Меню

Расчет тока в антенне

Расчет тока в антенне

4.3. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ. ФИЗИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Определение уровней электромагнитного поля, создаваемого излучающими
техническими средствами телевидения, ЧМ радиовещания и базовых станций
сухопутной подвижной радиосвязи

Дата введения: с момента утверждения

1. РАЗРАБОТАНЫ сотрудниками Самарского отраслевого научно-исследовательского института радио Министерства Российской Федерации по связи и информатизации (А.Л.Бузовым, С.Н.Елисеевым, Л.С.Казанским, Ю.И.Кольчугиным, В.А.Романовым, М.Ю.Сподобаевым, Д.В.Филипповым, В.В.Юдиным).

2. Представлены Минсвязи России (письмо N ДРТС-2/988 от 2.12.02). Одобрены комиссией по государственному санитарно-эпидемиологическому нормированию при Минздраве России.

3. УТВЕРЖДЕНЫ И ВВЕДЕНЫ В ДЕЙСТВИЕ Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации от 29.06.03.

4. ВВЕДЕНЫ взамен МУК 4.3.045-96 и МУК 4.3.046-96 (в части базовых станций).

Назначение и область применения

Методические указания предназначены для применения специалистами центров государственного санитарно-эпидемиологического надзора, инженерно-техническими работниками, проектными организациями, операторами связи в целях обеспечения санитарно-эпидемиологического надзора за источниками излучения.

Методические указания устанавливают методики определения (расчета и измерений) уровней электромагнитного поля (ЭМП), излучаемого техническими средствами телевидения, ЧМ радиовещания и базовых станций сухопутной подвижной радиосвязи в диапазоне 27-2400 МГц в местах их размещения.

Документ введен взамен МУК 4.3.04-96* и МУК 4.3.046-96 (в части базовых станций). Отличается от прежних документов тем, что содержит методику расчета уровней ЭМП для произвольных расстояний от антенн, включая ближнюю зону, с учетом подстилающей поверхности и влияния различных металлоконструкций.

* Вероятно ошибка оригинала. Следует читать МУК 4.3.045-96. — Примечание «КОДЕКС».

Методические указания не распространяются на средства связи, содержащие апертурные антенны.

1. Общие положения

Определение уровней ЭМП проводится с целью прогнозирования и определения состояния электромагнитной обстановки в местах размещения излучающих объектов телевидения, ЧМ вещания и базовых станций сухопутной подвижной радиосвязи.

Расчетное прогнозирование проводится:

— при проектировании передающего радиотехнического объекта (ПРТО);

— при изменении условий размещения, характеристик или режимов работы технических средств действующего ПРТО (изменение расположения антенн, высот их установки, направлений излучения, мощности излучения, схемы антенно-фидерного тракта, застройки прилегающих территорий и т.п.);

— в случае отсутствия материалов расчетного прогнозирования электромагнитной обстановки ПРТО;

— при сдаче ПРТО в эксплуатацию (при внесении изменений в проект относительно его первоначального варианта, для которого осуществлялось расчетное прогнозирование).

— при сдаче ПРТО в эксплуатацию;

— в порядке плановых контрольных измерений не реже одного раза в три года (в зависимости от результатов динамического наблюдения периодичность проведения измерений уровней ЭМП может быть сокращена по решению соответствующего центра госсанэпиднадзора, но не чаще, чем один раз в год);

— при изменении условий размещения, характеристик или режимов работы технических средств действующего ПРТО;

— после проведения защитных мероприятий, направленных на снижение уровней ЭМП.

В методике расчетного прогнозирования определены следующие способы расчета уровней ЭМП:

— непосредственно по току в проводниках антенны (предварительно рассчитанному);

— по диаграмме направленности (ДН) антенны, которая определяется по распределению тока в проводниках антенны;

— по паспортным ДН антенны.

Для тех случаев, когда антенна представляет собой антенную решетку, в качестве элементов которой используются излучатели неизвестной конструкции с известными ДН, предусмотрена возможность расчета ДН такой решетки.

Расчет уровней ЭМП непосредственно по току выполняется для относительно малых расстояний от антенны (в ближней и промежуточной зонах), расчет по ДН — для относительно больших расстояний (в дальней зоне). Паспортные ДН используются при отсутствии сведений о конструкции антенны.

Распределение тока по проводникам антенны находится решением электродинамической задачи методом интегрального уравнения. При этом антенна представляется в виде системы определенным образом расположенных и ориентированных в пространстве проводников.

В методике расчета уровней ЭМП предусмотрены:

— возможность учета подстилающей поверхности на основе двухлучевой модели распространения радиоволн в предположении, что подстилающая поверхность не влияет на распределение тока в проводниках антенны;

— возможность учета влияния металлоконструкций на основе определения тока, наведенного на них полем антенны.

Исходными данными для расчета уровней ЭМП служат геометрические параметры антенны в виде набора координат концов проводников, геометрические и электрофизические параметры подстилающей поверхности, технические характеристики радиопередающих средств.

В прилож.3 приведена информация о рекомендуемом программном обеспечении, включающем в себя расчет уровней ЭМП по изложенным в методических указаниях методикам для указанных технических средств.

