СИММЕТРИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА АНТЕНН

К. Харченко, Радио №2/1966, ст.24

Многие КВ и УКВ антенны, в частности телевизионные, от­носятся к классу симметрич­ных антенн. При питании таких антенн через коаксиальный фидер их работа во многом зависит от выполнения переходных симметри­рующих устройств. Однако нередко радиолюбители, изготовляя антенну, вообще не делают таких устройств или конструируют их неправильно, исходя из ошибочных рекомендаций, которые встречаются в некоторых популярных книгах по антенным устройствам.

В настоящей статье описаны спо­собы симметрирования антенн и свойства некоторых симметрирующих устройств, а также даны рекомен­дации по их выполнению.

Непосредственное присоединение коаксиального фидера к симметрич­ной антенне (например, к диполю) нарушает симметрию токов в ней и приводит к появлению тока на наружной поверхности экрана фи­дера, то есть вызывает появление антенно-фидерного эффекта. На рис. 1 ,а (см. 3-ю страницу обложки) показано такое соединение диполя с фидером. При этом выходное на­пряжение фидера приложено не толь­ко к входным зажимам 1—2 сим­метричного вибратора, но также и к одному зажиму 2 и экранирую­щей оболочке 3 фидера.

Напряжение между зажимами ви­братора вызывает в нем симметрич­ные токи, замыкающиеся с одной половины вибратора на другую, как показано на рис. 1,а сплошными стрелками. Напряжение между пра­вой половиной вибратора и оболоч­кой кабеля вызывает дополнитель­ный ток, показанный пунктирными стрелками. Появление этого тока приводит к излучению (приему) фи­дером электромагнитной энергии, что нарушает симметрию токов в антенне и в итоге искажает диа­граммы направленности.

На рис. 1,6 приведена эквива­лентная схема симметричной антен­ны с непосредственно подключенным коаксиальным фидером, где антенна изображена в виде сопротивления R_н нагрузки выходных зажимов генератора или потребителя (пере­датчика или приемника). Как видно из схемы, один из этих зажимов будет соединен не только с сопро­тивлением нагрузки R_н, но и с землей через конденсатор С, обклад­ками которого являются вибратор антенны и экранирующая оболочка фидера. Таким образом, симметрия антенны нарушится. Поэтому для соединения коаксиального фидера с симметричной антенной используют специальные переходные устройства, называемые также симметрирующи­ми, благодаря которым достигается электрическая симметрия каждой половины антенны относительно эк­ранирующей оболочки фидера. Пе­реходное устройство типа «запира­ющий стакан» показано на рис. 2,а. В этом устройстве входные зажимы 1—2 вибратора антенны непосред­ственно подключаются к внутрен­нему и внешнему проводникам коак­сиального кабеля, который размещен внутри металлического стакана В по его оси так, что стенки стакана и экранирующая оболочка Б кабеля образуют коаксиальную линию с волновым сопротивлением р (фор­мулы для расчета волновых сопро­тивлений коаксиальных и двухпро­водных линий приведены в журнале «Радио» № 11 за 1962 г.). Входное сопротивление этой линии между точками 2 и 3 равно:

Полоса частот симметрирующего устройства со стаканом может быть увеличена путем введения второго отрезка коаксиальной линии с таким же волновым сопротивлением, что и стакан (рис. 3,а). При этом, как видно из эквивалентной схемы (рис. 3,6), сопротивления точек 1 и 2 относительно земли будут равны, независимо от их величины, то есть Z_1,2=Z_2,3— Благодаря этому питание антенны будет симметрично в ши­рокой полосе частот. Различие меж­ду устройствами, приведенными на рис. 3 и рис. 4, заключается в том, что в последнем два элемента (5 и Б’) помещены рядом, образуя замкнутую на конце двухпроводную линию

Симметрирующее устройство рис. 4 просто по конструкции, работает в широкой полосе частот и в люби­тельской практике употребляется наиболее часто. Одним из провод­ников этого симметрирующего уст­ройства является экранирующая обо­лочка коаксиального фидера (эле­мент Б), в качестве второго (эле­мент Б’) могут быть взяты либо отрезок кабеля, из которого выпол­нен фидер, либо трубка равного ему диаметра. Основное преимуще­ство этого устройства перед преды­дущим (рис. 3) — вдвое меньшая длина.

