Штыревые антенны

Введение
Антенна - это устройство, предназначенное для излучения или приёма радиоволн.Первые антенны были созданы в 1888 году Генрихом Герцем в ходе его экспериментов по доказательству существования электромагнитной волны (Вибратор Герца). Форма, размеры и конструкция созданных впоследствии антенн чрезвычайно разнообразны и зависят от рабочей длины волны и назначения антенны. Они стали нашли широко применяется, для улучшения направленных свойств первичный излучатель может снабжаться рефлекторами - отражающими зеркалами различной конфигурации и системами зеркал, а также линзами. Целью работы является изучение штыревых антенн.Задачи:Рассмотреть понятие и сущность штыревой антенны.Изучить общую характеристику штыревое антенны.Изучить типы штыревых антенн и их согласование.1. Понятие и сущность штыревой антенныВ широком смысле, штыревая антенна - это монопольная антенна, и, как и вертикальный диполь, имеет всенаправленный диаграмма направленности, излучающая одинаковую мощность радиосигнала во всех азимутальных направлениях (перпендикулярных оси антенны), при этом излучаемая мощность спадает с углом места до нуля на оси антенны. В узком смысле, несимметричными (штыревыми) называют антенны, расположенные непосредственно у земли (или металлического экрана) перпендикулярно (реже наклонно) к ее поверхности.Если считать землю идеально проводящей и учитывать зеркальное отображение, то несимметричный вибратор можно считать половиной эквивалентного ему симметричного вибратора (рисунок 1).Исходя из этого предположения, и рассчитываются все основные характеристики несимметричного вибратора (штыря).33883482360043Рисунок 1. Схема напряжения питания штыряСопротивление излучения несимметричного вибратора в два раза меньше, чем у эквивалентного симметричного вибратора, поскольку при одинаковых токах первый излучает в два раза меньшую мощность (нет излучения в нижнее полупространство).Входное сопротивление несимметричного вибратора в два раза меньше, чем у эквивалентного симметричного вибратора, поскольку при одинаковых токах питания у первого напряжение питания в два раза меньше (рисунок 1).Коэффициент направленного действия несимметричного вибратора в два раза больше, чем у эквивалентного симметричного вибратора, поскольку при одинаковой мощности излучения первый обеспечивает в два раза большую угловую плотность мощности, так как вся его мощность излучается в одно полупространство (рисунок 2).Рисунок 2. Поток мощности, излучаемый штыремВсе сказанное справедливо для идеального несимметричного вибратора, то есть когда земля представляет собой идеальный проводник. Если же земля обладает плохими проводящими свойствами, поле излучения вибратора меняется. Кроме того, это приводит к уменьшению амплитуды тока в вибраторе и, следовательно, к повышению его сопротивления и уменьшению излучаемой мощности. Почва является диэлектриком с большой диэлектрической проницаемостью (равной почти 80), что приводит к изменению электрической длины мнимого диполя, а также длины пути токов смещения. Результат - полное искажение диаграммы направленности (поднятие лепестков вверх и исчезновение излучения под малыми углами к горизонту) и увеличение сопротивления штыря.По этой причине практически не используют почву в качестве "земли", а используют искусственную землю.2. Общая характеристика штыревое антенныДлина. Штыревые антенны обычно проектируются как резонансный антенны; стержень действует как резонатор для радиоволн, с стоячие волны напряжения и тока, отраженных назад и вперед от его концов. Поэтому длина антенного стержня определяется длина волны используемых радиоволн. Чаще всего длина составляет примерно четверть длины волны, она называется «четвертьволновой хлыст» (хотя ее часто сокращают за счет использования загрузочная катушка; видеть электрически короткие хлысты ниже). Например, обычные четвертьволновые штыревые антенны, используемые в FM-радиостанциях в США, имеют длину примерно 75 см, что составляет примерно четверть длины радиоволн в FM радио полосы от 2,78 до 3,41 метра в длину. Полуволновые антенны также распространены.Коэффициент усиления и радиационная стойкость. Четвертьволновая вертикальная антенна, работающая против идеальной бесконечной земли, будет иметь усиление 5,19 дБи и радиационная стойкость около 36,8 Ом. Кнуты, установленные на транспортных средствах, используют металлическую обшивку транспортного средства в качестве плоскости заземления. В портативных устройствах обычно не предусмотрено явное заземление, и заземляющая сторона антенны линия подачи просто подключается к земле на печатной плате устройства. Таким образом, само радио и, возможно, рука пользователя служат элементарной заземляющей поверхностью. Поскольку они не больше, чем размер самой антенны, комбинация шнура и радио часто работает скорее, как асимметричный дипольная антенна чем как монопольная антенна. Коэффициент усиления несколько пострадает по сравнению с полуволновым металлическим диполем или штырем с четко определенной заземляющей поверхностью.