Методика измерений основана на принципах, заложенных в расчетный прогноз, и ориентирована на использование существующих измерительных приборов, обеспечивающих достаточную точность контроля уровней ЭМП.

2. Основные положения методики расчетного
прогнозирования уровней электромагнитного поля

2.1. Сущность метода

Расчет уровней ЭМП непосредственно по току антенны выполняется в два этапа: сначала рассчитывается распределение тока в проводниках антенны, затем — уровни ЭМП. Расчет распределения тока выполняется на основе решения соответствующей электродинамической задачи методом интегрального уравнения в тонкопроволочном приближении. При этом реальная конструкция антенны представляется в виде системы электрически тонких цилиндрических проводников. Решение интегрального уравнения выполняется методом коллокации при кусочно-синусоидальном базисе. Расчет уровней ЭМП выполняется непосредственно по найденному распределению тока с учетом наличия апертурных искажений и реактивных полей.

Расчет уровней ЭМП по рассчитанной ДН выполняется в три этапа: сначала рассчитывается распределение тока в проводниках антенны, затем — ДН и коэффициент направленного действия (КНД), на завершающем этапе по найденным ДН и КНД рассчитываются уровни ЭМП. Распределение тока в проводниках определяется так же, как и при расчете уровней ЭМП непосредственно по току антенны.

Расчет уровней ЭМП по паспортным ДН выполняется в один этап. При этом считается, что излучение (с заданной направленностью, определяемой паспортными ДН) происходит из точки, принимаемой за фазовый центр антенны.

При дальнейшем изложении, если нет специальных оговорок, единицы измерения всех величин даны в системе СИ.

2.2. Расчет распределения тока в проводниках антенны

Расчет распределения тока в проводниках антенны выполняется в следующей последовательности:

— построение электродинамической модели антенны;

— расчет элементов матрицы системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) — алгебраического аналога исходного интегрального уравнения;

— решение СЛАУ и определение коэффициентов разложения искомой функции распределения тока (токовая функция) по заданному базису.

Построение электродинамической модели

Реальная конструкция представляется в виде системы электрически тонких прямолинейных цилиндрических проводников. Радиус проводников при этом не должен превышать (здесь и далее — длина волны). Проводники большего радиуса представляются в виде проволочных цилиндров. Сплошные металлические поверхности представляются в виде проволочных сеток. Проводники, оси которых являются гладкими кривыми, представляются в виде ломаных.

Вводится пространственный контур , образованный совокупностью осей проводников. Определяется положительное направление обхода контура (оно же положительное направление для тока), и вводится криволинейная координата , отсчитываемая вдоль него.

Для определения кусочно-синусоидальных базисных функций каждый прямолинейный проводник разбивается на электрически короткие частично пересекающиеся отрезки — сегменты. Каждый -сегмент определяется тремя точками: начальной , средней , и конечной (в соответствии с выбранным положительным направлением). При этом начальная точка -го сегмента (если он не первый на данном проводнике) совпадает со средней точкой -го, конечная (если он не последний на данном проводнике) — со средней точкой -го: , . Если -й сегмент является первым (последним) на данном проводнике, то его начальная (конечная) точка совпадает с началом (концом) проводника.

Точкам, определяющим некоторый -й сегмент, сопоставляются 3 радиус-вектора , , (начальная, средняя и конечная точка, соответственно), а также радиус-вектор точки коллокации — точки на поверхности проводника, ближайшей к точке .

Прямолинейные проводники разбиваются на сегменты равномерно. При этом длину сегмента следует выбирать из условия:

При увеличении длины сегмента относительно указанных пределов возрастает погрешность аппроксимации, при уменьшении — ухудшается обусловленность СЛАУ, в результате чего вычислительный алгоритм может оказаться неустойчивым.

Для описания разветвлений проводников вводятся дополнительные сегменты. При этом средняя точка дополнительного сегмента совпадает с крайними точками соединяющихся проводников, а начальная и конечная — со средними точками крайних (ближайших) сегментов на данных проводниках. При этом во избежание появления линейно зависимых уравнений СЛАУ необходимо соблюдение следующих правил:

— число компланарных проводников, соединяющихся в одной точке, должно быть не более 3 (вводятся 2 дополнительных сегмента);

— число некомпланарных проводников, соединяющихся в одной точке, должно быть не более 4 (вводятся 3 дополнительных сегмента).

При необходимости описания электрического соединения большего числа проводников, следует точки электрических контактов разнести в пространстве на электрически малое расстояние, что несущественно для электрических характеристик антенны.

При моделировании сплошной поверхности проволочной сеткой дополнительные сегменты в узлах сетки не вводятся.

Зазоры активных вибраторов (к которым подводятся питающие напряжения) также описываются сегментами. При этом средняя точка сегмента совпадает со средней точкой зазора, а начальная и конечная — со средними точками крайних (ближайших) сегментов на примыкающих к зазору проводниках (плечах вибратора).

Расчет матрицы СЛАУ

Матрица СЛАУ (расширенная) содержит квадратную матрицу ( — общее число сегментов в модели) с элементами ( ) и — мерный столбец свободных членов ( ). Здесь — номер строки матрицы (номер уравнения СЛАУ, номер точки коллокации), — номер столбца матрицы (номер сегмента).

