Антенны с активным питанием. Основные понятия.
Всем известно, что для получения направленной диаграммы излучения, при заданных размерах элементов и расстояния между ними, требуется вполне определенное значение фазы в элементах антенны, т.е. в рефлекторе и директоре, относительно активного вибратора. Этот сдвиг фазы, относительно активного вибратора, может быть достигнут несколькими способами:
изменением длины элемента и его расстояния до активного вибратора
включением в элемент реактивности(положительной ли отрицательной) или линии с распределенными параметрами
активным питанием элементов антенны, достигая необходимой фазы, путем определенной длины фазирующих линий.
Первые два способа были рассмотрены ранее многократно, поэтому подробнее остановимся на третьем способе, активном питании элементов антенны.
Полный расчет и анализ антенн с активным питанием, представляет достаточно сложную задачу, с применением элементов высшей математики, поэтому я изложу только основные моменты этого аспекта.
Существует ошибочное мнение среди радиолюбителей, которые считают, что для получения необходимой фазы питания элемента, надо лишь включить отрезок кабеля, соответствующей длины. К примеру, если нужна фаза -90 градусов, то нужно лишь включить отрезок кабеля, равный длине 90 градусов. Это утверждение справедливо только тогда, когда мы имеем все элементы антенны, у которых импеданс точно равен характеристическому сопротивлению кабеля. Например, если кабель 50 Ом, то импеданс элементов, должен быть
Z = 50 +j 0 Ом
Это может быть, если, например, кабель нагружен на чисто активное сопротивление 50 Ом. Тогда в кабеле, по всей его длине, установится режим бегущей волны, и значение тока и напряжения вдоль всей линии, будут одинаковы. В этом случае, величина задержки фазы тока или напряжения, будет точно равна длине линии, выраженной в электрических градусах. Такие линии задержки, можно применять в электронной аппаратуре, да и то, только на пассивных элементах, т.к. например, электороды транзисторов, ламп, имеют не чисто активный импеданс, а комплексный, т.е. содержащий мнимую часть. Поэтому даже в этом случае, необходимо учитывать этот фактор.
Если рассматривать антенны, то в реальных условиях, не встречается антенн, с чисто активным импедансом, не содержащим реактивность того или иного знака, тем более, если элементы антенны расположены в непосредственной близости друг от друга. Импеданс элементов никогда не будет равен характеристическому сопротивлению кабеля, а следовательно, в кабеле всегда будет режим стоячих волн. Мы уже знаем, что этот режим характеризуется тем, что значения напряжения и тока в кабеле не постоянны по его длине, причем они изменяются не по синусоидальному закону.
Теперь рассмотрим другой момент.
На Рис. 4.3.1, представлен одиночный диполь, на высоте 0.5 лямбды. Его импеданс:
Z = 71 - j 32 Ом
КСВ, в кабеле 50, при таком импедансе будет 1.88
Расположим на расстоянии 0.25 лямбда, и на той же высоте, идентичный диполь, и запитаем оба диполя с любой, но одинаковой фазой, например 0 градусов. Импедансы диполей будут одинаковы, но больше, чем у одиночного диполя.
Z = 108.3 - j76.57 Ом
КСВ будет 3.42
Это результат взаимного влияния диполей друг на друга. Этот эффект подобен тому, как если бы мы сблизили два отдельно настроенных колебательных контура. Это приводит к взаимной расстройке контуров.
Перейдем к Рис.4.3.3, на котором предыдущая ситуация, но диполи запитаны с разницей фаз в -90 градусов. Это стандартная ситуация, для получения односторонней, кардиоидной диаграммы направленности. Обратите внимание, на импедансы диполей. Они существенно изменились. Один из них, с фазой питания 0 градусов стал:
Z = 25.37 - j 70.1 Ом
Второй диполь, с фазой питания -90 градусов, имеет:
Z = 114.8 + j 6.34 Ом
КСВ в линии 50 Ом будет 6,2 для первого диполя, и 2,3- для второго.
Для диполя с фазой питания 0 градусов в точке питания диполя, будем иметь :
- U = 89.6 v и фаза -73.3 градуса
- I = 1A 0 градусов
Для второго диполя:
- U = 112.8v и фаза +94,2градуса
- I = 1A -90 градусов
Теперь осталось отложить на графической бумаге два графика, с одинаковым периодом по всей длине линии. На каждом из них, должны быть представлены напряжения и ток. И самое главное: найти на этих двух графиках одну или несколько точек, в которых напряжения имеют одинаковую фазу и амплитуду, и в которых ток тоже имеет одинаковую фазу и величину. Задача не из легких, но значительно сложнее найти решение для трех элементной системы с активным питанием. Дело в том, что мы можем соединять в общую точку кабеля от диполей, только в том случае, если на концах этих кабелей, мы имеем полностью идентичные по фазе и величине напряжения и токи. Это важное заключение для всех антенных систем с активным питанием.
