Антенны с переключаемой диаграммой направленности
В диапазоне коротких волн, ниже 10 МГц, основной проблемой направленных антенн является малая скорость поворота антенны, что очень неудобно при работе в контестах и соревнованиях.
Наиболее удобный вариант направленной антенны, это вращаемая антенна с переключением диаграммы направленности, что позволяет оперативно ориентировать антенну в нужном направлении. Так как такая антенна поворачивается не на 360 °, а только на 180 °, нет необходимости применять вращающиеся переходы, уменьшается вероятность обрыва кабеля питания. Переключение диаграммы направленности антенны, проще осуществить, применяя активное питание элементов антенны. На рисунке 1 представлен один из вариантов изменения диаграммы направленности двухэлементной антенны.
Рисунок 1
Два вибратора (1, 2) запитаны при помощи двухпроводной линии. Расстояние между вибраторами 0,25 l. В первом случае, рисунок 1а, волна напряжения от первого вибратора подойдет к второму вибратору с опозданием на четверть периода, и токи в них будут сдвинуты на 90 °. В этом случае первый вибратор играет роль рефлектора, и диаграмма направленности примет вид, приведенный на рисунке 1а.
Если перекрестить провода соединяющие два вибратор, то второй вибратор станет рефлектором и диаграмма направленности антенны повернется на 180 °, рисунок 1б. То же самое произойдет при изменении места подключения фидера, рисунок 1в. Практическая схема активного питания двухэлементной антенны показана на рисунке 2.
Рисунок 2
Питание вибраторов осуществляется раздельно, с обязательной установкой симметрирующих четвертьволновых короткозамкнутых шлейфов, выполненных из коаксиального кабеля. Отрезки фидера L1 и L2 одинаковой длины, необходимый фазовый сдвиг обеспечивается отрезком фидера L3, имеющим длину 0,25 l · k (k – коэффициент укорочения). Переключая реле Р1, изменяется на 180 ° диаграмма направленности антенны. После реле устанавливается (ТС) трансформатор сопротивлений, выполненный из четвертьволнового отрезка коаксиального кабеля необходимого волнового сопротивления или ФНЧ на сосредоточенных элементах согласуя антенны с фидером питания, рисунок 3.
Рисунок 3
Основной недостаток противофазных антенн – низкое значение сопротивления излучения и связанные с этим трудности в питании и согласовании. Малые значения сопротивления излучения, приводят к снижению К.П.Д. антенны, часть подводимой к антенне мощности излучается в пространство, а другая часть в проводниках антенны и согласующих элементах схемы питания, превращается в тепло. Поэтому антенну можно представить как эквивалентное нагрузочное сопротивление состоящее из двух составляющих: сопротивления излучения и сопротивления потерь. Коэффициент полезного действия, есть отношение полезной (излучаемой) мощности к суммарной мощности, подводимой к антенне. Чем больше сопротивление излучения, по отношению к сопротивлению потерь, тем больше К.П.Д. антенны. В то же время, чем больше сопротивление излучения, тем шире рабочая полоса частот антенны, тем легче ее согласовать с фидером. Кроме того, при малых значениях сопротивления излучения, в антенне протекают большие токи и уже необходимо учитывать удельное сопротивление (Ом/метр) проводников из которых изготовлены элементы антенны. Все эти недостатки легко устранимы, достаточно заменить полуволновой вибратор на петлевой.
Петлевой вибратор схематически можно представить в виде двух простых полуволновых вибраторов, соединенных на концах друг с другом. Диаграмма направленности петлевого вибратора не отличается от диаграммы направленности простого полуволнового вибратора и напоминает по форме восьмерку. Для петлевого вибратора К.П.Д., отнесенный к идеальному излучателю, G = 2,15 dB. В то же время входное сопротивление петлевого вибратора вчетверо больше, чем входное сопротивление простого полуволнового вибратора. Это нетрудно понять, если принять во внимание, что при параллельном соединении общая индуктивность проводов уменьшается вдвое, а емкость вдвое возрастает. Сопротивление будет в 4 раза больше, если оба провода петлевого вибратора одинаковы. Если же диаметры проводников неодинаковы, входное сопротивление петлевого вибратора может быть иным. Так например, если диаметр питающего стержня меньше диаметра пассивного стержня, то входное сопротивление будет отличаться более чем в 4 раза. И наоборот, если питающий стержень толще пассивного, то сопротивление будет меньше четырех. Этим очень удобно пользоваться при согласовании антенн с активной запиткой. Снимем шляпу перед Пистолькорсом, предложившим в 1936 году, такой вибратор. Применив петлевой вибратор, в антенне с активным питанием, мы можем согласовать систему без дополнительного согласующего трансформатора не снижая К.П.Д. При этом вибраторы можно соединять между собой воздушной двухпроводной линией, что упрощает согласование и способ переключения, а так же не вносит асимметрии. На рисунке 4, схемы питания и согласования трехэлементной антенны с переключением диаграммы направленности.
