Главная » Банки » Определение входного сопротивления антенны и ее резонанса. Входное сопротивление антенны. Амплитудная характеристика направленности антенн

Определение входного сопротивления антенны и ее резонанса. Входное сопротивление антенны. Амплитудная характеристика направленности антенн

Что такое входное сопротивление антенны?

Все знают, что входное сопротивление (импеданс) антенны редко когда бывает равный волновому сопротивлению фидерной линии. Здесь постараюсь показать, как согласовать нагрузку с фидером эффективными методами.
Далее все примеры будут даны для коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 ом, но принцип расчёта действителен и для других как несимметричных, так и симметричных линий передач.

Входное сопротивление антенны

Сначала выясним, что такое входное сопротивление антенны. Считается, что оно представляет собой последовательно соединённые реактивное и активное сопротивления. Но в антенне или в фидере нет реального резистора, конденсатора или катушки индуктивности. Всё это только результат расчёта эквивалентных им сопротивлений антенной цепи.

Пусть в качестве нагрузки будет использован некий «чёрный ящик», на входной разъём которого подаётся ВЧ напряжение. На этом разъёме реально можно измерить мгновенное напряжение u’ и ток i’, а также разницу фазы между ними j . Входное сопротивление есть рассчитанное активное и реактивное сопротивления, подключая к которым данное ВЧ напряжение получим точно такие же u’, i’ и j .

Известно, что такой эквивалент может иметь как последовательное (serial, Zs=Rs+jXs), так и параллельное (parallel, Zp=Rp||+jXp) соединение активных и реактивных сопротивлений. Каждому последовательному соединению активного (Rs) и реактивного (Xs) сопротивлений соответствует параллельное соединение активного (Rp) и реактивного (Xp) сопротивлений. В общем случае Rs № Rp и Xs № Xp. Привожу формулы, по которым можно пересчитать численные значения с одного соединения на другое.

Например, пересчитаем последовательное соединение Zs=40+j30 W в параллельное Zp.

Чаще используют эквивалент последовательного включения, но и эквивалент параллельного включения имеет такое же практическое значение. Zs называется импедансом последовательного включения, R – резистансом, X – реактансом, а Zp импедансом параллельного включения.

В параллельном включении часто используется админтанс, но это проводимость, и наглядность при его использовании сильно уменьшается. Обычно термин „импеданс" указывает, что речь идёт о последовательном соединении эквивалентного активного и реактивного сопротивлений.

Однако, пересчёт последовательного соединения сопротивлений в параллельное соединение довольно часто нужен для компенсации реактивной составляющей. Только следует иметь в виду, что при последовательной и параллельной компенсации получаем разные активные составляющие сопротивления.

Для пересчёта Zs в Zp и наоборот очень хорошо подходит программа NETCALK .
Возникает вопрос, как измерить параметры комплексной нагрузки. К сожалению, простой измеритель КСВ тут мало пригоден. Я для этого пользуюсь векторным анализатором VA1 , который на дисплее показывает все нужные цифровые значения. Так же можно воспользоваться прибором AA-330 .

Компенсация реактивной составляющей

Реактивную составляющую сопротивления (импеданса) полезно компенсировать. Это уменьшает КСВ. Суть компенсации есть выравнивания фаз напряжения и тока. Менять угол фазы между напряжением и током можно подключая реактивный элемент последовательно или параллельно.

Чтобы разница в углах фаз стала равна нулю, надо подключить такое реактивное сопротивление, какое присутствует в эквивалентной схеме нагрузки, только с противоположным знаком. Известно, что реактивное сопротивление ёмкости имеет отрицательный знак, индуктивности – положительный.

В случае последовательной компенсации дополнительный эквивалентный реактивный элемент с противоположным знаком включается последовательно и получается последовательный контур, а в случае параллельной компенсации – параллельно, получается параллельный контур. В случае последовательного соединения сопротивлений они просто складываются

А в случае параллельного соединения

Если нагрузку полностью скомпенсировать, эти контура находятся в резонансе, при этом Xs=0 или Xp= Ґ . Например, имеем нагрузку Zs=50+j30 W (Zp=68||+j113 W ), SWR=2.

Если последовательно с нагрузкой включим ёмкость с Xc=-30 W , получим Z=50 W и SWR=1. Если параллельно нагрузке подключим ёмкость с Xc=-113 W , получим Z=68 W и SWR=1,36. В случае последовательной компенсации дополнительный элемент с эквивалентном соответствует последовательному контуру, в случае параллельного – параллельному.

Согласование сопротивлений

Как я уже писал, по-разному подключая компенсирующий элемент, в общем случае получаем разный Z, тем самым и КСВ. Посмотрим, как можно скомпенсировать (согласовать) нагрузку Zs=22+j25 W (Zp=50,4||+j44 W ), SWR=2,94.

Последовательно подключив конденсатор с Xc=-25 W получим Z=22 W (SWR=2,27). Если параллельно нагрузке подключим конденсатор с Xc=-44 W , получим Z=50,4 W и SWR=1,01. Как видим, в данном случае параллельная компенсация бесспорно лучше. Если такая нагрузка будет подключена к передатчику, который работает на частоте 14 MHz, то параллельно нагрузке следует подключить конденсатор ёмкостью

Если передатчик имеет выходной П-контур, то эту ёмкость надо добавить к выходному (холодному) конденсатору. Это можно сделать с помощью выходного конденсатора, если его увеличить на необходимую величину. В таком случае получим хорошее согласование передатчика, рассчитанного на 50 W , с нагрузкой (в точке соединения фидера с передатчиком, r =0), хотя КСВ в кабеле останется 2,94. W , то параллельно конденсатору П-контура надо подключить индуктивность 0,5mH (Xl=44 W ) или, если есть такая возможность, ёмкость „холодного" конденсатора П-контура уменьшить на 258pF (Xs=-44 W ). Частично из-за этого, настраивая П-контур на реальную нагрузку, мы и получаем неодинаковую ёмкость „холодного" конденсатора сравнительно с 50 W эквивалентом.