Элемент квадратной матрицы численно равен взятой с обратным знаком тангенциальной составляющей электрического поля, создаваемого -м сегментом с единичным током в средней точке -го сегмента. Величина определяется как сумма двух составляющих:

— составляющая, соответствующая излучению отрезка [ , ];

Источник

Простая антенна для приема цифрового TV

Простая антенна для приема цифрового TVКачественный прием цифрового ТВ зависит от достаточного уровня сигнала, поступающего в телевизор или приставку. Для тех, кто живет недалеко от телевизионной мачты, тому о вопросе хорошей антенны задумываться не надо. А вот кто находится удаленно, тому можно порекомендовать простую, но с хорошим коэффициентом усиления антенну Харченко. Очень простая антенна, из доступных материалов и делать её быстро.

Ещё в 1961 году в журнале «Радио» была опубликована статья инженера К.Харченко «Зигзагообразная антенна». Эта антенна помогла улучшить качество изображения людям,
проживающим за зоной уверенного приема ТВ. Эта антенна получила такие названия, как: «антенна Харченко», «биквадрат», «ромбовидная», «восьмерка»…

Читайте также:  Что такое ассиметричный ток

Антенна представляет собой два ромба, угол между гранями составляет около 90°. Такая форма и размеры антенны фильтрует сигнал за счет согласования размеров конструкции с длиной волны, принимаемого сигнала.

Простая антенна для приема цифрового TV

Размеры антенны зависят от частоты принимаемого сигнала. Точно рассчитав параметры, Вы добьетесь максимального усиления антенны для данного канала.

По нашей стране много передающих станций цифрового телевидения. Их наличие и расположение можно найти в Интернете.

При этом передаются не все каналы сразу, а пакетами (мультиплексами), объединяющими в себе около 10-ти каналов. Сейчас всего существует 2 мультиплекса. Их состав можно посмотреть также в Интернет. Мультиплексы вещаются на разных частотах разными станциями, поэтому в одном месте вы иногда не сможете поймать сразу оба.

Первым делом смотрим в Интернет — какая к Вам ближайшая передающая станция и на каких частотах (каналах) она вещает. После этого делаем расчет и изготавливаем антенну под эти параметры.

Вычисление р азмеров антенны

Москва

Пример вычисления р азмеров антенны Харченко для диапазона принимаемых частот в Москве.

Вещание 1 мультиплекса идет частоте 546 МГц (ТВК 30), 2-ого — на 498 МГц (ТВК
24 ).

Чтобы принимать оба пакета, нужно взять среднее значение:
(546 + 498)/2 = 522 МГц . (Средняя частота принимаемого сигнала)

Вычисляем длину волны по формуле:
λ = с/F , где:
λ — длина волны;
с — скорость света (3×10 м/с);
F — частота

Подставляем значения:
λ = 300/522 ≈ 0,5747 м = 57,47 см.(длинна волны)

Можно использовать полученную величину, но антенна получится слишком большой. Мы берём половину длины волны:

λ /2 = 0,5747/2 ≈ 0,287 м = 28,7 см.

Теперь делаем расчет размеров рамки. На примере значения 575 мм
получаем следующее:

длина стороны ромба: 575/4 = 143,75 мм;

общая длина проволоки – 143,75 х 8 сторон = 1150 мм.

Волгоград

Пример вычисления р азмеров антенны Харченко для диапазона принимаемых частот в Волгограде . Вещание в г. Волгограде осуществляется на 37 ТВК (полоса частот – 598,0-606,0 МГц, средняя частота – 602,0 МГц)

Среднее значение:
(598 + 606)/2 = 602 МГц . (Средняя частота принимаемого сигнала)

Вычисляем длину волны по формуле:
λ = с/F , где:
λ — длина волны;
с — скорость света (300 м/с);
F — частота

Подставляем значения:
λ = 300/602 ≈ 0,498 м ≈ 49,8 см.(длинна волны)

Можно использовать полученную величину, но антенна получится слишком большой. Мы берём половину длины волны:

λ /2 = 0,498/2 ≈ 0,249 м ≈ 25 см.

Теперь делаем расчет размеров рамки. На примере значения 498 мм
получаем следующее:

L — длина внешней стороны ромба: 498/4 ≈ 125 мм;

общая длина проволоки – 125 х 8 сторон = 1000 мм.(нужно 1 метр проволоки или трубки).

Простая антенна для приема цифрового TV

Калькулятор антенны Харченко

Можно поступить проще, если рассчитать все параметры с помощью онлайн-калькулятора.
В Интернете таких онлайн калькуляторов полно. Алгоритм его работы аналогичен представленному выше, все расчеты делаются автоматически.

Необходимые материалы и инструменты

  • проволока или трубка (желательно медная для удобства пайки), диаметром 1,5–5 миллиметров, длиной около 1 метра;
  • телевизионный кабель (провод коаксиальный) с штекером для телевизора, примерно 3–5 метров (кому сколько надо до ТВ);
  • напильник или наждачная бумага для зачистки провода;
  • рулетка или линейка;
  • маркер либо фломастер;
  • паяльник с припоем и канифолью;
  • клей, герметик;
  • изоляционная лента.

Изготовление антенны

Шаг 1. Согнуть под углом 90° согласно рисунка и размеров, выше.

