Дипольная антенна что это такое


В чем разница между диполем (симметричной вибраторной антенной) и антенной (штыревая антенна с проволочными противовесами)?

Каждому беспроводному устройству нужна антенна. Это проводящее механическое устройство представляет собой преобразователь, который преобразует передаваемый радиочастотный (RF) сигнал в электрические и магнитные поля, составляющие радиоволну. Он также преобразует полученную радиоволну обратно в электрический сигнал. Для антенн возможно почти бесконечное множество конфигураций. Однако большинство из них основано на двух основных типах: дипольных и штыревых антеннах.

Понятие «антенны»

Радиоволна содержит электрическое поле, перпендикулярное магнитному полю. Оба перпендикулярны направлению распространения (рисунок ниже). Это электромагнитное поле и создает антенну. Сигнал, излучаемый устройством, вырабатывается в передатчике и затем отправляется на антенну с помощью линии передачи, обычно коаксиального кабеля.

Линии представляют собой магнитные и электрические силовые линии, которые движутся вместе и поддерживают друг друга, когда они «движутся наружу» от антенны.

Напряжение создает электрическое поле вокруг антенных элементов. Ток в антенне создает магнитное поле. Электрические и магнитные поля объединяются и регенерируют друг друга в соответствии с известными уравнениями Максвелла, и «комбинированная» волна отправляется с антенны в пространство. При приеме сигнала электромагнитная волна индуцирует напряжение в антенне, которое преобразует электромагнитную волну обратно в электрический сигнал, который может быть дополнительно обработан.

Первичным рассмотрением в ориентации любой антенны является поляризация, которая относится к ориентации электрического поля (E) с землей. Это также ориентация передающих элементов относительно земли. Вертикально установленная антенна, перпендикулярная к земле, излучает вертикально поляризованную волну. Таким образом, горизонтально расположенная антенна излучает горизонтально поляризованную волну.

Поляризация также может быть и круговой. Специальные конфигурации, такие как винтовые или спиральные антенны, могут излучать вращающуюся волну, создавая вращающуюся поляризованную волну. Антенна может создавать направление вращения либо вправо, либо влево.

В идеальном случае антенны как на передающем, так и на приемном устройстве должны иметь одинаковую поляризацию. На частотах ниже примерно 30 МГц волна обычно отражается, преломляется, вращается или иным образом модифицируется атмосферой, землей или другими объектами. Следовательно, согласование поляризации на двух сторонах не является критическим. На частотах ОВЧ, УВЧ и СВЧ поляризация должна быть одинаковой для обеспечения максимально качественной передачи сигнала. И, обратите внимание, что антенны демонстрируют взаимность, то есть они одинаково хорошо работают как на передачу, так и на прием.

Диполь или симметричная вибраторная антенна

Диполь представляет собой полуволновую структуру из проволоки, трубки, печатной платы (PCB) или другого проводящего материала. Он разделен на две равные четверти длины волны и подпитывается линией передачи.

Линии показывают распределение электрических и магнитных полей. Одна длина волны (λ) равна:

λ = 984/fMHz

половина волны:

λ/2 = 492/fMHz

Фактическая длина обычно сокращается в зависимости от размера антенных проводов. Лучшее приближение к электрической длине:

λ/2 = 492 K/fMHz

где K — коэффициент, связывающий диаметр проводника с его длиной. Это 0,95 для проводных антенн с частотой 30 МГц или менее. Или:

λ/2 = 468/fMHz

Длина в дюймах:

λ/2 = 5904 K/fMHz

Значение K меньше для элементов большего диаметра. Для трубки диаметром в полдюйма K составляет 0,945. Дипольный канал для 165 МГц должен иметь длину:

λ/2 = 5904(0.945)/165 = 33.81 дюйма

или два 16,9-дюймовых сегмента.

Длина важна, потому что антенна является резонансным устройством. Для максимальной эффективности излучения он должен быть настроен на рабочую частоту. Однако антенна работает достаточно хорошо на узком диапазоне частот, как резонансный фильтр.

Полоса пропускания диполя является функцией его структуры. Обычно он определяется как диапазон, в котором отношение коэффициента стоячей волны антенны (КСВ) меньше 2:1. КСВ определяется величиной отраженного сигнала от устройства назад по линии передачи, подающей на него. Это функция импеданса антенны с отношением к импедансу линии передачи.

Фактическое сопротивление антенны в ее центральной точке зависит от ее частоты и высоты антенны. При резонансе и полуволне над землей импеданс антенны составляет приблизительно 73 Ом. Паразитный резонанс, импеданс антенны будет включать либо индуктивный, либо емкостный компонент реактивного сопротивления.

Идеальной линией передачи является сбалансированная проводящая пара с сопротивлением 75 Ом. Также можно использовать коаксиальный кабель с характеристическим импедансом 75 Ом (Zo). Коаксиальный кабель с характеристическим импедансом 50 Ом также может использоваться, так как он хорошо соответствует антенне, если он меньше половины длины волны над землей.

Коаксиальный кабель является несбалансированной линией, так как радиочастотный ток будет протекать снаружи коаксиального экрана, создавая некоторые нежелательные индуцированные помехи в соседних устройствах, хотя антенна будет работать достаточно хорошо. Лучший метод подачи — использовать симметрирующий трансформатор в точке подачи с коаксиальным кабелем. Симметрирующий трансформатор — это трансформаторное устройство, которое преобразует сбалансированные сигналы в несбалансированные сигналы или наоборот.

Диполь может быть установлен горизонтально или вертикально в зависимости от желаемой поляризации. Линия подачи идеально должна проходить перпендикулярно к излучающим элементам, чтобы избежать искажения излучения, поэтому диполь наиболее часто ориентирован горизонтально.

Диаграмма излучения сигнала антенны зависит от ее структуры и монтажа. Физическое излучение является трехмерным, но обычно оно представлено как горизонтальными, так и вертикальными диаграммами направленности.

Горизонтальная диаграмма направленности диполя представляет собой цифру восемь (рисунок 3). Максимальный сигнал появляется на антенне. На рисунке 4 показана вертикальная диаграмма направленности. Это идеальные образцы, которые легко искажаются землей и любыми соседними объектами.

Усиление антенны связано с направленностью. Коэффициент усиления обычно выражается в децибелах (дБ) с учетом некоторого «эталона», такого как изотропная антенна, которая является точечным источником радиочастотной энергии, излучающая сигнал во всех направлениях. Подумайте о точечном источнике света, освещающем внутреннюю часть расширяющейся сферы. Изотропная антенна имеет коэффициент усиления 1 или 0 дБ.

Если передатчик формирует или фокусирует диаграмму излучения и делает ее более направленной, он имеет усиление по изотропной антенне. Диполь имеет коэффициент усиления 2,16 дБи по изотропному источнику. В некоторых случаях коэффициент усиления выражается в зависимости от дипольного задания в дБд.

