АКТИВНОЕ ПИТАНИЕ ДВУХ ВИБРАТОРОВ

Одиночный симметричный вибратор (диполь) и другие простейшие антенны обладают слабовыраженными направленными свойствами. Улучшение направленных свойств происходит с применением антенн, состоящих из нескольких вибраторов. Такие антенны могут отличаться взаимным расположением вибраторов в пространстве и системой питания. Обычно, на практике в качестве связанных активных вибраторов используются симметричные вибраторы одинаковых размеров, и их диаграммы с достаточной точностью можно считать одинаковыми. В качестве примера при формировании характеристики направленности с одним главным направлением излучения или приема рассмотрим систему, состоящую из двух одинаковых вибраторов, удаленных друг от друга на рас стояние d = 0,25?.

На рис. 4 представлены три возможных варианта. В первом случае, волна напряжения подойдет к второму вибратору с опозданием на четверть периода, чем к первому, и токи в них будут сдвинуты на 90°.

В этом случае первый вибратор играет роль рефлектора, и диаграмма направленности примет вид, приведенный на рис. 4а. Если перевернуть второй вибратор на 180° или перекрестить провода фидера, то он станет рефлектором и диаграмма направленности антенны также повернется на 180°, рис. 46. То же самое произойдет при изменении места подключения фидера, рис. 4в.

Рис. 4

Питание вибраторов удобнее осуществлять раздельно, применяя в качестве фидера двухпроводную линию или коаксиальный кабель. При питании коаксиальным кабелем каждый вибратор должен быть снабжен симметрирующим устройством. Необходимый фазовый сдвиг обеспечивается удлинением фидера одного из вибраторов на величину  0,25?К где К - коэффициент укорочения. Отрезки фидера L1 и L2 равны между собой и кратны 0,5 ? дополняющий отрезок фидера L3 также равен 0,25?К а основной (общий) фидер питания может быть произвольной длины.

При таком способе питания после переключателя необходимо поставить трансформатор сопротивлений (ФНЧ) на сосредоточенных элементах. При противофазном питании сопротивление в точке А на рис. 5 будет примерно 20 Ом, и его потребуется трансформировать в 75 или 50 Ом. Точное значение сопротивления можно определить только после установки антенны, измерив его значение высокочастотным мостом на частоте резонанса, так как основные измерения сопротивления связаны с высотой подвеса антенны относительно земли и окружающих предметов.

Основной недостаток противофазных антенн низкое значение сопротивления излучения и, связанные с этим трудности в питании и настройке, могут быть устранены применением в качестве излучателей высокоомных шлейфов - вибраторов. Антенну при этом можно питать двухпроводной линией, и в качестве трансформаторов сопротивлений (ТС) применить четвертьволновый трансформатор нужного волнового сопротивления.

                Рис. 5                                         Рис. 6

В связи с тем, что радиолюбительские диапазоны занимают сравнительно небольшие участки, можно снизить требования к широкополосности антенн, упростив тем самым согласование и настройку. В качестве примера рассмотрим один из способов питания двухэлементной противофазной антенны коаксиальным кабелем, рис. 6, не применяя никаких согласующих устройств.

Плечи вибратора выполнены из П-образного профиля 12х12 мм. Симметрирующей приставкой являются две трубки диаметром 10 мм и длиной 0,24?К.

Для удобства измерений антенна моделировалась на частоте 270 МГц. Было изготовлено два полуволновых симметричных вибратора с четвертьволновыми симметрирующими приставками. Питание обеспечивалось коаксиальным кабелем 75 Ом.

Резонансная длина вибратора вычисляется по формуле:

Lb = 143 / f

Для частоты 270 МГц  Lb = 143 / 270 = 529 мм. Высота подвеса вибратора над землей при измерениях составляла 172 см. Это немногим больше 1,5? для частоты         270 МГц.

Проведя измерения одного вибратора, получили:

Резонансная частота F рез = 256 МГц;

КСВ = 1,1;

Rа = 80,6 Ом;

Реактивность Х = 4,9 Ом.

Резонансная частота получилась ниже расчетной, это связано с тем, что формула дана для относительно тонких проводников плеч вибраторов. В нашем примере это неважно, т.к. в первую очередь нас интересует взаимосвязь двух вибраторов при синфазном и противофазном питании для получения однонаправленной диаграммы.

