|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ Вертикальна спрямована антена. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Антени КВ Завдання створення спрямованої антени з вертикальною поляризацією не така проста, як видається на перший погляд. Здавалося б, повернув елементи звичайного біму (хвильового каналу) вертикально, і все гаразд, але виникає питання кріплення такої антени до щогли. На УКХ можна винести траверсу, що несе, вбік від щогли, в напрямку випромінювання, але подібна антена виявляється незбалансованою механічно і вимагає для свого кріплення дуже товстої і міцної щогли. Зникають головні переваги вертикальних антен - малі розміри по горизонталі, легкість та простота установки. Але це трохи пізніше, а спочатку треба зупинитися на обраної концепції вертикальної спрямованої антени. Бажання сконструювати просту і легку антену змусило звернутися до конструкції ZL-біму, що містить лише два елементи з активним живленням і має дуже малі розміри в довжину порядку L/8... L/10. У той же час коефіцієнт спрямованої дії (КНД) цієї антени є досить значним і еквівалентним, як вказують у літературі, КНД триелементного біму з пасивними елементами. Та сама ідея використовується і в "швейцарському квадраті", що теж відрізняється дуже хорошими параметрами і ще більшим КНД. Тому принцип дії цих антен заслуговує на уважний аналіз, що ми зараз давайте і проробимо.
Візьмемо два гіпотетичні точкові випромінювачі S1 і S2, розташовані на відстані d, як показано на рис. 1 зверху. Потужність передавача нехай ділиться між випромінювачами порівну, тому амплітуди полів, створюваних випромінювачами, будуть однаковими. А ось фази збудження випромінювачів мають бути різними, щоб отримати спрямоване випромінювання. Спочатку розглянемо найпростіший випадок, коли d = V4, а харчування випромінювачів здійснюється у квадратурі, тобто. зсув фази коливань, що подаються на них, становить 90°. На векторній діаграмі (у середньому ряду, у середині) коливання випромінювачів зображені векторами s1 та s2. Кут ф відповідає додатковому до 180° фазовому зсуву коливань. Умовимося також фазовий набіг (відставання фази) при поширенні хвилі на якусь відстань враховувати обертанням вектора за годинниковою стрілкою на відповідний кут. Так, наприклад, хвиля, що пройшла шлях у чверть хвилі, набуде фазового набігу 90°. Розглянемо випромінювання системи вправо, причому фази хвиль будемо вимірювати безпосередньо біля випромінювача S2 (при подальшому поширенні праворуч обидві хвилі від двох випромінювачів набудуть однакового набігу фази, і фазове співвідношення між їх коливаннями не зміниться). Відповідна векторна діаграма показана в середньому рядку праворуч. Коливання s2 не зміниться, а коливання s1 набуде фазового набігу 90° пройшовши шлях L/4. В результаті хвилі виявляться протифазними та випромінювання в цей бік не буде. При поширенні хвиль у ліву сторону від випромінювачів вектор s1 залишиться в колишньому положенні, а вектор s2 повернеться на 90° за годинниковою стрілкою, оскільки хвиля від випромінювача s2 пройде шлях L/4. Векторна діаграма коливань біля випромінювача s1 показана на рис.1 у середньому ряду зліва. Видно, що хвилі від випромінювачів S1 і S2 складаються у фазі і сумарне коливання набуває подвоєної амплітуди. Так само можна знайти поле випромінювання і в інших напрямках. Для більш образного уявлення вважатимуться, що у рис.1 зверху показаний вигляд у плані дві штирьовые антени S1 і S2. Така система з двох штирів матиме діаграму спрямованості, близьку до кардіоїди. Максимум випромінювання буде спрямований ліворуч, а нуль випромінювання – праворуч. У бічних напрямках (вгору і вниз на малюнку) система теж випромінюватиме, і досить значно, оскільки в цих напрямках складатимуться дві квадратурні хвилі. Дещо підвищити гостроту діаграми спрямованості можна, маючи випромінювачі S1 і S2 ближче один до одного, наприклад, на відстані L/8. Векторні діаграми для цього випадку показані у нижньому рядку на рис. 1. Виходячи з того, що випромінювання вправо, як і раніше, має бути відсутнім, визначаємо зсув фази коливань випромінювачів. Він повинен становити Зп/4 або 135°, як показано на векторній діаграмі у нижньому центрі. Тоді при випромінюванні вправо вектор коливань s1 повернеться на кут п/4 або 45° і виявиться в протифазі з вектором s2 (дивись векторну діаграму в нижньому ряду праворуч). При випромінюванні ж у ліву сторону вектора s1 і s2 вже не будуть синфазними, а виявляться у квадратурі, і результуюча амплітуда поля вже не подвоїться, як у попередньому випадку, а буде всього в 1,41 разів більше за поле кожного з випромінювачів (векторна діаграма зліва ). Випромінювання вбік теж буде менше, тому що в цих напрямках складаються близькі до протифазного поля. Відстань між випромінювачами можна зробити ще менше, але для отримання односпрямованого випромінювання кут , що доповнює зсув фаз у випромінювачах до протифазного, повинен задовольняти умові: ф = 2пd/L, тобто. також має зменшуватися. Не слід думати, що ефективність "короткої" антени з малим d і протифазними випромінювачами менше, ніж ефективність "повнорозмірної" з відстанню d = L/4. Якщо втратами в елементах можна знехтувати, то вся потужність, що підводиться до антени, повинна випромінюватись, і поля обох антен повинні бути однаковими (нехтуючи невеликою різницею в діаграмах спрямованості). Але струми в елементах "короткої" антени для створення того ж поля виходять великими, і якщо враховувати втрати в елементах, вони також зростають через великі струми. Протифазні струми в елементах "короткої" антени подібні до протифазних струмів у котушці та конденсаторі паралельного коливального контуру, амплітуда яких пропорційна добротності. Так само при укороченні відстані між вібраторами і при наближенні струмів у них до протифазних зростає еквівалентна добротність антени, і відповідно зменшується смуга її робочих частот. Така плата зменшення розмірів. Але при відстані між вібраторами L/8...L/10 зростання втрат в елементах та еквівалентної добротності не перевищує 1,4...2 рази і цілком окупається скороченням габаритів антени, що підтверджено багаторічною практикою конструювання ZL-бімів.