Антенны на земле. В штыревой антенне, не установленной на проводящей поверхности, например, антенне, установленной на мачте, отсутствие отраженных радиоволн от плоскости земли приводит к тому, что лепесток диаграммы направленности наклоняется вверх к небу, поэтому по горизонтали излучается меньше энергии. направления, нежелательные для наземной связи. Кроме того, несимметричный импеданс монопольного элемента вызывает высокую частоту тока в опорной мачте и на внешней стороне основных экранирующего проводника коаксиального фидера. Чтобы предотвратить это, со стационарными хлыстами, установленными на конструкциях, часто используется искусственная «заземляющая плоскость», состоящая из трех или четырех стержней длиной в четверть длины волны, соединенных с противоположной стороной фидерной линии, проходящей горизонтально от основания хлыста. Это называется антенна на земле. Эти несколько коротких проволочных элементов служат для получения ток смещения от ведомого элемента и верните его к заземляющему проводнику линии передачи, заставляя антенну вести себя так, как если бы под ней была сплошная проводящая плоскость. Часто (см. картинки) стержни заземляющего слоя наклонены вниз, чтобы опустить главный лепесток диаграммы направленности ближе к горизонтали и увеличить нормальное сопротивление излучения 36,8 Ом ближе к 50 Ом, чтобы обеспечить лучшее согласование импеданса со стандартным 50 Ом коаксиальный кабель линия подачи.Электрически короткие хлысты. А резиновая утка антенна, распространенный тип электрически короткого хлыста на портативном ультравысокочастотном CB трансивер. С резиновой оболочкой (оставили) удаленный.Чтобы уменьшить длину штыревой антенны и сделать ее менее громоздкой, индуктор (загрузочная катушка) часто добавляется последовательно с ним. Это позволяет сделать антенну намного короче, чем нормальная длина четверти длины волны, и при этом оставаться резонансный, отменив емкостное сопротивление короткой антенны. Катушка добавляется у основания хлыста (называемого хлыстом с базовой нагрузкой) или иногда посередине (хлыст с центральной загрузкой). В наиболее распространенной форме резиновая утка антенна, загрузочная катушка интегрирована с самой антенной, сделав штырь из узкого спираль из упругой проволоки. Спираль распределяет индуктивность по длине антенны, улучшая диаграмму направленности, а также делает ее более гибкой. Другой альтернативой, иногда используемой для укорачивания антенны, является добавление на конце «шляпы емкости», металлического экрана или излучающих проводов. Однако все эти электрически короткие кнуты имеют нижнюю прирост чем полный четвертьволновой хлыст.Многодиапазонная работа возможна с катушками примерно на половину или одну треть и две трети, которые не сильно влияют на антенну на самом нижнем диапазоне, но создают эффект сложенных диполей на более высоком диапазоне (обычно × 2 или × 3 частота).На более высоких частотах (2,4 ГГц, но существуют военные кнуты для диапазона от 50 до 80 МГц, и они являются стандартной проблемой для SINCGARS радио в диапазоне 30-88 МГц), коаксиальный кабель может проходить вверх по центру трубки. Изолированный переход трубки и шнура питается от коаксиального кабеля, и нижний конец трубки, куда входит коаксиальный кабель, имеет изолированное крепление. Этот вид вертикального штыря представляет собой полный диполь и поэтому не требует заземления. Как правило, он лучше работает на нескольких длинах волн над землей, отсюда обычно ограничение на микроволновые диапазоны.Повреждения автомобильной антенны. Штыревые антенны на транспортных средствах могут быть повреждены автоматическим оборудованием для мойки автомобилей, особенно тем, которое использует вращающиеся щетки для абразивного удаления грязи с внешней стороны кузова транспортного средства. Поскольку щетки должны соприкасаться с поверхностью автомобиля, они могут погнуться или полностью сломать штыревые антенны. Эти антенны обычно рекомендуется снимать или убирать, чтобы щетки не соприкасались, или владелец транспортного средства должен использовать только автоматическую мойку с «бесконтактной» струей воды.3. Типы штыревых антенн и их согласование Несимметричный вибратор с экраном конечных размеров (рис.3). Эту антенну применяют в основном радиолюбители. В качестве экрана обычно применяют противовесы длиной не менее четверти длины волны.Рисунок 3. Несимметричный вибраторРасчет диаграммы направленности такой антенны в реальных условиях очень сложен, поэтому считается, что ее диаграмма направленности совпадает с диаграммой направленности идеального штыря над бесконечно проводящей землей. Однако полупроводящая поверхность земли может серьезно исказить ее, особенно когда длина противовесов по сравнению с длиной штыря мала.Несимметричный петлевой вибратор (рисунок 4). Его диаграмма направленности совпадает с диаграммой направленности классического штыря. Однако, он обладает преимуществом, выражающемся в том, что один его конец в любом случае заземлен. Подбором толщин можно изменять его входное сопротивление в широких пределах. При равном сопротивление вибратора будет равно 146 Ом. Рисунок 4. Несимметричный петлевой вибраторШирокодиапазонные вибраторы, изготавливаются из толстых труб, штырей, пластин. Могут быть как коническими, так и ромбическими, цилиндрическими, сплошными и решетчатыми (рисунок 5). Всем хорошо известная антенна UW4HW является широкополосным несимметричным вибратором, а вертикальный излучатель UA1DZ - широкополосным симметричным вибратором.