Перископическая уголковая антенна
Канд. техн. наук. К.П. Харченко, Москва
В предыдущей статье (см. Радио №6 1975) было рассказано о применении перископических антенн в радиолюбительской практике. Здесь описывается уголковая перископическая антенна, которая теоретически и практически хорошо изучена.Как видно из рис. 1 в тексте, элемент возбуждения, которым служит симметричный вибратор, находится на расстоянии S от поверхности земли. Он помещен в пассивный рефлектор уголковой формы с углом раствора φ и длиной стороны l. На расстоянии h от поверхности земли расположен эффективный раскрыв Sо уголковой антенны. Плоский перископический рефлектор установлен под углом 45° к плоскости раскрыва антенны.
Для упрощения задачи построения перископической антенны из всего многообразия уголковых антенн остановимся на такой у которой φ=90°. При этом справедливы следующие соотношения:
где а — ширина уголкового рефлектора, hэ — высота размещения центра эффективного раскрыва перископической антенны.
Рассмотрим принцип действия, свойства и характеристики уголковых антенн и, в частности, антенны с углом φ=90°. Она (см. рис. 2 в тексте) состоит из уголкового рефлектора и облучателя. Рефлектор (иногда говорят уголковое зеркало), образуется двумя металлическими поверхностями, расположенными под углом φ друг к другу. Облучатель (обычно вибратор или система вибраторов) устанавливают на расстоянии S от вершины уголкового рефлектора и при симметричном возбуждении антенны он находится в плоскости биссектрисы угла φ (равноудален от боковых поверхностей рефлектора). Уголковый рефлектор обеспечивает эффективное сужение лепестка диаграммы направленности в плоскости, перпендикулярной оси вибратора (в плоскости вектора Н), см. рис. 3 в тексте. В плоскости вектора Е сужение диаграммы направленности достигается за счет видоизменения облучателя. Поэтому, рассматривая уголковую антенну, основное внимание уделяют Н — плоскости.
Характеристика направленности уголковой антенны зависит от длины l и ширины а створок рефлектора, от угла φ и размера S. Обычно для расчетов характеристики направленности уголковой антенны используют метод зеркальных изображений при условии, что створки рефлектора бесконечно велики. Он дает хорошее приближение к реальным условиям, если размеры l и а соизмеримы с длиной λ рабочей волны. Метод предполагает построение зеркальных изображений облучателя относительно всех отражающих поверхностей, как показано на рис. 4 в тексте.
На нем цифрой 1 помечен реальный облучатель, а цифрами 2—4 — фиктивные. Знаки «+» и «—» показывают синфазность и противофазность токов в вибраторах. Система из фиктивных и действительного вибраторов эквивалентна действительному вибратору, помещенному в уголковый рефлектор. Диаграмма направленности уголковой антенны определяется взаимодействием полей всех облучателей и для плоскости Н при φ=90° описывается выражением:
При этом следует помнить, что реальное поле может быть только в пределах створок уголкового рефлектора.
Важной характеристикой уголковой антенны является сопротивление излучения R∑ , которое складывается из сопротивлений излучения действительного и фиктивных вибраторов. На рис. 5, а приведен график зависимости, сопротивления излучения от отношения S/λ, если облучателем антенны служит полуволновый вибратор.
Из графика видно, что вибратор нельзя располагать слишком близко к ребру уголкового рефлектора, поскольку сопротивление излучения будет очень малым. Желательно, чтобы R∑ было больше 20 Ом. Однако увеличение расстояния S целесообразно до некоторых значений, при которых диаграмма направленности еще имеет однолепестковую форму (см. рис. 3). При некоторых значениях S диаграмма начинает расширяться и, наконец, раздваивается. Поэтому рекомендуется выбирать отношение S/λ в пределах 0,25—0,7.
Зависимость КНД антенны от местоположения облучателя, если считать рефлектор с бесконечно протяженными стенками, показана на рис. 5, б. Как видно из графика, с ростом отношения S/λ в рекомендуемых пределах КНД уголковой антенны уменьшается с 18 до 11, что является недостатком уголковых антенн, потому что, как правило, с ростом частоты КНД антенн растет хотя бы в некоторой части рабочего диапазона частот. Однако этот недостаток присущ именно уголковым антеннам и не является следствием их использования с перископическим рефлектором.
