7.1.2 Первичные параметры передающих антенн

Параметры антенн можно делить на первичные и вторичные. Зависимость тех и других от частоты определяет частотный диапазон антенны.

Первичные параметры антенны - сопротивления излучения и потерь и выраженный через них КПД применяются, как правило, при исследовании слабонаправленных антенн: проволочных, штыревых и щелевых.

Сопротивление излучения связано по смыслу с мощностью излучения антенны , т. е. со средним значением плотности потока мощности, проходящего сквозь сферу, окружающую антенну. Так как мощность излучения активная (она не возвращается в передающую антенну и передатчик), то ее можно выразить через активное сопротивление, называемое сопротивлением излучения,

_, (7.1)

где I — действующее значение тока в антенне.

Например, для диполя Герца мощность излучения равна

, (7.2)

где действующее значение тока в вибраторе.

Коэффициент пропорциональности между и I² является сопротивлением излучения.

, (7.3)

Причем R_Σ выражено в омах, а l и - в одинаковых единицах длины. Как видно, сопротивление излучения элементарного вибратора пропорционально квадрату отношения длины вибратора к длине волны. Это показывает также, что сопротивление излучения является параметром антенны, чего нельзя сказать о мощности излучения, которая зависит не только от качества антенны, но и от тока в ней.

Наряду с полезной мощностью имеется некоторая мощность, которая теряется на нагрев проводов, в изоляторах, в земле и в предметах, расположенных вблизи антенны. Этой мощности потерь Р_п соответствует активное сопротивление, называемое сопротивлением потерь:

, (7.4)

Заметим что параметры и характерны для проволочных антенн.

В большинстве антенн ток I распределяется неравномерно. Примером может служить симметричный вибратор, который представляется как спрямленная разомкнутая двухпроводная линия.

Представим этот вибратор в виде элементарных индуктивностей 1-1’, 2-2’, 3-3’, …, распределенных вдоль провода, и емкостей С⁽¹⁾, С⁽²⁾, С⁽³⁾, ..., распределенных между симметричными участками провода (рисунок 7.2, а).

Переменное напряжение, приложенное к входным клеммам антенны, вызывает в индуктивностях токи проводимости, а в емкостях токи смещения. При длине вибратора l ≤ /2 токи, возникающие на любом элементарном участке антенны, обязательно проходят через зажимы генератора и индуктивности 1-1'; через индуктивности 2-2`, уже проходит меньший ток, так как в эту цепь не попадает емкостный ток участка 1-1’; через индуктивности 3-3' не замыкаются токи смещения не только участка 1-1', но и участка 2-2' и т.д. Таким образом, амплитуда тока проводимости I_m уменьшается от середины к концам вибратора от максимума до нуля (рисунке 7.2, б).

Рисунок 7.2 – Распределение тока в симметричном вибраторе

Рисунок 7.3 – Распределение тока в несимметричном вибраторе

Ток распределен неравномерно и в несимметричном вибраторе (рисунок 7.3). В нем земля как бы заменяет нижнюю половину симметричного вибратора, но это полностью справедливо только при идеальной проводимости земли. Суммируя элементарные токи смещения, убеждаемся, что при длине (высоте) вибратора h≤ λ/4 амплитуда тока проводимости I_m максимальна у заземления и равна нулю на открытом конце антенны.

Все это говорит о том, что, вычисляя по формулам (7.1), (7.4) сопротивления излучения и потерь , следует учитывать, к какому сечению антенны они отнесены. Обычно отсчет производится по току в пучности или на входных клеммах антенны.

КПД антенны — это отношение мощности излучения ко всей активной мощности, подводимой к антенне:

. (7.5)

Заметим, что названо сопротивлением лишь по своей размерности (омы), фактически же это коэффициент пропорциональности между полезной мощностью излучения Р_Σ и квадратом тока I в антенне, тогда как сопротивление потерь эквивалентно резистору, который при токе I поглощает мощность P_П. Вот почему КПД антенны тем выше, чем больше сопротивление излучения и меньше сопротивление потерь.

Входное сопротивление антенны – это сопротивление нагрузки для генератора, питающего антенну. Генератор расходует мощность на создание электромагнитного поля излучения ( ) и компенсацию потерь в антенне (Р_П). Кроме того, когда нет резонанса в антенне, в ее ближней зоне энергия электрического поля превышает анергию магнитного или наоборот, и избыточное поле соответствует реактивной мощности генератора Р_х.

Значит, в общем случае входное сопротивление антенны комплексное . Оно определяется как отношение напряжения на зажимах антенны к протекающему через них току или как частное от деления на мощности Р_А, подводимой к антенне. Так как эта мощность складывается из активных мощностей излучения Р_Σ и потерь Р_П и мощности реактивных полей антенны Р_х, то

_{, (7.6)}

где R_вхА – активная составляющая входного сопротивления, равная сумме сопротивлений излучения и потерь, отнесенных к входным клеммам антенны (R_вхА = );

Х_вхА – реактивная составляющая входного сопротивления, соответствующая мощности реактивных полей вокруг антенны Р_х.

При резонансе Р_х=0, а следовательно, Х_вхА = Р_х / = 0 и входное сопротивление антенны активное: .

Предельно пропускаемая мощность Р_Адоп. Если мощность Р_А, подводимая к антенне, больше допустимой Р_Адоп, то напряженность электрического поля в фидере или вблизи антенны превышает критическое значение. Газовый разряд, происходящий при таком перенапряжении, связан с непрерывной затратой энергии на ионизацию и рекомбинацию (восстановление) молекул воздуха. Это способствует пробою диэлектриков и проводов антенны и уменьшает ее КПД.