Вертикальная антенна с дополнительными горизонтальными отражающими элементами

Данное устройство представляет собой, по существу, половину диполя, установленного вертикально. Термин монополь также используется для описания этой установки. Земля ниже под антенной, проводящая поверхность с наименьшим λ / 4 по радиусу или образец λ / 4-проводников, называемых радиальными, составляют вторую половину антенны (рис.5).

Если антенна подключена к хорошему заземлению, она называется антенной Маркони. Основной структурой служит другая λ / 4 половина передатчика. Если плоскость заземления имеет достаточный размер и проводимость, то производительность заземления эквивалентна вертикально установленному диполю.

Длина четвертьволновой вертикали:

λ/4 = 246 K/fMHz

Коэффициент K меньше 0,95 для вертикалей, которые обычно изготавливаются с более широкой трубкой.

Импеданс точки питания представляет собой половину диполя или примерно 36 Ом. Фактическая цифра зависит от высоты над землей. Подобно диполю, плоскость заземления является резонансной и обычно имеет реактивный компонент в своем основном импедансе. Наиболее распространенной линией передачи является 50-Ω коаксиальный кабель, поскольку он относительно хорошо соответствует импедансу антенны с КСВ ниже 2: 1.

Вертикальная антенна с дополнительным отражающим элементом является ненаправленной. Горизонтальная диаграмма направленности — это круг, в котором устройство излучает сигнал одинаково хорошо во всех направлениях. На рисунке 6 показана вертикальная диаграмма направленности. По сравнению с вертикальной диаграммой направленности диполя плоскость заземления имеет более низкий угол излучения, что дает преимущество более широкого распространения при частотах ниже примерно 50 МГц.

Выводы

Практически все другие антенны, которые часто используются, являются вариациями антенн дипольного или вертикального плана. Например, антенна Яги-Уда добавляет паразитные элементы, такие как ретранслятор и / или отражатель, к диполю, чтобы увеличить его усиление и направленность. Несколько диполей можно укладывать вертикально или располагать в разных массивах, что значительно увеличивает коэффициент усиления. Телевизионные антенны УКВ-«бабочки» и антенны с печатными платами, используемые в некоторых беспроводных устройствах, являются дипольными вариациями. Патч (микрополосковая линия) и щелевые антенны, используемые на микроволновых частотах, также являются дипольными производными.

Кроме того, могут быть выполнены две или более вертикальные антенны с дополнительным отражающим элементом для создания более направленного сигнала с усилением. Например, направленная радиостанция AM использует две или более башни для направления сильного сигнала в одном направлении, подавляя его в другом.

Коэффициент стоячей волны

Стоячие волны представляют собой схемы распределения напряжения и тока вдоль линии передачи. Если характеристический импеданс (Zo) линии соответствует выходному импедансу генератора (передатчика) и нагрузке антенны, напряжение и ток вдоль линии постоянны. При согласованном импедансе происходит максимальная передача мощности.

Если нагрузка антенны не соответствует линейному импедансу, не вся передаваемая мощность поглощается нагрузкой. Любая мощность, не поглощенная антенной, отражается назад по линии, мешая прямому сигналу и создавая изменения тока и напряжения вдоль линии. Эти вариации представляют собой стоячие волны.

Мерой этого несоответствия является коэффициент стоячей волны (КСВ). КСВ обычно выражается как отношение максимального и минимального значений прямого и обратного тока или значений напряжения вдоль линии:

КСВ = Imax/Imin = Vmax/Vmin

Другим более простым способом выразить КСВ является отношение характеризующего импеданса линии передачи (Zo) к импедансу антенны (R):

КСВ = Zo/R или R/Zo

в зависимости от того, какой импеданс больше.

Идеальный КСВ составляет 1: 1. КСВ от 2 до 1 указывает на отраженную мощность 10%, а это означает, что 90% передаваемой мощности поступает на антенну. КСВ 2: 1 обычно считается максимально допустимым для наиболее эффективной работы системы.

elenergi.ru

Антенна диполь на Си-Би

Что может быть проще диполя? Наверное, ничего. Это самая простая в изготовлении антенна доступная большинству радиолюбителей. Ее просто рассчитать, просто изготовить, просто настроить и еще проще использовать. Вышло так, что в лаборатории журнала у меня не было никакой антенны где-то год, и вот недавно я решил, что хватит это терпеть!

В этой статье я расскажу, как рассчитать, из чего и как изготовить простую дипольную антенну на 27 МГц. Покажу весь ход построения антенны, от идеи до законченного изделия. Антенна проектировалась с расчетом на долгую не обслуживаемую эксплуатацию и поэтому вниманию защиты от пагубного воздействия атмосферы было уделено много внимания. Кроме того правильный диполь должен обязательно запитываться через балун. Что это такое и с чем его едят, читайте ниже.

Техническое задание

Условия, в которых предполагается использовать антенну, не самые благоприятные. Крыша двухэтажного здания. Не доминантная высота. Вокруг высотных зданий не много, но они есть. Мягкая кровля. В маневре мы ограничены с той точки зрения, что самовольно попадать на крышу проблематично, закрепить антенны выше уровня крыши тоже достаточно сложно, для этого нет никаких конструкций, а новые городить никто не даст. Единственно, разрешили вбить в стену крюк над окном, и на том спасибо. В общем, рассчитывать на великую дальнобойность подобной антенны не приходится, просто даже исходя из условий размещения. Кроме того, антенна не должна никому мешать эксплуатировать кровлю. На крышу частенько заходят всяческие организации, следящие за состоянием кровли и кондиционеров и прочего оборудования. Короче, условия – отстой, но антенну все равно хочется. 🙂 Поэтому был выбран самый простой вариант – диполь.

Что такое диполь

Диполь – симметричный вибратор, простейшая и наиболее распространённая на практике антенна. В самом простом варианте представляет собой прямолинейный проводник длиной в половину длины волны и питаемый в середине от генератора токами высокой частоты. Иными словами, это два одинаковых куска провода растянутые в пространстве последовательно, друг за другом. Но в центре этой конструкции, точке их соединения к ним подключается кабель, по которому сигнал будет идти от диполя в трансивер и от трансивера в диполь. Все просто. Диполь может быть как вертикальный, так и горизонтальный. При этом поляризация волн принимаемых и излучаемых такой антенной будет меняться сообразно ориентации диполя. Вертикальный диполь – вертикальная поляризация (целесообразно использовать для местных связей), горизонтальный диполь (целесообразно использовать для дальних связей). Диполь, натянутый под углом, имеет обе составляющие.