Одна з найпростіших конструкцій ZL-біму показана на рис.2. Він містить два розрізних напівхвильових вібратора (часто використовують і петлеві вібратори), з'єднаних повітряною лінією з проводами, що перехрещуються. Оскільки коефіцієнт укорочення хвилі в повітряній лінії близький до одиниці, то при живленні системи в точках "Х-Х" зсув фаз коливань у вібраторах відповідає вищенаведеній формулі. Точніше фазування елементів досягається зміною (підбором) їх довжини. При цьому змінюється резонансна частота елемента і, так як у будь-якого коливального контуру відповідно до його фазочастотної характеристикою, фаза коливань в ньому. Власне, живлення можна підвести навіть до середини лінії, а фазування елементів здійснити саме таким способом: один елемент трохи вкоротити, а інший трохи подовжити. Розлад елементів виходить дуже невеликий, так як необхідний фазовий зсув в кожному елементі становить всього ф/2. Діаграма спрямованості ZL-біму в горизонтальній площині (по азимуту) помітно звужується ще й тому, що самі вібратори вбік не випромінюють. У вертикальній площині діаграма виходить дещо ширше. Ця антена дуже хороша як малогабаритна спрямована антена з горизонтальною поляризацією. За численними даними з літератури її КНД досягає 4 дБ щодо диполя або 6 дБ щодо ізотропного (всеспрямованого) випромінювача. З очевидних конструктивних міркувань розмістити вібратори ZL-біму вертикально не дуже просто, крім того, виникають проблеми з проводкою лінії живлення. Зважаючи на ці труднощі думки автора звернулися до більш відповідних вертикальних випромінювачів, які можна було б розташувати на невеликій відстані один від одного, відповідно до ідеології ZL-біму. Одним з таких випромінювачів є J-антена, два варіанти якої, що відрізняються лише способом узгодження з фідером, показано на рис.3.
J-антена є напівхвильовим вертикальним вібратором, що живиться з нижнього кінця. На кінці опір вібратора дуже високий і досягає кількох кілоом, у повній відповідності до закону Ома - адже струм тут малий, а напруга велика. Для його узгодження з низьким опором кабелю служить чвертьхвильова двопровідна лінія. У першому варіанті (ліворуч на рис.3) її хвильове опір має дорівнювати середньому геометричному між опорами вібратора і кабелю, тобто. щось у районі 300...600 Ом. Точного узгодження можна досягти, змінюючи хвильовий опір лінії (майже - відстань між провідниками). Це не зовсім зручно, тому другий варіант J-антени (праворуч на рис.3) у багатьох відношеннях кращий. Тут провідники чвертьхвильової лінії просто замкнуті на нижньому кінці, і цю точку з нульовим потенціалом можна заземлити проводом будь-якої довжини, з'єднати з будь-якою "масою", наприклад, дахом будинку чи автомобіля, що зручно конструктивно, але можна взагалі нікуди не приєднувати. Живлення до лінії підводиться автотрансформаторно, в точках XX, розташованих на деякій висоті над короткозамкненим кінцем лінії. З будь-яким кабелем антена легко узгоджується простим пересуванням точок живлення XX. Хвильовий опір двопровідної лінії у цьому варіанті особливого значення не має. Подальший хід думки був такий: якщо вже дві J-антени в спрямованій системі будуть розташовані поруч, то чи не можна використовувати для їхнього живлення та узгодження одну загальну двопровідну лінію? Адже напруги на провідниках відкритого кінця лінії протифазні, що й потрібно для живлення двох близько розташованих вібраторів! Ну а необхідний зсув фаз коливань у вібраторах +ф/2 і -ф/2 можна отримати зміною їхньої довжини - укороченням одного та подовженням іншого. Залишається вирішити, як з'єднати кінці напівхвильових вібраторів, рознесених L/8, з кінцями двопровідної лінії, розташованими поруч. Це виявилося нескладно - адже на кінцях вібраторів струм малий, вони майже не випромінюють, тому нічого страшного не буде, якщо кінці вібраторів вигнути один одному назустріч і безпосередньо з'єднати з кінцями лінії. Все виходило неймовірно просто, настільки, що виникли сумніви - а чи заробить? Потрібен був експеримент. Сказано – зроблено, антена на частоту 430 МГц (довжина хвилі 70 см) була зігнута із цільного відрізка мідного дроту діаметром 1,7 мм. Її ескіз із розмірами, уточненими у процесі експериментів, показано на рис.4 б).