Шаг 2. Припаять телевизионный провод и закрепить его.

Шаг 3. Загерметизировать места пайки герметиком или клеем.

Всё! Антенна готова!

Простая антенна для приема цифрового TV

Для большего коэффициента усиления, а также для отражения сигнала с обратной стороны можно изготовить рефлектор.

Изготовление рефлектора

Рефлектор представляет собой экран, расположенный за основной рамкой антенны. Для
изготовления подойдет металлическая пластина или стеклотекстолит, используемый для
печатных плат. Можно взять решетку, состоящую из металлических прутьев. Или можно
сделать экран самостоятельно из плотной фольги, наклеенной на твердую основу нужного
размера, можно использовать сетку и т.п.

Простая антенна для приема цифрового TV

Окончание

Антенна Харченко используется как для приёма сигнала ТВ, так и для усиления 3G сигнала, WI FI и т.д. Когда скорость работы мобильного интернета неудовлетворительна, антенна Харченко тоже может помочь, только нужно подставить правильные размеры. Сначала, как и в случае с цифровым телевидением, необходимо выяснить частоту передачи 3G- или 4G-сигнала (LTE). У каждого оператора сотовой связи она своя. Находится она в диапазоне 1.9–2.1 ГГц. Расчетное значение длины волны составляет, примерно от 14 до 16 сантиметров.

Поляризация антенны, при расположении ее как на схеме, — вертикальная. При горизонтальной поляризации разверните целиком все полотно на 90°.

Источник

Ликбез: основы теории по антеннам 7

Предисловие

В цикле статей «Ликбез по антеннам» планируется рассмотрение различного типа антенн, которые широко используются в беспроводной передачи данных. При описании антенн планируется разработка их электродинамической модели в распространенных программных пакетах, а также анализ их достоинств, недостатков и перспектив использования на беспроводных сетях будущего. В процессе прочтения данных статей читатели могут высказывать свои пожелания по дальнейшему рассмотрению тех или иных типов антенн. Все теоретические сведения будут приведены максимально наглядно без излишнего математического описания (насколько это возможно для теории антенн).

В цикле статей будет описан принцип работы, применение, реализация, а также составлены модели следующих типов антенн:

  1. Вибраторные антенны;
  2. Полосковые (patch) антенны;
  3. Антенные решетки;
  4. Антенны с бегущей волной (end-fire);
  5. Рупорные антенны;
  6. Зеркальные параболические антенны;
  7. Линзовые антенны;
  8. Вопросы согласования антенн с линиями питания.

Введение

Вся беспроводная передача данных основана на процессе распространения электромагнитного поля от источника в окружающее пространство. Антенна играет роль этого источника поля. Сам процесс излучения начинается с того, что под действием высокочастотных электромагнитных полей в излучающей системе (антенне) появляются сторонние токи и заряды. Токи и заряды в свою очередь подводятся от генератора по фидерному тракту (или фидера от слова «to feed» — питать).

Таким образом, в систему излучения электромагнитного поля входят: генератор колебаний, фидер и излучатель. Конечно, сам фидер и генератор непосредственно в излучении не участвуют (или точнее – не должны участвовать, если они правильно сконструированы), рисунок 1.

Элементы системы излучения электромагнитного поля

Рисунок 1 – Элементы системы излучения электромагнитного поля

Любая антенна обладает так называемым принципом «двойственности», который говорит о том, что любая антенна может быть как передающей (то есть преобразовывать волны линии передачи в расходящиеся волны окружающего пространства), так и приемной (осуществлять обратное преобразование).

Вне зависимости от реализации и вида антенны, она характеризуется следующими основными параметрами:

Диаграмма направленности (ДН). Это распределение напряженности (или энергии) поля в пространстве, показывает в каких направлениях и с какой мощностью излучает антенная система. Строится эта зависимость, как правило, в сферической системе координат. В зависимости от вида диаграммы (от того, насколько диаграмма «острая») различают изотропные антенны, слабонаправленные, высоконаправленные. От вида диаграммы направленности зависят такие важные характеристики антенны как коэффициент направленного действия (КНД) и коэффициент усилении (КУ). Ниже мы рассмотрим вид диаграммы направленности, а также КНД и КУ одной из самой простых антенн в разных плоскостях.

Коэффициент полезного действия антенны. Он должен быть достаточно высоким, а потери – малыми, именно по этой причине при реализации антенн используют металлические конструкции, обладающие высокой проводимостью и диэлектрики с малыми потерями.

Согласование линии передачи с нагрузкой. Так как и передающая и приемная антенны соединяются с линией питания, то ее входное сопротивление должно быть согласовано с волновым сопротивлением линии. Иначе будет возникать нежелательное возникновение отраженных волн, а наличие последних – это всегда уменьшение излучаемой мощности и источник дополнительных помех.

Вес и габариты. Ясно, что при реализации любого устройства нужно стремиться к получению его наименьших массогабаритных размеров, однако, отметим, что размеры антенны однозначно связаны с основной длиной волны, на которой работает антенна. Вообще в антенной технике не существует понятия «большая» и «маленькая» антенна. Размеры антенны принято характеризовать в длинах волн. Если а – это диаметр зеркала (например, зеркальной антенны), то ее размер можно записать так: это значит, что в диаметр зеркала укладывается 8 длин волн. Если такое зеркало работает в диапазоне 2.4 ГГц (длина волны 12,5 см), то его диаметр будет составлять 1 метр, а если это диапазон 900 МГц (длина волны 33 см) – то диаметр уже больше 2.5 метров.

