Рис. 3. Діаграми направленості штирьової антени у вертикальній (А) і горизонтальної (Б) площинах.
Діаграма направленості штирьової антени в горизонтальній площині - кругова, у вертикальній площині - пелюсткова (мал. 3).
З діаграм випливає, що штирьова антена не випромінює в зеніт, а максимум випромінювання спрямований уздовж поверхні, що підстилає, причому коефіцієнт підсилення антени в цьому напрямку росте з подовженням штиря. Однак при h>0,5λ з'являються додаткові пелюстки з максимумами під великими кутами q, тому коефіцієнт підсилення антени для поверхневих хвиль зменшується, тому що збільшується потужність, випромінювана додатковими пелюстками.
Діаграми направленості антен формуються в результаті додавання хвиль, що приходять у кожну крапку простору по прямій, із хвилями, відбитими від поверхні, що підстилає, тому провідність поверхні, що підстилає, позначається на формі діаграм. На мал.4 показана еволюція форми діаграми направленості у вертикальній площині, зв'язаної з погіршенням провідності ґрунту, над якою розгорнута антена. Коефіцієнт підсилення антени зменшується з погіршенням провідності, а його максимум піднімається на більший кут θ.
Рис. 4. Еволюція діаграми направленості, зв'язана з погіршенням провідності ґрунту.
З діаграм направленості можна зробити висновок, що штирьові антени можуть використовуватися, насамперед, як ненаправлені антени для зв'язку в декаметровому діапазоні земною хвилею і, крім того, як ненаправлені антени для зв'язку іоносферною хвилею, випромінюваної під відносно невеликими кутами до земної поверхні.
Дальність зв'язку в обох випадках істотно залежить від співвідношення h/λ і провідності ґрунту.
Носимі радіостанції метрового діапазону забезпечуються штирьовими антенами висотою від 1 до 2,7 м, а радіостанції рухомих об'єктів висотою до 4 м. У цьому діапазоні штирьові антени дуже ефективні.
На мал.5 представлені криві залежності абсолютних коефіцієнтів підсилення штирьових антен GА від частоти при роботі земною хвилею, що дозволяють зробити порівняльну оцінку ефективності антен.
Рис. 5. Коефіцієнти підсилення штирьових антен.
Для збільшення дальності зв'язку в діапазоні метрових хвиль штирьову антену часто встановлюють на щоглі висотою 11-18 м. Роль поверхні, що підстилає, у цьому випадку грають тверді противаги (мал.6). Живлення антени здійснюється за допомогою коаксіального кабелю (фідера).
Оскільки антенний пристрій, що погоджує, знаходиться в передавачі, а не в основі штиря, більш-менш задовільне узгодження фідера з антеною виходить в обмеженій ділянці довжин хвиль (у межах ±10-15% від власної довжини хвилі штиря, що дорівнює λ/4). Тому конструкція антени передбачає можливість зміни висоти штиря і довжини противаг (таблиця 1.3). Така антена називається комбінованою штирьовій антеною (КШМ Р-142 Н).
Висота штиря повинна бути якомога ближче до величини λ/4, а противаги небагато коротше. Коефіцієнт хвилі, що біжить, КБХ у цьому випадку досягає 0,8, але при відхиленні довжини хвилі від власної на 10-15%, він може упасти до 0,4. При КБХ <0,5 різко знижується ККД фідера.
Розглянута антена обмежує можливість частотного маневру в ході ведення зв'язку, тому поряд з нею знаходить широке застосування антена, що називається об'ємним вертикальним вібратором (КШМ Р-145 БМ, БМП-1 КШ).
Такі об'ємні антени (мал.7) володіють зниженим вхідним опором, а це поліпшує діапазонність узгодження з фідером. У діапазоні з двократним перекриттям по частоті (наприклад, 30-60 МГц) КБХ у фідері такої антени звичайно міняється в межах 0,5-0,8.
Рис.6. Комбінована штирьова антена. Рис.7. Об'ємний вібратор.
Штирьові антени дуже зручні для установки на рухомих об'єктах, однак їхня висота по причинах зручності руху і габаритів розв'язок транспортних магістралей не може бути більш 4 м.
