Одной из причин, определивших заметный рост активности советских коротковолновиков и их успехи в международных соревнованиях, является широкое распространение направленных антенн. Наиболее популярными в нашей стране стали "квадраты" с двумя, тремя и более элементами формирования диаграммы направленности. Об этих антеннах и пойдет речь в статье. Основная цель, которую преследуют авторы,-дать рекомендации коротковолновику в выборе и настройке антенн, обобщив опыт советских и зарубежных коротковолновиков.
Сравнение "квадратов" и "волновых каналов"
Широкое распространение "квадратов" привело к необходимости сравнить их характеристики с параметрами другой популярной у радиолюбителей антенны - "волнового канала".
В таблице приведены результаты измерений характеристик некоторых антенн "квадрат" и "волновой канал", заимствованные из журнала "QST", 1968, № 5. Из нее следует. что параметры обоих антенн примерно одинаковы, если сравнивать "волновые каналы", имеющие на один элемент больше, чем "квадраты". При одинаковом же числе элементов "квадрат" будет иметь усиление примерно на 2 дБ больше. По нашим данным эту цифру можно увеличить, по крайней мере, до 2,5 дБ, если выбрать оптимальными расстояния между элементами.
|
Параметры антенны |
Квадрат | Волновой канал | ||||
|
Количество элементов |
2 |
4 |
6 |
3 |
5 |
7 |
|
Усиление относительно |
8.2 |
11,5 |
13,4 |
8.8 |
12 |
13,3 |
|
Ширина диаграммы направленности |
60 |
50 |
39 |
61 |
47 |
40 |
Чтобы понять физическую причину такой существенной разницы, рассмотрим направления токов (на рис. 1) в рамке - элементе "квадрата" и в полуволновом диполе - элементе "волнового канала".
Из рис. 1 следует, что в формировании диаграммы "квадрата" принимают участие только токи, протекающие в горизонтальных частях рамки, поскольку поля от токов, протекающие в вертикальных частях взаимно компенсируются. Поэтому рамка эквивалентна системе из двух синфазно возбуждаемых укороченных вибраторов, разнесенных по высоте на расстояние L/4. Известно, что диаграмма направленности в вертикальной плоскости такой системы по сравнению с диаграммой одиночного диполя имеет меньший угол и, следовательно, ее усиление оказывается выше. Количественно выигрыш в усилении в зависимости от параметров и высоты подъема обоих элементов может составлять от 2,2 до 3,1 дБ. Этот выигрыш можно определить по формуле, справедливой с достаточной точностью для KB диапазонов:
A=40000/ФгФв где А - коэффициент усиления, Фг и Фв-ширина диаграмм направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно.
Подставив в формулу средние значения Фг=180° и Фв=135°для диполя, Фг=170° и Фв=80° для рамки, получим, что усиление диполя равно 1,64 раза или 2,15 дБ (по мощности), усиление рамки - 2,94 раза или 4,68 дБ. Таким образом, средний выигрыш в усилении составляет 2,53 дБ. Эта цифра реальна и подтверждается на практике.
Подобный же выигрыш достигается и при расположении рамки углом вниз, используемом во многих конструкциях. Этот вариант отличается от разобранного выше лишь тем, что в нем диаграмму направленности формируют горизонтальные составляющие токов, протекающих во всех четырех сторонах рамки, а поля от вертикальных составляющих компенсируются.
Можно отметить и еще одну особенность "квадрата". Так как рамка длиной L образует симметричный замкнутый контур, влияние земли и окружающих предметов, ухудшающее характеристики антенн, оказывается меньшим.
Выбор оптимальной конструкции Под оптимальными мы понимаем такие конструктивные данные антенны, при которых обеспечивается максимальное отношение излучений вперед/назад при достаточно высоком усилении. Ввести это определение представляется необходимым из-за существования двух методов настройки направленных антенн - на максимальное усиление и на максимальное отношение излучений вперед/назад. Эти максимумы не совпадают, причем, как показывает практика, проигрыш в отношении излучений вперед/назад при настройке по первой методике оказывается большим, чем проигрыш в усилении во втором случае.
В процессе проектирования антенны радиолюбитель должен определить количество элементов, расстояние между ними, их размеры. Для решения первой задачи обратимся к рис. 2.
На нем показана зависимость усиления антенны А и отношение излучений вперед/назад В от числа элементов n. Графики построены по результатам измерений (совпадающим с расчетными данными) на антеннах "квадрат" с оптимальными характеристиками для диапазона 14 МГц. Как нетрудно заметить, прирост обоих параметров по мере увеличения числа элементов замедляется, причем это становится особенно ощутимым при n>3. Учитывая трудности, связанные с изготовлением и с настройкой многоэлементных антенн, авторы считают, что в большинстве случаев целесообразно ограничить число элементов тремя. По мнению же некоторых зарубежных радиолюбителей конструктивно более удобна четырехэлементная антенна ввиду симметричного (относительно вертикальной оси, проходящей через центр массы) расположения элементов. Окончательное решение вопроса мы предоставляем читателям.