Частично потому что, меняя ёмкость конденсаторов П-контура, можно в некоторых пределах настроить передатчик на нагрузку, не равную рассчитываемой при проектировании передатчика. Если передатчик не имеет П-контура или тюнера, то эта не скомпенсированная реактивность расстраивает выходной фильтр передатчика, коэффициент отражения r >0 и передатчик не способный отдать в фидер расчитанную мощность.

Хочу отметить, что ни П-контур, ни тюнер в трансивере или около него, КСВ в фидере не изменяет. Эти устройства способны только согласовать выходное сопротивление передатчика с входным сопротивлением фидера в точке его подключения к передатчику (не путать с волновым сопротивлением фидера), т.е. улучшить коэффициент отражения r . Чтобы улучшить КСВ в кабеле, надо согласовать нагрузку с волновым сопротивлением фидера в точке их соединения.
Можно одновременно применять последовательную и параллельную компенсацию. Это зависит от конкретного случая. Приведу реальный пример. Сопротивление антенны на 1,9MHz имеет импеданс Zs=26+j44 W (Zp=100||+j59 W ), SWR=3,7.

Если параллельно нагрузке подключить конденсатор с Xc=-59 W , получим Z=100 W , SWR=2, если последовательно подключим конденсатор с Xc=-44 W , получим Z=26, SWR=1,92. Последний вариант лучше, но всё равно плохой. Теперь, не изменяя Rs, подберём Xs такое, что бы Rp стало бы 50 W . Этому варианту соответствует Zs=26+j25 W . Последовательно с нагрузкой подключим реактивность Xs=(26+j25)-(26+j44)=-j19 W (конденсатор 4,4nF). Полученный Zs=26+j25 W пересчитаем в Zp=50||+j52 W .

Теперь параллельно подключаем реактивность Xp=-j52 W (конденсатор 1,6nF) и получаем Z=50 W и SWR=1. Всё, антенна с 50 W фидером согласована!
Всё это без труда можно посчитать с помощью программы MMANA . Я всё это писал для того, что бы был понятен механизм настройки и что на что влияет.

Можно согласовать и другим способом. Известно, что если к фидеру подключить нагрузку, сопротивление которой не равно волновому сопротивлению фидера, то фидер будет трансформировать сопротивление нагрузки.

Численное значение сопротивления на входе фидера будет зависеть от сопротивления нагрузки, волнового сопротивления и длины фидера. С помощью программы APAK-EL находим, что если к нагрузке Zs=26+j44 W подключить фидер 50 W длиной 4,76м., то на частоте 1,9MHz на его входе получим Zs=50+j69 W .

Если в этом месте включим последовательно ёмкость с Xc=-69 W (конденсатор 1,2нФ), то получим Z=50 W и SWR=1. С этого места можно подключать 50 W фидер любой длины.

Возможны и другие варианты согласования. Это зависит от понимания сути и фантазии.
Теперь попробуем согласовать антенну на 14 MHz, сопротивление которой Zs=150-j260 W (Zp=600||-j346 W ). Как видим, одним компенсирующим элементом не обойдёмся.

Нам нужно получить 50 W , а не 150 W или 600 W . Вводим данные в APAK-EL и находим ближайшую к нагрузке точку, где Rtr=50 W .

Как видим, длина дополнительного кабеля будет только 30см. В этом месте будем иметь Zs=50-j161 W . Если в этом месте последовательно подключим индуктивность с Xl=161 W , то получим полное согласование (Z=50 W , SWR=1).
Всё это можно согласовать и в месте подключения нагрузки к фидеру. Пример с MMANA

Как видим, согласовать можно, подключив индуктивность 1,35 m H параллельно нагрузке, а сигнал на нагрузку подавать через конденсатор 68,5pF.

Шлейфы

Шлейфами называются закороченые или открытые отрезки фидера. В идеальном фидере (фидере без потерь) сопротивление таких отрезков есть чисто реактивное, активной части нет.

Такими отрезками фидера можно пользоваться при компенсации реактивной составляющей. Это удобно, если применяется параллельное компенсирование. Часто используется отрезки до четверти длины волны. Они могут быть и длиннее, но реальные фидеры имеют потери и, чем длиннее линия, тем больше.

Замкнутый шлейф электрической длины до 1/4 l имеет на конце индуктивное реактивное сопротивление, разомкнутый – ёмкостное. Такими отрезками фидера можно имитировать как индуктивность, так и ёмкость. Но надо не забыть, что индуктивность или ёмкость шлейфа зависят от частоты.

В приведённом примере мы видим, что надо подключить индуктивность 1,352 m H. С помощью MMANA получаем, что такую индуктивность на 14 MHz имеет закороченный на конце шлейф с кабеля RG58/U длиной 2,62м.

На том же примере попробуем то же согласовать с помощью MMANA другим способом, используя только шлейф.

Таким образом, если короткозамкнутый шлейф длиной 67,5см. подключить параллельно фидеру на расстоянии 2,57м. от нагрузки, то так же полностью согласуем фидер с нагрузкой. Или же, можно параллельно подключить разомкнутый шлейф длиной 2,84м. на расстоянии от нагрузки 3,82м.
Возможны и другие варианты согласования. Но следует помнить, что потери в низкоомных (коаксиальных) фидерах при больших величинах КСВ значительны, так что желательно выбирать такой способ согласования, при котором получаются самые короткие отрезки фидера с большим КСВ и применять толстые качественные кабеля.
Как видите, практически можно согласовать все и по-разному.
Только для этого нужен измерительный прибор, ну, и конечно, компьютер. Комплексное сопротивление антенны не измеришь ни тестером, ни измерителем КСВ. Без этих данных согласование превращается в трудоёмкое занятие и часто приводит к неудовлетворительным результатам.

В этой статье я описал несколько методов согласования. Постарался описать суть вопроса как можно проще, но очень просто в таком вопросе не получается.
Эта статья мною написана несколько лет назад на литовском языке и сейчас переведена на русский. В настоящее время имеются другие версии программ APAK-EL и MMANA, примеры же приведены используя старые версии.
APAK-EL имеет утилиту, с помощю которой тоже можно рассчитать компенсирующие реактивности. Однако сам принцип согласования от этого не меняется.
Надеюсь, что статья кое-кому будет полезна.

Vytas (LY3BG), ly3bgtakas.lt

Измерить параметры антенны? Совсем несложно!