Зв'язок у русі на закритих трасах земною хвилею можна здійснити тільки в діапазоні декаметрових хвиль. Однак неефективність 4-метрового штиря в цьому діапазоні і великі втрати енергії хвиль у землі приводять до того, що дальність зв'язку навіть при такій потужності передавача, як 1 кВт, обмежується декількома десятками кілометрів.
Симетричні вібратори
Симетричний похилий вібратор показаний на рис.8.
Характер випромінювання похилого вібратора визначається додаванням хвиль, випромінюваних безпосередньо вібратором, і хвиль, відбитих від землі. Форма діаграи направленості залежить від висоти підвісу антени над землею і довжини пліч щодо довжини хвилі збудливих коливань.
На рис.9 представлені діаграми направленості типового похилого вібратора у вертикальних площинах. З діаграм видно, що в межах деякого діапазону частот (для даного вібратора в межах 1,5-6 МГц) максимум випромінювань приходиться в зеніт. На більш високих частотах діаграми деформуються, а максимум випромінювання зміщається в область менших кутів θ, іншими словами, зменшується кут узвишшя максимуму.
б
Рис.8 Симетричний похилий вібратор.
Рис. 9. Діаграми направленості у вертикальних площинах антени.
Ця властивість сприятлива тим, що при правильно обраних частотах антену можна використовувати в широкому діапазоні відстаней зв'язку без яких би то ні було провалів чи мертвих зон (від 0 до 1000-1500 км).
Рис. 10. Діаграми направленості в горизонтальній площині.
Діаграми направленості в горизонтальній площині показані на рис.10. З них випливає, що при роботі на відстані до 300 км антену можна вважати ненаправленою і немає необхідності її орієнтувати. При роботі на відстані, що перевищують 300 км, антену варто орієнтувати так, щоб напрямок на кореспондента був перпендикулярним до площини вібратора.
Усі приведені діаграми дозволяють судити про відносний коефіцієнт підсилення антени. Коефіцієнт підсилення антени в зеніт істотно змінюється у діапазоні: швидко росте з ростом частоти, досягає максимуму і потім знову падає. Хід залежностей коефіцієнта підсилення від частоти окремо показаний на мал.11.
Великі межі зміни коефіцієнта підсилення вказують на те, що вібратор є відносно вузькодіапазонною антеною. Щоб перекрити широкий діапазон частот при високому коефіцієнті підсилення антени, необхідно з ростом частоти укорочувати довжину пліч ℓ і зменшувати висоту підвісу h. Практично це досягається включенням у комплект антен радіостанцій щонайменше двох антен з розмірами, що відрізняються, (іноді укорочення пліч досягається включенням перемичок).
Рис. 11. Залежність коефіцієнтів підсилення симетричних вібраторів.
Оскільки вібратор є резонансною антеною, то КБХ у фідері антени в більшій частині робочого діапазону виявляється дуже низьким, тому як фідер використовується повітряна лінія, що вносить менше втрат при низькому КБВ, чим наприклад, симетрична коаксіальна лінія.
Вхідний комплексний опір фідера змінюється в дуже широких межах, що створює значні труднощі при розробці узгоджуючих антенних пристроїв передавачів. Це є однією з причин, що спонукають скорочувати ширину робочого діапазону вібратора.
Рис. 12. Узгоджуючий трансформатор.
Оскільки антени оборотні з погляду збереження властивостей при роботі на передачу і на прийом, то розглянуті вібратори використовуються і для передачі і для прийому сигналів.
Автономні радіостанції середньої потужності зі спільним розміщенням передавача і приймача для забезпечення дуплексної роботи мають окремі передавальні і приймальні антени. В інтересах ЭМС прийомна антена відноситься якомога далі від передавальної антени (до 50м) і з'єднується з приймачем коаксіальним кабелем. Хвильовий опір кабелю відрізняється від середнього вхідного опору вібратора, крім того, кабель є несиметричним ланцюгом. Для узгодження опорів і переходу від симетричного вібратора до несиметричного кабелю використовується широкополосний феритовий трансформатор (рис.12).