Принцип работы передающей антенны

Рассмотрим принцип действия простейшего излучающего устройства. Если взять простую двухпроводную симметричную линию, то излучать в пространство она не будет, несмотря на то, что в ней текут токи высокой частоты, рисунок 2.

Двухпроводная линия

Рисунок 2 – Двухпроводная линия

Излучение будет отсутствовать за счет того, что токи I и I’ находятся в противофазе, что приводит их к взаимной компенсации. Для получения излучения можно развести концы двухпроводной линии, чтобы поля от токов I, I’ не могла компенсировать друг друга, рисунок 3.

Разомкнутая двухпроводная линия

Рисунок 3 – Разомкнутая двухпроводная линия

Такая антенна получила название симметричного вибратора. Распределение тока в вибраторе остается таким же, каким оно было на соответствующем участке двухпроводной линии. Для исследования поля, излученного антеннами из проводов, удобно представлять такую антенну в виде совокупности элементарных электрических вибраторов (ЭЭВ) малой длины (малой по сравнению с длиной волны). В пределах каждого такого элементарного вибратора амплитуду и фазу тока можно считать неизменными. В конечном итоге общее поле, излученное антенной, можно рассчитать как сумму полей, излученных отдельными элементарными вибраторами (в теории это называется принцип суперпозиции).

Читайте также:  Дипломная работа по теме генератор переменного тока

На практике ЭЭВ реализуется в виде диполя Герца. Это антенна является первым реализованным излучателем электромагнитных колебаний, рисунок 4.

Диполь герца

Рисунок 4 – Диполь герца

Такой излучатель можно сделать, если на концах тонких проводов (длиной L, меньшей длины волны) установить проводящие тела с большой емкостью (например, металлические шары). Заряженные шары создают токи, которые значительно выше емкостных токов между проводами. Так обеспечивается равномерное распределение тока вдоль проводника. Отметим, что на практике диполь Герца практически не используется.

Характеристики антенны на примере симметричного вибратора

Ниже будет рассмотрена антенна (одна из самых простых в реализации) — симметричный вибратор. Назван он так потому, что напряженность поля (питающая проводник) подводится к его центру, а распределение тока по проводнику можно также считать симметричным. Сегодня существует большое количество программных пакетов, позволяющих производить электродинамических анализ различных устройств СВЧ и приборов оптического диапазона, среди них: FEKO, Microwave Studio, Ansys HFSS и др. Внешний вид и модель симметричного вибратора в программном пакете Ansys HFSS показана на рисунке 5.

Симметричный вибратор

Рисунок 5 – Симметричный вибратор

Cама антенна представляет собой развернутую двухпроводную линию, рассмотренную выше, в которой устанавливается режим стоячих волн.

В зависимости от того, какое отношение имеет длина вибратора L к длине волны λ, может формироваться различная геометрия диаграммы направленности. Для отношения 4L/λ=1 симметричный вибратор формирует диаграмму, показанную на рисунке 6:

Трехмерная ДН симметричного вибратора длиной 4L/λ=2

Рисунок 6 – Трехмерная ДН симметричного вибратора длиной 4L/λ=2

Та же самая диаграмма, только нормированная и в вертикальной плоскости полярной системы координат:

Очевидно, что в горизонтальной плоскости диаграмма направленности будет иметь форму шара. Для наглядности вы можете себе представить, что посмотрите на трехмерный вид рисунка 6 сверху (на плоскость Phi).

Если отношение длины вибратора и длины волны 4L/λ=2, что соответствует увеличению частоты колебаний в 2 раза, то диаграмма направленности становится более «плоской» в вертикальной плоскости и как следствие имеет более высокий коэффициент усиления (примерно в 1.5 раза):

Трехмерная ДН симметричного вибратора длиной 4L/λ=1

Рисунок 6 – Трехмерная ДН симметричного вибратора длиной 4L/λ=1

Дальнейшее увеличение частоты колебаний приводит к расщеплению диаграммы направленности:

Расщепление диаграммы симметричного вибратора при увеличении частоты колебаний в 3 (слева) и 5 (справа) раз

Рисунок 7 – Расщепление диаграммы симметричного вибратора при увеличении частоты колебаний в 3 (слева) и 5 (справа) раз

Симметричный вибратор, несмотря на простоту, очень часто присутствует в качестве частей конструкции более сложных антенн. В заключении отметим, что все конструктивные реализации антенн создаются для того, чтобы создать направленность излучения в определенном направлении (или направлениях). Можно выделить два крупных класса способов реализации направленного излучения: это геометрическое воздействие на источник излучения (например, источник помещается в фокус параболоида или перед проводящим экраном) и воздействие токами, когда группа токов, сдвинутых по фазе, образуют суммарную направленную диаграмму (примером могут служить фазированные антенные решетки).

В дальнейшем будут рассмотрены различные модели антенн, перечисленных в аннотации.

