Антенны километровых и гектометровых волн

Километровые и гектометровые волны (длинные и средние) используются для радиосвязи, радиовещания, навигации и других целей.

На длинных и средних волнах земная поверхность имеет обычно хорошую проводимость. У поверхности же хорошего проводника электрическое поле может быть направлено только перпендикулярно его поверхности. Поэтому как передающие, так и приемные антенны для этих волн должны обладать развитой вертикальной частью. Для того чтобы антенна была резонансной и имела достаточно большие сопротивление излучения и коэффициент полезного действия (КПД), ее размеры должны приближаться, по крайней мере, к 0,25 , т.е. на длинных волнах (ДВ) ее высота должна быть равна нескольким сотням метров [2]. Практически удается построить антенны (мачты) высотой не более 200...300 м. Поэтому на волнах длиннее 1000 м, как правило, приходится работать с антеннами длиной меньше резонансной. Вследствие этого входное сопротивление антенны имеет реактивную составляющую емкостного характера, для компенсации которой последовательно с антенной приходится включать катушку индуктивности (рис. 1.17, а). Эти катушки часто называют удлинительными (L_y). Сопротивление излучения у антенн с малой электрической длиной весьма мало. В то же время активное сопротивление удлинительных катушек довольно значительно. Поэтому сопротивление потерь в цепи антенны становится больше или того же порядка, что и сопротивление излучения, и КПД антенны получается довольно низким.

На средних волнах (СВ) при работе антенны в широком диапазоне частот может оказаться, что частота подводимых к ней колебаний ниже резонансной. В этом случае реактивная составляющая ее входного сопротивления имеет индуктивный характер, и для настройки антенны приходится применять конденсатор, который принято называть укорачивающим. В общем случае цепь настройки диапазонной антенны должна содержать как емкость, так и индуктивность.

Применение элементов настройки не изменяет сопротивления излучения антенны, которое определяется только ее электрической длиной, и поэтому при работе с короткими антеннами сопротивление излучения всегда невелико. Поэтому для получения большой мощности излучения в таких антеннах приходится возбуждать большие токи. Малое сопротивление излучения приводит также к тому, что резонансная характеристика антенны становится очень острой; вследствие этого антенна очень критична в настройке. Кроме того, при низком сопротивлении излучения приходится особенно тщательно выполнять заземление нижнего конца антенны, где проходит большой ток, так как в противном случае резко снижается КПД системы.

Для увеличения КПД вместо использования катушки индуктивности часто увеличивают длину антенны до резонансной и сгибают ее на высоте мачты под прямым углом, образовав оставшейся частью горизонтальный участок. Такая Г-образная антенна излучает лучше, чем прямая антенна с удлинительной катушкой, но она требует установки второй мачты (рис. 1.17, б). Если высота подвеса Г-образной антенны невелика, то горизонтальная часть ее практически не излучает, так как она образует со своим зеркальным изображением двухпроводную линию. Однако при этом распределение тока в излучающей вертикальной части существенно улучшается. В ней укладывается часть стоячей волны тока, близкая к пучности, к тому же пучность располагается ближе к верхнему концу, который находится в наиболее благоприятных для излучения условиях (рис. 1.17, в, г).

Рис. 1.17. Устройство антенны длинных и средних волн:

а - заземленный вибратор с удлинительной катушкой; б - Г-образная антенна; в - распределение тока в антенне с катушкой; г - распределение тока в Г-образной антенне; д - Т-образная антенна; е - зонтичная антенна

Рис. 1.18. Конструкция антенны- башни: 1 - опорный изолятор; 2 - емкостная шапка

Рис. 1.19. Устройство антенны-мачты:

1 - опорный изолятор; 2 – световое ограждение мачты; 3 - изоляторы

Увеличить амплитуду тока на конце антенны можно также, создав дополнительную горизонтальную часть в виде двух горизонтальных лучей (Т-образная антенна на рис. 1.17, д) или в виде многих лучей (зонтичная антенна на рис. 1.17, е). Во всех случаях горизонтальные элементы образуют с землей некоторую емкость. Благодаря этому амплитуда тока на конце вертикальной части антенны уже не равна нулю, и распределение тока вдоль нее становится более равномерным. Площадь тока, а следовательно, и действующая высота антенны увеличиваются.

Конструктивно антенны ДВ и СВ очень часто выполняются в виде установленных на изоляторы стальных свободно стоящих антенн-башен (рис. 1.18) и антенн-мачт (рис. 1.19). Ток от передатчика подводится к нижнему концу башни или мачты, которая является непосредственным излучателем энергии. Для радиовещания применяются антенны высотой 75...300 м. Для увеличения емкости антенны на вершине башни или мачты устанавливается емкостная шапка из металлических трубок [2].

Недостатком передающих антенн-мачт и антенн-башен, имеющих высоту до 300 м и более, является их высокая стоимость. Кроме того, во многих случаях применение высоких антенн недопустимо вследствие близости радиоцентров к аэропортам. Во всяком случае, все антенны этого типа оборудуются системой светового ограждения мачт.

На СВ на расстояниях 100...300 км поля поверхностной и пространственной волн могут оказаться соизмеримыми по амплитуде и случайными по фазе. Здесь наблюдаются замирания (фединги) селективного характера. В рабочей полосе отдельные частоты замирают по-разному, вызывая искажения передаваемого сигнала. Чтобы отодвинуть дальше от передающей станции зону, подверженную замираниям, необходимо на передаче применять антенны со специальной формой диаграммы направленности в вертикальной плоскости. Эти антенны должны иметь максимум излучения, направленного вдоль поверхности Земли, и малое излучение под углом более 55°. Антенны с подобной диаграммой направленности называются антифединговыми. Такими, например, являются несимметричные вертикальные вибраторы высотой (0,53...0,6) .

В отличие от передающих, приемные антенны, как правило, не настраиваются на частоту принимаемых радиостанций. Для вещательного приема часто используются вертикальные Г-, Т-образные и зонтичные антенны.