Свойства петлевых антенн

Петлевой вибратор, который анализировался ранее, не является единственным вариантом петлевой антенны. К этой группе антенн принадлежит также большое количество других вариантов антенн, которые и будут рассмотрены в данном параграфе.

Обратимся к рис. 5.118а, на котором показана трансформация петлевого вибратора (сплошная линия) в квадрат (пунктирная линия) со стороной λ/4. Полученная таким образом антенна получила название антенны «квадратный ромб», а иная конфигурация той же антенны (рис. 5.118г) типа «квадрат».

Рис. 5.118. Петлевые антенны и распределение токов в них

В этих антеннах точки В и D приближаются друг к другу и расстояние между ними составляет 0,35λ для антенны «квадратный ромб» и 0,25λ для антенны типа «квадрат». Одновременно точки А и С удаляются друг от друга.

В антенне типа «квадрат», показанной на рис. 5.118г, токи, протекающие по горизонтальным проводам антенны, синфазны, а токи, протекающие по вертикальным проводам, противофазны. Аналогичная картина наблюдается и в антенне «квадратный ромб». Чтобы убедиться в этом, достаточно разложить на вертикальные и горизонтальные составляющие токи, протекающие по всем четырем сторонам антенны (рис. 5.118е).

Изменение точек подключения питания антенны (рис. 5.118в, д) приводит к изменению поляризации излучения антенны; антенна излучает вертикально поляризованную волну.

Различные схемы питания антенны показаны на рис. 5.119. Отметим, что в точке С, находящейся «напротив» точки подключения питания А, появляется узел напряжения. Это свойство антенны позволяет соединить заземление мачты именно с этой точкой антенны, что естественно, в значительной мере упрощает конструкцию антенны в целом. Одновременно отметим, что точки В и D имеют наибольший потенциал, и поэтому при креплении несущих элементов антенны к этим точкам требуются хорошие изоляторы.

Рис. 5.119. Способы питания и заземления антенны типа «квадрат»

Наиболее эффективно излучающая часть антенны типа «квадрат», т. е. та часть антенны, по которой протекают наибольшие токи, имеет длину около 0,25λ. Некоторое укорочение излучающей части антенны, приводящее к снижению уровня излученного поля, в избытке компенсируется наличием противоположной синфазно возбужденной части антенны, вследствие чего результирующее усиление на 1 дБ больше, чем усиление полуволнового диполя.

Направленные свойства антенны типа «квадрат» в не очень большой степени зависят от формы антенны. В плоскости XY диаграмма направленности антенны близка к диаграмме полуволнового диполя, т. е. имеет вид восьмерки. В экваториальной плоскости диаграмма имеет вид эллипса, большая ось которого нормальна к плоскости антенны. Отметим также, что, кроме главного лепестка в диаграмме излучения присутствуют боковые лепестки с небольшим уровнем излучения, которые имеют другую, ортогональную поляризацию излучения.

Достаточно интересным является сопоставление диаграмм направленности дипольных антенн и различных модификаций петлевых антенн, расположенных на небольшой высоте над землей. На рис. 5.120 приведены такие диаграммы, полученные при условии, что ни одна точка антенны не расположена над землей на высоте большей, чем λ/4. На этих рисунках сплошные линии соответствуют горизонтальной поляризации, а пунктирные — вертикальной. Интересно отметить, что при использовании петлевой антенны в форме «дельта» (форма антенны напоминает греческую букву дельта — Δ) наблюдается большой уровень излучения вертикально поляризованной волны под сравнительно малыми углами относительно горизонта (рис. 5.120и, к), что благоприятно для организации длинноволновой радиосвязи.

Рис. 5.120. Диаграммы направленности петлевых антенн

Показанные на рис. 5.120 варианты петлевых антенн значительно расширяют возможности использования этих антенн по сравнению с антеннами, схемы которых приведены на рис. 5.118 и 5.119. Можно сказать, что свойства практически всех вариантов петлевых антенн не изменяются в больших пределах, если периметр антенны c = λ. Здесь же отметим, что петлевая антенна, периметр которой равен длине волны, является основным вариантом реализации магнитного диполя (см. также § 5.7).

Теперь рассмотрим вопрос с соотношении физической и электрической длин петлевых антенн. Если раньше при анализе дипольных антенн мерой соотношения двух указанных длин являлся коэффициент укорочения, то для этой группы антенн необходимо ввести понятие коэффициента удлинения К.

Значение коэффициента удлинения зависит от отношения c/d, где с — периметр антенны, d — диаметр провода, из которого выполнена антенна.

Коэффициент удлинения $$\begin{equation}K=1+\frac{0,4}{W_s}+\frac{3}{W_s^2}\end{equation}\tag{5.13}$$ где коэффициент WS задается выражением $$\begin{equation}W_s=2\ln\left(2,54\frac{c}{d}\right)\end{equation}\tag{5.14}$$

Вместо вычисления коэффициента удлинения по приведенным формулам можно определить значение К с помощью графиков на рис. 5.121. Сначала для заданного отношения c/d на графике рис. 5.121а отыскивают значение коэффициента WS, а по графику на рис. 5.121б определяют значение К.

Рис. 5.121. Графики для проектирования петлевых антенн

С помощью графиков, приведенных на рис. 5.122, можно также определить усиление антенны (относительно усиления полуволнового диполя).

Рис. 5.122. Зависимость усиления петлевой антенны от периметра