Проект и расчет

Прежде чем брать в руки инструменты и начинать что-то делать не плохо бы посчитать какого же размера нам нужен диполь, кроме того, это поможет нам рассчитать количество провода который мы будем использовать для лучей диполя. Надо понимать, что действительная (геометрическая) длина диполя несколько меньше чем рассчитанная формуле. Это связано с тем, что на концах антенны возникает емкостный ток, который эквивалентен увеличению ее длины. Необходимую длину диполя, с учетом соответствующего коэффициента укорочения можно посчитать по всяким умным формулам, которые я приводить не буду, а можно воспользоваться более технологичными средствами и привлечь к нашему творчеству программу моделировщик MMANA. И если Вы, будучи радиолюбителем ее, по какой-то причине все еще не освоили, настоятельно рекомендую это сделать. Для проектирования и расчета простых антенн, это совершенно незаменимый инструмент.

Итак, наш проект выглядит следующим образом. Антенна диполь. Верхняя точка подвеса на высоте 3м, центр на 2,5м, нижняя точка на 2м. Не густо, с учетом того, что КСВ и параметры работы антенны дипольного типа в целом довольно сильно зависят от высоты подвеса, но выбирать особенно не из чего. Длина плеч антенны примерно 2,57м, диаметр провода 2мм (R=1мм).

Вбиваем эти данные в моделировщик и получаем следующее.

Считаем параметры для частоты 27.200МГц. Центральная частота центральной сетки.

Похоже на правду, с учетом того, что диполь в свободном пространстве имеет сопротивление около 75Ом, что соответствует КСВ=1,5. Меня это вполне устраивает.

КСВ, а также активная и реактивная составляющая импеданса. Параметры для нашей антенны вполне подходящие.

Диаграмма направленности. Антенна при данном размещении будет по большей части зенитного излучения. Это следствие низкого подвеса, но тут уж ничего не поделаешь.

Питать антенну мы будем не просто через коаксиальный кабель, а через балансировочное устройство (балун). Балун это симметрирующий трансформатор. Называется так из-за использования в названии сокращенных англицизмов. Balanced-Unbalanced. Или BalUn. (БалУн). Он необходим для питания симметричной антенны. Диполь как раз антенна симметричная, а питаться она будет не симметричной линией, коей как раз является коаксиальный кабель. Но о балуне чуть ниже. Итак, примерно прикинув, что нас ждет, можно приступать к изготовлению.

Конструктив

Для ленивых, и тех, кто хочет просто попробовать сделать такую антенну, есть вариант проще. Сразу приведу картинку позаимствованную у EU4DGC. Отдельно комментировать не буду, на ней и так все понятно. Повторите и оно заработает.

Но так как надежность конструкции у меня стояла не на последнем месте, я решил подойти к делу более основательно. Для изготовления диполя нам в первую очередь потребуется сделать заготовку для антенны дипольного типа. Эта штука необходима для полноценной реализации балуна. Вы, конечно, можете купить готовый балун, но, на мой взгляд, сделать его своими руками проще, дешевле и интереснее.

Для конструирования нам потребуется. 1. Сантехническая пластиковая муфта диаметром 50-55мм. Продается в сантехнических магазинах. 2. Сантехнические заглушки того же диаметра. Продаются там же. 3. Разъем типа SO-239 4. Винт-кольцо 3 штуки (М6).

5. 6 шайб и 3 гайки.

Начинаем подготовку. Сверлим отверстия в крышках-заглушках и муфте.

В муфте одной из заглушек диаметром 6мм, для крепления, и 16мм в другой, для разъема. Сверлим отверстия под креплениями и для вывода проводов которыми будем питать лучи антенны.

Монтируем крепления. В собранном виде конструкция выглядит вот так.

Теперь приступаем к изготовлению балуна.

Балун

Как я уже писал выше, балун это симетрирующее устройство позволяющее избавиться от антенного эффекта фидера. Если этого не сделать, наш кабель снижения станет полноправной частью антенны и при приеме будет работать как часть антенны, собирать сигналы, помехи и шум, а при передаче излучать. Нам это совершенно не нужно, поэтому мы изготовим балансирующее устройство на ферритовом кольце. Как мы помним, сопротивление диполя у нас около 75Ом, это значит, что для правильного согласования антенны, наш балун не должен трансформировать сопротивления, а должен просто передавать сигнал 1 к 1. Самый простой вариант балуна представлен на рисунке ниже. Он выполнен на ферритовом кольце трифилярной обмоткой.

Для изготовления такого балуна нам потребуется ферритовое кольцо, у меня нашлось с проницаемостью 600, кусок провода сечением 0,5-1мм., в закромах нашелся кусок МГТФ сечением 1мм и длиной 2,5м.

Складываем провод втрое и начинаем наматывать на кольцо. В итоге у нас должно получиться нечто вроде этого.

Фиксируем обмотку на кольце при помощи хомутов или изоленты и начинаем соединять обмотки в нужной последовательности. Готовый вариант.

Монтируем балун в нашу заготовку. И припаиваем разъем.

Собираем все вместе и в итоге у нас должна получиться вот такая конструкция.

Почти готово. Теперь нам необходимо отмерить нужное количество провода для лучей антенны и закрепить их на нашем, теперь уже балуне-заготовке. Для лучей можно использовать почти любой провод достаточной толщины, я обычно использую обычный ПВ сечением 1,5мм^2. Отмеряем по 3 метра, не смотря на то, что MMANA нам посчитала 2,57м, лучше взять с запасом и потом отрезать лишнее, чем судорожно соображать, как нарастить недостающее. Плюс, часть провода пойдет на крепление лучей к балуну и оттяжкам. Прикручиваем лучи к ушкам балуна и подсоединяем выводы нашего балуна к лучам.

После этого все хорошо пропаиваем. Собственно, сама антенна готова.

Осталось придумать из чего сделать оттяжки. Лично я для этих целей предпочитаю использовать обычный паракорд. Он крепкий, надежный и не особенно вытягивается под нагрузкой.

Пришла пора лезть на крышу и устанавливать антенну. Весь процесс выкладывать не буду, но по основным пунктам пройдусь.

Верхняя точка крепления антенны. В стену вкручен анкер-крюк.

Сама антенна и кабель снижения. Кабель – обычный RG-58 C/U длиной от точки запитки до радиостанции примерно 15м. Длина кабеля на настройку антенны не влияет.

Настройка антенны

Поскольку диполь — антенна симметричная, длина плеч антенны должна быть одинаковой! Начинать я рекомендую с той длины которая нам выдала MMANA, как правило, начав с этого можно с высокой вероятностью попасть именно туда, куда нам нужно. Отрезать полотно антенны не нужно, достаточно просто загнуть лишнюю часть параллельно полотну антенны и примотать изолентой или зафиксировать кабельной стяжкой. Возможно, для точной настройки придется несколько раз снимать и опять натягивать антенну, подгоняя длину плеч под нужную Вам частоту. Вот что в итоге получилось у меня.

По КСВ=3 диполь имеет полосу почти 5МГц, по КСВ=2 почти 2,5МГц.

