Рис. 4.4.14.
Режим бегущей волны предполагает наличие сопротивления (должна же чем-то поглощаться бегущая волна, чтобы не было отражённой). Но этим сопротивлением вовсе не обязательно должен быть нагрузочный резистор. Вспомним (из раздела 2), что получить режим бегущей волны в линии можно двумя способами:
1. Нагрузив её на резистор, равный волновому сопротивлению линии,
2. Используя очень длинную линию с большими активными потерями в ней (п. 3.9.2.4).
Первый способ в применении к антеннам бегущей волны мы рассмотрели в трёх предыдущих параграфах. А как применить второй способ для создания АБВ? Не делать же антенну из нихрома, чтобы в нём всё затухло…
Оказывается, есть способ (причем уже хорошо известный нам) обеспечить режим, близкий к бегущей волне в антенном проводе. Для этого лишь надо сделать диаметр провода возрастающим по длине до больших значений (заметных в l). Вспомнили? Да-да, параграф 4.1.3.2: «На частотах, где длина сверхширокополосного диполя (в l) велика, его можно представить как линию с большими потерями на излучение. Пока падающая волна доберётся до конца вибратора, она потеряет много энергии на излучение. То же самое случится и с отраженной (уже небольшой) от краёв вибратора волной. А (как мы помним из п. 3.9.2.4) линия, с большими потерями ведет себя как активное сопротивление вне зависимости от сопротивления нагрузки. Поэтому-то КСВ такого диполя не возрастает даже на очень высоких частотах (антенна рис 4.1.10 имеет КСВ<2 даже на 435 МГц), а распределение тока по вибратору ближе к равномерному, чем к синусоидальному».
Следовательно, все сверхширокополосные антенны, описанные в параграфах 4.1.3.2, 4.1.5.1, 4.2.8.1, 4.2.8.2, можно считать апериодическими (бегущей волны) антеннами. Причём, без нагрузочных резисторов. Будем именовать такие антенны АБВ без резистора.
Распределение тока по АБВ без резистора не столь равномерно, как в согласованной линии. Всегда имеется отраженная от открытых концов антенны волна (хотя и небольшая). Поэтому АБВ без резистора имеют не столь широкую полосу и не такой низкий КСВ в ней (см. п. 4.1.3.2, 4.1.5.1, 4.2.8.1, 4.2.8.2) как АБВ с нагрузочным резистором.
Тогда какой смысл в АБВ без резистора? В росте КПД и Ga. Ведь если нет резистора – значит, нет и тепловых потерь в нём. Поэтому КПД (а следовательно и Ga) таких антенн выше. Особенно велико это преимущество при малых длинах антенны – усиление АБВ без резистора практически такое же, как и у резонансного диполя аналогичных размеров. А у АБВ с нагрузочным резистором оно заметно ниже, и это проигрыш резко растет при уменьшении длины антенны. Если вы хотите описаний коротких (с длиной стороны до 1…2l) АБВ без резистора, то перечитайте параграфы 4.1.3.2, 4.1.5.1, 4.2.8.1, 4.2.8.2 и дело с концом.
Но в этом разделе мы уже как-то привыкли к антеннам с длиной несколько l. И потому интересно изучить длинные (несколько l) АБВ без резистора. На первый взгляд кажется, что достаточно в любой из антенн п. 4.1.3.2, 4.1.5.1, 4.2.8.1, 4.2.8.2 увеличить частоту настолько, чтобы электрическая длина вибратора достигла бы тех самых нескольких l - и длинная АБВ без резистора готова. Если вас не интересует ДН и Ga, этого и впрямь достаточно.
Но согласитесь – от длинной антенны все-таки желательно получить высокое усиление и направленную ДН. А при простом повышении частоты у большинства антенн п. 4.1.3.2, 4.1.5.1, 4.2.8.1, 4.2.8.2 оказывается слишком большим (в l) поперечный размер. И потому ДН рассыпается на множество лепестков и даже отдаленно не напоминает узкие ДН длинных АБВ с резистором.
Поэтому, при создании длинных АБВ без резистора приходится выбирать форму и поперечные размеры вибратора компромиссно. С одной стороны поперечный размер должен быть относительно небольшим (грубо говоря - менее 0,5l) на верхней рабочей частоте антенны. С другой – увеличение этого размера обеспечивает меньшее отражение и более равномерное распределение тока, что увеличивает полосу и Ga. Сложные, объемные вибраторы (типа проволочных конусов) при большой длине сложны конструктивно. Поэтому для длинных АБВ без резистора используют плоский треугольный вибратор (из набора проводов), линейно расширяющийся к свободному концу. В файле …ABW-R1.maa показан такой вибратор с длиной 100 метров и максимальной шириной на конце 12 м.
Очень показательно сравнить параметры провода одной и той же длины, но запитанного по-разному. На рис 4.4.14 показаны параметры на частоте 14 МГц трёх антенн одинаковой длины 100 м (5l):
1. АБВ без резистора. Плоский, треугольный вибратор из набора проводов расширяется к свободному концу до 12 м.
2. Резонансный LW из тонкого провода (п. 4.1.7.2).
3. АБВ из тонкого провода с нагрузочным резистором на конце (рис. 4.4.1).
Все три антенны находятся в свободном пространстве.