Источник



Расчет тока в антенне

В. Б. Востряков (2 АС)

Антенны типа Герца

Главное отличие антенны Герца от антенны Маркони состоит в том, что она симметрична, работает без земли или отдельного противовеса (противовес заменен второй симметричной частью антенны), и длина как антенны, так и противовеса строго определенны. По форме антенны Герца бывают горизонтальными (большей частью), наклонными, вертикальными или изогнутыми. В последнем случае между антенной Герца и антенной Маркони с отдельным однолучевым противовесом нет большой разницы, но в случае Герца длина как верхней части (самой антенны), так и нижней (противовеса) должны быть заранее рассчитаны.

В то время как в антенне Маркони все провода являются излучающими, — излучает и горизонтальная часть и провод, несущий ей энергию (снижение) и ввод с проводкой по дому, — в антенне Герца излучает лишь сама антенна — горизонтальная или вертикальная часть ее, расположенная далеко от всех поглощающих энергию предметов, а провода, несущие эту энергию (фидеры), делаются так, что они практически почти не излучают энергии, так что близость их к стенам и крышам не создает заметной потери излучения и не влияет на длину излучаемой антенной волны.

Рис. 2.

Распределение тока и напряжение на горизонтальной антенне Герца, возбуждаемой на основной волне, 2-й и 3-й гармониках показано на рис. 2 а, б и в. Как видно из рисунка, во всех этих случаях пучность напряжения получается на концах провода, а пучность тока для основной волны и третьей гармоники — по середине провода, а для второй гармоники — на ¼ длины от начала провода. Есть два способа возбуждения антенны Герца — током и напряжением. Это значит, что подводящие к антенне энергию провода, сами имеющие на концах пучности тока или напряжения, подводятся к соответствующим местам излучающей части (при питании током к пучности тока и при питании напряжением к пучности напряжения), т. е. в случае питания током, при основной волне и при 3-й гармонике — к середине излучающей части, при 2-й гармонике к точке, отстоящей на ¼ длины от начала; в случае же питания напряжением — к концу горизонтальной (или вертикальной) части.

Питание антенны Герца током может быть достигнуто, если в середину антенны, возбуждаемой на основной волне или третьей гармонике (а в случае 2-й гармоники — на ¼ длины провода) включить катушку, связанную с передатчиком. Антенна делится таким образом на две части: одна из них играет роль непосредственно антенны, другая — как бы противовеса для другой части. Но практически всегда бывает неудобно включать катушку связи прямо в антенну. Во-первых, в этом случае придется подводить антенный провод близко к стенам, крышам и т. д., что создает большие потери, во-вторых, почти всегда антенна располагается так, что горизонтальная или вертикальная часть ее находится на значительном расстоянии от передатчика. Поэтому часто применяют специальную проводку, соединенную с одной стороны с тем местом в горизонтальной части, где находится пучность тока, с другой — с катушкой связи антенны. Такая подводка называется фидером. Фидера обычно состоят из двух проводов совершенно одинаковой длины и расположенных по всей длине на строго одинаковом расстоянии друг от друга (это на практике достигается связыванием обеих ветвей через каждые 1½—2 метра эбонитовыми или другими изоляторами, имеющими вид палочек равной длины). Другими словами, они состоят из двух совершенно одинаковых проводов. Если такие два провода присоединить к концам катушки связи передатчика, то направления токов в них будут противоположны и поэтому излучать энергию они не будут, так как их излучение, благодаря полной симметрии и близости обоих проводов взаимно уничтожится. (На практике обе ветви фидера должны отстоять друг от друга на расстоянии в 25—30 см не больше.) Они будут лишь доставлять энергию горизонтальной части, которая и будет излучать ее. Присоединение верхних концов фидера к антенне Герца, питаемой током, показано на рис. 3. Как видно из рисунка, антенна делится пополам изоляторами (при основной волне и 3-й гармонике), и концы фидера присоединяются к двум внутренним концам горизонтальной части.

Рис. 3.

При питании напряжением фидеры подводятся к одному из концов горизонтальной части. Один из проводов соединяется с горизонтальной частью, другой — подвешивается на изоляторах (рис. 4).

Длина фидеров рассчитывается таким образом, чтобы при питании антенны током на концах фидера получалась пучность тока, а при питании напряжением — пучность напряжения. Распределение тока и напряжения на горизонтальной части и фидерах антенны Герца, питаемой током, показано на рис. 5.

Рис. 4.

В заграничной практике антенны Герца питаемые током, принято называть «Леви», питаемые напряжением — «Цеппелин».

Расчет антенны Герца

Длина волны антенны Герца определяется лишь длиной излучающей горизонтальной или вертикальной части. При возбуждении антенны Герца (питаемой как током, так и напряжением) на основной волне длина провода излучающей части должна быть равна ½ длины волны («полуволновой Герц»); при возбуждении на 2-й гармонике длина провода должна быть равна длине волны («полноволновой Герц»), и при возбуждении на 3-й гармонике, длина провода равняется ³/₂ длины волны («полутораволновой Герц»). Антенны Герца обычно возбуждаются лишь на указанных гармониках, реже на более высоких, например 4-й, так как возбуждение на высоких гармониках, по последним исследованиям, признано нерациональным. Так, если длина горизонтальной части равна 40 м, то при возбуждении антенны на основной волне рабочая волна получится около 80 м, на 2-й гармонике — 40 м, на третьей — 27 м, на 4-й — 20 м и т. д. Но указанные цифры требуют маленькой поправки. Дело в том, что основная длина волны антенны получится вдвое больше длины горизонтальной части только при идеальных условиях.