Активная и реактивная составляющие.

На мой взгляд, все не плохо.

Итог

В итоге получилась достаточно универсальная, а самое главное простая антенна на Си-Би диапазон. Расположенная в моем случае не самым лучшим образом, но, тем не менее, вполне себе работоспособная. Принимающая и передающая пусть и не так как вертикал длиной 5/8, но, на мой взгляд, это сильно лучше, чем вообще ничего. Собирается эта конструкция при наличии всех необходимых частей за час-полтора, очень быстро. Эта антенна висит за окном всего несколько дней, тестирование продолжается, пока результат меня вполне устраивает, если будут какие-то дополнения, обязательно про них напишу. Ну, или если кто-то решится повторить мой подвиг, был бы рад свежим мнениям и комментариям.

Всем удачи, 55, 73!

radiochief.ru

АНТЕННЫ ДЛЯ РАДИОЛЮБИТЕЛЕЙ

\главная\р.л. конструкции\антенны\...

Глава 3. Петлевые рамочные антенны.

Эта глава посвящена рамочным антеннам с периметром более 0,4 длины волны, на которой работает эта антенна. Первая рамочная антенна с периметром, равным длине волны, была построена в 1942 году группой американских инженеров, среди которых был и радиолюбитель – W9LZХ – для мексиканской миссионерской радиостанции HCJB. Именно благодаря любительскому радио эта антенна широко распространилась во всем мире кроме СССР, к сожалению, (по причинам, о которых говорить сейчас неуместно и поздно). Так получилось, что страна, имевшая антеннщиков – теоретиков и практиков – высокого класса и весьма преуспевшая во многих вопросах по теории и практике антенн, как будто “не заметила” новый класс антенн, родившийся во время второй мировой войны. Практически во всей специальной литературе отсутствуют сведения о рамочных петлевых антеннах. Не было опубликовано и работ с достаточно четким теоретическим и практическим материалом о них. Из-за этого даже специалисты в области антенн в нашей стране часто не могут найти общий язык при разговоре о рамочных антеннах. Скуден запас знаний и среднего радиолюбителя, который базируется в основном на В1, В2, В3, В4.

Несмотря на это радиолюбители строят и используют рамки, часто получая при этом превосходные результаты (В3). В этой работе “рамка” будет обозначать рамочную антенну с периметром более 0,4 длины волны, независимо от ее конфигурации – квадрат, круг или дельта.

1.  Что такое рамочная антенна.

Часто недоразумения возникают именно из-за того, что многие не представляют четко, к какому классу антенн относится рамочная антенна. На самом деле рамочная антенна является дальнейшим развитием петлевого диполя. Классический петлевой диполь (рис.1) имеет сопротивление излучения, примерно равное 300 Ом.

Полоса пропускания петлевого диполя шире, чем у обыкновенного диполя в несколько раз. Это несомненное преимущество петлевого диполя над обычным, в то же время главный недостаток – высокое входное сопротивление. Но если “растянуть” петлевой диполь, то получим классическую рамочную антенну-квадрат (рис.2).

Рамочная антенна охватывает большее пространство, чем петлевой диполь, в результате этого она имеет коэффициент усиления больше, чем коэффициент усиления простого и петлевого диполя. Рамочная антенна, как и петлевой диполь, симметричная антенна, поэтому для правильного ее питания необходимо использовать симметрирующее устройство. Рамочная антенна, как и все дипольные антенны, не нуждается в “земле”. Так как рамка охватывает большее пространство, чем петлевой диполь, то входное сопротивление его ниже и составляет около 120 Ом.

2. Входное сопротивление, КПД, коэффициент усиления и диаграмма направленности классической рамочной антенны.

Рассмотрим несколько типов рамочных антенн, расположенных вертикально в свободном пространстве (рис.3).

В этом случае их диаграмма направленности в горизонтальной плоскости практически совпадает с диаграммой направленности диполя, хотя и в вертикальной плоскости будет примерно в два раза уже, чем у него. За счет того, что часть антенны расположена вертикально, рамка излучает довольно большой уровень вертикально поляризованной волны. Диаграмма направленности рамочной антенны в вертикальной плоскости – овал, причем с небольшими максимумами, направленными к противоположным вертикальным сторонам. Этим объясняется то, что иногда лучше слышат, когда рамка направлена параллельно оси корреспондента, т.е. по минимуму горизонтально поляризованного излучения на него. В этом случае QSO проходит на вертикально поляризованной волне, которая к тому же часто имеет более пологий угол излучения, особенно в случае малых высот подвеса рамочной антенны.

В работе (2.1) приведены расчеты входного сопротивления рамок различной конфигурации и их коэффициент усиления относительно диполя (рис.5). Эти данные получены теоретически, поэтому на практике возможны случаи расхождения практически полученных результатов. Из этой таблицы видно, что рамочная антенна любой конфигурации имеет коэффициент усиления выше, чем у диполя. Наибольший уровень вертикальной составляющей имеет антенна в форме дельты- это и понятно, т.к. у нее наибольшая длина вертикальной части антенны. Наибольшее усиление имеет круглая рамка, т.к. именно круг охватывает наибольшее пространство. Здесь видна физика работы – чем большее пространство охватывает антенна соответственно – круг, квадрат, треугольник – тем выше усиление, обеспечиваемое ею. Наибольшее входное сопротивление – у круглой антенны, и наименьшее – у дельты. Эта величина также связана с коэффициентом усиления антенны. Коэффициент полезного действия рамочной антенны чуть выше КПД диполя и реально легко достижим значения в 90% и более.

Все это относилось к вертикальным рамкам, расположенным в свободном пространстве. Но уже при подвесе нижней части рамки на высоту не менее четверти длины волны, можно считать такую рамку идеальной и данные, приведенные здесь, верны для нее.

Но иногда можно встретить описания рамочных антенн, имеющих нетрадиционную конфигурацию с целью лучшего согласования антенны с фидером. Например, в Л. 2.2. приведена рамочная антенна (рис.6), имеющая входное сопротивление, близкое к 60 Ом, что дает возможность запитать ее непосредственно коаксиальным кабелем одного из двух номиналов – 75 или 50 Ом. Но в рамочной антенне коэффициент усиления и ее входное сопротивление связаны прямо пропорционально – чем выше входное сопротивление рамки, тем выше ее коэффициент усиления.

Для приведенной в этой статье рамки коэффициент усиления (как указано в этой же статье) будет составлять всего 1 дБ по сравнению с диполем. Это меньше, чем для рамки, имеющей классические формы (рис.5). Но, конечно, при изготовлении рамок на низкочастотные диапазоны и при наличии невысоких опор для установки антенны, данные о таких типах рамок могут быть весьма полезными.

3. Размеры классической рамочной антенны.