Для выбора оптимальных расстояний между элементами рассмотрим зависимость усиления А от расстояния S, выраженного в долях длины волны L (рис. 3). На графике черным цветом показана зависимость усиления от расстояния выбратор - рефлектор двухэлементного "квадрата". В заштрихованной области, соответствующей максимуму усиления (S=0,175-0,225L), оно практически не изменяется, поэтому в данном случае выбор расстояния в указанных пределах некритичен.
Для антенн с числом элементов более двух задача усложняется из-за введения дополнительных независимых переменных величин (для трехэлементной антенны - двух, для четырехэлементной - трех и т. д.). Поэтому целесообразно задаться одним из расстояний (например, между вибратором и рефлектором) и выбрать оптимальными другие расстояния. Так, если принять для трехэлементной антенны расстояние вибратор - рефлектор равным 0,2L, можно определить оптимальное расстояние вибратор - директор, пользуясь кривой, показанной на рис. 3. Очевидно, наибольшее усиление этот "квадрат" будет иметь при расстоянии вибратор - директор, равном 0,175L, и в этом случае при изменении расстояний от 0,14 до 0,21L уси-ление практически остается постоянным, хотя, как и следовало ожидать, из-за уменьшения широко полосности антенны зависимость усиления от S становится круче.
Для иллюстрации сказанного можно привести несколько преобразованный для "квадратов" на 14 МГц график из того же журнала "QST". На основе исследования большого количества антенн была определена зависимость усиления от длины L траверсы для крепления элементов (рис. 4). Заштрихованные области на графике - практически возможные пределы изменения длины траверсы для антенны с данным числом элементов. Из графика следует, что антенны с укороченной траверсой уступают в усилении (двух- и трехэлементные - примерно на 2 дБ) антеннам, имеющим расстояния между элементами около 0,2 L.
Длина рамки вибратора lв может быть подсчитана по формуле:
где Ky -коэффициент удлинения, зависящий от числа элементов и отношения длины рамки к диаметру провода; Lр-длина волны, на которую рассчитывается антенна.
Для определения длины вибратора двухэлементного "квадрата" коэффициент удлинения принимают равным 1,01, при трех и более элементах он равен 1,015-1,02.
Длину рефлектора двухэлементного "квадрата" выбирают на 5-6% больше длины вибратора. Для трехэлементного "квадрата" длина рефлектора должна быть на 3-4% больше, директора - на 2,5-3% меньше длины вибратора; для четырехэлементного "квадрата" длина рефлектора должна быть на 2,5-3% больше, длины директоров - на 2% меньше.
Практически рефлектор и директор изготовляют немного короче, чем определено расчетом, чтобы с помощью короткозамкнутых шлейфов можно было их настроить.
Многоднапазонные системы
Все сказанное ранее относилось к однодиапазонным "квадратам". На практике же часто приходится прибегать к созданию многодиапазонной системы. Надо отметить, правда, что любое совмещение в вертикальной плоскости элементов, настроенных на разные частоты, особенно кратные двум (то есть 14 и 28, 7 и 14'МГц и т. п.), приводит к ухудшению основных характеристик антенны. Приведем два примера. Двухэлементный "квадрат" на 14, 21 и 28 МГц с рамками в разных плоскостях (так называемая конструкция "еж") имеет усиление до 9 дБ и отношение излучений вперед/назад - до 24 дБ; те же характеристики аналогичного "квадрата", выполненного на траверсе, не превышают 8 и 22 дБ соответственно. Трехэлементный "квадрат" на два диапазона (14 и 21 МГц) с разнесенными рефлекторами обеспечивает усиление до 13 дБ и отношение излучений вперед/назад - до 30 дБ; у трехэлементного трехдиапазонного "квадрата" (добавлен диапазон 28 МГц и рамки расположены одна внутри другой) эти характеристики ухудшаются соответственно до 11,5 и 27 дБ.
Для уменьшения влияния элементов, расположенных в одной плоскости и работающих на кратных частотах, можно, соответствующим образом подключив фидер, применить их поляризационную развязку (горизонтальную поляризацию для одного и вертикальную - для другого диапазонов).
Определенная расчетным путем развязка элементов диапазонов 14-28 МГц в трехэлементном "квадрате" достигает 20 дБ.
Для получения наилучших характеристик многодиапазонной системы желательно сохранить оптимальные расстояния между элементами для каждого диапазона. Однако здесь из-за конструктивных трудностей радиолюбители часто вынуждены идти на компромисс. Одним из примеров такого компромисса для трехэлементного "квадрата" на 14, 21 и 28МГц может быть достижение близких к оптимальным характеристик на первых двух диапазонах и худших - на третьем. На наш взгляд, такое решение вполне оправдано ввиду особенностей прохождения и различной загруженности этих диапазонов. В зависимости от конкретных требований к антенне радиолюбитель может выбрать другой вариант.
(P 6/76)