Правильно определенные параметры антенны в системе радиоприема - основа возможности успешного приема удаленных радиостанций. Но не всегда у радиолюбителя могут оказаться под рукой необходимые средства для подобных измерений. В данной статье автор предлагает использовать несложный метод, при котором получаются вполне приемлемые результаты.

Подвесив наружную проволочную антенну, любитель радиоприема на длинных и средних волнах (ДВ и СВ) часто задается вопросом: а каковы же ее параметры? Основных параметров два - это сопротивление потерь системы антенна-заземление rп и собственная емкость антенны относительно той же земли СА. От этих параметров зависит эффективность работы антенной системы, а следовательно, и возможность приема дальних станций, питания приемного устройства "свободной энергией" сигналов, принятых из эфира, настройки антенной системы на разные частоты и т. д.

Антенные измерения - это "терра инкогнита" для большинства радиолюбителей, и не только начинающих. Все известные методы требуют наличия мощного высокочастотного генератора и измерительного моста - аппаратуры, редко встречающейся у радиолюбителей. Часто эти два прибора объединяют, образуя фидерный или антенный омметр (так их называют), используемый, например, при настройке и регулировке антенн передающих радиоцентров . Мощный генератор ВЧ нужен потому, что на открытой "всем ветрам" антенне велико напряжение самых разных наводок, в том числе и от сигналов других радиостанций, мешающих измерениям.

В предлагаемом способе измерения генератор вообще не нужен. Мы будем измерять параметры антенны, пользуясь сигналами из эфира, благо их там предостаточно. Надо ли изготавливать специальный прибор или стенд для измерений? Это - по желанию. Учитывая, что антенны меняют не каждый день, не составит большого труда собрать простенькие измерительные цепи прямо на рабочем столе или на подоконнике, не используя даже макетных плат.

Измерение сопротивления потерь. Понадобятся ферритовый стержень от магнитной антенны с парой катушек, желательно ДВ и СВ диапазонов, переменный резистор сопротивлением 0,47...1 кОм (обязательно непроволочный), любой германиевый маломощный высокочастотный диод и вольтметр постоянного тока с высоким внутренним входным сопротивлением (не менее 0,5...1 МОм). Для идентификации принимаемых радиостанций "на слух" полезно иметь и высокоомные телефоны.

Собираем устройство по схеме рис. 1 и, перемещая стержень в катушке магнитной антенны, настраиваемся на частоту сигнала мощной местной радиостанции.

Рис. 1

Переменный резистор R1 при этом надо установить в положение нулевого сопротивления (переместить движок в верхнее по схеме положение). Момент точной настройки контура в резонанс с частотой радиостанции будет отмечен максимальным отклонением стрелки измерителя и наибольшей громкостью в телефонах. Включенные последовательно с вольтметром телефоны практически не влияют на его показания, в то же время громкость не слишком велика. Для ее увеличения на время идентификации радиостанции вольтметр можно замкнуть, переключить на низший предел измерения, где его сопротивление меньше, или включить параллельно вольтметру конденсатор емкостью порядка 0,05...0,1 мкФ, чтобы пропустить к телефонам звуковые частоты (при включении такого конденсатора звук может несколько исказиться из-за неравенства нагрузки детектора на звуковых частотах и на постоянном токе).

Отметив показания вольтметра (U1) и не изменяя настройки контура, движок переменного резистора R1 переместить до тех пор, пока показания вольтметра не уменьшатся вдвое (U2). При этом сопротивление резистора будет равно сопротивлению потерь антенной системы на данной частоте. Те же измерения можно провести и на других частотах.

Сопротивление резистора измеряют омметром, отключив его от измерительной цепи. При отсутствии омметра надо оснастить резистор ручкой с визиром и шкалой, которую проградуировать в омах по образцовому прибору.

Пользуясь приведенной методикой, удается выбрать, например, наилучший вариант заземления. В городских условиях возможны такие варианты: трубы водопровода, трубы отопления, арматура ограждения балкона и т. д., а также различные их сочетания. Ориентироваться следует на максимальный принимаемый сигнал и минимальное сопротивление потерь. В загородном доме, кроме "классического" заземления, рекомендуется попробовать водозаборную скважину или трубы водопровода, металлическую сетку-ограду, крышу из оцинкованной жести или любой другой массивный металлический предмет, даже если он и не имеет контакта с настоящей землей.

Измерение емкости антенны . Вместо переменного резистора теперь понадобится включить КПЕ (любого типа) с максимальной емкостью 180...510 пФ. Желательно иметь еще и измеритель емкости с пределом измерения десятки-сотни пикофарад. Автор пользовался цифровым измерителем емкости "Мастер-С" , любезно предоставленным его конструктором.

Если измерителя емкости нет, надо поступить так же, как и с резистором - оснастить КПЕ шкалой и проградуировать ее в пикофарадах. Это удается сделать и без приборов, ведь емкость пропорциональна площади введенной части пластин. Нарисуйте форму роторной пластины на миллиметровой бумаге (чем крупнее, тем точнее будет градуировка), разделите чертеж на секторы через 10 угловых градусов и сосчитайте по клеточкам площадь каждого сектора и всей пластины S0. На рис. 2 заштрихован первый сектор с площадью S1. У соответствующей ему первой риски шкалы надо поставить емкость С1=CmaxS1/S0 и т. д.

Рис. 2

Если роторные пластины имеют полукруглую форму (прямоемкостный конденсатор), шкала получается линейной и тогда не надо делать чертежей и считать площади. Например, КПЕ с твердым диэлектриком из набора для детского творчества имеет максимальную емкость 180 пФ. Достаточно разбить шкалу на 18 секторов по 10 градусов, и поставить около делений 10, 20 пФ и т. д. Пусть точность будет и невысокой, для наших целей ее достаточно.

Отградуировав КПЕ, собираем установку по схеме рис. 3.

Рис. 3

Подключив антенну к гнезду XS1 и отключив КПЕ переключателем SA1, настраиваем контур, образованный емкостью антенны и катушкой L1 на частоту радиостанции. Не трогая больше катушку, переключаем антенну в гнездо XS2 и подключаем к контуру конденсатор С2 (наш КПЕ) переключателем SA1. Снова настраиваемся на ту же частоту, теперь уже С помощью С2. Определяем его емкость Ск по шкале или с помощью измерителя емкости, подключенного к гнездам XS3, XS4 (переключив для этого SA1 в показанное на схеме положение). Осталось найти емкость антенны СА по формуле

СА = С2(1 + sqrt(1 +4С1/С2))/2.