Как было показано в параграфе 1, рамка является видом петлевого диполя. Отсюда можно предположить, что, так как она содержит полную длину петлевого диполя, ее периметр будет равен периметру петлевого диполя. Длина плеча петлевого диполя чуть меньше четверти длины волны из-за влияния концевой емкости, и равна примерно 0,248l - 0,249l (рис.7), в зависимости от диаметра провода, из которого выполнен диполь.

В рамочной антенне влияние концевых емкостей отсутствует (из-за отсутствия концов). Здесь наблюдается эффект уменьшения физической длины рамки из-за взаимодействия излучающих сторон. В этом случае, при использовании формы квадрата, длина рамки равна 1,01 - 1,02 длины волны (рис.8).

При использовании другой фигуры построения рамки общая длина ее будет такой же. Но если рамка размещена на малой высоте, и около нее находятся посторонние предметы, то, возможно, придется подобрать длину рамки. В любом случае ее длину необходимо немного уменьшать. Рамку в этом случае также настраивают по минимуму КСВ в середине работы диапазона. На рис.9 приведены размеры рамочных антенн для всех любительских КВ- и части УКВ-диапазонов. При построении рамочных антенн диаметр провода не влияет на ее длину, как это происходит в дипольных антеннах. Здесь больше выражено то, что при увеличении диаметра провода возрастает широкополосность антенны. Уже при диаметре провода 1-2 мм рамочная антенна, выполненная из него, перекрывает любой любительский диапазон от 1,8 до 144 МГц, и дальнейшее увеличение диаметра провода ее полотна приводит только к увеличению веса и механической прочности антенны и лишь немного увеличивает ее КПД. Конечно, в случае использования толстого провода можно подходить к проблеме согласования менее тщательно, меньше будет проявляться и влияние посторонних предметов на рамку.

Именно из-за использования разных диаметров провода, высот подвеса и формы рамки происходят различия в данных о параметрах рамки, приводимые различными радиолюбителями – входном сопротивлении, а, следовательно, и питании и согласовании, рабочем диапазоне частот и усилении рамки. Но оптимум будет при круглой рамке с периметром 1,01-1,02 длины волны, подвешенной вертикально на высоту не ниже четверти длины волны.

При построении рамочной антенны важно знать, что точка, лежащая напротив точек питания (рис.10) имеет нулевой потенциал.

Это может быть очень полезно при построении рамочных антенн – например, можно заземлить полотно антенны на мачту или на траверсу (рис.10).

Такое заземление значительно обезопасит работу в предгрозовой период, а также уберет электростатический потенциал с антенны, да и просто может быть удобным при ее построении. Если заземление центра полотна антенны сделано, ее необходимо питать только через симметрирующее устройство. Питание ее без симметрирующего устройства может снизить коэффициент усиления на 0,5-1,5 дБ, особенно это относится к рамкам, выполненным на низкочастотные диапазоны, где различные рассимметрирующие влияния наиболее велики.

Формула для расчета периметра рамочной антенны приведена ниже.

L= 300 К/F

где L - длина рамки в метрах;

F - частота в МГц;

K - коэффициент удлинения.

Он равен примерно 1,01 в случае использования толстого провода – 3 мм и более – и 1,02 в случае использования провода диаметром менее 2-1 мм.

4. Работа рамки, периметром, значительно большим длины волны.

Бытует версия, что чем больше периметр рамки, тем больший рабочий диапазон она может охватить. К сожалению, это не так. Рамочная антенна - это резонансная антенна, и она может эффективно работать только в резонансном диапазоне частот.

На рис.11 показаны частоты резонанса у петлевого диполя (л. 4.1) и, соответственно, у рамочной антенны и приведена таблица резонансных частот рамок различной длины (рис.12). Хотя теоретически усиление длинной резонансной рамки выше, чем короткой, реализовать его без настройки длинной рамки в резонанс, и затем согласования ее с линией питания невозможно. Из этой таблицы видно, что можно ожидать от рамки, работающей на конкретном диапазоне. Ни одна из рамок не может обеспечить удовлетворительной многодиапазонной работы в нескольких любительских диапазонах, так как рамка не будет в них резонансной. Но при использовании тюнера (л.4.2.), конечно, можно осуществить согласование и обеспечить удовлетворительную работу антенной системы во всех диапазонах, лежащих выше длины волны, на которую настроена рамка. Нельзя здесь не отметить классическое согласование рамки для многодиапазонной работы, предложенное в (л.4.3.). Более просто и красиво трудно придумать (рис.13). Здесь согласование рамки происходит за счет индуктивности, включенной симметрично по обеим сторонам рамки. Эта индуктивность обеспечивает распределение тока в антенне таким образом, что рамка резонирует кроме 160 метров еще и на 80, 40, 20, 15 и 10 метров.

Настройка системы в данном случае заключается лишь в настройке рамки в резонанс на 160 метров и небольшой подстройки индуктивностей для достижения резонанса в других диапазонах. Без этих индуктивностей антенна строится только на 160 метров. Но все же для обеспечения удовлетворительной работы необходимо использовать свою рамку для каждого диапазона. Использование рамочной антенны с согласованием на высших диапазонах можно рассматривать лишь как вспомогательный вариант антенны.

То же самое относится и к антеннам типа Lazy Delta (ленивая дельта), которая из-за выбора геометрии построения и, следовательно, нечетных резонансов, может обеспечить неплохое согласование в нескольких любительских диапазонах, но все равно эти диапазоны не будут для нее чисто резонансными, а, следовательно, и нельзя ожидать эффективной работы на них.

Диаграмма направленности рамки на гармониках будет примерно совпадать с диаграммой направленности рамки на основной ее рабочей частоте, но уровень вертикальных лепестков будет больше, расположены они будут положе, чем в основной диаграмме направленности, и общая диаграмма направленности в горизонтальной и вертикальной плоскости будет разбита на более мелкие лепестки.

5. Питание рамочных антенн.

Правильное питание любой антенны является необходимым для ее эффективной работы. В случае использования рамочной антенны следует помнить, что это симметричная антенна, и, следовательно, она требует использования симметрирующего устройства для ее питания. Без симметрирующего устройства возможно рассиметрирование, т.е. будет наводка переотраженной от различных предметов электромагнитной волны на внешнюю оболочку коаксиального кабеля, затем попадание этой переотраженной энергии в антенну (рис.14).

В этом случае токи, наведенные на внешней оболочке, попадая в антенну, складываются с токами, возбуждаемыми передатчиком, что приведет к увеличению КСВ и возникновению дополнительных помех, т.к. в этом случае и оболочка кабеля будет излучать. Этот эффект приведет к тому, что во время приема коаксиальный кабель будет обладать “антенным” эффектом, т.е. энергия радиоволн, наведенная на внешней оболочке, попадает на вход приемника.

