Поиск по сайту

10.3.2. Направленные антенны

Выше были рассмотрены наиболее распространенные виды антенн с круговой диаграммой направленности. Эти антенны не позволяют получить большого усиления, а из-за круговой диаграммы все они относятся к классу относительно "шумных" антенн, поскольку они одинаково воспринимают шумы и помехи с любого направления.

Для обеспечения связи между двумя неподвижными станциями, расстояние между которыми превышает "дальнобойность" антенн типа GP, с успехом используют направленные антенны "Волновой канал" (рис. 10. 10). Эти антенны концентрируют максимум излучения в нужном направлении, обеспечивая выигрыш как при передаче, так и при приеме.

Существенную роль при установлении устойчивой радиосвязи играет поляризация излучаемого сигнала. Известно, что при дальнем распространении поверхностная волна испытывает заметно меньшее затухание при использовании горизонтальной поляризации. Именно поэтому горизонтальная поляризация используется в телевидении. Применение антенн с горизонтальной поляризацией оправдано и в условиях Си-Би связи. Описанные далее антенны при горизонтальном расположении вибратора имеют горизонтальную поляризацию. Прием же ими сигналов радиостанций с вертикальной поляризацией будет сопровождаться заметным ослаблением.

Рис. 10. 11. Полуволновый вибратор

Самой простой из направленных антенн бесспорно считается полуволновый вибратор (рис. 10. 11). Эта антенна используется при приеме телевидения и подробно рассмотрена в разделах 3. 2, 4. 2. Коэффициент усиления антенны принимается за единицу измерения, так как коэффициенты усиления других антенн определяются относительно полуволнового вибратора.

Диаграмма направленности антенны имеет вид восьмерки в горизонтальной плоскости и круга в вертикальной. Подключение к вибратору может быть выполнено кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом. Возникающая при этом асимметрия, искажающая диаграмму направленности, проще всего устраняется с помощью ферритового кольца большого диаметра, на которое наматывается 2-4 витка используемого кабеля. Кольцо желательно располагать как можно ближе к антенне, а кабель - перпендикулярно вибратору на длине не менее 3 м от антенны. Для Си-Би диапазона длина вибратора должна быть 5, 22-5, 25 м. Эта антенна обычно не требует настройки. При подключении к такой антенне 50-омного кабеля (или подключении 75-омного кабеля к радиостанции) обеспечивается КСВ=1, 5, что вполне приемлемо.

Удлиняя полуволновый вибратор, получают конструкцию, получившую название "Длинный провод" (рис. 10. 12), обладающую существенно большим усилением. На практике наиболее распространены антенны длиной L или 2L, поскольку размещение более длинных антенн на современных дачных участках и на крышах городских зданий затруднительно. С учетом влияния краевых емкостей, полная длина вибратора составляет для L - 10,8 м, для 2L - 21,8 м. Для антенны длиной L максимум излучения ориентирован под углом 50° к направлению провода, а усиление по сравнению с полуволновым вибратором составляет 0,5 дБ. Для антенны длиной 2L эти параметры составляют - 30° и 1,5 дБ соответственно.

Сопротивление излучения антенн "Длинный провод" при высоте подвеса более 5 м над землей составляет 80 Ом для L и 105 Ом для 2L. Для согласования их с 50-омным кабелем удобно использовать четвертьволновый трансформатор с волновым сопротивлением 75 Ом, т. е. включить между фидером и антенной 2-метровый отрезок телевизионного кабеля необходимой толщины, не менее толщины 50-омного фидера (рис. 10.13).

Рис. 10.13. Согласующий трансформатор

На рис. 10.14 показана несимметричная, а на рис. 10.15 - симметричная антенна. Для предотвращения затекания тока на внешнюю поверхность кабеля (что искажает диаграмму направленности антенны) желательно намотать 2-4 витка кабеля на ферритовое кольцо большого диаметра вблизи точки присоединения к антенне.

Объединив описанные выше антенны таким образом, чтобы их диаграммы суммировались, получают антенну типа V (рис. 10. 16). Угол раскрыва а зависит от длины проводов. В частности, при длинах L и 2L величина a составляет 100° и 70°, а усиление - 3,5 дБ и 4,5 дБ соответственно. Данная конструкция одинаково излучает в двух направлениях: вперед и назад. Входное сопротивление настроенных в резонанс антенн типа V составляет около 100 Ом при длине L и 120 Ом при длине 2L (высота подвеса также влияет на сопротивление). Согласование антенн с 50-омным кабелем может быть выполнено с помощью трансформатора, показанного на рис. 10.13.

