Коаксиальные вертикальные антенны
Так называют антенны типа Groundplane с встроенным короткозамкнутым четвертьволновым шлейфом из коаксиального кабеля (рис.1). Основное преимущество антенн подобного типа - расширенная полоса частот.
Рис.1. Схема коаксиальной вертикальной антенны (Rv - сумма сопротивлений потерь)
Она образована отвесно расположенным коаксиальным кабелем с произвольным волновым сопротивлением. Нижний конец центральной жилы кабеля соединен с сетью заземления, а ее верхний конец припаян к экрану кабеля. Длина l кабеля равна l/4хVk, где Vk - величина коэффициента укорочения из спецификации (обычно 0,66). Таким образом, речь идет о коаксиальной замкнутой четвертьволновой линии, выступающей в качестве параллельного резонансного контура. Радиоволны излучаются только экраном кабеля, но вследствие малого отношения l/d его коэффициент укорочения близок к 0,95, и потому он слишком короток для четвертьволнового резонанса. Чтобы сформировалась четвертьволновая Ground-plane, требуется l1 нарастить отрезком l2 до резонансной длины l/4.
Пример
Используется коаксиальный кабель с Vk=0,66. Геометрическая четверть длины волны l1=0,25lх0,66=0,165l. Если для экрана кабеля принять с учетом его отношения l/d коэффициент укорочения V=0,95, то нормальная длина составит l1+l2=0,25lх0,95=0,2376l, а длина отрезка l2=0,2376l-0,165l=0,0725l. При резонансе встроенный четвертьволновый шлейф не работает из-за очень высокого входного сопротивления (параллельный резонансный контур). Если повысить частоту передатчика, то отрезок l1+l2 окажется слишком длинным - иначе говоря, на нем появится индуктивная реактивная составляющая. Одновременно станет чрезмерно длинной и короткозамкнутая четвертьволновая коаксиальная линия (шлейф). Линия, превосходящая четверть длины волны, оказывает емкостное действие, и в результате индуктивная составляющая отрезка излучателя и емкостная реактивность четвертьволнового шлейфа взаимно компенсируются, а сопротивление излучению Rs возрастает.
С понижением частоты передатчика происходит обратное: отрезок излучателя становится емкостным, а шлейф - индуктивным, что также приводит к взаимной компенсации реактивных составляющих. Благодаря такой способности четвертьволновой линии частотная полоса антенны расширяется. Сверху ее ограничивают нежелательные изменения диаграммы направленности, а снизу - резкое падение сопротивления излучения. Благодаря подобной широкополосности длину элементов антенны не обязательно точно выдерживать. Как и для остальных вертикальных антенн, добротная сеть заземления - предпосылка высокого КПД.
DL2FA подробно описал коаксиальные антенны [1]. Эскиз простейшей из них представлен на рис.2а.
Рис. 2. Типы вертикальных коаксиальных антенн:
а - укороченная Groundplane; б - полноразмерная Groundplane;
в - сильно укороченная Groundplane с удлиняющей катушкой L и концевой емкостью CD
Если коэффициент укорочения коаксиального кабеля Vk=0,66, то его геометрическая длина составит 0,25lх0,66=0,165l; она является длиной излучателя, поскольку никакие способы удлинения этого элемента не применялись. Следовательно, здесь имеется укороченная Groundplane длиной ~60° (1 l=360°). Сопротивление излучения Rs этого варианта антенны приблизительно равно 13 Ом. Для достижения высокого КПД антенны сопротивление потерь должно быть тем ниже, чем меньше сопротивление излучения. Несколько более благоприятные условия создает применение коаксиального кабеля с полувоздушным диэлектриком и Vk=0,82. Тогда длина кабеля l1=0,25lх0,82=0,205l (около 74°), величина сопротивления излучения (20 Ом). Благодаря уже описанному действию коаксиального четвертьволнового шлейфа входное сопротивление остается активным в широкой области частот, а его величина изменяется вместе с сопротивлением излучения. С помощью омега-согласующего звена (СА-СК) осуществляется согласование с волновым сопротивлением любого кабеля.
Рис.2б в принципе соответствует рис.1, отличаясь лишь отображением параметров антенны и омега-образным согласованием. На рис.2в показана сильно укороченная Groundplane с удлиняющей катушкой и концевой емкостью.
Коаксиальные антенны эксплуатируются в многодиапазонном режиме. В этом случае следует помнить об изменениях вертикальной диаграммы направленности с переходом от одного диапазона к другому и сопротивления излучения, а также о необходимости подстройки омега-образного звена при переключении диапазонов. Этого не требуется при работе в единственном диапазоне.
Значительная ширина частотного диапазона открывает много возможностей подстройки под местные условия. Коаксиальный кабель нуждается в искусственной или естественной опоре. Идеальным решением была бы фиберглассовая труба с коаксиальным кабелем внутри. Иногда можно протянуть кабель между двумя высоко расположенными опорными точками (например, на деревьях).
Литература:
1. Wurtz H. DX-Antennen mit spiegelnden Flachen - Koakxiale Antennen. cq-DL 7/1981, S.330-332.