ОП.06 Автоматизированные системы управления и связь
Занятие №13. «Антенно-фидерные устройства»
Простейший вид антенны – это одиночный прямолинейный провод. Такую антенну принято называть, как уже отмечалось, вибратором, вдоль которого укладывается половина длины волны (λ/2). Протекающий в передающей антенне переменный ток радиочастоты замыкается через емкость между антенной и землей (рис. 13.1).
Рис. 13.1. Распределение токов в вибраторе
|
Для уменьшения сопротивления цепи тока высокой частоты на участке между землей и источником ЭДС, а также для увеличения проводимости земли в зоне протекания токов высокой частоты основание антенны заземляется. Чем меньше сопротивление заземления и больше проводимость грунта, тем лучше условия излучения и меньше потери в земле.
Заземление может быть выполнено специальным противовесом. Он состоит из сети проводов, изолированных от земли и подвешенных над землей на высоте 1-1,5 м (рис. 13.2).
По проводам противовеса, расходящимся во все стороны от основания антенны, токи высокой частоты сходятся к генератору радиопередатчика, не попадая в землю. Эти провода выполняют функции экрана, на который замыкаются силовые линии электрического поля антенны. Симметричный (полуволновой) вибратор излучает радиоволны с неодинаковой интенсивностью в различных плоскостях.
О направленности действия любой антенны дает представление соответствующая диаграмма, т. е. график, показывающий зависимость напряженности поля радиоволн от направления излучения. Различают диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Диаграмма направленности полуволнового вибратора (рис. 13.3, а) в горизонтальной плоскости представляет собой окружность (рис. 13.3, б). Это значит, что в горизонтальной плоскости такая антенна является ненаправленной. В вертикальной плоскости излучение вибратора происходит неодинаково в различных направлениях (рис. 13.3, в). Наибольшая напряженность электромагнитного поля образуется в направлениях, перпендикулярных оси вибратора, а вдоль оси излучения нет.
Наряду с симметричным вибратором в УКВ-радиосвязи находит применение несимметричный вибратор. Такой вибратор образуется, если одну часть симметричного вибратора убрать, а освободившийся зажим соединить с землей. Длина вибратора в этом случае равна четверти собственной длины радиоволны, т. е. i = λ/4 (λ – длина электромагнитной волны). Поэтому заземленный вибратор называют четвертьволновым. Диаграммы направленности четвертьволнового вибратора показаны на рис. 13.4. Вдоль земли у такого вибратора излучение одинаково во всех направлениях.
Для оценки направленных свойств антенны любого типа служит коэффициент направленного действия (КНД), который показывает, во сколько раз нужно увеличить мощность электромагнитного излучения при переходе от направленной антенны к ненаправленной, чтобы сохранить неизменной напряженность электромагнитного поля в пункте приема. При этом за ненаправленную принимают воображаемую антенну, равномерно излучающую радиоволны во все стороны.
Коэффициент усиления антенны показывает, во сколько раз нужно увеличить мощность передатчика при переходе от направленной антенны к ненаправленной, чтобы сохранить неизменной напряженность электромагнитного поля в пункте приема.
Передающая антенна отличается от приемной тем, что к ней подводится более высокое напряжение. Это обстоятельство накладывает ограничения на изоляционные характеристики конструктивных элементов передающих антенн.
Для организации радиосвязи в пожарной охране в основном используются УКВ-радиостанции. В качестве антенн, устанавливаемых на ЦУС, пунктах связи части (ПСЧ) и других пунктах радиосвязи, чаще всего применяются стационарные антенны типа «стакан» (рис. 13.5, а).
| Такая антенна представляет собой симметричный полуволновой вибратор, состоящий из двух полных медных цилиндров 1 с заваренными верхними торцами. Верхняя и нижняя половины вибратора образуют как быопрокинутые стаканы. Отсюда и название антенн. Оба «стакана» эквивалентны четвертьволновым отрезкам коаксиальной фидерной линии, замкнутой на конце. Рис. 13.4. Конструкция антенн: а – стационарная типа «стакан»: 1 – металлические цилиндры «стаканы»; 2 – место подсоединения центральной жилы кабеля; 3 – изолятор; 4 – коаксиальный кабель; 5 – металлическая опора, б – автомобильная штыревая; 1 – металлический штырь; 2 – пружина; 3 – проходной изолятор; 4 – согласующий четвертьволновой трансформатор; в – носимая антенна Куликова: 1 – стальной трос; 2 – металлические цилиндры; 3 – пружина; 4 – система натяжения троса и замок; 5 – резьбовое соединение. |
Такая линия для токов высокой частоты представляет собой конечное активное сопротивление.Поэтому, хотя верхнее и нижнее плечи вибратора имеют электрическое соединение с заземляемой металлической опорой 5, токи высокой частоты не замыкаются на землю. Геометрическая длина антенны выбирается равной l = λ/4, а входное сопротивление – около 72 Ом.