Простейшее симметрирующее устройство – это 2 (на 28 МГц) - 10 (на 1,8 МГц) витков коаксиала на достаточно большом ферритовом кольце (проницаемость не играет роли), например, от отклоняющей системы телевизоров, или 10 (на 28 МГц) - 30 (на 1,8 МГц) витков коаксиала на пластиковой бутылке из-под шампуня (рис.15, 16).

В этом случае этот ВЧ дроссель не пропустит ВЧ энергию, наведенную на внешней оболочке коаксиала в антенну и обратно, что равносильно симметрированию. На токи, протекающие внутри оболочки коаксиального кабеля, дроссель не окажет влияния. Особенно балансное устройство эффективно, если по каким-либо причинам кабель оказался настроенным в резонанс на основную частоту антенны, или на частоты ее нечетных резонансов, или резонансов гармоник передатчика. В этом случае его паразитное излучение особенно велико.

Следует также учитывать, что входное сопротивление волновой рамки достигает 110-130 Ом. В случае низких горизонтальных подвесов оно падает и может достигать даже величин менее 50 Ом, но рамки, предназначенные для работы на ВЧ диапазонах и имеющие вертикальный подвес, все же имеют высокое входное сопротивление. Очевидный способ согласования в этом случае – это использование четвертьволнового трансформатора (рис.17).

В случае использования 75-омного кабеля для четвертьволнового трансформатора (не забывайте о коэффициенте укорочения 0,66-0,68, в зависимости от типа пластиковой изоляции кабеля) и 50-омного кабеля для линии передачи получим очень хорошее согласование рамочной антенны. Длина кабеля, которая использована для симметрирующего устройства, также включается в длину четвертьволнового трансформатора (рис.18).

    

Иногда хорошие результаты дает питание рамки через симметричную пару-скрутку, используемую в проводной телефонии. Ее волновое сопротивление лежит в пределах 60-130 Ом и очень хорошо подходит для питания рамки. Волновое сопротивление скрутки можно определить практически, если имеются приборы, измеряющие индуктивность и емкость. Для этого кусок скрутки, безразлично какой длины (но лучше 2-3 метра), подключается к измерительному прибору. Сначала ее конец размыкают и меряют емкость, затем замыкают и меряют индуктивность (рис.19).

Но часто используют и гамма-согласование (рис.20). Физически гамма-согласование означает подключение кабеля к части антенны, имеющей для токов высокой частоты сопротивление, эквивалентное волновому сопротивлению кабеля (рис.21). На практике, часть А делают минимально возможной высоты, т.к. она уменьшает излучение антенны, а часть Б проходит параллельно антенне. Расчет гамма-согласования несложен. Высота В некритична и равна:

B = 0,2-0,4l /10

где B - высота в сантиметрах,

l - длина волны в метрах,

например, для 40-метрового диапазона B = (2 – 4) ´ 40/10 = 8 – 16 см,

длина Д равна:

Д = 3 l

где Д - длина в сантиметрах,

l - длина в метрах,

например, для 40 метров Д =3 ´ 40 = 120 см.

Величина максимальной емкости подстроечного конденсатора определяется по формуле:

С = 5l ,

где С - емкость конденсатора в пФ,

l - длина волны в метрах,

например, для 40 метрового диапазона С = 5 ´ 40 = 200 пФ.

Следует заметить, что эти формулы эмпирические, т.е. получены опытным путем, и обратить внимание, что они оперируют с величинами длин в разных масштабах. На практике, длину согласующего устройства выбирают несколько длинней полученной расчетным путем. Это дает возможность согласовывать питание рамки конденсатором, что улучшает ее КСВ. В противном же случае согласование рамки необходимо было бы производить перемычкой П, т.к. входное сопротивление, которое будет иметь реальная рамка, не всегда точно равно ее теоретическому значению. Использование гамма-согласования позволяет использовать цельные металлические рамки, что повышает их прочность и дает некоторые удобства установки, особенно при работе на УКВ. При гамм-асогласовании уменьшаются и TVI, т.к. гамма-согласование, не являясь оптимальным для гармоник основного сигнала, шунтирует их на выходе кабеля.

Таблица величин гамма-согласования приведена на рис.22. Диаметр провода гамм-асогласования должен быть вдвое меньше провода полотна рамки, по крайней мере не толще ее и не тоньше жилы коаксиального кабеля питания. Конденсатор переменной емкости желательно использовать воздушный (0,5 мм зазора на 100 Вт), хотя при мощностях до 100 Вт вполне подойдет и керамический. Необходимо принять меры по его влагоизоляции.

Желательно также использовать симметричное гамм-асогласование и использовать симметрирующее устройство (рис.23).

Настройка гамма-согласования проста, на середине рабочего диапазона антенны с помощью конденсатора и, возможно, длины согласующего устройства добиваются минимума КСВ.

Как крайний вариант питания рамки можно рассмотреть ее питание по двухпроводной высокоомной линии – например, типа КАТВ или “лапша”. Так как такая линия имеет волновое сопротивление 300 Ом для КАТВ и около 400-600 Ом для разных типов “лапши”, то питание антенны будет осуществляться в режиме стоячей волны. Эти линии имеют высокий КПД в режиме стоячей волны и их можно использовать в этом режиме. Кроме работы на основной частоте и нечетных гармониках рамка с таким питанием может работать и на четных гармониках – т.е. рамку для 160 метров можно согласовать для работы во всех диапазонах. Но ее согласование с выходным каскадом передатчика не будет гарантией ее успешной работы, т.к. в этом случае рамка будет работать в нерезонансном режиме, а, следовательно, иметь низкий КПД. Но как вспомогательная антенна она вполне подойдет для повседневной работы.

В любом случае при использовании симметрирующих устройств с коаксиальным кабелем или при питании через симметричные линии, линия передачи должна быть перпендикулярна точкам питания рамки так долго, как это возможно.

6. Горизонтальные рамки.

При выполнении рамочных антенн на низкочастотные диапазоны они имеют обычно низкий подвес. Каковы параметры низковисящей рамки? (рис.24).

Прежде всего, следует учесть, что из-за влияния земли сопротивление рамки понижается. Рассчитанный мною график зависимости входного сопротивления квадрата от его высоты подвеса приведен на рис.25.

Здесь за “чистое” сопротивление рамки принята величина 130 Ом и предполагается, что рамка находится над идеальным экраном. В этом случае видно, что уже при высоте подвеса более 0,15 длины волны входное сопротивление антенны составляет величину, близкую к 75 Ом, что хорошо согласуется с 75-омным коаксиальным кабелем. При величине 0,27 длины волны сопротивление рамки равно его “чистому” значению и незначительно колеблется около этой величины. Этот график указывает на возможность согласования рамочной антенны с кабелем питания высотой ее подвеса. Но в случае плохой земли – песчаной, плохо проводящей – сопротивление рамки может быть несколько выше (рис.25).

