Приемные антенны СВ, ДВ и СДВ диапазонов

Приемные СВ, ДВ и СДВ антенны значительно отличаются от передающих, как по конструктивному выполнению, так и по типам. Для прием­ных антенн отсутствуют проблемы, связанные с подведением больших мощ­ностей к антенне и возникновением в ней значительных потенциалов. В рас­сматриваемых диапазонах волн сильны атмосферные и промышленные по­мехи, а также помехи от других радиостанций и слабы помехи, связанные с тепловыми шумами приемника и фидера, поэтому с целью увеличения отно­шения сигнал/шум было бы желательно применять антенны, обладающие бо­лее или менее значительным КНД, тогда как КПД антенно-фидерной систе­мы и согласованность антенны с нагрузкой не играют существенной роли из-за имеющейся возможности повысить коэффициент усиления приемника. Однако использование высоконаправленных антенн из-за их больших разме­ров возможно только при профессиональном приеме, да и то далеко не все­гда. Основными видами приемных антенн являются рамочные, а также Г- и Т-образные антенны, отличающиеся от передающих только меньшими раз­мерами и конструктивным выполнением. В качестве направленной антенны для приема радиовещания на радиотрансляционных узлах применяется однопроводная антенна бегущей волны (ОБ). Приемные Г- и Т-образные антенны имеют вертикальную (высотой 10...15 м) и горизонтальную (20...30м) части, выполненные из одиночного провода. Заземление реали­зуется либо в виде листа оцинкованного железа, закопанного в землю на глубину 1...2 м и соединенного с соответ­ствующей клеммой приемника, либо в виде оцинкованной стальной трубы. Рамочные антенны из-за малости элек­трических размеров по своим свойствам подобны элемен­тарным рамкам. Диаграмма направленности такой рамки должна иметь нули в направлении нормали к плоскости рамки, что позволяет осуществлять отстройку от мешаю­щих станций. Однако если рамка соединяется с приемником  несимметричной линией, то нулевые направления в ДН могут исчезнуть из-за так называемого антенного эффекта. Чтобы устранить антенный эффект, наиболее часто рамка и симметрирующее устройство объединяются в единую конструкцию, изображенную на рис. 4.10. Антен­ный эффект может возникнуть и в этом случае, если соответствующим обра­зом не симметрирован вход приемника. Действующая длина (действующая высота) l_д рамки, имеющей площадь S, определяется по формуле l_д = 2πS/λ. Вблизи земли (если плоскость рамки вертикальна) l_д удваивается из-за влия­ния зеркального изображения. В рассматриваемых диапазонах действующая длина рамок обычно весьма мала, поэтому сопротивление излучения также мало, значительно меньше сопротивления потерь, так что КПД антенны очень низок.

По этой причине рамочные антенны редко используются в качестве передающих. Реактивная составляющая входного сопротивления рамки имеет индуктивный характер, и для ее компенсации можно параллельно вхо­ду подсоединить настроечный конденсатор. Настройка рамки эквивалентна увеличению действующей высоты в Q раз, где Q - добротность контура, об­разованного рамкой и настроечным конденсатором. Действующую высоту можно также увеличить, увеличив до n число витков рамки. При этом l_д воз­растает в n раз. Еще один способ увеличения действующей высоты состоит в использовании рамок с магнитодиэлектрическими сердечниками. В этом случае l_д= (2π/λ)nSμ_эф, где эффективная магнитная проницаемость μ_эф зави­сит от относительной магнитной проницаемости μ материала сердечника и от его формы. На рис.14.11 приведена серия кривых, показывающих зависимость μ_эф от отношения длины l сердечника и его диаметра 2а для разных μ.

Действующая длина рамочной антенны пропорциональна площади рамки, поэтому для профессионального приема радиовещания (ра­диотрансляционные узлы) или других видов профессионального приема применяют большие неподвижные рамочные антенны, устанавливаемые на антенном поле с помощью мачт. Ос­новным преимуществом рамочных антенн по сравнению с вертикальными несимметричными антеннами является наличие направлений нулевого прие­ма в горизонтальной плоскости, что позволяет отстраиваться от мешающих сигналов. Если при использовании для индивидуального приема малых рамочных антенн ДН управляют просто вращением рамки или всего прием­ника, то в случае больших рамок для этой цели требуются сложные и дорогиеконструкции. Избежать этого можно, применив так называемый гониометр. Гониометр состоит из двух небольших неподвижных (статорных) взаимно перпендикулярных катушек, внутри которых помещается подвижная (роторная) катушка-искатель. Гониометр располагается в помещении рядом с при­емником. Роторная катушка соединяется со входом приемника, а две статорные катушки - с двумя наружными взаимно перпендикулярными рамочными антеннами. Схема гониометрической антенной системы изображена на рис. 3.12.