Рассмотренная конструкция антенны обеспечивает эффективное преобразование энергии токов высокой частоты в энергию радиоволн и одновременно выполняет роль молниеотвода. Диаграммы направленности такой антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях аналогичны представленным на рис. 13.4 ,б, в.
Для установки на подвижные объекты широкое применение находят штыревые антенны, обладающие такими ценными качествами, как простота конструкции и достаточная механическая прочность. Штыревая антенна представляет собой несимметричный четвертьволновой вибратор. Его входное сопротивление примерно в 2 раза меньше, чем у антенны типа «стакан». Конструктивно антенна выполняется в виде металлического штыря 1, пружины 2, проходного изолятора 3. Для согласования антенны с коаксиальным кабелем используется четвертьволновой трансформатор 4 (рис. 13.4, б). Экранирующая оплетка кабеля должна быть заземлена. Подвижные объекты не заземляются, поэтому используются противовесы.
В радиостанциях, устанавливаемых на автомобилях, в качестве противовеса чаще всего используется крыша или другая металлическая деталь автомобиля. В автомобиле с брезентовым тентом противовесом должно служить кольцо с приваренными к нему четвертьволновыми штырями, расположенными друг к другу под углом 120°. Кольцо со штырями размещается в горизонтальной плоскости у основания антенны, и к нему припаивается экранирующая оплетка кабеля. От качества соединения экранирующей оплетки кабеля с массой автомобиля или противовесом в большой степени зависит величина мощности радиоволны, излучаемой антенной.
Практика показывает, что при установке штыревых антенн на крышах пожарных автомобилей, где размещено специальное оборудование (рукавные пеналы, лестницы, громкоговорители, проблесковые маяки и т. д.), диаграммы направленности антенн в значительной степени искажаются. Вследствие появления вторичного излучения от этих предметов диаграмма направленности антенн в горизонтальной плоскости будет отличаться от круговой.
Мощность потерь, возникающих при установке антенны близко к металлическим предметам (при L = 0,2 λ), может составлять до 60 % от общей излучаемой мощности. При увеличении расстояния L мощность потерь уменьшается, и при L > 0,35 λ, она составляет единицы процента.
Практика показывает также, что дальность радиосвязи при антенне, установленной на крыше автомобиля, может в 2-2,5 раза превышать дальность связи при установке антенны на кронштейне в некотором удалении от крыши автомобиля.
В портативных и носимых радиостанциях в основном применяются штыревые антенны системы Куликова. Они представляют собой вибраторы длиной от λ /4 (и менее) до 3/4 λ, выполненные в виде гибкого штыря. Основные элементы конструкции штыревой антенны приведены на рис. 13.4, в. Антенна состоит из стального троса 1 с нанизанными на него металлическими цилиндрами 2, пружины 3, системы натяжения троса и замка 4, а также резьбового соединения 5 для крепления антенны к корпусу приемопередатчика. Антенна снабжена натяжным винтом с гайкой для регулировки натяжения троса в процессе эксплуатации.
Наряду со штыревыми антеннами системы Куликова в портативных и носимых радиостанциях применяются проволочные гибкие антенны, встроенные в ремень сумки, служащей для переноски радиостанции. С такой антенной радиостанция более удобна в эксплуатации, однако дальность радиосвязи уменьшается примерно в 2 раза.
В качестве противовеса антенны в портативных и носимых радиостанциях используется масса приемопередатчика. Для повышения эффективности антенны применяется противовес в виде отрезка провода длиной, примерно равной длине штыревой антенны.
Следует учитывать, что тело оператора вносит искажения в форму диаграмм направленности антенн. При работе с радиостанцией на предельных по дальности связи расстояниях необходимо учитывать следующее:
– производить выбор места оператора с учетом особенностей распространения ультракоротких волн, которые, встречая на своем пути препятствия, отражаются и поглощаются ими;
– не располагаться с радиостанцией в непосредственной близости от крутых склонов, возвышенностей, насыпей, каменных и железобетонных зданий, металлических сооружений, поперечно идущих линий электропередачи, воздушных линий проводной связи и т. д.;
– при ведении радиосвязи из зданий выбирать помещение с окнами, выходящими на абонента.
Фидер – электрическая цепь и вспомогательные устройства, с помощью которых осуществляется передача электрических колебаний радиочастоты. По конструкции фидеры подразделяются на симметричные открытые линии из параллельных проводов; симметричные и коаксиальные кабели; волноводы и др.