На практике благодаря сравнительной близости земли к горизонтальной части основная волна получается не в 2 раза, а в 2,1 раза больше длины антенны. Так, при длине горизонтальной части в 40 м, почти всегда основная волна получится не 80, а 84 м, 2-я гармоника будет 42 м, а не 40 м и т.д.

При расчете антенны Герца эту поправку (2,1 вместо 2) надо всегда иметь в виду.

Расчет фидеров сводится к тому, чтобы на концах фидера, соединенных с антенной, при питании напряжением получилась бы пучность напряжения, а при питании током — пучность тока. Если этого не соблюсти, то отдача антенны будет малой, фидеры могут излучать и тогда все действие антенны нарушается.

Для соблюдения же этого условия, в случае питания антенны напряжением (независимо от того — на основной волне или на гармонике возбуждается антенна), фидер надо делать такой длины, чтобы удвоенная длина всей системы фидера (обеих ветвей вместе) равнялась бы длине рабочей волны или была бы в нечетное число раз больше ее. То есть при возбуждении антенны напряжением длина провода каждой ветви фидера должна быть равной ¹/₄, ³/₄, ⁵/₄ и т. д. рабочей волны. Например при волне в 40 м длина провода каждой ветви фидера должна быть или 10 м или 30 м, или 50 м и т.д. При волне 20 м — или 5 м, или 15 м, или 25 м и т. д.

Читайте также:  Бесперебойное питание потребителей переменного тока

Рис. 5.

В случае же питания антенны током, для того, чтобы на концах фидера, соединенных с антенной, получилась бы пучность тока, фидер надо делать такой длины, чтобы удвоенная длина всей системы фидера была бы вдвое или вообще в четное число раз больше (в 4 раза, в 6 раз и т. д.) рабочей волны. Для этого длина провода каждой ветви фидера должна быть равной ²/₄, ⁴/₄, ⁶/₄ и т. д. рабочей волны, т. е. при работе на волне в 40 м, в случае возбуждения током, длина провода каждой ветви фидера должна быть или 20 м, или 40 м, или 60 м и т. д. Таким образом, для работы на разных волнах при антеннах Герца нужны фидеры разной длины.

Настройка антенны Герца

Но на практике можно и не придерживаться точно расчета длины фидеров для определенной волны. Длину фидеров надо знать лишь для ориентировки, а добиться того, чтобы на концах фидеров получилась бы нужная пучность тока или напряжения можно путем настройки фидеров конденсаторами, хотя это и сопряжено с некоторыми трудностями и связано с кропотливой настройкой. Обе ветви фидера представляют собой колебательную систему с определенной длиной волны. Эту длину волны всегда можно укоротить путем включения в каждую ветвь фидера последовательно переменных конденсаторов и удлинить включением переменного конденсатора параллельно катушке связи. Такая настройка фидеров позволяет также при антеннах Герца переходить с основной волны на гармоники ее при неизменной одной какой-нибудь длине фидера. Так, напр., в случае питания антенны напряжением при длине горизонтальной части в 40 м (основная волна 80 м), предположим, имеется фидер длиной в 25 м. При желании работать на основной волне длина фидера без добавочной настройки не подходит, так как не соблюдаются указанные выше соотношения. Но путем включения последовательно конденсаторов в обе ветви фидера или путем включения переменного конденсатора параллельно катушке связи, можно добиться того, что на концах фидера получится пучность напряжения. В случае питания антенн током, фидера, конечно, можно точно так же настраивать, как и в случае питания напряжением, чтобы получить на концах фидера пучность тока. Переменные конденсаторы обычно берутся емкостью до 250—500 см. Способ последовательного включения их показан на рис. 4, параллельного — на рис. 3; при последовательном включении они должны быть расположены на совершенно одинаковых расстояниях от катушки связи. На практике бывает трудно сделать обе ветви фидера вполне одинаковыми, — последовательные переменные конденсаторы в обоих ветвях фидера помогают настроить обе ветви фидера до полной симметричности, маленькой подстройкой одного из конденсаторов.

Резонанс волны контура передатчика с настройкой фидера и с рабочей волной, т. е. то обстоятельство, что указанные выше условия совпадают, определяется показанием амперметров, помещаемых в обеих ветвях фидера, обычно несколько дальше конденсаторов и также на одинаковых расстояниях (рис. 3 и 4). При резонансе амперметры должны давать максимальные и одинаковые показания. Разница в показаниях допускается не больше чем на 10%.

Если амперметры дают максимальные показания не на нужной, а на какой-то другой волне, то это значит, что длина горизонтальной части не подходящая, — ее нужно укоротить или удлинить.

Если амперметры дают на нужной волне разные показания, то это значит, что обе ветви фидера не идентичны и фидер излучает, так как распределение тока при этом получается неравномерное (рис. 5б). Тогда надо подстроить один из конденсаторов фидера до полной идентичности обеих ветвей.

