристики фидера.

Режим фидера определяется целиком величиной где W_ф - волновая характеристика фидера, а R_A - эквивалентное сопротивление антенны, отнесенное к пучности напряжения (К<1) или к пучности тока на фидере (К>1).

Если фидер замкнут на Z_A=R_A+jX_A, то на другом конце фидера на расстоянии X от нагрузки у передатчика будет сопротивление:

В пучностях тока и напряжения на расстояниях Х₀ от нагрузки, определяемом из уравнения

Z_δδ будет чисто ваттным и величина его определяется:

Перенося начало координат в эту точку, мы можем считать, что фидер теперь замкнут на чисто ваттное сопротивление R_δ, причем

Как видно, величина K зависит от W_ф, R_А, Х_A, т.е. в конечном счете от соотношения W_g и W_ф. Для иллюстрации этой зависимости приведены кривые (фиг. 2).

По оси абсцисс отложены волны от 16 до 40 м (при l=10 м), а по оси ординат величина (K принято всегда > 1).

Первая верхняя кривая для W_g=1000 Ω и W_ф=600 Ω (антенна нормального типа), средняя кривая для W_g=500 Ω и W_ф=600 Ω и нижняя кривая для W_g=300 Ω и W_ф=200 Ω.

Если в первых двух случаях на фидерах будут резко выражены стоячие волны (6<K<11), то в последнем на всем диапазоне волн имеем режим фидера близким к бегущей волне (2<K<3), а это значит, что входное сопротивление системы Z_δδ на зажимах δδ передатчика не будет иметь резких колебаний при переходе от одной волны диапазона к другой, и затруднения связи антенны с передатчиком отпадают.

Заметим попутно, что уменьшение величины K ведет к уменьшению вредных потерь в фидере и к увеличению его к.п.д.

Соответствующим подбором W_ф и W_g можно для узкого диапазона волн получить K=1 (бегущую волну).

Одним из основных требований, предъявляемых к антенне, работающей в широком диапазоне волн, является неизменность направления излучения при изменении длины волны.

Как хорошо известно, этому условию отвечает симметричный диполь, если длина его выбрана такой, чтобы при самой длинной волне в нем укладывалось по волны на каждой половине диполя и на самой короткой волне диапазона 0,64 λ. При всех промежуточных значениях l/λ направление излучения будет перпендикулярно к оси вибратора. Таким образом, диапазон, в котором антенна может быть эффективно использована, определяется следующим соотношением:

4l>λ>1,56l,

где l - длина уса. При волнах более длинных, чем 4l, уменьшается сопротивление излучения диполя, уменьшается к.п.д. диполя и возрастают киловольтамперы. При более же коротких, чем 1,56l, волнах диаграмма излучения будет изменена и в направлении, перпендикулярном к оси диполя, излучения не будет.

Во всем диапазоне волн 4l>λ>1,56l направление главного излучения не изменяется при переходе от одной волны диапазона к другой.

В предыдущем изложении выяснена роль величины волновой характеристики диполя при питании антенны стоячими волнами, теперь остается уточнить методику расчета этой весьма важной величины и найти способы ее уменьшения до нужных пределов.

Расчет лучше производить по формуле Кессениха (см. Труды 1-й Краевой Зап. Сиб. конференции 1934 г., вып. IV, Томск):

где λ - длина волны, r - радиус провода. Для симметричного диполя следует пользоваться формулой

Эта формула дает для проводов разных диаметров при разных волнах следующие значения волновой характеристики диполя:

Как видно из таблицы, получение малых величин волновой характеристики с одиночными проводами нормального сечения затруднительно. Формула Кессениха показывает, что для получения волновой характеристики симметричного диполя в 300 Ω диаметр диполя необходимо взять порядка 0,03 длины волны. Таким образом, для волн 15-40 м симметричный диполь малой волновой характеристики может быть конструктивно оформлен в виде цилиндрической антенны с диаметром цилиндра в 1 м.

Для хорошего согласования входного полного сопротивления антенны с волновой характеристикой фидера последняя должна быть порядка 200 Ω. Волновую характеристику такого порядка можно получить либо с ленточными фидерами (где каждый провод состоит из медной ленты определенной ширины), либо с четырехпроводными фидерами. Последние более просты, дешевы и конструктивны.

Рассмотренная антенна представляет интерес для тех станций, которые по роду своей службы вынуждены работать широким диапазоном волн и не имеют достаточной площади для размещения нескольких антенн на фиксированные волны (судовые станции, полевые и всякого рода передвижные станции), но и для стационарных станций коммерческой связи указанный тип антенны всегда может найти применение (при испытании и настройке передатчиков для связи с несколькими корреспондентами разными волнами при небольших расстояниях и т.п.). Возможно также и построение сложных диапазонных антенн из отдельных элементов - диполей рассмотренного типа.

Коротковолновая симметричная антенна для широкого диапазона волн, выполненная в виде двух цилиндров, отличающаяся тем, что для уменьшения волнового сопротивления антенны ее диаметр сделан, примерно, равным 0,03 длины волны.