Итак, измерив поочередно каждый из вибраторов, мы убеждаемся в их  идентичности. Теперь интересно определить влияние вибраторов друг на друга. Устанавливаем два вибратора на стенде, выбираем расстояние между ними 0,25?. Кабель питания каждого из вибраторов берется длиной 1,5? (кратно 0,5?). Изменение питания (в фазе или противофазе) будем производить, разворачивая один из вибраторов на 180°.

Сначала запитаем только один вибратор, чтобы посмотреть, как на его характеристики повлияет второй неподключенный вибратор. Кабель неподключенного вибратора не нагружен, Те. выполняется режим холостого хода (ХХ).

Измеряя первый вибратор, получим:

Fрез = 251 МГц;

КСВ = 1,2;

Ra = 66,75 Ом;

Х = 12,I5 Ом.

Закоротим кабель питания второго вибратора, выполняя режим короткого замыкания (КЗ). Снова измеряем первый вибратор. Получим:

Fрез 250 МГц;

КСВ = 1,5;

Ra = 60 Ом;

Х =23,4 Ом.

По результатам измерений видим, какое влияние оказывает второй  неподключенный вибратор на первый.

Теперь переведем систему для формирования характеристики направленности с одним главным направлением излучения или приема. Запитаем оба вибратора, удлинив кабель питания одного из них на 0,25?К, обеспечив фазовый сдвиг 90°.

Рис. 7

Развернем вибраторы таким образом, чтобы запитка была в фазе, т.е. центральная  жила коаксиального кабеля в точке подключения к вибратору у первого и второго вибраторов находилась бы с одной стороны, например, справа, как показано на рис. 7. Результаты измерений сведем в таблицу 1.

                                                                                                                                 Таблица 1

Проанализируем полученные данные. При запитке двух вибраторов в фазе с линией задержки 90° (0,24?К) резонансная частота понизилась, и на этой частоте           (246 МГц) мы получили хорошее согласование. При повороте одного из вибраторов на 180° (запитка в противофазе) резонансная частота системы сдвигается вверх, и на частоте 270 МГц мы также имеем хорошее согласование.

Все, что касается формулировок или определений в примерах измерений и табличных данных:

- формулировка ‘в фазе’ означает, что питание вибраторов для со здания режима однонаправленности “всегда происходит в противофазе’. Иначе говоря, питание вибраторов всегда в противофазе, а термин, который употребляется в статье, относится к установке вибраторов на стенде.

- синфазно или противофазно - это положение выбирается при распайке центральной жилы коаксиального кабеля в левое или правое плечо вибратора.

Какой из режимов лучше? В связи с диаграммой направленности и усилением, запитка в противофазе немного лучше. Это связано с тем, что для частоты 270 МГц, вибраторы имеют длину больше полуволны, следовательно, растет входное сопротивление и сужается диаграмма направленности, увеличивая усиление антенны. При запитке в фазе расширяется диаграмма и падает усиление.

Так как мы корректируем (увеличиваем) размеры сразу двух вибраторов, то даже таким малым приростом пренебречь нельзя. Если бы в настройке этой системы мы шли традиционным путем, то первое, что бы мы сделали, измерили бы все параметры для  частоты 256 МГц, исходя из того, что наш одиночный вибратор настроен, именно, на эту частоту. для частоты 256 МГц, как в фазе, так и в противофазе, значение КСВ было бы около 2-х. Пришлось бы трансформировать сопротивление и компенсировать реактивность независимо от запитки в фазе или противофазе.

Рассмотрим еще один пример. Иногда, меня спрашивают о разнице между запиткой со сдвигом в линии питания 90° или 270°, и какую линию задержки 0,25?К или 0,75?К лучше ставить в тракте питания одной из антенн. данные для этого случая приводятся в таблице 2.

                                                                                                                                  Таблица 2

Как видим, принципиальных различий нет, но в отличие от первого случая, запитка в противофазе предпочтительнее. На самом деле данные в этих таблицах должны были бы совпасть, если поменять значения в фазе и в противофазе. Небольшое отклонение в КСВ (1,14) обусловлено неточностью изготовления линии задержки в 270° (все-таки частота высокая). На низких частотах полученные данные совпадут. Интересен еще один случай. Что получится, если задержать сигнал не на 90°, а на пП + 90° или пП + 270°.

Рассмотрим вариант пП+90°, энное количество длин волн (5...10) + 0,25? в этом случае имеем два сигнала, один из которых задержан по времени. При сложении сигнал будет увеличиваться в два раза, а шум и импульсная помеха в корень из двух. Такая система будет обладать большей селекцией. Она работает примерно также как “Notch -фильтр” в тракте ПЧ, но с меньшей степенью подавления помехи.