Рисунок 4
Питание подано на средний вибратор, если перекрещена линия питания справа, то крайний с права вибратор является рефлектором и антенна излучает влево. Если перекрестить проводники питания с левой стороны антенна сменит направление излучения на 180 °. На среднем вибраторе устанавливают 2 реле, которые перекрещивают проводники питания левой или правой части, рисунок 5.
Рисунок 5
Симметрирование среднего вибратора удобнее выполнить коаксиальным кабелем, проложенным по одной стороне петлевого вибратора, рисунок 6.
Рисунок 6
Коаксиальный кабель из точки нулевого потенциала Б проложен по одной стороне вибратора. Оплетка припаяна в точке А, центральная жила кабеля к точке А1. Этим обеспечивается хорошее симметрирование. Внутри среднего вибратора закреплены реле Р1, Р2. Точки питания вибраторов расположены сверху и соединены между собой открытой двухпроводной линией. Крепление вибраторов в точке Б нулевого потенциала. Коррекцию входного сопротивления среднего вибратора можно осуществить дополнительным шунтом, рисунок 7.
Рисунок 7
Передвигая шунт вверх, вниз относительно нижней стороны вибратора производится необходимая коррекция входного сопротивления.
Вторым элементом настройки служат двухпроводные линии соединяющие вибраторы. Меняя расстояние между проводниками линии, изменяем волновое сопротивление линии, обеспечивая согласование. Достоинства этой антенны большое подавление боковых лепестков при идеально симметричной диаграмме направленности.
К выбору формы в диаграмме направленности простых антенн. Например в двух элементной антенне, расстояние между элементами можно выбрать от 0,1 до 0,25 λ. Малое расстояние между элементами соответствует большему усилению, но при этом плохо подавлен задний лепесток. Вообще стоит разобраться, что такое большое усиление, изменяя расстояние между элементами от 0,15 до 0, 25 λ усиление изменяется не более 0,7 дБ, поэтому у антенны с переключением направления, вибраторы которых имеют одинаковую длину выгоднее реализовать большее подавление заднего лепестка в диаграмме направленности. Если антенна не поворачивается , а имеет только переключение оптимальная диаграмма это кардиоида. Во первых мы имеем хорошо подавленный задний лепесток, а во вторых не теряем боковые направления. Немаловажный фактор, влияющий на диаграмму направленности антенны, это высота подвеса антенны над землей. На низкочастотных диапазонах лучше перейти на вертикальную поляризацию, используя вертикальные диполи с переключением диаграммы направленности. Классической и самый простой формой вертикального излучателя является вертикальный λ/4 штырь с противовесами, антенна типа GP.
Чтобы не терять К.П.Д. удобно использовать заземленные GP антенны петлевого типа с повышенным входным сопротивлением, рисунок 8.
Рисунок 8
Две антенны такого типа, можно расположить на расстоянии 0,25 λ друг от друга, соединить открытой однопроводной линией с волновым сопротивлением 150 Ом, получится переключаемая двухэлементная антенна. В точке питания каждого элемента А и В поставить реле переключения направлений диаграммы направленности, рисунок 9.
Рисунок 9
При подключении кабеля питания в точку (А) первого вибратора, направление излучения будет в сторону вибратора 2. Если кабель питания подключить к точке (В) второй антенны, направление излучения изменится на 180 º, диаграмма сформируется в сторону первого вибратора. Форма диаграммы направленности кардиоида, с большим подавлением заднего лепестка. Схема питания антенны приведена на рисунке 10.
Рисунок 10
Конструктивно антенна выполнена следующим образом. Металлическая мачта, для диапазона 7 МГц длиной 10 м 30 см, сварена из семи отрезков стальной трубы разного диаметра (телескопом) что позволяет установить мачту без оттяжек. В землю, закапывается или бетонируется основание (рисунок 11) в которое вставляется первая секция антенны. Первая секция это стальной швеллер шириной 65 мм, рисунок 12, в который вставляется мачта из труб, рисунок 13.
