ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ KB И УКВ ДИАПАЗОНОВ

1. СОГЛАСОВАНИЕ ШТЫРЕВЫХ АНТЕНН УКВ ПЕРЕДВИЖНЫХ СТАНЦИЙ

    Наиболее часто в УКВ штыревых антеннах передвижных станций используется согласование с помощью индуктивной петли, потому что оно более технологично для УКВ чем способы, известные для KB антенн.

    УКВ антенна над металлической поверхностью (корпусом автомобиля) близка к идеальной штыревой антенне по своим параметрам и имеет входное сопротивление около 36 Ом. Для согласования с кабелем 50 или 75 Ом в этом случае необходимо подключиться к участку антенны, имеющему такое сопротивление (рис. 1). Для того чтобы сохранить согласование с кабелем, от которого в этом случае отходили бы очень длинные отрезки провода, этот участок штыря необходимо согнуть (рис. 2). Это согласование носит название "HAIR RIN" в зарубежной литературе, что означает "Заколка для волос", так как оно напоминает ее по форме. Такое согласование используют в диапазоне от 144 до 1215 МГц. Диаметр этого согласующего устройства обычно не превышает диаметра УКВ штыря. Размер L должен быть примерно 0,02-0,03 длины волны, размер d равен примерно четверти длины 1. Естественно, точный подбор размеров согласующего устройства должен быть осуществлен во время настройки антенны с помощью КСВ-метра.

    Иногда для УКВ используют согласование с помощью четвертьволнового трансформатора (рис. 3). Как известно, соотношение величин Z трансформатора, Z кабеля и нагрузки определяется из формулы:

Z_кабеля = (Z_{трансформатора})²/R_{нагрузки}

где величины, используемые в формуле, понятны из рис.3.

    В этом случае при сопротивлении идеального штыря равном 36 Ом величина волнового сопротивления четвертьволнового трансформатора должна быть 50 Ом, а волновое сопротивление кабеля - 75 Ом (расчетная величина 69 Ом). При таком способе согласования есть несколько неудобств. 

    Во-первых, необходимо два типа кабеля с разным волновым сопротивлением.

    Во-вторых, не всегда точно известна диэлектрическая постоянная изоляции кабеля и, вследствие этого., не. всегда удается сделать точно четвертьволновый трансформатор.

    В-третьих, необходим высококачественный опорный изолятор.

    Если антенна установлена не на крыше автомобиля или какой-либо металлической поверхности передвижного объекта, а над ним, согласование антенны с кабелем производят изменяя угод наклона противовесов. В этом случае при использовании кабеля 50 Ом, противовесы располагают под углом 135° относительно штыря. При использовании кабеля 75 Ом противовесы размещают под углом 180° к штырю. В этом случае часто используют.металлическую трубу Для "земляного" вибратора, пропуская кабель внутрь нее.

2. "ЗЕМЛЯ" ШТЫРЕВОЙ АНТЕННЫ

    До сих пор еще можно услышать или прочитать рекомендации о необходимости закапывать противовесы. Попробуем разобраться с этим. Из-за поверхностного эффекта глубина проникновения электромагнитной волны составляет примерно от 5 — 10 метров на 1,8 МГц до 1 метра на 28 МГц. Эти данные приведены для "средней" почвы центральной России. Для эффективной работы противовесов необходимо, чтобы они взаимодействовали хотя бы с 90% энергии электромагнитного поля. Это значит, что теоретически при работе на 160 метров противовесы можно закопать на глубину не более 40 см, а при работе на 10 метров — на глубину не более 10см. В этом случае следует принять все меры по обеспечению защиты противовесов от коррозии, т.е. использовать провод в хорошей пластиковой изоляции.

    При анализе сопротивления закопанных противовесов очевидно, что их сопротивление складывается из собственно сопротивления "чистых" противовесов плюс сопротивление потерь в почве. Это сопротивление потерь непостоянно и зависит от состояния почвы, что усложняет согласование антенны. Возникают искажения диаграммы направленности, обусловленные переходом токов смещения среды диэлектрик-воздух и частичным их рассеянием в полупроводящей почве и искажением их направления.

    Исходя из этого, можно рекомендовать только один путь избавиться от мешающих проходу противовесов на земельном участке — поднять антенну, а вместе с ней и противовесы.

3. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ НАПРАВЛЕННЫХ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ШТЫРЕВЫХ АНТЕНН

    Предположим, мы возбуждаем антенну А. Рядом с ней имеется антенна В. Электромагнитная волна, излученная антенной А, наводит токи в антенне В, которая, в свою очередь, благодаря этому излучает. Излучение антенны В таким же образом влияет на антенну А.

    Вследствие этого как антенна А, так и антенна В имеют каждая свою диаграмму направленности (рис. 4) и общая ДН будет суммой этих двух ДН.

    То же самое происходит и с сопротивлениями антенн. Если антенна "А" имеет входное сопротивление R_a, то при размещении рядом с ней антенны "В"  в ее полное сопротивление будет равно R_a+R'_вн, где К'_вн — вносимое антенной "В" в антенну "А" сопротивление. На рис. 5 приведен упрощенный график качественной величины вносимого сопротивления вторым вибратором в первый. Подробные такие графики приведены в [6].