Эту антенную систему можно рассматривать и как направленную в зенит антенну, где роль пассивного рефлектора выполняет земля. Оптимальная высота подвеса рамки будет равна от 0,12 до 0,22l . В этом случае получим антенну зенитного излучения, основная часть энергии которой направлена в зенит. Эта антенна прекрасно подходит для уверенных связей на близкие расстояния за счет отражения от ионосферы (рис.27).

Конечно, роль земли в качестве отражателя иногда может быть и неудовлетворительной – это относится к грунтам с плохой проводимостью. За счет нижнего лепестка происходят дальние QSO. Из приведенной здесь диаграммы направленности понятно, почему с помощью низковисящей рамки можно проводить как ближние, так и дальние QSO.

В случае подвеса рамки выше четверти длины волны ее диаграмма направленности начинает дробиться и с увеличением высоты подвеса уровень мощности радиоволн, излученных в зенит и под горизонт, начинает выравниваться (рис.28).

В зависимости от высоты подвеса и проводимости почвы будет меняться дробление лепестков и соотношение мощностей, излучаемых в  зенит и под горизонт. Отсюда следует, что рамка с подвесом более четверти длины волны должна превосходно работать как при ближних, так и при дальних связях. Питать такую рамку следует согласно рекомендациям из главы 5.

При работе волновой рамки на ее четных и нечетных гармониках при определении величины лепестков диаграммы направленности, следует пользоваться значением длины волны гармоники рамки, для нахождения относительной высоты подвеса рамки.

Низкая рамочная антенна имеет перед диполем то преимущество, что ее входное сопротивление примерно в 3 раза выше, чем сопротивление диполя с длиной плеча в четверть волны на такой же высоте подвеса. Знание этого может быть особенно полезным для начинающих радиолюбителей, т.к. на 160 метров 0,1l это уже 16 метров. Диполь на такой высоте имеет сопротивление около 20 Ом, а рамка - не менее 40 Ом, что уже гораздо лучше поддается согласованию. Например, мною при работе на рамку с периметром 40 метров, подвешенную на высоте 2 метра, были получены очень неплохие результаты при работе как на 40, так и на 80 и 20 метров. При использовании диполей для каждого из этих диапазонов, подвешенных на такой же высоте, сила сигнала падала на 6 и более децибел.

Очевидно, что низковисящие рамки могут быть использованы в горных походах (где трудно осуществить высокий подвес) или в иных стесненных обстоятельствах.

7. Вертикальные рамочные антенны.

Если в горизонтальных рамочных антеннах на их параметры не влияет геометрическая форма и способ запитки, то для вертикальных антенн это влияние проявляется. Но входное сопротивление вертикальных антенн будет не менее 70 Ом, независимо от способа питания при низких подвесах – начиная от высоты 0,03 длины волны. При высоте подвеса более 0,1 длины волны входное сопротивление рамки будет не менее 100 Ом и при 0,15-0,2l достигает ее “чистой” величины (см. п.2). Диаграмма направленности вертикальной рамки имеет горизонтальную  и вертикальную (за счет вертикальных сторон рамки) составляющие излучения. Диаграммы направленности рамок различной формы приведены на рис.29.

При использовании верхнего питания низкой дельты основное излучение горизонтальной части за счет близости земли направлено в зенит (рис.29а).

Вертикальная составляющая излучения невелика и направлена примерно под углом 30° к горизонту. Очевидно, что эта антенна хорошо подходит как для близких местных за счет зенитного излучения, так и для дальних QSO - за счет излучения вертикальных сторон. При подвесе такой рамки на высоты более 0,25 l горизонтальная составляющая излучения будет иметь максимум примерно под углом 40° , причем большая часть энергии также будет излучаться в зенит. Вертикальная составляющая излучения при этом практически не изменяется. Такая антенна будет эффектна для дальних QSO с горизонтальной и вертикальной поляризацией.

Такие же результаты будут и при питании дельты снизу в центре (рис.29б). В этом случае основная часть подводимой энергии будет идти на питание ее горизонтальной части. При использовании квадрата с центральным нижним питанием (рис.30) также получим большую величину зенитного излучения с горизонтальной поляризацией и малое излучение с вертикальной поляризацией. При подвесе квадрата на высоту более четверти длины волны максимум лепестка горизонтальной поляризацией опустится до 45° , уровень вертикальных лепестков не изменится.

При использовании антенн на рис.31 будем иметь вертикально поляризованный лепесток в 2-4 раза более мощный, чем горизонтально поляризованный направленный в зенит. При изменении высоты подвеса свыше четверти длины волны это соотношение меняется незначительно. Такие антенны наиболее подходят для DX QSO за счет низкого вертикально поляризованного излучения и, в то же время могут обеспечить местную работу за счет зенитного горизонтально поляризованного излучения. Диаграммы направленности антенн на рис.29-31 показаны в вертикальной плоскости, в горизонтальной они представляют собой почти круг.

При использовании антенн на рис.29-31 необходимо использовать симметрирующие устройства и согласование с коаксиальным кабелем, как это было описано ранее. Если симметрирование не производится, то подключение оплетки и центральной жилы кабеля для антенн на рис.31 показано на этом же рисунке. Для антенн на рис.29-30 подключение оплетки и центральной жилы значения не имеет.

 

8. Наклонные рамки.

Во многих случаях радиолюбителю бывает удобно использовать не чисто горизонтальную или вертикальную рамку, а наклонную. Это может быть в случае ограниченной высоты мачты или иной опоры подвеса, а также по другим обстоятельствам.

Конструируя наклонную рамку, необходимо ориентировочно знать входное сопротивление рамки. График зависимости сопротивления от угла наклона приведен на рис.32.

Уже при угле наклона рамки с высотой подвеса 0,05 длины волны выше 30° входное сопротивление рамки составляет величину не менее 50 Ом, что согласуется с 50-омным коаксиалом. При угле наклона свыше 45° входное сопротивление не менее 75 Ом. При увеличении высоты подвеса сопротивление рамки резко возрастает, и при высоте подвеса свыше четверти длины волны составляет почти “чистое” сопротивление рамки.

Диаграммы направленности наклонных низких рамок показаны на рис.34. При небольших наклонах (до 45° ) электромагнитная волна излучается под углом к горизонту, что благоприятно проведению DX QSO в этом направлении. В направлении, противоположном наклону, излучение рамки будет меньше из-за переотражения от земли. Вертикальная составляющая невелика и имеет почти круговую направленность. При увеличении угла наклона возрастает интенсивность вертикальной составляющей, и диаграмма направленности принимает вид, приведенный для диаграммы направленности вертикальных рамок в параграфе 7.

Несколько иную диаграмму направленности имеют наклонные рамки с высотой подвеса, большей четверти длины волны. Их диаграммы направленности будут примерно аналогичны диаграммам для вертикальных высоких рамок, но повернутых на соответствующий угол наклона.