Рисунок 11
Рисунок 12
Швеллер крепится к основанию двумя болтами М16, позволяющими положить первую секцию параллельно земле. В этот швеллер вставляют сваренную телескопом мачту из труб. Вверху швеллера имеются болты для фиксации мачты. Мачта вставляется в швеллер не далее 1 метра от верха швеллера, это дает возможность при настройке вибратора в резонанс изменять линейный размер вибратора. Поднятая мачта фиксируется дополнительным болтом у основания. Самое верхнее колено телескопа изгибается, к нему крепится медный провод, образующий вторую половинку вибратора. Расстояние от трубы до второго проводника некритично, примерно 200 – 300 мм. Так как мачта, по отношению ко второму проводнику намного больше в диаметре, входное сопротивление вибратора повышается до 170 – 180 Ом. В каждом конкретном случае после изготовления антенны необходима измерить сопротивление В4-мостом. Низко расположенные противовесы можно закопать в землю. Если предполагается, что противовесы будут расположены выше, например 2 метра над землей, то можно обойтись без швеллера. Сварить мачту высотой 13 – 14 метров, а подгонять электрическую длину вибратора диском с противовесами. Под диском сделать крепление, чтобы имелась возможность передвигать диск выше или ниже по мачте и фиксировать в нужном месте.
 Рисунок 13 |
|||
|
|
|||
Однопроводная линия 140 – 170 Ом выполняется следующим образом. Два основания антенны (два диска) соединяются между собой стальным уголком или стальной шиной шириной 30 – 40 мм. Над этим уголком или шиной натягивают провод образующий однопроводную линию. Например, при диаметре провода 4 мм, расстояние от полосы до провода при волновом сопротивлении 150 Ом » 24 мм. По длине линии поставить диэлектрические изоляторы поддерживающие провод на одинаковом по всей длине расстоянии от экрана. Полоса или уголок с нижней стороны опирается на опоры вбитые в землю, чтобы линия не провисала, рисунок 14.
Провод линии можно закрепить и под уголком, рисунок 14в, тогда она будет защищена от атмосферных осадков.
Но самое интересное, это путем небольшой доработки можно сделать вибратор с плавно изменяющимся входным сопротивлением, не изменяя при этом электрической длины вибратора. На верху мачты устанавливается качалка, позволяющая отодвигать и придвигать дополнительный проводник к мачте, рисунок 15. Это равносильно передвижению дополнительного шунта в вибраторе. От качалки вниз мачты приходят 2 проводника, опуская (натягивая) левый или правый провод мы меняем геометрию антенны диполь утолщается, растет его входное сопротивление и одновременно в автомате укорачивается длина мачты на (Х) вылета качалки. Так как качалка подвижна необходимо обеспечить хороший электрический контакт между проводниками, качалкой и мачтой. Соединить дополнительно качалку с мачтой мягким многожильным проводом (А), рисунок 15. Левый проводник заземляется на основание мачты, правый – питание.
Две антенны, расстояние между которыми 0,25 l формируют диаграмму в форме кардиоиды. Используя три таких антенны, расставив их равносторонним треугольником при расстоянии между элементами до 0,25 l можно создать переключаемую антенну на 6 направлений, при этом питание вибраторов можно осуществить и по другим схемам. Такая трехэлементная антенна находится у меня в эксплуатации 4 месяца, за это время проведено множество связей, как с ближним, так и с дальними корреспондентами. При мощности передатчика 20 Ватт Карибы и Латинская Америка дают 55 –56. Отвечают все станции, которых я слышу. Сравнивая по шумам петлевую антенну с квадратом, я не нашел разницы. Квадрат стоял углом в низ, нижняя точка квадрата находилась в метре от земли. Сравнивая двухэлементную петлевую GP с низко стоящим двойным квадратом на дальних трассах всегда выигрывала антенна GP.
При использовании трех антенн, основания которых соединены между собой металлическими шинами, каждая из антенн дополняется двумя противовесами, рисунок 16
Рисунок 16
Внутри образовавшегося треугольника располагается коммутатор с реле, от которого к каждой антенне проложен коаксиальный кабель. Два реле находятся в коммутаторе и по два реле на каждой антенне.
На рисунке 17 представлен один из вариантов питания антенны.
Рисунок 17
Приходько В.Н. (EW8AU).