Схема симметрирующего устрой­ства типа «U-колено» показана на рис. 5,а. Здесь центральный провод основного коаксиального фидера при­соединяется к зажиму 1 левой по­ловины вибратора. От этой же точки напряжение к зажиму 2 правой половины вибратора подается через отрезок кабеля длиной —λ/2, где λ—длина волны в кабеле (с учетом укорочения). Фаза напряжения при прохождении участка кабеля длиной λ/2 сдвигается на 180^о, поэтому к зажимам вибратора подводится тре­буемое противофазное напряжение. Экранирующие оболочки кабелей сое­динены между собой. Нетрудно ви­деть, что при таком питании обе половины вибратора симметричны относительно оболочки фидера.

Симметрирующие устройства, бу­дучи включены на вход антенны, влияют на результирующие значе­ния входного сопротивления, под­ключенного к питающему фидеру. Поэтому их можно рассматривать так же, как трансформирующие и согласующие устройства. U-колено является трансформатором сопротив­лений, так как входное сопротив­ление нагрузки фидера между точ­ками 1—3 в четыре раза меньше входного сопротивления вибратора на зажимах 1—2. Это можно про­следить, пользуясь эквивалентной схемой (рис. 5,6), если учесть, что значения входного сопротивления на выходе и входе полуволновой линии равны независимо от вели­чины ее волнового сопротивления. Симметрирующие устройства рис. 3 и 4 работают как параллельные шлейфы. Их способность к транс­формации входных сопротивлений антенны можно проследить на при­мере расчета последних для обычного диполя.

Кривые, изображенные на рис. 6, дают возможность представить ха­рактер изменения и значения ре­зультирующих сопротивлений на вхо­де основного фидера в зависимости от отношения l/λ, где l — длина плеча вибратора, λ— длина волны, р— волновое сопротивление наибо­лее распространенного симметриру­ющего устройства, изображенного на рис. 4. В этом примере взяты значения d/λ=100 (d — диаметр ви­братора), что часто встречается на практике, и длина симметрирующего устройства l1=1. По оси абсцисс на графиках рис. 6 отложены зна­чения активной составляющей вход­ного сопротивления, а по оси ор­динат — реактивной.

Точками на кривых отмечены те значения комплексных сопротивле­ний, которые соответствуют опреде­ленным отношениям l/λ. Кривая 1 характеризует значения входных со­противлений диполя в диапазоне частот без симметрирующего уст­ройства. Остальные кривые пока­зывают, как изменяются результи­рующие сопротивления в диапазоне частот под влиянием симметрирую­щих устройств с различными волно­выми сопротивлениями. Очевидно, что все значения входного сопро­тивления диполя претерпевают тран­сформацию, за исключением точ­ки 4, для которой l=λ/4. Эта транс­формация тем больше, чем меньше волновое сопротивление симметри­рующего устройства. Для оценки действенности симметрирующего уст­ройства (рис. 4), как согласующего диполь с 75-омным фидером, на графиках рис. 6 нанесен круг, ог­раничивающий те значения сопро­тивлений нагрузки, которые обес­печивают в 75-омном кабеле режим работы с КБВ>=0,4. На основании изложенного нетрудно видеть, что не следует возлагать особых надежд на хорошую работу такого симмет­рирующего устройства в качестве согласующего диполь с фидером в широком диапазоне частот. Не ис­ключено, что для широкополосных антенн это симметрирующее устрой­ство может оказаться даже помехой на пути к достижению необходимого согласования с фидером.

На рис. 7 приведен пример кон­структивного выполнения симмет­рирующего устройства, когда на­ружный проводник питающего фи­дера представляет собой жесткую трубку. Такой вариант симметрирующего устройства можно использовать для крепления активного вибратора к рефлектору.