    Предположим, что можно найти такое местоположение вибраторов, которое давало бы заданную диаграмму направленности при сумме двух элементарных ДН каждого вибратора.

    Такая работа была проделана в Японии в 1926 году С. Уда. Статья, описывающая результаты этой работы, написана его коллегой X.Яги. Свои опыты С. Уда проводил с вертикальными вибраторами. Антенна Уда-Яги представляет собой систему из нескольких вибраторов, один из которых активный, а остальные — пассивные (рис. 6).

    Размеры вибраторов L_l -L_n и расстояния между ними d_l-d_n-i выбраны таким образом, что формируется однонаправленный "луч".

    Еще один способ создания заданной диаграммы направленности заключается в активном питании вибраторов токами разных фаз. Изменяя разность фаз, можно получить практически любую ДН антенной системы ([5], стр. 280) - Антенная система с активным фазированным питанием предпочтительнее антенны Уда-Яги. Действительно, антенна Уда-Яги однодиапазонна и существуют некоторые трудности, связанные с настройкой ее пассивных элементов. При активном же питании, поставив, к примеру, два вертикальных вибратора на 160 метров (что хоть и трудно, но реально), можно работать как на 160 метрах, так и на других любительских диапазонах. При этом можно формировать необходимую диаграмму направленности антенной системы изменяя разность фаз токов питающих вибраторы.

4. ПОСТРОЕНИЕ НАПРАВЛЕННЫХ АНТЕНН С ПАССИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

    Есть два пути построения антенн Уда-Яги — использование четвертьволнового вибра- тора и использование полуволнового активного вибратора.

    При использовании четвертьволнового вибратора пучность тока находится как раз около заземленного конца штыря и антенную систему несложно питать через коаксиальный кабель или через гамма-согласование. При использовании четвертьволнового активного вибратора необходимо самое серьезное внимание уделить заземляющей системе. Это связано с уменьшением сопротивлений вибраторов из-за их взаимного влияния. При расположении противовесов следует или обеспечить хорошую изоляцию противовесов каждого вибратора друг от друга, или, что еще лучше, сделать общую "землю" (рис.7), что эффективнее.

    При использовании активного вертикального вибратора с размером в половину длины волны на "земляном" конце вибратора будет пучность напряжения. Для питания такой системы используют или четвертьволновую линию, или питают с помощью гамма-согласования в центре вибратора. Если для четвертьволнового штыря система противовесов необходима, то для полуволнового вибратора необходимости в противовесах, особенно при питании через гамма-согласование, нет. При питании с помощью четвертьволновой линии желательно иметь хотя бы по 4 противовеса под каждым вибратором.

    Следует обратить внимание, что если для четвертьволнового вибратора необходимо, чтобы пассивные элементы были тщательно соединены с противовесами и противовесы должны быть размером в четверть длины волны, то для полуволнового активного вертикального вибратора необходима хорошая изоляция пассивных элементов от противовесов, хотя противовесы для самого вибратора желательны. Длина противовесов должна составлять половину длины волны.

    Противовесы также улучшают ДН вертикальной штыревой многоэлементной системы, устраняя влияние предметов, находящихся под ними.

    Часто при использовании трехэлементных антенн пассивные элементы выполняют так, чтобы была возможность изменять их длину. В этом случае, преобразуя рефлектор в директор и наоборот, можно изменять диаграмму направленности на 180° (рис. 8). Необходимо использовать для этого высококачественные реле, т.к. в случае четвертьволнового вибратора через контакты протекает большой ток, а в случае полуволнового вибратора существует большое напряжение между корпусом реле и его контактной системой (рис. 8).

5. ФАЗИРУЕМЫЕ ВЕРТИКАЛЬНЫЕ АНТЕННЫЕ СИСТЕМЫ

    Фазируемые вертикальные антенны могут работать в широком диапазоне частот и обеспечивают изменяемую диаграмму направленности антенной системы. Это обусловило их широкое использованиев военной и коммерческой радиосвязи и в вещании. Обычно расстояние между вибраторами остается неизменным, хотя и существуют антенные системы с изменяемым расстоянием между вертикальными вибраторами.

Типичная схема системы представлена на рис.9.

    Такая антенная система состоит из n вибраторов, где n —от 2 до 10. На каждом вибраторе стоит согласующее устройство 1, которое позволяет согласовывать сопротивление линии передачи 4 и сопротивление вибратора. Линии передачи 4 обычно имеют одинаковую длину до своих фазирующих устройств 2. С помощью этих устройств можно изменять разность фаз и тем самым менять ДН. Фазирующие устройства 2 с помощью линии передач 6 связаны с сумматором мощности 3, который питает все эти вибраторы мощностью, подводимой от передатчика 5.

    Хотя на первый взгляд такая схема питания сложна, в любительских условиях ее можно несложно реализовать.

    Вибраторы размещают на расстоянии в четверть волны на низшем рабочем диапазоне. В этом случае вносимое активное сопротивление мало, а реактивное несложно компенсировать. Очевидна также простота согласующего устройства штыря при работе его на более высоких частотах.