Смысл наших манипуляций в следующем: когда мы подключили антенну через конденсатор связи С1, общая емкость контура стала меньше, и чтобы ее восстановить, пришлось добавить емкость С2. Вы и сами можете вывести приведенную формулу исходя из равенства емкости антенны СА (в первом случае) и сложной контурной емкости С2 + САС1/(СА + С1) во втором случае. Для повышения точности измерений емкость конденсатора связи желательно выбирать поменьше, в пределах 15...50 пФ. Если емкость конденсатора связи намного меньше емкости антенны, то и расчетная формула упрощается:

СА = С2 + С1.

Эксперимент и его обсуждение . Автор измерял параметры имевшейся на даче антенны такого вида: провод ПЭЛ 0,7 длиной 15 м, который протянут к коньку крыши и в сторону от дома к соседнему дереву. Наилучшим "заземлением" (противовесом) оказалась изолированная от земли водонагревательная колонка с небольшой сетью труб и батарей местного отопления. Все измерения проведены в СВ диапазоне с использованием стандартной СВ катушки магнитной антенны от транзисторного приемника. Если для настройки на низкочастотном краю диапазона индуктивности не хватало, рядом с магнитной антенной помещался еще один ферритовый стержень, параллельно первому.

Результаты измерений сведены в таблицу. Они нуждаются в небольших комментариях. Прежде всего, бросается в глаза, что на разных частотах и сопротивление потерь и емкость антенны разные. Это вовсе не ошибки измерений. Рассмотрим сначала частотную зависимость емкости. Если бы провод антенны не обладал еще и некоторой индуктивностью LА значения емкости были бы одинаковыми. Индуктивность провода включена последовательно с емкостью антенны, как видно из эквивалентной схемы антенной цепи, показанной на рис. 4.

Рис. 4

Влияние индуктивности сказывается сильнее на высоких частотах, где индуктивное сопротивление возрастает и частично компенсирует емкостное сопротивление. В результате общее реактивное сопротивление антенны уменьшается, а измеренная емкость становится больше. У антенны есть собственная частота f0 - резонансная частота контура LАCА, на которой реактивное сопротивление обращается в нуль, а измеренное значение емкости будет стремиться к бесконечности. Соответствующая этой частоте собственная длина волны антенны Lambda0 примерно равна учетверенной длине провода антенны и обычно попадает в интервал диапазона КВ.

Собственную частоту можно рассчитать по данным измерений емкости на двух произвольных частотах, но формулы получаются слишком сложными. Для своей антенны автор получил СА = 85 пФ. LА = 25 мкГн и f0 - около 3,5 МГц. Для приближенных оценок можно считать, что каждый метр провода антенны (вместе со снижением) вносит индуктивность около 1...1,5 мкГн и емкость около 6 пФ.

Сопротивление потерь при достаточно добротной катушке L1 состоит в основном из сопротивления заземления. Оно, в свою очередь, рассчитывается по эмпирической (полученной на основании опытных данных) формуле М. В. Шулейкина : rп = А*Lambda/Lambda0. Здесь А - постоянный коэффициент, зависящий от качества заземления, с размерностью в омах. Для хороших заземлений А составляет единицы и даже доли ом. Как видим, сопротивление потерь возрастает с увеличением длины волны (понижением частоты), что и подтвердилось данными таблицы. Зависимость сопротивления потерь от частоты обнаружили еще в начале прошлого века, однако подробного объяснения этого эффекта в литературе автор не встречал.

В связи с этим многие данные, полученные радиолюбителями при измерении параметров своих антенн, могут оказаться весьма полезными.

Литература

Фрадин А. 3., Рыжков Е. В. Измерение параметров антенн. - М.: Связьиздат, 1962.
Андреев В. Простой измеритель емкости "Мастер-С". - Радио, 2002. № 1, с. 50-52; № 2, с. 51-53; № 3, с. 52-54.
Белоцерковский Г. Б. Антенны. - М.: Оборонгиз, 1956.

Измерительный мост высокой частоты представляет собой обычный мост Уитстона и может использоваться для определения степени согласованности антенны с линией передачи. Эта схема известна под многими названиями (например, «антенноскоп» и т. д.), но в основе ее всегда лежит принципиальная схема, изображенная на рис. 14-15.

По мостовой схеме протекают токи высокой частоты, поэтому все резисторы, используемые в ней, должны представлять чисто активные сопротивления для частоты возбуждения. Резисторы R 1 и R 2 подбираются в точности равными друг другу (с точностью 1% или даже больше), а само сопротивление не имеет особого значения. При сделанных допущениях измерительный мост находится в равновесии (нулевое показание измерительного прибора) при следующих соотношениях между резисторами: R 1 = R 2 ; R 1: R 2 =1:1; R 3 = = R 4 ; R 3: R 4 = 1: 1.

Если вместо резистора R 4 включить испытываемый образец, сопротивление которого требуется определить, а в качестве R 3 использовать отградуированное переменное сопротивление, то нулевое показание измерителя разбаланса моста будет достигнуто при значении переменного сопротивления, равном активному сопротивлению испытываемого образца. Таким образом можно непосредственно измерить сопротивление излучения или входное сопротивление антенны. При этом следует помнить, что входное сопротивление антенны чисто активно только в случае, когда антенна настроена, поэтому частота измерений всегда должна соответствовать резонансной частоте антенны. Кроме того, мостовая схема может использоваться для измерения волнового сопротивления линий передачи и их коэффициентов укорочения.

На рис. 14-16 показана схема высокочастотного измерительного моста, предназначенного для антенных измерений, предложенная американским радиолюбителем W 2AEF (так называемый «антенноскоп»).