При соединении вместе двух антенн типа V таким образом, чтобы их диаграммы суммировались, получают Ромбическую антенну (рис. 10.17). Направленность этой антенны выражена существенно сильнее. При подключении к вершине ромба, противоположной точкам питания, нагрузочного сопротивления величиной Rн и мощностью, равной половине мощности передатчика, достигается подавление заднего лепестка диаграммы направленности на 15-20 дБ. -

Рис. 10.17. Ромбическая антенна

Направление главного лепестка диаграммы направленности в горизонтальной плоскости совпадает с диагональю а. В вертикальной плоскости главный лепесток ориентирован горизонтально. Размеры ромбических антенн сведены в табл. 10.7, обозначения соответствуют рис. 10.17.

Таблица 10.7 Размеры ромбических антенн

Согласование приведенных ромбических антенн с 50-омным кабелем удобно осуществляется с помощью четвертьволнового трансформатора, выполняемого из двух двухметровых отрезков кабеля (рис. 10.13). Оплетки кабелей, входящих в трансформатор, соединены между собой и больше никуда не подключаются. Поскольку трансформатор в этом случае выполнен симметричной линией, симметрирующий трансформатор на ферритовом кольце при этом можно разместить на 50-омном кабеле фидера вблизи трансформатора. Для согласования антенны длиной L или 2L в трансформаторе используются отрезки 50-омного или 75-омного кабеля соответственно.

Одной из лучших направленных антенн является антенна типа "Двойной квадрат". Как все "проволочные" антенны, она достаточно проста в изготовлении своими силами и не требует дорогостоящих материалов. Антенны типа "Двойной квадрат" обладают следующими характеристиками.

Коэффициент усиления по отношению к антенне типа GP длиной 5/8L -8-9 дБ. Полоса частот (по уровню КСВ= 1,6) - от 26,600 до 27,900 МГц.

Поляризация - вертикальная. Подавление заднего лепестка диаграммы направленности - не менее 20 дБ.

Сравнение характеристик антенны GP 5/8L и описываемой антенны проводилось при связи между Москвой (Ясенево) и Наро-Фоминском, т. е. при малых углах излучения по отношению к горизонту, что наиболее важно для проведения дальних связей поверхностной волной. Конструкция антенны показана на рис. 10.18.

Рис. 10.18. Антенна "Двойной квадрат" на металлической раме

Траверса длиной 220 см изготовлена из двух стальных труб диаметром 30 и 24 мм с толщиной стенок 3 мм. Одна труба вдвигается в другую для удобства транспортировки. В собранном виде трубы траверсы скрепляются сквозными болтами. На концах траверсы приварены крестовины из отрезков двухдюймовой трубы. Для крепления к мачте в середине траверсы приваривается стальной стакан диаметром 60 и длиной 250 мм.

Распорки антенны (8 шт.) длиной 1900 мм выполняют из круглых палок орешника. На концы распорок туго насажены отрезки пластмассовой трубки длиной 100 мм с отверстиями на концах, через которые пропускается антенный канатик. Сами распорки закрепляются в крестовинах с помощью зажимных винтов. Рекомендуется канатик, изготовленный из оплетки кабеля, диаметром около 3 мм. Общая длина канатика вибратора (включая шлейф) - 11 м 2 см. Общая длина канатика рефлектора (включая шлейф) - 11 м 30 см. Целесообразно предусмотреть некоторый запас длины канатика, который можно будет удалить после настройки антенны.

Кабель питания с волновым сопротивлением 50 Ом подключается к середине боковой стороны вибратора. Расстояние между точками подключения центральной жилы и оплетки кабеля - 70 мм. Конструктивно узел питания вибратора выполняется в виде пластмассовой коробочки, заполненной герметикам для защиты места заделки кабеля от осадков. От вибратора кабель идет горизонтально до крестовины, затем вдоль траверсы до мачты и, далее, вдоль мачты вниз. Настроечные шлейфы имеют длины: у вибратора - 100 мм, у рефлектора - 500 мм. Перемычки при настройке присоединялись накруткой, а после окончания настройки пропаивались.

Настройку начинают с вибратора. Регулируя длину шлейфа, добиваются минимума КСВ на средней частоте диапазона.

Длину шлейфа рефлектора настраивают, добиваясь максимального усиления антенны. Для этого любой генератор с излучателем располагают как можно дальше перед антенной (не ближе 20 м), антенну кабелем подключают к приемнику со стрелочным S-метром и добиваются максимума показаний.

Есть положительный опыт построения антенн этого типа на основе несущей конструкции, выполненной целиком из дерева. Это существенно снижает ее вес, что облегчает подъем на мачту, кроме того, более легкую антенну проще сделать вращающейся.

При изготовлении конструкции из дерева следует принять меры для защиты ее от атмосферных воздействий. Несущую траверсу и крестовины рекомендуется промазать олифой или лаком для паркета. Некоторые радиолюбители обматывают всю деревянную конструкцию бинтом, пропитанным нитролаком или нитрокраской. Это несколько утяжеляет конструкцию, но делает ее более долговечной. Возможно также окрасить конструкцию 2-3 слоями финского лака "Pinotex", что позволяет использовать обычные сосновые рейки.