Графический метод, как один из методов, не годится для практических целей, ввиду сложности воспроизведения графика распределения тока и напряжения в линии, т.к. они не подчиняются синусоидальному закону.
Существует второй способ настройки антенны. Это настольный способ моделирования, который заключается в следующем:
Предварительно соберем схемы а и б, для каждого элемента антенны, т.е. всего 4 схемы, изображенные на Рис. 4.3.4. Кольца, проницаемостью 100, диаметром 12 мм, имеют 8 витков провода, равномерно распределенных по поверхности. Схема а, будет конролировать величину тока, а схема б - величину сдвига фазы тока. Схема б, от одного из эквивалентов, должна соединятся кабелем 75 Ом с одним из входов двухлучевого осциллографа, и со вторым входом - от другого эквивалента.
Из конденсаторов, индуктивностей и резисторов, собираются эквиваленты импедансов элементов антенны. Для нашего случая, при частоте 14.15 Мгц, это будет:
- +J 6.34 = 71 нГн
- -J 70.1 = 160.4 пФ
Соединим последовательно резистор 114,8 Ом и катушку 71 нГн. Это будет эквивалент для первого элемента.
Соединим аналогично резистор 23,4 Ом и емкость 160,4 пФ, что будет вторым эквивалентом. Точность компонентов должна быть высокой +/- 1%
Подключим к обоим эквивалентам кабеля 50 Ом. Эквиваленты должны располагаться в пространстве, для уменьшения влияния паразитных емкостей с другими предметами. Центральную жилу кабелей пропустим через кольца(каждую жилу - через два кольца), получив таким образом на каждом эквиваленте по два измерителя, а и б. Другие концы кабеля, соединим вместе, и подключим к источнику сигнала, с частотой 14.15 Мгц.
Контролируя амплитуды тока на обоих эквивалентах по прибору а, и фазы тока(они должны быть с разницей 90 градусов) по прибору б, подбираем величину отрезков кабелей, подключенных к генератору сигнала, до получения условий:
- амплитуды тока - равны
- разность фаз - -90 градусов.
Процедура достаточно трудоемкая, но более удобная, чем то же самое, но на крыше.
Существует и третий способ расчета длины отрезков кабелей, для антенных систем с активным питанием. Этот способ - использование программы EZNEC-3. Эта программа позволяет расчитывать длину кабелей в метрах, футах или в электрических градусах, при заданных значениях фазы, частоты, сопротивления кабеля и импеданса элементов, который расчитывает сама программа. Этот способ самый быстрый, и самый точный.
Что же дает активное питание, какие преимущества?
Самое главное преимущество - возможность более полного подавления нежелательных излучений, а следовательно и повышение эффективности антенны. За счет чего это возможно? Это возможно за счет того, что при активном питании, в элементах антенны, достигается не только нужная фаза тока, но и одинаковая его амплитуда, т.к. питание переносится кабелем, практически без затухания. Излучение полностью будет подавлено только тогда, когда вектора токов, придут в точку пространства, с разницей фаз 180 градусов, и с одинаковыми амплитудами.
В системах с пассивным питанием, которые были рассмотрены ранее, ток в рефлекторе или директоре, возникает за счет наведенной э.д.с., и он всегда меньше тока в активном вибраторе, потому, что часть энергии от активного вибратора, теряется в пространстве между элементами, происходит затухание сигнала. По этой причине, полного подавления заднего лепестка в таких системах, никогда не удается добиться.
Есть и недостатки систем с активным питанием. Эти системы, значительно более чувствительны к изменению импеданса элементов. Изменение высоты подвеса, изменение расстояния между элементами, изменение расстояния до других предметов, приводят к серьезной расстройке параметров антенны. Такие системы лучше всего подвешивать на достаточной высоте, не ниже 0.5 лямбды, и подальше от посторонних предметов: стен домов, линий передач, мачт и т.д. Антенны с активным питанием - точно сбалансированная система, баланс которой легко нарушается вышеперечисленными причинами.
Это основные моменты, для понимания работы антенн с активным питанием.
Мастер Спорта СССР,
Александр Барский.
ex UA9XSD, UZ3XWB.VA3TTT, Toronto, Canada, va3ttt@yahoo.com