Резисторы R 1 и R 2 обычно выбираются равными 150-250 ом ,и абсолютная их величина не играет особой роли, важно только, чтобы сопротивление резисторов R 1 и R 2 , а также емкости конденсаторов С 1 и С 2 были равны друг другу. В качестве переменного сопротивления следует использовать только безындуктивные объемные переменные резисторы и нив коем случае не проволочные потенциометры. Переменное сопротивление обычно 500 ом , а если измерительный мост используется для измерений только на линиях передачи, изготовленных из коаксиальных кабелей, то 100 ом , что позволяет более точно производить измерения. Переменное сопротивление градуируется, и при балансе моста оно должно быть равным с сопротивлением испытываемого образца (антенны, линии передачи). Дополнительное сопротивление R Ш зависит от внутреннего сопротивления измерительного прибора и требуемой чувствительности измерительной схемы. В качестве измерительного прибора можно использовать магнитоэлектрические миллиамперметры со шкалой 0,2; 0,1 или 0,05 ма . Дополнительное сопротивление следует выбирать по возможности высокоомным, так чтобы подключение измерительного прибора не вызывало значительного разбаланса моста. В качестве выпрямляющего элемента может использоваться любой германиевый диод.

Проводники мостовой схемы должны быть как можно короче для уменьшения их собственной индуктивности и емкости; при конструировании прибора следует соблюдать симметрию в расположении его деталей. Прибор заключается в кожух, разделенный на три отдельных отсека, в которых, как показано на рис. 14-16, помещаются отдельные элементы схемы прибора. Одна из точек моста заземляется, и, следовательно, мост несимметричен относительно земли. Поэтому мост наиболее подходит для измерения на несимметричных (коаксиальных) линиях передачи. В случае, если требуется использовать мост для измерения на симметричных линиях передачи и антеннах, то необходимо тщательно изолировать его от земли с помощью изолирующей подставки. Антенноскоп может применяться как в диапазоне коротких, так и ультракоротких волн, и граница его применимости в диапазоне УКВ в основном зависит от конструкции и отдельных схемных элементов прибора.

В качестве измерительного генератора, возбуждающего измерительный мост, вполне достаточно использовать гетеродинный измеритель резонанса. Следует иметь в виду, что высокочастотная мощность, поступающая на измерительный мост, не должна превышать 1 вт, и мощность, равная 0,2 вт, вполне достаточна для нормальной работы измерительного моста. Ввод высокочастотной энергии осуществляется с помощью катушки связи, имеющей 1-3 витка, степень связи которой с катушкой контура гетеродинного измерителя резонанса регулируется так, чтобы при отключенном испытываемом образце измерительный прибор давал полное отклонение. Следует учитывать, что при слишком сильной связи градуировка частоты гетеродинного измерителя резонанса несколько смещается. Чтобы не допустить ошибок, рекомендуется прослушивать тон измерительной частоты по точно отградуированному приемнику.

Проверка работоспособности измерительного моста осуществляется подключением к измерительному гнезду безындукционного резистора, имеющего точно известное сопротивление. Переменное сопротивление, при котором достигается баланс измерительной схемы, должно точно равняться (если измерительный мост правильно сконструирован) испытываемому сопротивлению. Эта же операция повторяется для нескольких сопротивлений при разных измерительных частотах. При этом выясняется частотный диапазон работы прибора. Вследствие того, что схемные элементы измерительного моста в диапазоне УКВ имеют уже комплексный характер, баланс моста становится неточным, и если в диапазоне 2 м его еще можно добиться, тщательно выполнив конструкцию моста, то в диапазоне 70 см рассмотренный измерительный мост совершенно неприменим.

После проверки работоспособности измерительного моста его можно использовать для практических измерений.

На рис. 14-17 изображена конструкция антенноскопа, предложенная W 2AEF.

Определение входного сопротивления антенны

Измерительное гнездо измерительного моста непосредственно подключается к зажимам питания антенны. Если резонансная частота антенны была измерена ранее с помощью гетеродинного измерителя резонанса, то мост питается высокочастотным напряжением этой частоты. Изменяя переменное сопротивление, добиваются нулевого показания измерительного прибора; при этом считываемое сопротивление равно входному сопротивлению антенны. Если же резонансная частота антенны заранее не известна, то частоту, питающую измерительный мост, изменяют До тех пор, пока не получают однозначного баланса измерительного моста. При этом частота, обозначенная на шкале измерительного генератора, равна резонансной частоте антенны, а сопротивление, полученное по шкале переменного сопротивления, равно входному сопротивлению антенны. Изменяя параметры схемы согласования, можно (не изменяя частоты возбуждения высокочастотного измерительного моста) получить заданное входное сопротивление антенны, контролируя его по антенноскопу.

Если проводить измерение непосредственно в точках питания антенны неудобно, то в этом случае между измерительным мостом можно включить линию, имеющую электрическую длину Я/2 или длину, кратную этой длине (2·λ/2, 3·λ/2, 4·λ/2 и т. д.) и обладающую любым волновым сопротивлением. Как известно, такая линия трансформирует сопротивление, подключенное к ее входу, в отношении 1: 1, и поэтому ее включение не отражается на точности измерения входного сопротивления антенны с помощью высокочастотного измерительного моста.

Определение коэффициента укорочения высокочастотной линии передачи

Точная длина λ/2 отрезка линии также может быть определена с помощью антенноскопа.

Достаточно длинный свободно подвешенный отрезок линии на одном конце замыкается, а другим концом подключается к измерительному гнезду моста. Переменное сопротивление устанавливается в нулевое положение. Затем медленно изменяют частоту гетеродинного измерителя резонанса, начиная с низких частот, и переходят к более высоким частотам, до тех пор пока не достигается баланс моста. Для этой частоты электрическая длина точно равна λ/2. После этого несложно определить коэффициент укорочения линии. Например, для отрезка коаксиального кабеля длиной 3,30 м при частоте измерений 30 Мгц (10 м ) достигается первый баланс моста; отсюда λ/2 равно 5,00 м . Определяем коэффициент укорочения: $$k=\frac{геометрическая длина}{эектрическая длина}=\frac{3,30}{5,00}=0,66.$$

Так как баланс моста имеет место не только при электрической длине линии, равной λ/2, но и при длинах, кратных ей, то следует найти второй баланс моста, который должен быть при частоте 60 Мгц. Длина линии для этой частоты равна 1λ. Полезно помнить, что коэффициент укорочения коаксиальных кабелей равен приблизительно 0,65, ленточных кабелей - 0.82 и двухпроводных линий с воздушной изоляцией - приблизительно 0,95. Так как измерение коэффициента укорочения с помощью антенноскопа несложно, то следует конструировать все схемы трансформаторов, используя методику измерения коэффициента укорочения, описанную выше.