По мере уменьшения размеров уголкового рефлектора зависимость, изображенная на рис. 5, б, искажается. Характер искажения позволяет оценить график на рис. 5, в, на котором показано влияние размера l на КНД уголковой антенны. Для сравнения штриховой линией показан КНД антенны с рефлектором бесконечно больших размеров. Как видно из рисунка, при l>1,5λ КНД реальной антенны колеблется около теоретического, приближаясь к нему по мере роста l. При l<1,5λ КНД уголковой антенны быстро уменьшается.
Большое влияние на КНД уголковой антенны оказывает и размер а. Наибольший КНД наблюдается при ширине рефлектора, лежащей в пределах а= (1,8—2,2)λ. Однако в целях уменьшения габаритов антенны и увеличения возможности ее изготовления рекомендуется выбирать ширину а рефлектора при использовании полуволнового симметричного вибратора равной λ.
На рис. 1 2-й с. вкладки изображена конструкция перископической уголковой антенны, размещенной на мачте высотой 15 м. Она обеспечивает прием сигналов в диапазонах частот телевизионных каналов. Антенна составлена из плоских поверхностей, которые конструктивно могут составлять единое целое, то есть могут быть выполнены из одного металлического листа. Однако более целесообразно применить вместо него решетчатое полотно.
Его основу — каркас выполняют из капронового шнура (см. рис. 2 вкладки). Штриховыми линиями (см. рис. 1 вкладки) показана капроновая леска, которая предотвращает провисание проводников, закрепленных своими концами за каркас. Проводники могут быть выполнены из антенного канатика или провода. Важно, чтобы каждый проводник полотна представлял собой единое целое, то есть, если проводник составлен из отдельных отрезков провода, то места их соединения должны быть пропаяны. Проводники расположены параллельно друг другу. Следует иметь в виду, что вместо капроновых лески и шнура вполне возможно использовать антенный канатик, если он выдерживает усилия, возникающие в каркасе полотна, и обеспечивает его необходимую форму.
Для каркаса полотна можно было бы применить и веревку. Однако намокая во время дождя, она может в значительных пределах изменять свои размеры. Не следует допускать провисаний проводников от заданных прямых линии, превышающих λмин/16.
Это значит, например, что для пятого телевизионного канала прогибы полотна более 150—200 мм нежелательны, в то время как для первого телевизионного канала допустимо провисание до 330 мм. Указанное требование обеспечивается более легким решетчатым полотном с более прочным каркасом.
Каким образом можно закрепить решетчатое полотно на мачте и придать ему необходимую форму, расположить антенну на земле и ориентировать на телецентр, показано на рис. 3 и 4 вкладки.
На мачте высотой 15,5—16 м закрепляют две реи г-в и д-е соответственно на расстояниях 5000 и 15 000 мм от ее основания. В точках к и о подвязывают концы рей к мачте, причем к точке к — обязательно диэлектрическим шнуром (капроновым шнуром, веревкой). Мачта и реи могут быть металлическими. Решетчатое полотно привязывают к реям, как показано на рис. 3 вкладки. К ним прикрепляют также оттяжки д-р; г-р; е-с и в-с. Кроме этого, подвязывают оттяжки а-n и б-т к точкам а и б решетчатого полотна. После выполнения перечисленных операций мачту поднимают, устанавливают в вертикальное положение и ориентируют на телецентр, закрепив вторые концы оттяжек на кольях р, с, n и г, вбитых в землю. Колья располагают относительно основания мачты так, чтобы проекции оттяжек на землю образовывали между собой углы 90° (см. рис. 4 вкладки). Целесообразно оттяжки а,n и б,т расположить на подпорках, даже при небольших размерах подпорки сильно влияют на форму и натяжение каркаса решетчатого полотна. В точках м и н полотно крепят кольями к земле. Если из-за вытяжки полотна стороны уголкового рефлектора не натягиваются, нужно продолжать крепить кольями каркас антенны слева и справа от линии м,н.
