Антенны «волновой канал»
Колесников Александр Иванович
В отличие от многоэтажных синфазных антенн «волновой канал» является одноэтажной антенной с одним активным вибратором, а остальные элементы не имеют принудительного питания и возбуждаются высокочастотными токами, создаваемым активным вибратором (рис, 7-12). Так как эти пассивные элементы по своей надстройке близки к резонансу на рабочей частоте, то наведенные в них токи создают значительные вторичные поля излучения.Фазу наведенных токов и вторичного излучения можно изменять подбором расстояний от активного вибратора и расстояний между самими пассивными элементами. Изменяя их настройку подбором длины, можно добиться того, что вторичные поля излучения будут усиливать друг друга, давая значительную концентрацию излучения в одном главном направлении.
На рис. 7-12 показан эскиз антенны «волновой канал» и приведены основные обозначения тех размеров, которые определяют усиление и характеристику антенны.
Основной тип этой антенны состоит из трех элементов: активного вибратора А, создающего первичное поле, рефлектора P, создающего усилия однонаправленности излучения и усиления поля перед вибратором, директора Д, формирующего поле перед активным вибратором. Выполнение элементами именно этих функций обусловлено их длиной Lr и L1 по сравнению с резонансной длиной La (электрической) активного вибратора. Рефлектор всегда настроен на частоту более низкую, чем резонансная частота активного вибратора, а директор — наоборот.
Рис 7-12 Эскиз антенны «волновой канал» и основные обозначенияfr < fa < fg
Основную роль в системе играют директоры. Величина расхождения настроек, или длина директоров, зависит от общей длины антенны L0, числа элементов N и расстояния между ними, диаметра d элементов.
или
Lr > La > LgУсиление антенны G пропорционально её общей длине и в меньшей степени числу элементов N (директоров). Увеличение длины антенны L0 требует уменьшения длины директоров, т.е. L1. Увеличение диаметра d элементов требует укорочения их длины и наоборот. Увеличение общей длины антенны L требует и увеличения расстояния между директорами.
Существует, однако, ярко выраженный предел увеличения расстояния между директорами — не выше 0,4λ. Этот предел можно использовать у длинных антенн, работающих в узком диапазоне, но это связано с жесткими допусками при их осуществлении.
При данной длине L0 максимальное усиление можно получить, используя равные расстояния и длины директоров. Постепенное сокращение или увеличение расстояний между директорами к концу антенны способствует подавлению боковых излучений.
Роль рефлектора не критична для общего усиления антенны, но, в основном, существенна при подавлении обратного излучения антенны до 20—25 дб.
У длинных антенн «волновой канал» L0>λ или элементов с большими расстояниями между ними падение входного сопротивления не столь значительно и колеблется на уровне 1/2 —1/3 первоначального сопротивления активного вибратора, т.е. оно равно 140 ом для петлевого вибратора, чаще всего применяемого в качестве активного вибратора.
Антенны с большим усилением становятся узкополосными, поэтому большое значение имеет жесткость механической конструкции всей системы и отдельных звеньев антенны, так как всякая механическая расстройка создает электрическую расстройку антенны и ведет к понижению ее усиления на основной рабочей частоте.
Значительное изменение диаметров элементов и несущей траверсы, их взаимное крепление, изменение числа элементов и т.д. могут полностью расстроить хорошую систему антенны и сделать ее не пригодной для работы в узком диапазоне, например 144—146 Мгц.
На диаграммах рис. 7-13 и 7-14 графически показаны основные зависимости. График на рис. 7-13 построен по материалам более ранней работы в области многоэлементных антенн и дает зависимость основных величин: усиления G (кривая А) и ширины диаграммы излучения φн (кривая В) от большого числа директоров с расстоянием между ними 0,34λ. Например, антенна, состоящая из вибратора, рефлектора и девяти директоров, имеет коэффициент усиления G= 13 дб, т.е. в 20 раз по сравнению с полуволновым, и ширину диаграмм φн =37°.
Общая длина такой антенны составляла L0=9x0,3 = 0,05λ, т. е. равна 6 м для диапазона 144—146 Мгц. Из кривой В видно, что ширина диаграммы фн очень медленно уменьшается: у антенны с четырьмя директорами она составляет 46°, а чтобы ее сузить до 30°, необходимо иметь 15 директоров (шкала для φн по вертикали справа). По ширине диаграммы можно судить о коэффициенте усиления. Так как φн можно измерить точнее, чем какой-либо другой параметр антенны, то интересно установить зависимость G от φн специально для антенн «волновой канал». Кривая С на рис. 7-13 показывает эту связь при φн = 50° (шкала по горизонтали рисунка), и можно ожидать усиление только прядка G = 6 дб (на рис. вертикальная шкала слева). Антенна, у которой φн=35°, может иметь усиление порядка G = 14 дб и т.д.
Рис» 7-13. Характеристики антенн «волновой канал»На рис. 7-14 показано, что относительная длина антенны L0/λ определяет ее усиление, но сама величина усиления все ещё колеблется в широких пределах. Кривая 2 на рис. 7-14 построена в предположении, что увеличение размеров антенны вдвое должно повысить G на 3 дб (т. е. удвоить мощность поля в точке приема). На практике это не получается, и расхождения особо сильны при длинных антеннах. Кривая 1 является нижней разумной границей коэффициента усиления, основанной на современных взглядах о механизме работы антенн «волновой канал». Кривая дает несколько заниженные величины для коротких (трех-четырехэлементных) антенн. Кривая 3 относится к области идеальных антенн с сильно завышенными значениями усиления G.
Рис. 7-13. Зависимость коэффициента усиления антенны
от ее длины в λ (кривые 1, 2, 3) и ширины полосы частот антенны (кривая 4)На рис. 7-14 показана граница, к которой целесообразно стремиться при конструировании узкополосных УКВ антенн. У кривых 1, 2, 3, независимо от степени их ошибок, крутой подъем усиления идет примерно до 2-2,5λ, а ширина рабочего диапазона Δf быстро сужается до 2-1,5% несущей частоты. Дальнейшее увеличение размеров требует больших затрат и точности выполнения, чтобы не ослабить усиление за счет расстройки слишком узкополосной системы.
Следовательно, разумным пределом можно считать следующие длины антенн: L0=2λ=4,0 м и G = 11—12 дб для диапазона 144—146 Мгц и L0 = 3λ=2,0 м и G = 13 дб для диапазона 430—440 Мгц.
Источник: А.Колесников "Справочник ультракоротковолновика", ДОСААФ, 1966 г.
[ На главную ] [ Антенны ]