Антенноскоп можно также использовать для проверки точности размеров λ/2 линии. Для этого к одному концу линии подключается резистор с сопротивлением меньше 500 ом , а другой конец линии подключается к измерительному гнезду моста; при этом переменное сопротивление (в случае, если линия имеет электрическую длину, в точности равную λ/2) равняется сопротивлению, подключенному к другому концу линии.

С помощью антенноскопа может быть определена также точная электрическая длина λ/4 линии. Для этого свободный конец линии не замыкается, и, изменяя частоту гетеродинного измерителя резонанса таким же образом, как было описано выше, определяют самую низкую частоту, при которой (при нулевом положении переменного сопротивления) достигается первый баланс мостовой схемы. Для этой частоты электрическая длина линии точно равна λ/4. После этого можно определить трансформирующие свойства λ/4 линии и рассчитать ее волновое сопротивление. Например, к концу четвертьволновой линии подключается резистор сопротивлением 100 ом .Изменяя переменное сопротивление, добиваются баланса моста при сопротивлении Z M = 36 ом . После подстановки в формулу $Z_{тр}=\sqrt{Z_{M}\cdot{Z}}$ получаем: $Z_{тр}=\sqrt{36\cdot{100}}=\sqrt{3600}=60 ом$. Таким образом, как мы видели, антенноскоп, несмотря на свою простоту, позволяет решить почти все задачи, связанные с согласованием линии передачи с антенной.

Вопросы проектирования, изготовления и использования антенн для диапазонов длинных (ДВ), средних (СВ), и коротких (KB) волн содержат значительно меньше проблем, чем антенн для диапазона УКВ, особенно телевизионных. Дело в том, что в диапазонах ДВ, СВ, KB передатчики, как правило, обладают большой мощностью, распространение радиоволн этих диапазонов связано с большими значениями дифракции и рефракции в атмосфере, и приемные устройства обладают высокой чувствительностью.

При передаче и приеме сигнала в диапазоне УКВ и в частности телевизионного сигнала обеспечение необходимых значений этих параметров вызывает ряд трудностей, а именно: достижение мощностей телевизионных передатчиков, таких как радиовещательных, оказалось пока невозможным; явления дифракции и рефракции в диапазоне УКВ незначительны; чувствительность телевизионного приемника ограничена уровнем его собственных шумов и составляет из-за необходимости приема широкополосного сигнале примерно 5 мкВ. Поэтому для получения на экране телевизора высокого уровня изображения уровень входного сигнала должен быть не менее 100 мкВ. Однако из-за небольшой мощности передатчика и худших условий распространения радиоволн напряженность электромагнитного поля в точке приема оказывается невысокой. Отсюда возникает одно из главных требований, предъявляемых к телевизионной антенне: при данной напряженности поля в точке приема антенна должна обеспечить необходимое напряжение сигнала для нормальной работы телевизионного приемника.

Приемная антенна представляет собой одиночный провод или систему проводов, предназначенных для преобразования энергии электромагнитных волн в энергию токов высокой частоты. Параметры антенн при работе на прием и на передачу идентичны, поэтому можно применять принцип взаимности антенных устройств, дающих возможность некоторые характеристики и параметры антенн определять в режиме передачи, а другие в режиме приема.

Радиоволны, попадая на окружающие предметы, наводят в них электрические токи высокой частоты. Последние создают электромагнитное поле, и происходит отражение электромагнитной волны. Антенна принимает как прямые, так и отраженные радиоволны, которые приводят к искажению изображения на экране телевизора.

Экспериментальные исследования показали, что при использовании вертикальной поляризации к месту приема приходит значительно больше отраженных волн, чем при использовании горизонтальной поляризации. Это объясняется тем, что в окружающем пространстве, особенно в городах, имеется множество вертикальных, хорошо отражающих препятствий (здания, столбы, трубы, магниты). При выборе вида поляризации учитываются и свойства антенн. Конструктивно горизонтальные антенны проще вертикальных. Почти все они обладают направленностью в горизонтальной плоскости, что ослабевает прием помех и отраженных волн за счет пространственной избирательности.

Приемные телевизионные антенны должны удовлетворять следующим основным требованиям:

Иметь простую и удобную в эксплуатации конструкцию;

Высокую пространственную избирательность;

Пропускать широкую полосу частот;

Обеспечивать высокое отношение уровня сигнала к уровню помех при приеме;

Обладать слабой зависимостью входного сопротивления и коэффициента усиления от частоты.

Входное сопротивление антенны

Антенна является источником сигнала, который характеризуется электродвижущей силой (ЭДС) и внутренним сопротивлением, которое называется входным сопротивлением антенны. Входное сопротивление определяется отношением направления на зажимах антенны к току на входе фидера. Величину входного сопротивления антенны необходимо знать для того, чтобы правильно согласовать антенну с кабелем и телевизором: только при этом условии на вход телевизора поступает наибольшая мощность. При правильном согласовании входное сопротивление антенны должно равняться входному сопротивлению кабеля, которое, в свою очередь, должно быть равно входному сопротивлению телевизора.

Входное сопротивление антенны имеет активную и реактивную составляющие. Входное сопротивление настроенной в резонанс антенны чисто активно. Оно зависит от типа антенны и ее конструктивных особенностей. Например, входное сопротивление линейного полуволнового вибратора составляет 75 Ом, а петлевого вибратора - около 300 Ом.

Согласование антенны с кабелем-фидером

Согласование антенны с кабелем характеризуется коэффициентом бегущей волны (КБВ). При отсутствии идеального согласования антенны и кабеля имеет место отражение падающей волны (входного напряжения), например, от конца кабеля или другой точки, где его свойство резко меняется. В этом случае вдоль кабеля распространяются в противоположных направлениях падающая и отраженная волны. В тех точках, где фазы обеих волн совпадают, суммарное напряжение максимально (пучность), а в точках, где фазы противоположны, оно минимально (узел).