Нормированные характеристики направленности рамок 1 и 2 определяются выражениями F₁(φ) = соsφ; F₂(φ) = sinφ, где φ - угол между направлением на принимаемую станцию и плоскостью рамки 1. Под действием на­водимых в рамках ЭДС возникают токи в неподвижных катушках, включен­ных в эти рамки. Ток в катушке I, включенной в рамку 1, I₁=I₀соsφ, ток в ка­тушке II I₂=I₀sinφ. Равенство амплитудных значений токов в обеих катушках обеспечивается идентичностью рамок 1, 2, катушек I, II и фидеров, соеди­няющих рамки с соответствующими катушками.

Коэффициент взаимной индукции между неподвижной катушкой 1 и искателем М₁=М₀соsФ, где Ф - угол между катушкой I и искателем; М₀ - коэффициент взаимной индукции при совпадении плоскостей неподвижной и подвижной катушек. Коэффициент взаимной индукции между катушкой II и искателем М₂=М₀sinФ. Элек­тродвижущие силы, наведенные неподвижными катушками I и II в искателе, можно определить соответственно по формулам e₁=I₀wМ₀соsφсоsФ; e₂=I₀wМ₀sinφsinФ. Результирующая ЭДС в искателе равна сумме ЭДС, на­водимых неподвижными катушками: e_р=e₁+e₂=I₀wМ₀(соsφсоsФ+sinφsinФ).Таким образом, нормированная характеристика направленности гониомет­рической антенны F(φ)=соs(φ-Ф). Эта характеристика направленности ничем не отличается от ДН обычной рамочной антенны. Как видно из фор­мулы, изменяя положение искателя (угол Ф), можно управлять ДН антенны. Максимальное направление приема получается при φ = Ф; прием отсутствует при φ - φ = ± 90°. Таким образом, вращение катушки - искателя дает тот же эффект, что и вращение рамочной антенны. Если к рамочным антеннам добавить верти­кальный несимметричный вибратор, то можно получить однонаправленную ДН типа кардиоиды с управляемым положением максимума F(φ) = 0,5[1+cos(φ - Ф)] Отметим, что существуют электронные аналоги гониометрических устройств. Качество приема радиовещания на радиотрансляционных узлах можно улучшить, применив антенны со значительными направленными свойствами. К таким антеннам относится однопроводная антенна типа бегущей волны (ОБ). Эта антенна представляет собой горизонтальный провод (рис. 3.13) длиной L (от полуволны до нескольких длин волн), подвешенный на небольшой высоте над землей. Один конец провода присоединяется к приемнику, а другой - к резистору с сопротивлением R_H, равным волновому сопротивлению провода. Второй конец нагрузочного сопротивления соеди­няется с выводом заземления. Из-за конечной проводимости почвы вектор Пойнтинга вертикально поляризованной земной волны, излучаемой пере­дающей радиостанцией, не параллелен поверхности Земли, он составляет с ней некоторый угол Δ_e. Вследствие наклона вектора Пойнтинга появляется горизонтальная составляющая Е_г = EsinΔ_e приходящего поля, наводящая ЭДС в проводе. При приеме пространственной волны значение Е_г определяется углом наклона этой волны. Под действием ЭДС в проводе возникает ток, вторым проводом для которого является земля. Хотя рассмотренная антенна используется в качестве приемной, удобнее анализировать ее работу в режи­ме передачи. Так как провод нагружен на сопротивление, равное его волно­вому сопротивлению, то в проводе устанавливается бегущая волна тока. По­скольку диэлектрическая проницаемость почвы больше диэлектрической проницаемости воздуха, фазовая скорость волны в антенне оказывается меньше скорости света и, следовательно, должна существовать оптимальная длина L_opt провода, при которой КНД антенны максимален. Однако из-за экс­поненциального затухания тока, вызванного потерями в земле, этот эффект может оказаться нарушенным. Без учета затухания тока в проводе ДН антен­ны ОБ в горизонтальной плоскости можно приближенно рассчитать по фор­муле f(φ) = {соsφ/[(с/u) - cosφ]}·sin{(kL/2)[(c/u) - cosφ]}. Коэффициент по­лезного действия и КУ антенны ОБ из-за больших потерь энергии в почве и поглощающем сопротивлении очень малы, поэтому эта антенна, как правило, в качестве передающей не применяется.