Рассмотрим не только положительные качества такой системы, но и отрицательные. Во-первых, чем больше длина фидера питания, тем больше потерь, во-вторых, получим сужение полосы пропускания, в которой будет наблюдаться положительный эффект подавления импульсной помехи.

Затухание в одном из каналов, с одной стороны, приводит к уменьшению усиления всей системы, а с другой, улучшает подавление заднего лепестка в диаграмме направленности. дело в том, что основное внимание при настройке таких антенн уделяется балансировке фаз. Но мы должны понимать, что получение больших значений подавления заднего лепестка в диаграмме направленности связано с выравниванием фаз и  амплитуд двух антенн. Если представить себе, что в ближней зоне стоит генератор в направлении главного лепестка антенны, то при измерении амплитуды на одном и другом вибраторе, мы бы увидели разницу в амплитудах. Иначе говоря, один вибратор затеняет второй, перехватывая часть энергии. На прием с главного направления это не очень сказывается, но при подавлении помехи или сигнала, пришедшего с тыла, разница в амплитудах не дает полного подавления мешающего сигнала. Подобные процессы напоминают подавление несущей частоты в модуляторе или смесителе трансивера.

В приведенных выше примерах, расстояние между вибраторами 0,25?, выбрано из условий наибольшего усиления антенны, так как улучшить F / В можно за счет изменения схемы питания, чтобы иметь возможность не только фазовой балансировки, но и регулировки или перераспределения мощности между ви6раторами. Исходя из этого можно изменить и упростить порядок настройки антенны в целом.

Рассчитываем высоту подвеса вибраторов над землей или учитываем возможную установку по высоте. В удобном масштабе рисуем эскиз или чертеж расположения элементов, чтобы определить длину фидерных линий от каждого вибратора до общей точки соединения с основным фидером. Учитываем также и четвертьволновую вставку 90° линии задержки. Как таковой вставки нет, а есть один кабель снижения от вибратора до точки подключения к основному фидеру, кратный 0,5?, а другой берется такой же длины плюс 0,25?. Естественно, что при этом следует учитывать коэффициент укорочения в кабеле для выбранной частоты.

Проведем расчет длины фидеров на примере любительского диапазона 7 МГц (примерно 42 метра): 0,5? = 21 м 248 мм с учетом коэффициента укорочения для кабеля с полиэтиленовой изоляцией, равного 1.52, длина одного фидера будет Lk = 21,428 / 1,52 = 14,097 м, что соответствует  0,5? = 14 м 97 мм.

С учетом длины линии задержки 0,25?, соответствующей 7 м 48 мм, длина второго фидера будет 14,097 + 7,048 = 22 м 18 мм. для изготовления симметрирующего устройства  потребуются еще два отрезка коаксиального кабеля по 10 м 200 мм. Расстояние между вибраторами 10 м 200 мм. размер некритичен. его можно округлить до 10 метров.

Длина каждого из вибраторов L = 143,4 / f = 1434 / 7 = 20,485 м.

Полотна вибраторов нужно сделать таким образом, чтобы можно было регулировать длину плеч вибратора, поэтому длину каждого плеча берем немного больше расчетного значения, например по 10 м 700 мм. Полотна плеч вибратора по краям разметим краской с шагом 50 ... 100 мм. Настройка сводится к тому, что к главному фидеру питания подключается ВЧ-мост или КСВ-метр. Измеряя КСВ или сопротивление на частоте 7 МГц, укорачиваем до тех пор, пока сопротивление не станет равным 75 Ом или пока КСВ-метр покажет единицу. Разметка полотна плеч вибратора делается для того, чтобы одновременно укорачивать оба вибратора на одну и туже величину.

При настройке таким простым способом, основной фидер питания от передатчика до реле, переключающего направление излучения антенны, необходимо также сделать кратным полуволне. Подчеркиваю. питание антенны происходит в режиме бегущей волны, а кабель кратный полуволне необходим для правильной настройки антенны. Симметрирующее устройство подробно описано в сборнике “Радио-дизайн’ № 13.

Настраивая антенну с помощью КСВ-метра, сначала настраивается выходной каскад передатчика П-контуром на согласованную нагрузку. После этого положение П-контура больше не изменяется, дальнейшая настройка сводится только к изменению длин плеч вибраторов. Улучшить параметры антенны по этой схеме согласования можно путем увеличения диаметров плеч вибраторов выполнив их из нескольких проводников. диаграмма направленности в вертикальной плоскости, в зависимости от высоты подвеса антенны над землей, приведена на рис. 8.

Рис. 8