Коэффициент бегущей волны определяется соотношением:

В идеальном случае КБВ= 1 (когда имеет место режим бегущей волны, т. е. ко входу телевизора передается сигнал максимально возможной мощности, т. к. в кабеле нет отраженных волн). Это возможно при согласовании входных сопротивлений антенны, кабеля и телевизора. В худшем случае (когда U min =0 ) КБВ=0 (имеет место режим стоячей волны, то есть амплитуды падающей и отраженной волн равны, и энергия вдоль кабеля не передается).

Коэффициент стоячей волны определяется соотношением:

Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления антенны

Приемная ненаправленная антенна принимает сигналы со всех направлений. Направленная приемная антенна обладает пространственной избирательностью. Это имеет важное значение, т. к. при малом уровне направленности поля в месте приема такая антенна увеличивает уровень принимаемого сигнала и ослабляет внешние помехи, приходящие с других направлений.

Коэффициент направленного действия приемной антенны представляет собой число, показывающее, во сколько раз мощность, поступающая на вход телевизора при приеме на направленную антенну, больше мощности, которую можно получить при приеме на ненаправленную антенну (при той же напряженности поля).

Свойства направленности антенны характеризуются диаграммой направленности. Диаграмма направленности приемной антенны представляет собой графическое изображение зависимости напряжения сигнала на входе телевизора от угла поворота антенны в соответствующей плоскости. Эта диаграмма характеризует зависимость ЭДС, наведенной в антенне электромагнитным полем, от направления прихода сигнала. Строится она в полярной или прямоугольной системе координат. На рис. 1, 2 представлены диаграммы направленности антенны типа «волновой канал».

Рис. 1. Диаграмма направленности антенны в полярной системе координат

Диаграммы направленности антенн чаще всего являются многолепестковыми. Лепесток, соответствующий направлению прихода волны при котором в антенне наводится максимальная ЭДС, называется главным. В большинстве случаев диаграмма направленности имеет еще обратный (задний) и боковые лепестки. Для удобства сравнения между собой различных антенн их диаграммы направленности нормируют, т. е. строят в относительных величинах, принимая наибольшую ЭДС за единицу (или за сто процентов).

Основными параметрами диаграммы направленности являются ширина (угол раствора) главного лепестка в горизонтальной и вертикальной плоскостях. По ширине главного лепестка судят о направленных свойствах антенны. Чем эта ширина меньше, тем больше направленность.

Рис. 2. Диаграмма направленности антенны в прямоугольной системе координат

Уровень боковых и задних лепестков характеризует помехозащищенность антенны. Она определяется с помощью коэффициента защитного действия (КЗД) антенны, под которым понимают отношение мощности, выделяемой антенной на согласованной нагрузке при приеме с заднего или бокового направления, к мощности на той же нагрузке при приеме с главного направления.

Часто коэффициент защитного действия выражают в логарифмических единицах - децибелах:

Направленные свойства антенны характеризуются также коэффициентом направленного действия (КНД) - числом, показывающим, во сколько раз мощность сигнала, поступающего на вход телевизора при приеме на данную направленную антенну, больше мощности, которую можно было бы получить при приеме на ненаправленную или направленную эталонную антенну. В качестве эталонной антенны чаще всего используют полуволновый вибратор (диполь), коэффициент направленного действия которого по отношению к гипотетической ненаправленной антенне равен 1,64 (или 2,15 дБ). КНД характеризует предельно возможный выигрыш по мощности, который может дать антенна благодаря своим направленным свойствам в предположении, что в ней полностью отсутствуют потери. В действительности любая антенна обладает потерями и даваемый ею выигрыш по мощности всегда меньше предельно возможного. Реальный выигрыш антенны по мощности относительно гипотетического изотропного излучателя или полуволнового вибратора характеризуется коэффициентом усиления по мощности К р , который связан с КНД соотношением:

где η - коэффициент полезного действия (КПД) антенн.

КПД антенны характеризует потери мощности в антенне и представляет собой отношение мощности излучения к сумме мощностей излучения и потерь, то есть к полной мощности, которая подводится к антенне от передатчика:

где P u - мощность излучения, P n - мощность потерь.

Ширина полосы пропускания антенны

Полоса пропускания приемной телевизионной антенны представляет собой спектр частот, в пределах которого выдержаны все основные значения ее электрических характеристик. Частотная характеристика настроенной антенны подобна резонансной кривой колебательного контура. Поэтому по аналогии с полосой пропускания контура может быть определена и полоса пропускания антенны.

На резонансной (фиксированной) частоте антенна имеет определенную величину входного сопротивления, которое согласуется с сопротивлением нагрузки. За такую частоту обычно принимается средняя частота телевизионного канала, на которой реактивное сопротивление антенны равно нулю. На частотах ниже резонансной она носит емкостной характер, а на частотах выше резонансной - индуктивный.

Таким образом, изменение частоты приводит как к изменению активной составляющей, так и к появлению реактивной составляющей входного сопротивления. Вследствие этого мощность, подводимая к нагрузке, уменьшается.

Особенно это заметно на крайних частотах, наиболее удаленных от резонансной частоты. Допустимо уменьшение мощности не более чем в два раза. Исходя из этого шириной полосы пропускания 2Af считается такой спектр частот вблизи резонансной частоты в пределах которого подводимая к нагрузке мощность уменьшится не более чем в два раза.

Для обеспечения хорошего качества приема антенна должна пропускать весь спектр частот телевизионного сигнала, который для одного канала равен 8 МГц. Качество изображения остается еще достаточно хорошим, если антенна пропускает полосу частот не менее 6 МГц. Дальнейшее сужение полосы частот приводит к ухудшению качества изображения и к потере его четкости. Самый эффективный метод расширения полосы пропускания - уменьшение эквивалентного волнового сопротивления вибратора за счет увеличения его поперечных размеров. Таким путем увеличивается погонная емкость и уменьшается погонная индуктивность вибратора. Кроме всего прочего полоса пропускания антенны ограничивается и полосой пропускания фидера снижения.

ЛЕКЦИЯ 9.