В качестве фидеров при УКВ-радиосвязи используются в основном коаксиальные кабели, конструкция которых показана на рис. 13.5. С их помощью соединяются антенны с приемопередатчиками.
| Рис. 13.5. Конструкция коаксиального кабеля: 1 – проводник; 2 – изолятор; 3 – металлическая оплетка; 4 – внешняя изоляция |
Важной характеристикой антенны является ее входное сопротивление
где R А – активная составляющая входного сопротивления; R вх – реактивная составляющая входного сопротивления.Активная составляющая определяет значение сопротивления излучения и показывает, что часть энергии излучения антенной не возвращается в цепь генератора передатчика. Реактивная составляющая обусловлена тем, что на небольшом расстоянии от антенны (порядка нескольких длин волн) существует индукционное поле, энергия которого возвращается в цепь генератора передатчика.
Степень согласования фидера с антенной характеризуется коэффициентом бегущей волны или обратной ему величиной – коэффициентом стоячей волны. Коэффициент бегущей волны в реальных антенно-фидерных устройствах он составляет 0,6-0,95.
Появление стоячих радиоволн снижает КПД фидера, что особенно негативно сказывается на выходной мощности излучения. Нарушение согласования антенны с фидером также вызывает большие потери мощности излучения передатчика.
Различные по значению входное и волновое сопротивления фидера согласовываются с помощью четвертьволнового трансформатора, представляющего собой отрезок кабеля длиной в одну четверть длины электромагнитной волны. Сопротивление нагрузки, включенной на конце четвертьволнового трансформатора, трансформируется на его входе в величину, равную входному сопротивлению фидера, поэтому входное сопротивление можно увеличить или уменьшить путем изменения волнового сопротивления кабеля четвертьволнового трансформатора, оставляя неизменным входное сопротивление антенны.
| При использовании симметричной антенны и несимметричного коаксиального кабеля без симметрирующего устройства (см. рис. 3.15) у фидера появляется антенный эффект. Он заключается в том, что фидер излучает и принимает электромагнитные волны вертикальной поляризации, из-за чего наблюдаются потери мощности излучения при передаче и возрастают помехи при приеме. Для устранения антенного эффекта применяются симметрирующие устройства, которые выполняются |
из отрезковкоаксиального кабеля или металлических трубок.
На рис. 3.15, а изображена симметрирующая петля из отрезка коаксиального кабеля с электрической длиной λ /2.
На рис. 3.15, б показано симметрирующее устройство, которое одновременно является трансформатором сопротивлений. Отрезки аа' и bb' образуют четвертьволновой трансформатор, а отрезок аb – симметрирующую Петлю.
Вопросы и задания
1. Что в радиосвязи принято называть вибратором?
2. С какой целью основание антенны заземляется? Дать полный ответ.
3. Для чего служит противовес и из чего он состоит ** и как он функционирует?
4*. Изобразите простейшую антенну с противовесом.
5. О чем дает представление и что показывает диаграмма антенны?
5**. О чем свидетельствуют диаграммы направленности полуволнового и четвертьволнового вибратора?
6**. Как образуется несимметричный вибратор?
7*. Для чего служит и что показывает коэффициент направленного действия?
8*. Что показывает коэффициент усиления антенны?
9. Чем передающая антенна отличается от приемной *и какие ограничения это накладывает?
10. Какие радиостанции используются для организациирадиосвязив пожарной охране и какие антенны для них применяются?
11**. Изобразите и опишите устройство антенны типа «стакан».
12. Что обеспечивает конструкция антенны типа «стакан»?
13. Для чего используются штыревые антенны и какими качествами они обладают?
14**. Изобразите и опишите устройство штыревой антенны.
15. Что может служить противовесом на антеннах, устанавливаемых на автомобилях?
16*. Что показываетпрактикапри установке штыревых антенн на крышах пожарных автомобилей?
17. Что происходит с мощностью потерьпри установке антенны близко к металлическим предметам?
18. Какие антенны применяются в портативных и носимых радиостанциях *и что собой представляют данные антенны?
19. Что используетсяв качестве противовеса антенны в портативных и носимых радиостанциях?
20. Как влияет тело оператора на форму диаграмм направленности антенн *и что при этом необходимо учитывать?
21. Что такое фидер и что используется в качестве фидеров?
22**. Изобразите устройство коаксиального кабеля?
23**. Что является важной характеристикой антенны? Напишите формулу с названием ее элементов и чем они обусловлены?
24**. Чем характеризуетсястепень согласования фидера с антенной?
25*. Что вызывает большие потери мощности излучения передатчика?
26*. Почему появляется антенный эффект и в чем он заключается?
27. Для чего служит четвертьволновый трансформатор?
28**. Изобразите и опишите симметрирующие устройства?