После установки мачты, натяжения и ориентации решетчатого полотна выбирают и устанавливают вибратор внутри уголкового рефлектора. Как уже отмечалось, облучателем может быть любой симметричный вибратор. На рис. 6 в тексте схематично изображены различные варианты плоских вибраторов с пониженным волновым сопротивлением и шунтовым питанием. Штриховой линией показаны тяги, которыми вибратор подвешивают внутри уголкового рефлектора.
На рис. 5 вкладки приведены размеры одного из вибраторов. Это плоский вибратор, плечи которого выполнены из радиально расходящихся относительно оси О проводников. Концы проводников электрически соединены (с применением пайки) между собой. Вибратор может быть растянут и закреплен диэлектрическими тягами в точках 1-4.
Вибратор возбуждается через шунт (см. рис. 6 вкладки). Целесообразно такой шунт использовать независимо от конструкции вибратора. Шунт представляет собой и симметрирующее, и, в какой-то степени, согласующее устройство. Выполнен он в виде прямоугольной петли из кабеля, соединяющего антенну с телевизором. В точке П оплетки кабеля обвиты проволочным бандажом и пропаяны (без нарушения внутренней изоляции кабеля). Точки а и б — точки питания вибратора. Между ними кольцеобразно удалена экранная оболочка кабеля шириной 25—30 мм. В точках а и б к экранной оболочке кабеля припаяны контактные лепестки, к которым, в свою очередь, припаивают проводники плеч вибратора. Рядом с контактным лепестком а в точке К экранная оболочка кабеля замкнута накоротко с его центральным проводником. Сделать это можно, вдавливая разогретым паяльником экранную оболочку (при этом внутренняя изоляция плавится) до тех пор, пока оплетка не соединится с центральным проводником кабеля. После изготовления шунта следует обмотать изоляционной лентой (с целью герметизации) все места кабеля, оголенные от защитной оболочки. Шунт подвязывают к плечам вибратора в точках в и г.
(Каким бы ни был симметричный вибратор (с шунтом, без него, с пониженным волновым сопротивлением, либо обычный) он должен быть установлен от земли на расстоянии1500—1800 мм (с преимущественным приемом 1-го телевизионного канала).
При выполнении перископической антенны неизбежны отклонения размеров от рекомендуемых, вследствие чего искажается диаграмма направленности антенны и максимум диаграммы не совпадает с расчетным. Для того, чтобы можно было устранить этот «производственный» дефект в процессе регулировки антенны, нужно предусмотреть возможность некоторого перемещения вибратора относительно мачты. При этом его ось должна оставаться параллельной линии м,н и расстояние между осью вибратора и линией м-н не должно изменяться.
При отклонении вибратора в сторону мачты, например, на 5° по отношению к плоскости биссектрисы уголкового (рефлектора направление максимума диаграммы направленности перископической антенны отклоняется от первоначального вниз тоже, примерно, на 5°. И наоборот, при отклонении вибратора от мачты диаграмма направленности отклонится вверх. Таким образом, изменяя местоположение вибратора (в том числе размер S) можно добиться наилучшего приема телевизионного изображения. Закреплять вибратор внутри рефлектора можно только с помощью диэлектрических тяг, распорок, подвесок, подставок и т.п.
Строго сопоставляя размеры перископической антенны с рекомендуемыми теорией, можно заметить, что не все они соответствуют тем, при которых достигаются максимальные значения электрических параметров антенны. Это сделано из соображений удовлетворения требованиям повышения эффективности антенны и возможности ее выполнения в любительских условиях. Эффективный раскрыв описываемой антенны составляет So=40 м2, что заметно превышает аналогичный параметр известных телевизионных любительских антенн.
Так для сравнения укажем, что эффективный раскрыв двойной зигзагообразной антенны равен 29 м2 («Радио», 1961, № 8). Кроме того, она тяжелей перескопической антенны и сложней в изготовлении из-за разветвленной и многоэлементной системы возбуждающих вибраторов.
Устанавливая перископическую антенну, нужно стремиться к тому, чтобы в направлении на телецентр не было высоких предметов, так как они будут уменьшать поток электромагнитной энергии, попадающей в антенну. Угол между прямой, соединяющей нижнюю рею (г-в) с вершиной мешающего предмета, и горизонтальной плоскостью не должен превышать 1,5°.
Paдиo №8 1975г.
[ На главную ] [ Антенны ]