^ Изотропный излучатель
Симметричный вибратор
Основные характеристики антенн. Амплитудная характеристика направленности антенн
Сопротивление излучения
Волновое сопротивление антенны
Входное сопротивление
Сопротивление потерь

ИЗОТРОПНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ.

Под изотропным излучателем понимается такое устройство, которое равномерно и одинаково излучает электромагнитную энергию во все стороны.

Однако на практике ненаправленных излучателей не существует. Каждая передающая антенна, даже самая простейшая, излучает энергии неравномерно и всегда имеется направление, в котором излучается максимум энергии.

Простейшим или элементарным излучателем является электромагнитный электрический вибратор, который состоит из очень короткого по сравнению с длиной волны провода, обтекаемый электрическим током, амплитуда и фаза которого одинаковы в любой точке провода. Практической моделью элементарного вибратора является диполь Герца. Структура поля излучения диполя Герца имеет максимум в точке, лежащей на прямой, перпендикулярной диполю. Вдоль диполя поле = 0.
^

СИММЕТРИЧНЫЙ ВИБРАТОР.

Состоит из двух проводников одинаковой длины, между которыми включается питающая линия – фидер, соединяющая антенну с передатчиком.

Наиболее частот применяется симметричный вибратор длиной l в половину  , называемый полуволновым вибратором рис. 37а.

Вследствие отражения тока и напряжения у концов проводов антенн вдоль проводов устанавливается стоячая волна тока и напряжения.

Вдоль полуволнового вибратора устанавливается пол волны тока и напряжения, вдоль вибратора длиной в волну – волна тока и напряжения рис.37б. Однако в любом случае на концах устанавливается узел тока и пучность напряжения
^

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АНТЕНН.

АМПЛИТУДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕНН.

Направленные свойства антенн принято определять амплитудной характеристикой направленности, т.е. зависимостью напряженности излучаемого антенной поля Е (,) в точке наблюдения при неизменном расстоянии. Графическое изображение амплитудной характеристики направленности называется диаграммой направленности, которая изображается в виде поверхности, описываемой исходящим из начала координат радиус–вектором, длина которого в каждом направлении пропорциональна функции F (, ).

Диаграмму направленности строят как в полярной (рис. 38а), так и в прямоугольной (рис. 38б) системе координат.

Направление максимального излучения антенн называется главным направлением. А соответствующий ему лепесток – главным. Остальные лепестки являются боковыми. Направления, в которых антенна не принимает и не излучает, называются нулями диаграммы направленности.

Главный лепесток характеризуют шириной по половинной мощности  0,5 и шириной по нулям  0 . Ширина  0,5 определяется из ДН на уровне 0,707, он взят исходя из того, что мощность на уровне 0,5 и напряженность поля на уровне 0,707 связаны соотношением

Р 0,5 / Р мах = Е 2 0,707 / Е 2 мах = 0,5 .

Коэффициент направленного действия КНД характеризует способность антенны концентрировать излученное электромагнитное поле в каком-либо направлении. Он представляет собой отношение плотности потока мощности, излучаемого антенной в данном направлении, к усредненной по всем направлениям плотности потока мощности. Иными словами, при определении КНД антенна сравнивается с воображаемой, абсолютно ненаправленной или изотропной антенной, излучающей ту же мощность, что и рассматриваемая.

Для апертурных антенн

К нд = 4 К исп S а /  2 ,

Где: К исп – коэффициент использования излучающей поверхности КИП;

S а – площадь раскрыва антенны.

У большинства антенн РРЛ и спутниковых систем передачи ширина ДН по половинной мощности в вертикальной плоскости примерно равна ширине диаграммы в горизонтальной плоскости.

Для учета КПД реальной антенны, вводится понятие коэффициента усиления КУ антенны, которая определяется соотношением

G =  а К нд ,

где: а = Р  / Р 0 - КПД антенны;

Р  - излучаемая антенной мощность;

Р 0 – подводимая к антенне мощность.

Коэффициент усиления антенны показывает, во сколько раз следует уменьшить мощность, подводимую к антенне, по сравнению с мощностью, подводимой к изотропному излучателю с КПД равным 1, чтобы напряженность поля в точке приема оставалась неизменной.

В диапазоне дециметровых и сантиметровых волн  а  1 , поэтому

G = К нд.

Коэффициент защитного действия КЗД вводится для характеристики степени ослабления антенной сигналов, принятых с побочных направлений, и рассчитывается по формуле К зд = G мах / G поб, где G мах и G поб – коэффициенты усиления антенны в направлении главного лепестка ДН и в побочном направлении.
^

СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ.

Сопротивление излучения антенны R изл – показатель, имеющий размерность сопротивления и связывающий излучаемую мощность Р изл с током I А, протекающим через какое – либо сечение антенны

R изл = Р изл / I А 2 .

Так как токи и напряжения по длине антенны распределены неравномерно, то для округления величины R изл, в большинстве случаев излучаемую мощность относят к квадрату максимальной амплитуды тока (в пучности) или в квадратуру тока на входных зажимах антенны.

Величина R изл зависит от соотношения между размерами антенны и длиной волны, формы антенны и других факторов.

Так, увеличение длины уединенного симметричного вибратора до l =  , ведет к росту сопротивления излучения. Однако дальше она падает, затем снова возрастает.

В общем случае R изл имеет комплексный характер.

Например, для тонкого полуволнового вибратораR изл = 73,1 Ом, а Х изл = 42,5 Ом.

Увеличение толщины вибратора приводит к уменьшению величины волнового сопротивления.
^

ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ АНТЕННЫ.

Волновое сопротивление антенны Z ОА является одним из важных параметров. Рассматривается волновое сопротивление методами теории длинных линий.

Для одиночного цилиндрического проводника длиной l , к которому может быть отнесена антенна в виде симметричного вибратора, расчетная формула имеет вид

где: r п – радиус проводника.

Увеличение толщины проводника приводит к уменьшению волнового сопротивления.
^

ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ.

Входное сопротивление антенны – показатель, представляющий отношение напряжения на зажимах антенны к протекающему через них току. В общем случае это сопротивление имеет комплексный характер

Z Авх = R Авх + iХ Авх

где:R Авх – активная составляющая входного сопротивления;

Х Авх – реактивная составляющая входного сопротивления.
^