Данная антенна обладает большой парусностью, поэтому все винтовые соединения следует выполнять с использованием шайб Гровера. Естественно, все резьбовые соединения целесообразно защитить от коррозии оконной замазкой или пластилином.

Конструкция антенны показана на рис. 10.19, а на рис. 10.20 -конструкция узлов крепления траверсы к мачте и к опорам.

Рис. 10.19. Антенна "Двойной квадрат" на деревянной раме

Пластины можно изготовить из дюралюминия, текстолита, фанеры, т. е. любых материалов, обеспечивающих необходимую механическую прочность. Проволока, из которой изготавливаются вибратор и директор, может быть медной, диаметром 1, 0-2, 0 мм. Еще лучше использовать антенный канатик. Для крепления вибраторов на опорах можно использовать фарфоровые ролики-изоляторы, которые шурупами закрепляются на рейках опор. Вибратор и рефлектор антенны настраиваются шлейфами, поэтому нужно предусмотреть возможность крепления шлейфов на опорах, например так, как показано на рис. 10. 21.

Какой расчет размеров антенны следует рекомендовать? Для расчета длины провода излучателя в книге К. Ротхаммеля предлагается следующая формула:

Расчет проведем для 20 канала сетки С, т. е. для частоты 27, 200 МГц. Размер L получается равным 11, 103 м. Одна сторона квадрата равна L/4, что составляет 2, 776 м. Длина одной опоры вибратора получается равной 1, 963 м. Длина траверсы должна составлять 0,2L., что дает размер 2, 22 м. Длина провода рефлектора должна быть несколько больше, что обеспечивается выбором длины шлейфа при настройке. Длину настроечных шлейфов рекомендуется выбрать в пределах 0,7-0,8 м, а расстояние между проводами шлейфов - равным 5-15 см.

На рис. 10.22 приведена электрическая схема антенны. Описанная антенна имеет вертикальную поляризацию, ее ожидаемое усиление составляет 8-11 дБ. Для получения расчетной диаграммы направленности точка питания антенны должна быть расположена на высоте большей или равной половине длины волны (т. е. 5,5 м) от земли. Методика настройки антенны соответствует ранее описанной.

Рис. 10.22. Схема электрических соединений

Трехэлементная антенна Delta Loop (рис. 10.23) относится к классу направленных, ширина лепестка излучения в горизонтальной плоскости составляет около 70°. Диаграмма имеет вытянутую форму, что дает выигрыш по сравнению со штыревой антенной GP длиной L/4 примерно в 10 раз по мощности, т. е. радиостанция мощностью 4 Вт в направлении основного излучения звучит так же громко, как радиостанция с усилителем 40 Вт при работе на обычный штырь. Положительный эффект при работе с дальними станциями еще больше усиливается за счет того, что приемник не воспринимает помехи с боков и сзади антенны. Недостаток этой антенны -невозможность поворачивать ее в направлении разных корреспондентов.

Длина провода рамки рефлектора - 11,72 м.

Длина провода рамки активного элемента - 11,2 м.

Длина провода рамки директора - 10,75 м.

Провод можно использовать медный, диаметром 1,5-2 мм. Если антенна предназначена для непродолжительной работы в полевых условиях, годится даже алюминиевый провод. Узел крепления кабеля А можно выполнить, как показано на рис. 10. 24.

Рис. 10. 24. Узел крепления А

Используется пластина из оргстекла или текстолита толщиной 3-5 мм. Отсчет длины провода активного элемента нужно вести от точек XX. Расстояния d1 и d2 равны 2 м и 1 м соответственно. Все открытые места соединении необходимо гидроизолировать пластилином. При высоте мачт 5 м скрутка проводников рамок расположена примерно на уровне груди, что несколько низковато. Идеально было бы иметь нижнюю точку на высоте 5 м и более, но это требует более высоких мачт. При мачтах высотой 5 м конструкция легко выполнима в домашних условиях и дает большой эффект по сравнению со штырем.

Если установить реле-замыкатели на рефлекторе и директоре (рис. 10.25), то, меняя с помощью шлейфов их размеры, можно переключать направление излучения антенны на 180°. В этом случае размеры рамок директора и рефлектора делают равными 10,75 м, а длина провода шлейфа должна быть равна 1 м. В этом варианте размеры d1 = d2 = 1,5 м. Можно использовать реле типа РЭС9, РЭС48, РЭС49.

Рис. 10.25. Антенна с переключаемой диаграммой направленности

Внимание: Никогда не переключайте направление излучения при включенном передатчике - сгорят контакты реле.