Непосредственное питание диполя симметричной линией

На рис. 3.4 приведены основные схемы питания диполя симметричной линией. Наиболее часто используется схема, показанная на рис. 3.4а.

Полуволновый диполь возбуждается с помощью четвертьволновой линии, имеющей волновое сопротивление Z₀. Для того чтобы диполь был настроен в резонанс, его длину следует несколько укоротить. Укороченный диполь имеет только активное сопротивление, которое определяется электрической толщиной диполя и влиянием окружающей среды. Входное сопротивление R_A такой антенны на практике равно примерно 70 Ом. С изменением высоты подвеса антенны R_A может достичь значения около 100 Ом, а при существенном уменьшении высоты подвеса антенны над землей R_A резко уменьшается, достигая в некоторых случаях значения R_A = 0.

Рассматриваемая антенна является симметричной, и поэтому для его питания требуется симметричная линия питания. Из графика, приведенного на рис. 2.26, видно, что волновое сопротивление двухпроводной линии Z₀ = 70 Ом реализуется при условии, что отношение расстояния D между проводами к диаметру провода d составляет 1,1. Ясно, что построить двухпроводную линию, для которой необходимо тщательно выдерживать на очень небольшом расстоянии друг от друга два провода, без соответствующих элементов крепления невозможно.

Поэтому для питания антенны можно использовать двухпроводную линию, имеющую обычно Z₀ = 600 Ом, а также специальный трансформатор сопротивлений. Возможна также схема питания антенны с помощью четвертьволновой линии, волновое сопротивление Z₀ которой может быть произвольным.

При анализе длинных линий (см. § 2.2) уже рассматривалось распределение тока и напряжения в длинных линиях (см. рис. 2.35 и 2.36). Аналогичное распределение тока и напряжения наблюдается и в линии, нагрузкой которой является полуволновый диполь (рис. 3.4а). В этой схеме, если Z₀ > R_A, то в точках В—В, отстоящих от вибратора на расстояние l = λ/4, будет находиться пучность напряжения. Входное сопротивление в точках В—В имеет только активную составляющую R_вх = Z₀²/R_a.

В случае использования двухпроводной линии, у которой Z₀ = = 600 Ом, R_вх = 600²/70 ≈ 5000 Ом. Полученный порядок значения R_вх сохраняется и при использовании других симметричных линий питания. Так как R_вх велико, то требуется питание повышенным напряжением (при небольшом уровне тока). Например, при мощности Р = 500 Вт, подведенной к линии, напряжение в точках В—В U = √(PR) = √(500·5000) = 1600 В. В данном случае следует обратить самое серьезное внимание на технику безопасности при работе с такими устройствами, так как такой высокий уровень напряжения в выходных устройствах передатчика может создать прямую опасность для жизни оператора. Кроме того, надо уделить должное внимание вопросам обеспечения электрической прочности.

Если в качестве линии питания использовать симметричную линию с пониженным значением волнового сопротивления Z₀ = = 280 Ом, то входное сопротивление в точках В—В R_вх = 280²/70 = 1120 Ом, а напряжение U = 750 В. Такой режим безусловно является более облегченным по сравнению с описанным выше. При конкретном проектировании линии всегда следует помнить о различии физической и электрической длин, определяемом коэффициентом укорочения, а также об обеспечении работоспособности линии при данных уровнях тока и напряжения. В анализируемом случае наибольший уровень тока соответствует сечению A—A и для рассматриваемых значений Р и R_A I = √(P/R_A) = √(500/70) = 2,7 А.

Если увеличить длину питающей линии на λ/4, то получим полуволновую линию, основным свойством которой является трансформация без всяких изменений параметров схемы из точек А—А в точки С—С. Схема такой линии приведена на рис. 3.4б. Для числовых значений параметров R_A и P, взятых из предыдущей схемы, в данном случае имеем: R_C = R_A= 70 Ом, I_C = 2,7 А, U = 500:2,7 = 187 В. Обратите внимание, что уровень напряжения в данном случае значительно ниже, чем для предыдущей схемы. Даже при небольших отклонениях электрической длины линии питания от значения l = λ/2 в точках С—С появляется реактивная составляющая сопротивления. Ее можно компенсировать перестройкой выходного контура передатчика. Аналогичный эффект возникает и при незначительном изменении частоты. Количественные оценки величин X_C можно получить из графика на рис. 3.3.

Если для схемы, изображенной на рис. 3.4а, вдвое увеличить частоту: f₂ = 2f₁, то получим иное распределение токов и напряжений, которое иллюстрируется рис. 3.4в. Антенна в данном случае является волновым вибратором, свойства которого уже описаны в § 2.3, а характеристики направленности приведены на рис. 2.68в. Входное сопротивление такой антенны велико (см. рис. 2.85) и зависит от отношения λ/d и коэффициента укорочения (см. рис. 2.80 и 2.83). Входным клеммам антенны А—А соответствует максимум напряжения. На линии питания точкам D—D, отстоящим от точек А—А на расстояние λ₂/4, соответствует узел тока. Этот четвертьволновый отрезок трансформирует высокое значение сопротивления R_A в сравнительно малое значение сопротивления R_D.

Например. Для волнового вибратора, у которого λ/d = 2000, R_A = 3300 Ом. При использовании двухпроводной линии с Z₀ = 600 Ом в точках D—D активное сопротивление R_D = Z²/R_A = 600²/3300 = 110 Ом.

В этой же линии питания в точках В—В и С—С, отстоящих от точек А—А на расстояние λ₂/2 и соответственно, значение входных сопротивлений R_B = R_C = R_A будет опять большим.