Настройка на рабочую волну антенны Герца производится следующим образом. Определив рабочую волну по длине горизонтальной части (т. е. взяв основную волну или одну из гармоник), настраивают контур передатчика на эту волну. Затем, судя по размерам фидера, решают как включать конденсаторы последовательно и параллельно для того, чтобы настроить фидер. Связь с антенной при этом обычно берут средней, т. е. 1—2 см между катушками.

Включив передатчик, смотрят на показания амперметров, а переменные конденсаторы фидера постепенно вводят или выводят (при двух последовательных конденсаторах они вводятся или выводятся совершенно одинаково).

Когда настройка фидеров найдена, то ослабляют связь между катушками или расстраивают контур передатчика до тех пор, пока показания амперметров не упадут на 10—15%. Такая небольшая расстройка сильно помогает улучшению тона и постоянству волны. Параллельно с максимальными показаниями амперметров в фидере должен дать также максимальные показания и анодный миллиамперметр.

Если все в порядке, то настройка проверяется еще контрольным приемником. При правильной настройке антенны и фидеров, настройка приемника на эту волну, находящегося даже очень близко от передатчика, должна быть очень острой.

Не надо забывать, что показания амперметров в фидере ни в коем случае не являются показаниями тока в антенне, так что судя по показаниям этих амперметров, нельзя говорить, что сила тока в антенне равна стольким-то миллиамперам. Ток в фидере обычно бывает значительно меньше, чем в антенне. Узнать силу тока в антенне можно, лишь включив амперметр в пучность тока излучающей части. Конечно, в антеннах Герца, так же как и в антеннах Маркони, амперметры в фидерах можно заменить индикаторами — лампочками накаливания. Но в этом случае определение одинаковости показаний обоих индикаторов будет сильно затруднено; большую точность показаний — что как раз нужно в настройке антенны Герца — по свечению лампочки на-глаз определить очень трудно.

Недостатки антенны Герца

Из этого описания антенн Герца ясны и недостатки их; при условии совершенно точной длины провода излучающей части и более или менее точной длины фидера, часто в городских условиях, трудно сделать нужный тип антенны из соображений свободного места. Вообще антенну Герц значительно труднее сделать и настроить, чем антенну Маркони. Часто случается, что у любителя, рассчитавшего антенну Герц на волну, напр., 40 м, на практике получается другая волна. Большей частью это происходит от неправильного устройства и настройки фидеров, которые сами излучают и влияют на длину волны горизонтальной части. Но все это поправимо; гораздо хуже, что в антеннах Герца очень затруднен переход с волны на волну, и почти невозможна настройка их в узких пределах. Правда, как было сказано, возможен, путем сложной и кропотливой настройки фидеров, переход с основной волны; на 2-ю, 3-ю и т. д. гармонику, но эта возможность переходить с основной волны на любую гармонику остается лишь для антенн, питаемых напряжением. В антеннах же Герца питаемых током, с основной волны можно переходить лишь на нечетные гармоники (3-ю, 5-ю и т. д.), так как при четных гармониках в антеннах, питаемых током, пучность тока перемещается.

В антеннах Маркони этих недостатков нет; настройкой переменным конденсатором антенны, изменением формы и вида противовеса, применением вместо противовеса заземления и т. д. практически можно получить любую волну.

Зато у антенн Герца почти совершенно нет потерь, так как излучает лишь горизонтальная (или вертикальная) часть, находящаяся обычно далеко от всех поглощающих излучение предметов, и рассчитать ее для максимальной отдачи очень легко. На длину рабочей волны влияют лишь длина той же горизонтальной части и больше ничего.

Благодаря всему этому при антеннах Герца можно надеяться на большую дальность действия при той же мощности, чем при антеннах Маркони. Это подтверждает и опыт не только заграничных, но и некоторых советских любителей, перешедших уже к этим антеннам.

Примечание редакции

Даваемый В. Б. Востряковым рецепт устройства антенны Герца может быть очень интересен для наших коротковолновиков, которым при первых опытах в этом направлении полезно точно придерживаться указанных в статье размеров, так как это упрощает дело. Однако автор неправ, утверждая, что размер излучающей части антенны должен быть обязательно кратен полуволне. В действительности соотношение между длиною волны и длиною проводов излучаемой части может быть совершенно произвольным, а наиболее выгодное излучение получается, если каждый из этих проводов на 10— 20% больше, чем ½ волны. В этих случаях настройка фидеров делается несколько более сложной. Обратим внимание читателей также на следующее. Настройка при помощи амперметра — всегда вещь очень ненадежная, так как никогда нельзя гарантировать, что амперметр включен в пучности тока. Самым надежным способом является для антенны Герца настройка по лампочкам накаливания, присоединенным в пучности тока излучающих проводов; но для любителя и этот способ труден. Наиболее простым и очень надежным способом настройки во всех случаях является настройка по наилучшей отдаче генератора. Чем больше потребляется энергии генератором и чем при этом меньше накалены аноды ламп, тем, следовательно, больше энергии идет в антенну. Если антенны не находятся в слишком плохих условиях в отношении окружающих предметов, то всегда значительная часть этой энергии будет излучена.

Источник