Рисунок 5. Виды широкополосных вибраторовКонические антенны - частный случай широкополосных вибраторов (рис.8).Рисунок 6. Конические антенныПоле излучения создается токами, обтекающими конус, а диск играет роль экрана и почти не излучает. При угле раскрытия 600 достигается наибольший коэффициент перекрытия диапазона, равный пяти, при КБВ > 0,5 в фидере с волновым сопротивлением 50 Ом. При этом максимальная длина волны равна 3,6. Диаграмма направленности дискоконусной антенны KB и УКВ примерно такая же, как и обыкновенного штыря. На KB применяют проволочный вариант конусной антенны (рисунок 6б), в которой вместо конуса используется плоский проволочный веер, а вместо диска - система заземления из радиальных проводов.Отдельно хочу обратить внимание на антенны-мачты (рисунок 7). Особенностью таких антенн является то, что нижний их конец заземлен.Рисунок 7. Антенна-мачта верхнего питанияАнтенна верхнего питания (рисунок 7) возбуждается с помощью фидера, проложенного внутри мачты. Это принципиально. Диаграмма его такая же, как и у обычного штыря, но потери при излучении и приеме больше, так как радиоволна отражается от земли при излучении.Антенна среднего питания (рисунок 8) представляет собой мачту из двух частей, возбуждаемую последовательно в точках 1 и 2 напряжением, которое подается с помощью фидера, проложенного внутри нижней части. Сопротивление антенны в точках питания Ra = Rb/cos2kl1, где к - коэффициент укорочения, Rb - сопротивление «чистого» вибратора в точке 3. Рисунок 8. Антенна-мачта среднего и шунтового питанияПодбирая соотношение между I1 и I2, можно согласовать антенну с фидером питания. Принципиальное значение имеет то, что фидер должен проходить внутри нижней части антенны. Недостаток - трудности с изолятором для верхней ее части.Антенна шунтового питания (рисунок 8) возбуждается параллельно при помощи шунта, подсоединяемого к мачте на некоторой высоте 11. Обычно входные реактивные сопротивления нижней и верхней частей антенны имеют индуктивный и соответственно емкостной характер, и по входному сопротивлению в точке 1 антенна эквивалентна параллельному контуру. Подбором величины 11 обеспечивается наилучшее согласование с фидером питания. Распределение токов таково, что частично ослабляет излучение антенны, поэтому шунт следует делать минимальных размеров. Классическая реализация шунтового питания - гамма-согласование.Часто, особенно при построении антенн для низкочастотных диапазонов, нет возможности расположить вибратор вертикально относительно земли. При расположении штыря наклонно относительно земли диаграмма направленности, конечно, исказится.Следует располагать по возможности больше противовесов под той частью антенны, которая наклонена. Надо, также по возможности, поднимать противовесы так, чтобы они образовывали с антенной угол не более 135°. Следует помнить, что такая антенна более тяжела в согласовании из-за наличия значительной реактивной составляющей.Для успешной работы штыревая антенна должна быть согласована. Несмотря на все кажущееся многообразие согласующих устройств и штырей, их можно разбить на 3 группы:Штырь согласованный, электрическая длина равна четверти длины волны;Штырь с электрической длиной больше требуемой, эту длину «убирают» с помощью емкости;Штырь длиной меньше четверти длины волны. Недостающую длину «добавляют» катушкой индуктивности.Необходимо помнить, что конденсатор и катушка должны иметь максимально возможную добротность, а также желательно, чтобы ТКЕ и ТКИ были как можно лучше. Обычно емкость укорачивающего конденсатора может быть в пределах 100 пф на 28 - 18 МГц, параметры удлиняющей катушки - единицы мкГн до 21 МГц, десятки - до 3,5 МГц.В заключение следует отметить, что подобная практика согласования применима к штырям длиной, кратной четверти длины волны.
Заключение
Современная наука и техника не стоит на месте, а стремительно движется вперед. Возможности радиолокационных систем далеко не исчерпаны и таят в себе огромный потенциал для дальнейших исследований, дальнейшего расширения. Для этого необходимы новые конструкторские решения, которые в частности касаются и антенных устройств, составную часть которых, а именно штыревые антенны, были рассмотрены в данном реферате.
Список использованных источников
Айзенберг, Г.З. Коротковолновые антенны / Г.З. Айзенберг. - М.: Радио и связь, 2020. - С. 29-85.Белоцерковский, Г.Б. Основы радиотехники и антенн / Г.Б. Белоцерковский. - М.: Радио и связь, 2021. - С. 42-97.Беньковский, З Любительские антенны коротких и ультракоротких волн / З. Беньковский, Э. Липинский. - М.: Радио и связь, 2019. - 145 с.Бова, Н.Т. Антенны и устройства СВЧ / Н.Т. Бова, Г.Б. Резинков. - М.: Высшая школа, 2021. - 324 с.Федоров, Н.Н. Основы электродинамики / Н.Н. Федоров. - М.: Высшая школа, 2020. - 198 с.