меняется эмпирическая формула М. В. Шу-лейкина

Rs = A. (7-22)

где Яо - собственная длина волны антенны (стр. 290); А- коэффициент качества заземления.

Значение коэффициента А для очень хорошего заземления 0,5-1 ом; для хорошего или противовеса 1-2 ом. Для удовлетворительного 2-4 ом; для плохого 4- 7 ом. Более точный учет сопротивления потерь в земле рассматривается в [Л. 3].

На волнах короче нескольких метров сопротивлением потерь обычно пренебрегают.

Коэффициент полезного действии антенны

Коэффициент полезного действия (к. п. д.) антенны т]а - отношение излучаемой мощности Pj; к полной мощности, поступающей в антенну, превышающей на величину мощности потерь Рп,

Полная мощность может быть представлена как

а к. п. д. антенны

(7-24)

Рц + Р.

(7-23)

zw г 1° гБс B-wmo гзо° зоо зю° а)

гю 240° 270° 300° 330° 0° 30° 60° 90° 1W 150° шо°

£)

Рис. 7-7. Диаграмма направленности антенны.

а - Б полярной системе координат; б - в прямоугольной системе координат; / - по напряженности поля; 2 - по мощности.

Направленное действие

Любая антенна излучает электромагнитную энергию в различных направлениях неравномерно; интенсивность излучения т. е. отношение мощности излучения к единице площади фронта волны, в одних направлениях максимальна, а в других - минимальна. Направленное действие антенны оценивается с помощью характеристик (диаграмм) направленности, представляющих математическую (графическую) зависимость интенсивности излучения от направления в пространстве. Данное определение представляет характеристику направленности антенны по мощности . Часто пользуются характеристиками направленности по полю , определяемыми зависимостью амплитуды напряженности создаваемого антенной поля от направления.

Обычно характеристики направленности даются в двух основных плоскостях: горизонтальной и вертикальной (по отношению к земной поверхности) или в плоскостях поляризации: £-плоскости, совпадающей с ориентировкой вектора напряженности электрического поля, и Я-плоскости, совпадающей с ориентировкой вектора напряженности магнитного поля антенны. На рис. 7-7 представлена характеристика направленности одной из сравнительно направленных антенн, построенная в разных координатах - полярных и прямоугольных. Характеристика, построенная в полярных координатах (рис. 7-7, а), обладает наглядностью, но для весьма направленных антенн по ней трудно производить отсчеты. Поэтому предпочтительнее пользоваться характеристиками в прямоугольных координатах (рис. 7-7,6).

Направление максимальной интенсивности излучения на характеристике совмещается с началом отсчета углов. Обычно характеристики направленности нормируются к единице, т. е. в направлении радиусов-векторов (на рис. 7-7, а - OA, ОБ, ОБ и т.д.) откладывают-

340

ся относительные величины интенсивности излучения (по отношению к максимальному значению). Показателем интенсивности излучения на характеристиках направленности может быть напряженность электрического поля (рис. 7-7, й) или его мощность (рис. 7-7, б, пунктирная линия).

Лепесток характеристики направленности, соответствующий направлениям максимальной интенсивности излучения, называется основным лепестком, другие лепестки - боковыми. Для удобства оценки направленных свойств антенны широко пользуются понятием ширины характеристики направленности по половине мощности, подразумевая под ней угол, в пределах которого интенсивность излучения не падает ниже 50% максимальной. Если характеристика направленности построена по мощности поля, то ее ширину определяют на уровне 0,5 относительно максимума; если же характеристика построена по напряженности поля, то ее ширину надо определять на уровне 0,707. Характеристика направленности, построенная иа рис. 7-7, имеет ширину 50°. В некоторых случаях под шириной характеристики направленности подразумевают угол между направлениями (в пределах основного лепестка), вдоль которых интенсивность излзчения равна нулю.

Другим показателем направленного действия антенны является коэффициент направленного действия (к. н. ц.) D, показывающий, во сколько раз нужно было бы увеличить мощность излучения антенны в случае использования ненаправленной антенны вместо данной направленной, чтобы интенсивность излучения в месте приема осталась неизменной.

Если известны ненормированная характеристика направленности антенны по напряженности поля а(ч?, в), где ф - угол в горизонтальной, Я-плоскости, в - в вертикальной, Е-плоскости (в - также jtoa, отсчитываемый от оси вибратора), и сопротивление излучения антенны в пучности R , то к. н. д. в любом направлении составляет:

120 Fl (ф, в)

(7-25)

В данном сл5гчае к. н. д. определен относительно гипотетической абсолютно ненаправленной антенны с пространственной диаграммой направленности, представляемой поверхностью шара.

Иногда к. н. д. вычисляют относительно некоторой эталонной антенны, например относительно диполя Герца или полуволнового вибратора. В этом случае

П(ф.в)

Rn Fl(<p. в)

(7-26)

где Ra и Fs{(p, в) -соответственно сопротивление излучения и характеристика на-

правленности по напряженности поля эталонной антенны.

Пример. Определим к. п. д. полуволнового вибратора в направлении максимума излучения и в направлении, отстоящем на 30° от максимума (в плоскости, проходящей через ось вибратора).