Переход от резонансного LW к АБВ с резистором (от 2 к 3 на рис 4.4.14) почти полностью убирает задние лепестки, но снижает Ga в двух передних лепестках без малого на 3 дБ. Это следствие рассеивания части мощности передатчика в нагрузочном резисторе.
Напротив, переход от резонансного LW к АБВ без резистора (от 2 к 1 на рис 4.4.14) повышает усиление. Очевидно, что в АБВ без резистора нет бесполезных тепловых потерь. Просто нет того места, которое можно обогреть (металл самой антенны предполагаем хорошо проводящим). Поэтому АБВ без резистора излучает в эфир точно такую же мощность, как и резонансный LW. Но за счёт того, что в АБВ без резистора распределение тока гораздо ближе к равномерному, чем к синусоидальному, изменяется ДН. Задние лепестки (обуславливаемые отраженной от открытого конца вибратора волной) становятся заметно (на несколько дБ) меньше. Сэкономленная на излучении назад мощность идёт на увеличение передних лепестков.
Поэтому у АБВ без резистора усиление даже выше, чем у резонансного LW равной длины. Немного (в зависимости от длины на 1…1,5 дБ), но выше.
Исторически первая удачная АБВ без нагрузочного резистора была разработана Б. Брауде [1]. Он выполнил ромбическую антенну из набора проводов, ширина которого возрастала к концу антенны (рис. 4.4.15). Исходная идея была такова – понизить волновое сопротивление нагружаемой двухпроводной линии. Это позволит применить нагрузочный резистор меньшего сопротивления, и соответственно снизить тепловые потери в нём. Идея сработала: такая антенна (файл … RHOMBIC_Braude.maa с флагом «Включить нагрузку») имела Ga на 1..2 дБ, чем простая ромбическая антенна с такими же размерами.
При экспериментах выяснилось, что если из этой антенны вообще исключить нагрузочный резистор (оставив дальние широкие концы антенны свободными), то усиление еще немного возрастёт (файл … RHOMBIC_Braude.maa со снятым флагом «Включить нагрузку»), но при этом ухудшится F/B. Если взглянуть на ДН 3 и 1 на рис 4.4.14, то это окажется вполне понятным.
Как ни странно, но АБВ без резистора в виде одиночного толстого провода практически была применена намного позднее – в конце 20-го века К. Харченко [2]. Столь долгое не использование таких антенн, на мой взгляд, объяснялось сложностью получения однолепестковой направленной ДН.
Дело в том, что ДН одиночного (пусть даже и толстого) провода - фигура вращения двух лепестков вокруг оси провода. Т.е при больших высотах подвеса имеется значительный минимум в азимутальной ДН точно по оси провода. Чтобы азимутальная ДН приобрела приличный вид с одним главным лепестком надо, чтобы она строилась для зенитного угла, равного углу отклонения лепестков от оси провода b (табл. 4.1.2). То есть максимум ДН в вертикальной плоскости должен быть направлен под углом b к горизонту. А для этого (см. п.4.1.7.2) провод должен быть расположен довольно низко над землёй. При этом ближняя зона антенны будет греть землю вдоль всей длины антенны и КПД сильно упадёт. До работы [2] это считалось неизбежным злом, и длинные антенны бегущей волны использовались лишь как приёмные (см. следующий раздел).
Для исключения обогрева грунта Харченко металлизировал землю несколькими проводами, идущими по земле параллельно вдоль всей длины низко подвешенной АБВ без резистора. Это привело к значительному возрастанию Ga. В самом деле: даже в свободном пространстве Ga АБВ без резистора превышает 10 dBi (рис. 4.1.14), а (как мы помним из п. 3.3.3 и 3.4.3) при переходе от свободного пространства к земле имеется прибавка Ga до 6 дБ. Конечно, для получения этой прибавки в направлении главного лепестка надо грамотно выбрать высоту и положение антенны над землёй, и добиться низких потерь ближней зоны в ней. В [2] обе эти задачи успешно решены в лучевой антенне (рис. 4.4.16 файл...Lu4-full.maa). Её длина составляет 120 метров.
Для повышения усиления вместо одного плоского расширяющего провода использованы два, параллельно включенных и немного расходящихся по ширине. С той же целью дальний конец антенны расположен несколько выше её начала. В результате этих мер на оптимальной частоте (15 Мгц) лучевая антенна имеет Gа, превышающее 15 dBi, что сравнимо с ромбической антенной такой же длины. Причем у лучевой антенны такое усиление достигается при заметно меньшей высоте подвеса.
Однако за это приходится платить хорошей металлизацией земли под полотном антенны. Очевидно, что лучевая антенна это две параллельно включенные однопроводные, слегка наклонные АБВ без резисторов.
Антенна с размерами рис. 4.4.16 работоспособна в полосе 5..21 МГц. Но это сама АБВ. А в данном случае для подключения источника необходимо ВЧЗ (точно так же, как и в другой однопроводной АБВ, например рис. 4.4.1). На рис. 4.4.16 оно условно показано одним l/4 противовесом. На практике его выполняют как множество параллельно включенных противовесов разной длины (см. п.4.4.1), так чтобы на любой рабочей частоте один из радиалов имел бы близкую к l/4 длину.
Поскольку в полном файле лучевой антенны …Lu4-full.maa почти 3000 сегментов, то расчёт идёт долго. Для качественного изучения лучше воспользоваться упрощенной моделью …Lu4.maa, в которой расходящаяся сетка проводов заменена ступенчатыми переходами проводников нарастающего радиуса.