5.2. Гармонические антенны

Гармонические антенны — это линейные антенны, длина которых кратна некоторому числу n полуволн. Простейшей гармонической антенной является полуволновый диполь, для которого n = 1.

Ранее уже говорилось о том, что физическая и электрическая длины антенн отличаются друг от друга. Резонансная длина гармонической антенны $$\begin{equation}l=\frac{150\left(n+K-1\right)}{f}\end{equation}\tag{5.3}$$ где l — длина антенны, м; n — число полуволн (n = 1, 2, 3, ...); K — коэффициент укорочения, зависящий от отношения λ/d (см. график на рис. 2.80); f — резонансная частота, МГц.

Так как частоты, выделенные радиолюбителям для связи, представляют собой гармонический ряд 1:2:4:6:8, то гармоническая антенна, сконструированная для работы на низшей частоте радиолюбительского диапазона, оказывается практически настроенной в резонанс и для высших частот (рис. 5.3). Принимая во внимание значения коэффициента укорочения K = 0,95, получим значения резонансных частот гармонической антенны (табл. 5.2).

Рис. 5.3. Распределение тока и напряжения в гармонической антенне

ТАБЛИЦА 5.2. Ряд резонансных частот гармонической антенны
n f1/f2 Резонансная полоса антенны, МГц Радиолюбительский диапазон, МГц
1 1,000 3,42...3,60 3,50...3,75
2 2,053 7,02...7,39 7,00...7,15
4 4,158 14,22...14,97 14,00...14,35
6 6,263 21,42...22,55 21,00...21,45
8 8,368 28,62...30,13 28,00...29,70

Из таблицы следует, что из-за эффекта укорочения нельзя добиться полного совпадения резонансной полосы антенны и полосы радиолюбительского диапазона для всех n. Поэтому в диапазонах 3, 5, и 7,0 МГц длина антенны несколько больше резонансной, а в диапазоне 21 МГц и 28 МГц — меньше (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Влияние торцевых емкостей на распределение тока в гармонической антенне

Если же использовать одну антенну во всех диапазонах, то придется согласиться с большим значением KстU в линии питания. Снижения KстU посредством настройки антенны в резонанс можно достичь несколькими методами, которые будут рассмотрены ниже.

Гармоническую антенну можно возбуждать несколькими способами. Питание к ней может быть подведено в точках, которым соответствует пучность тока (чаще всего симметрично), или в точках, которым соответствует пучность напряжения (чаще несимметрично—на конце диполя). Первый способ получил название питания антенны током, а второй — питания напряжением. Способ питания (симметричный) влияет на характер распределения тока в антенне и, следовательно, сказывается на направленных свойствах антенны (см., например, рис. 3.68).

В гармонических антеннах при увеличении числа полуволн, укладывающихся по длине антенны, направление максимального излучения приближается к оси антенны, однако никогда не совпадает с ней.

Одновременно с увеличением числа n растет уровень главных лепестков (по сравнению с боковыми), увеличивается число боковых лепестков. Главных лепестков в диаграмме четыре. Число боковых лепестков зависит от n. Общее число лепестков диаграммы в одном квадранте равно отношению l/λ, где l — длина антенны.

На рис. 5.5 приведены диаграммы направленности гармонических антенн, соответствующие различным длинам горизонтальной гармонической антенны. Эти диаграммы приведены для горизонтальной плоскости. Характеристики направленности в вертикальной плоскости, проходящей через ось антенны, подобны приведенным на рис. 5.5. Соседние лепестки диаграммы направленности имеют противоположные фазы, что на диаграммах показано знаками + и -. Появление волны, отраженной от поверхности земли, приводит к изменению диаграммы направленности в вертикальной плоскости.

Рис. 5.5. Диаграмма направленности гармонической антенны

Рисунок 5.6 иллюстрирует основные свойства гармонической антенны, расположенной в свободном пространстве. На практике этими данными следует пользоваться, если высота подвеса антенны превышает две длины волны. Влияние земли на направленные свойства горизонтального полуволнового диполя рассматривалось ранее (см. рис. 2.73). Эти данные позволяют в определенной степени составить представление о том, каким образом земля влияет на направленные свойства других гармонических антенн.

Рис. 5.6. Свойства гармонической антенны

На рис. 5.6а приведены графики, позволяющие определить, каким образом при изменении длины гармонической антенны изменяются ориентация главного лепестка диаграммы (относительно оси антенны), усиление антенны и ее сопротивление излучения.

С помощью графиков, приведенных на рис. 5.6б, можно определить, каким угловым направлениям (относительно оси антенны) соответствуют максимальные и минимальные уровни излучения антенны и каким образом изменяются эти угловые направления при изменении длины антенны.

Графики, представленные на рис. 5.6в, позволяют вычислить относительный уровень излучения любого лепестка диаграммы направленности антенны произвольной длины.

На рис. 5.7ав приведены схемы расположения асимметричных гармонических антенн. У этих антенн в результате влияния земли и асимметричного способа питания характеристики направленности также становятся асимметричными (рис. 5.7г). Уровень излучения в направлении «место питания — антенна» возрастает, а в противоположном направлении — уменьшается.

Рис. 5.7. Изменение ориентации главного лепестка диаграммы направленности асимметричной гармонической антенны

На основе данных, приведенных на рис. 5.6, можно определить те угловые направления, в которых будет излучаться наибольший уровень энергии. Путем наклона оси антенны (см. рис. 5.6а, б) можно целенаправленно менять направление максимального излучения.

Если вместо одной гармонической антенны использовать несколько, то применяя определенные схемы их питания, можно получить антенную систему, которая будет иметь большую направленность излучения. Изменяя фазу возбуждения различных гармонических антенн, входящих в состав антенной системы, можно изменять направление максимального излучения.

Отметим, что гармоническая антенна по своим характеристикам излучения приближается к антеннам бегущей волны, которые будут рассмотрены ниже (см. § 5.3).