В плоскости, проходящей через ось полуволнового вибратора, характеристика направленности имеет вид:

cose

sine

(7-27)

Решение. В плоскости, перпендикулярной оси, вибратор излучает во всех направлениях одинаково.

Для максимума излучения 6=90° Ра(Щ=1; величина i?2in =73,1 ом. Таким образом,

1).акс = -= 1.64.

Для угла 6=60° величина D=l,07, и для угла 6=0° величина £=0.

Если известны значения ширины характеристики направленности в горизонтальной (Фо.б) и вертикальной (60,5) плоскостях по мощности поля, то к. н. д. приближенно может быть найден по формуле

25 000

D ~ --(7-28)

Иногда к. н. д. дается в децибелах:

Dщ lOlgD. (7-29)

причем в этом случае к. и. д. обычно называется выигрышем антенны.

Коэффициент усиления антенны

Коэффициент усиления антенны G - произведение к. н. д. антенны на ее к. п. д.

С = £>г1д. (7-30)

Частотная характеристика антенны

Антенна как колебательная система обладает избирательностью. В рабочем диапазоне частот антенна должна сохранять излучательную способность н направленные свойства. В общем случае частотная характеристика антенны представляет зависимость амплитуды напряженности электрического поля в дальней зоне (в направлении максимума излучения) от частоты питающего антенну тока при неизменной амплитуде питающего ее напряжения:

£ = ф(/д) при Ид = const, (7-31)

где /а/ - амплитудное значение питающего тока на частоте колебаний f. На практике частотные характеристики антенны строят как зависимости /а /ао

ОМгц

ТОТНОЙ характеристикой, представленной на рис. 7-8, й, является широкополосной; при передаче же телевизионных сигналов эта антенна является узкополосной.

Подсчет полосы пропускания частот (в мегагерцах) вибраторных антенн ведется по формуле

2Д/д=0.64- .

оаТ

(7-33).

Рис. 7-8. Частотная характеристика антенны.

а - настроенная широкополосная антенна; б - диапазонная антенна.

(/ао - амплитудное значение питающего тока на резонансной частоте) в функции частоты f (рис. 7-8) для ненаправленных (слабонаправленных) антенн или как зависимости величины kf от частоты для направленных антенн:

AffAf(ФQ)

аоао(ф, в)

(7-32)

где индексами f и О обозначены ток и характеристика направленности антенны при данных частоте и резонансе соответственно.

О диапазонности (ыирокополосности) антенны судят по полосе пропускания частот, определяемой на уровне 0,707 от максимального значения /а /ао или величины kf. Так, на рис. 7-8, а представлена частотная характеристика полу-волноого вибратора длиной /=20 м (резонансная частота fo=7,5 Мг), имеющего волноюе сопротивление Zoa=500 ои. Полоса пропускания частот данной антенны 2AfA=l,25 Мгц.

Различают диапазонные антен-н ы, частотная характеристика которых позволяет вести работу на нескольких несущих частотах (с необходимой шириной полосы пропускания на каждой частоте), и настроенные антенны, частотная характеристика которых позволяет вести работу только на одной несущей частоте (с определенной полосой пропускания). При этом настроенная антенна может быть у з к о -полосной или широкополосной.

Деление антенн на узкополосные и широкополосные не имеет четкой границы: обычно широкополосность антенны определяют в соответствии с отношением ширины пропускания частот к спектру частот сигнала Afc- При этом если 2A/a/Afc>l, антенну называют широкополосной, если же 2Д/д/Д/с<! 1, то антенну относят к узкополосной. Так, при передаче амплитудно-модулированных сигналов антенна с час-

где i?a-n - полное сопротивление антенны, отнесенное к пучности. Пример. Определим полосу пропускания частот вибраторов длиной li=%l2 и /2= с волновым сопротивлением Zoa=600 ом для Я,= 10 м. Резонансная частота для обоих вибраторов одинакова и равна

300 300 fo = - = - =30 Мгц.

Решение. Пренебрегая потерями, принимаем /?а.п полуволнового

вибратора /?хп =73,1 ом, а для вибратора с длиной h R-sn -200 ом (см. график на рис. 7-4). Резонансная длина полуволнового

вибратора h рез=0,95-=4,75 м, а вибратора длиной 12

/2рез = 0.95- = 9,5/ .

Отсюда по формуле (7-33) получаем полосу пропускания частот для вибратора длиной h, равную 4,9 Мгц, а для вибратора длиной /2 - 6,75 Мгц.

Данный пример показывает, что увеличение длины вибратора при прочих равных условиях приводит к росту полосы пропускания частот (увеличивается R).

Для получения большей полосы пропускания частот, как следует из формулы (7-33), необходимо стремиться к уменьшению значений волнового сопротивления вибраторов. Это достигается, например, путем увеличения толщины вибраторов [см. формулы (7-12) и (7-13)].

При необходимости иметь достаточно большую ширину полосы пропускания частот в случае полуволновых вибраторов применяют многоэлементные вибраторы (рис. 7-9). Общее значение сопротивления излучения таких вибраторов

Rs = Rs(l/2)

где п - число вибраторов, а

z:{V2) =73,1 ом.

Наиболее часто применяется петлевой вибратор Пнстолькорса {п=2, i?j. 290 ом).