Кабель живлення з хвильовим опором 50 Ом приєднувався, як показано на рис.4 в). Контакти у точках живлення "XX" корисно зробити рухливими, щоб підібрати становище цих точок мінімуму КСВ. На жаль, КСВ було поміряти нічим, і положення точок живлення було підібрано по максимуму поля антени в головному напрямі. Індикатор поля використовувався саморобний, що складається з дипольної антени, діодного детектора та вимірювальної головки на 50 мкА. Джерелом сигналу служив вимірювальний генератор з вихідним опором 50 Ом та атенюатором з кроком 1 дБ. Спочатку антена закріплювалася в настільних тисочках за нижню основу двопровідної лінії, потім було зроблено примітивну поворотну підставку. Хоча вимірювання проводилися в необладнаному приміщенні та не претендують на високу точність, антена повністю виправдала очікування! По-перше, антена працювала, і давала односпрямоване випромінювання у бік короткого вібратора. По-друге, при порівнянні з напівхвильовим диполем, розташованим у тому ж місці і живлюваним тим же кабелем, аттенюатор генератора доводилося вводити на 4 дБ, щоб отримати той самий сигнал на індикаторі поля. Це дозволяє оцінити КНД антени такою самою цифрою. Діаграма спрямованості у вертикальній площині (площині вібраторів) показана на рис.4 а, і взагалі повністю відповідає аналогічним діаграмам двоелементних бимів. У горизонтальній площині діаграма така сама, але дещо ширша. Цікаво, що підстроюванням довжини елементів можна домогтися повної відсутності задньої пелюстки (у всякому разі, індикатор поля його не виявляв), але при цьому КНД виходив кілька, на частки децибелу, менше, ніж при налаштуванні антени на максимум КНД. На закінчення наведемо деякі практичні міркування щодо конструктивного виконання запропонованої антени. Для збільшення механічної міцності можна встановити ізолятор на кінцях двопровідної лінії, в області її вигину та переходу у провідники вібратора. Ізолятор має бути гарної якості, оскільки тут знаходиться пучність напруги. Самі вигини не обов'язково робити під прямим кутом, "плечі" антени можуть бути і похилими. Більше того, автору видається, що становище "плеч" не особливо критично - вони можуть розташовуватися і трохи вище, і трохи нижче. Набагато важливіше дотриматися повної довжини провідників від нижньої основи двопровідної лінії до верхнього кінця вібратора. Вона має бути близько 0,73L. для короткого вібратора (директора) та близько 0,77L для довгого (рефлектора). Зі зростанням діаметра провідників (трубок), з яких виготовлена антена, довжина їх дещо зменшується. Коефіцієнт укорочення "товстих" вібраторів можна знайти в літературі з антен. Зауважимо також, що немає необхідності виготовляти вібратори і двопровідну лінію з трубок одного діаметра. Антена вийде міцніше і краще протистоятиме вітровим навантаженням, якщо двопровідну лінію виконати з трубок більшого діаметру, а вібратори зробити відносно тонкими. Для зручності підстроювання вібратори корисно оснастити "стеньгами" на верхньому кінці, що телескопічно всуваються в основну трубку, оскільки укорочення вібраторів кусачками, як це робив автор, може призвести до незворотних наслідків - подовжити після цього вібратор можна тільки за допомогою паяльника. Автор: Володимир Поляков (RA3AAE), м. Москва; Публікація: Н. Большаков, rf.atnn.ru
Новий спосіб управління та маніпулювання оптичними сигналами
05.05.2024 Приміальна клавіатура Seneca
05.05.2024 Запрацювала найвища у світі астрономічна обсерваторія
04.05.2024
▪ Мережеві A4 принтери Xerox Phaser 3052NI та Phaser 3260DNI ▪ Захист очей під час роботи за комп'ютером ▪ Роботизована нога сама вчиться ходити ▪ Нова серія рідкокристалічних моніторів SONY
▪ розділ сайту Попередні підсилювачі. Добірка статей ▪ стаття Божою милістю. Крилатий вислів ▪ стаття Оператор прання. Типова інструкція з охорони праці ▪ стаття Радіо-мікрофон. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки ▪ стаття Малогабаритний переговорний пристрій. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page