    В качестве фазирующего устройства используют или коаксиальный кабель, обеспечивающий необходимую разность фаз, или LC цепь, что проще и дает возможность плавной регулировки разности фаз. Сумматором служит выходной П-контур передатчика. Полная схема питания двухэлементной фазированной антенной системы приведена на рис. 10.

    При соответствующем П-контуре к нему можно подключать и несколько вибраторов, но возможно, придется использовать согласование каждого вибратора с П-контуром (рис.11).

    Для тщательной настройки такой системы следует помнить, что настройка одного вибратора влияет на другой и общая настройка всей системы может потребовать регулировки согласования штырей с кабелем и П-контуром несколько раз. Удобно производить измерение диаграммы направленности системы с помощью измерителя напряженности поля.

6. НЕСИММЕТРИЧНЫЕ АНТЕННЫ 160 МЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА

    Если радиолюбитель не может установить классический полноразмерный диполь на 160-метровый диапазон, можно попробовать установить штыревую антенну. Во многих случаях штыревая укороченная антенна работает лучше, чем даже полноразмерный диполь, подвешенный на небольшой высоте.

    Разберем, с чем придется столкнуться при установке укороченной штыревой антенны на 160 метров.

    Как было показано в [4], электрически короткий штырь имеет малое сопротивление излучения. Возьмем для примера штырь с электрической длиной в одну шестнадцатую длины волны, имеющий активное сопротивление излучения 2 Ом при его высоте 10 метров. Входное реактивное сопротивление такой антенны будет иметь весьма значительную величину, примерно более чем в 100 раз больше его активного сопротивления.

    Для уменьшения реактивности антенны используют емкостную нагрузку (рис. 12), которая представляет собой горизонтальный провод длиной L2 (более подробно см. [2] и [4].). Очень хорошо, когда L1+L2 равно примерно 40 метрам для 160 м диапазона. Это наиболее простой вариант согласования. Следует заметить, что в такой антенне горизонтальная часть излучает очень слабо, т.к. токи, протекающие в противовесах и в горизонтальной части антенны, компенсируют друг друга, но в то же время эта горизонтальная часть уменьшает, а в идеальном случае может даже свести до нуля реактивность антенны. Конечно, не всегда удается сделать такую длинную горизонтальную часть и осуществить ее точную подстройку. Выход из этого положения — сделать несколько коротких горизонтальных частей.

    Обычно количество этих горизонтальных частей не превышает 5—8 штук. Так как горизонтальная часть антенны слабо излучает, то логично горизонтальные части расположить под углом к противовесам. При таком расположении полной компенсации токов, протекающих в удлиняющем отрезке и противовесах, не происходит, а эффективность антенны за счет излучения этих отрезков возрастает. Расстояние от их нижних концов до земли должно быть не менее 1 —2 метров. Эти удлиняющие отрезки будут служить и растяжками мачты основной антенны.

    Дальнейшим логическим усовершенствованием такой антенны будет полная компенсация реактивного сопротивления с помощью катушки индуктивности, подключенной к концам удлиняющих отрезков (рис. 13). Индуктивность такой катушки для диапазона 160 м может быть от 10 до 200 мкГн — в зависимости от размеров вертикальной части антенны и количества и длины ее наклонных частей. Катушка должна быть выполнена высококачественно. Классический вариант выполнения — намотка на стекле 2 мм проводом.

    Активное сопротивление этой антенны состоит из сопротивления излучения штыря (2 Ом в нашем случае) и сопротивления излучения компенсирующей части, которое в общем случае будет в 2-3 раза выше сопротивления вертикального штыря, а реактивность антенны на рис. 13 лежит в пределах 30 Ом и даже меньше. Такую антенну несложно согласовать с коаксиальным кабелем. В этой антенне большая часть мощности излучается под большими углами к горизонту, и часть мощности излучается под малыми углами," что обеспечивает проведение DX QSO. Во всяком случае, такая антенна эффективнее диполя, подвешенного на высоте ниже четверти длины волны.

    Хотя такие антенны и используются чаще всего на 160 или на 80 метров, представляет интерес создание таких малогабаритных антенн для работы в более высоких диапазонах частот.

Литература

1. Линде Н.М., Изюмов Д.П. Основы радиотехники. — М.-Л.: Энергия, 1965.
2. Бова Н.Т., Резников Г.Б. Антенны и устройства СВЧ. — Киев: Высшая школа, 1982.
3. Федоров Н.Н. Основы электродинамики. — М.: Высшая школа, 1980.
4. Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны. — М.: Радио и связь, 1883.
5. Беньковский3., Липинский Э. Любительские антенны коротких и ультракоротких волн: — М.: Радио и связь, 1983.
6. Айзенберг Г.З. Коротковолновые антенны. — М.: Радио и связь, 1985.
7. Атабеков Г.И и др. Теоретические основы электротехники. — М., 1979.
8. Татур Г.А. Основы теории электрических цепей. — М.: Высшая школа, 1980.

Источник: Радиолюбитель 12/94