В этом случае связь осуществляется по лучам 1 – 4 (рис.34). По лучу 1, который наклонен очень полого к горизонту, возможно проведение DX QSO. По лучам 3 и 4 возможно проведение дальних и ближних связей. Следует учесть, что при сложении прямого и отраженного луча (1-2 и 3-4) происходит дробление диаграммы направленности на лепестки. В этом случае возможно небольшое ухудшение связи с некоторыми регионами, приходящимися в провалы диаграммы направленности, хотя в общем случае это ухудшение бывает незначительным.

Наклонные рамки также нуждаются в симметрировании согласно рекомендациям, приведенным выше.

9. Свернутые рамочные антенны.

При современном всеобщем дефиците места малогабаритные антенны становятся все более популярными. По сравнению с укороченными диполями и штырями рамочные антенны имеют более широкую полосу пропускания, что является их преимуществом перед другими укороченными антеннами.

Одной из распространенных свернутых рамочных антенн является пирамидальная антенна (рис.35). Эта антенна представляет собой рамку с “вывернутыми” сторонами (рис.36).

Для ее подвеса используется одна мачта, на вершине которой крепятся концы треугольников полотна. Полотно антенны может служить растяжками мачты. Желательно, чтобы высота подвеса нижних сторон рамки была не менее 0,05 длины волны. Если при этом угол, образованный сторонами рамки с землей, будет более 30° , то входное активное сопротивление этой рамки будет уже не менее 60 Ом, что позволит согласовать рамку с коаксиальным кабелем. Входное реактивное сопротивление рамки может иметь величину, сравнимую и даже большую входного активного сопротивления, поэтому такая рамка может иметь сложности при согласовании. Кабель питания должен проходить вдоль по мачте. Рамка с высотой подвеса 0,05 длины волны и углом наклона 30° примерно эквивалентна четвертьволновому диполю на высоте подвеса 0,25 длины волны (хотя, если есть возможность, все же лучше использовать диполь). Она имеет круговую диаграмму направленности.

Оптимальный угол наклона рамки при высоте подвеса 0,05 длины волны составляет 30-60° , но она может работать и с углами наклона начиная от 10° . При подвесе на высоту, начиная от четверти длины волны, рамка уже при угле наклона от 60 до 90° , (т.е. горизонтальная рамка) имеет входное сопротивление 60-80 Ом и круговую диаграмму направленности. Усиление также примерно эквивалентно диполю. Питать рамку можно описанными выше способами, симметрирование улучшает ее работу. Периметр полотна, так же, как у обычной рамки, равен примерно 1,01-1,02 длины волны, и из-за действия различных факторов может понадобиться его корректировка. Диапазонность рамки достигает не менее 2 % с КСВ не хуже 2, что позволяет перекрывать любительские диапазоны. Верхняя точка А (рис.35) может быть заземлена на мачту, что дополнительно расширит широкополосность рамки и увеличит ее грозозащиту.

Еще один интересный пример свернутой рамки описан в (л.9.3.), эта антенна также представляет собой рамку с периметром, равным длине волны, но свернутую в два квадрата (рис.37). Как видно, она состоит из десяти отрезков провода длиной l /10, т.е. ее высота и длина не превышают l /10. Это дает возможность использовать малогабаритную антенну, которую, особенно на высокочастотных диапазонах, можно разместить на окне, на балконе, на чердаке, и которая на низкочастотных диапазонах также не займет много места. Эта антенна уже имеет усиление, меньшее, чем диполь, и несколько более узкую полосу пропускания. Входное сопротивление такой рамки, расположенной на высоте не менее 0,1 длины волны, уже будет в пределах 40-50 Ом, а при более высоких подвесах – 0,2 длины волны и более – достигает 60-70 Ом, что позволит ее питать широко распространенными коаксиальными кабелями. Реактивность этой рамки может достигать удвоенного значения ее активного сопротивления. Рамка имеет примерно круговую комбинированную диаграмму направленности. Питать ее можно как в точках шлейфа, так и в точках рамки – в середине стороны квадрата или в его углах. Расположение рамки в случае питания в середине шлейфа показано на рис.37.

Можно образовать не только квадрат, но и круг, треугольник – в зависимости от возможностей – важно лишь, чтобы периметр рамки равнялся примерно ее длине волны. Следует помнить, что свернутые рамочные антенны, из-за их “ненормального” взаимодействия со средой, нежелательно использовать в многоэлементных антеннах в любом качестве – директора, вибратора, рефлектора.

10. Укороченный шлейфовый квадрат.

В тех случаях, когда установка полноразмерной волновой рамки затруднена, можно воспользоваться способом согласования антенны, предложенным G5RV (л.10.1). Он заключается в том, что часть антенны (до 30 % длины) можно выполнить в виде открытой линии, применительно к рамочным антеннам (рис.38).

При выполнении 30 % длины в виде открытой линии и высоте подвеса не менее 0,2 длины волны коэффициент усиления рамки и ее диаграмма направленности будут сравнимы с диполем. Настраивают антенну длиной шлейфа.

Такие рамки имеют примерно такие же диаграммы направленности и входное сопротивление, как и их полноразмерные аналоги при таком же размещении. Не исключено, что придется немного подстроить шлейф по лучшему согласованию. Возможно использование и линии в пластиковой изоляции, учитывая при этом соответствующий коэффициент укорочения.

Шлейфы можно разместить в любой точке антенны (рис.39). При использовании нескольких шлейфов они могут занимать до 40 % длины рамки при ухудшении ее работы до параметров диполя. Очень удобно строить квадраты на несколько диапазонов, используя такое шлейфовое построение рамок. Например, имея рамку с периметром 10 метров, с помощью шлейфа, замыкаемого на “холодном” конце рамки – напротив точек питания, с помощью замыкающих удлиняющих шлейфов можно создать антенну для 10, 12, 15 метров (рис.40). На этом же принципе можно построить рамки и для 12-17, 17-20, 30-40 метровых диапазонов. Настройка в резонанс производится с помощью изменения длины замыкающего шлейфа на каждом из диапазонов.

В тех случаях, когда можно удовлетвориться двухдиапазонным вариантом, можно использовать некоммутируемое питание через шлейф и питание антенны через отрезок кабеля электрической длиной, кратной полуволне верхней рабочей частоты антенны (рис.41). В этом случае для нижней рабочей частоты система будет представлять собой шлейфовую рамку и будет хорошо согласовываться с кабелем питания, для верхней же рабочей частоты система будет представлять волновую рамку с комбинированным питанием – отрезок открытой линии и коаксиальный кабель. Для улучшения согласования антенной системы в этом случае необходимо использовать кабель электрической длины, кратной полуволне частоты верхнего рабочего диапазона. Основные параметры таких рамок – диаграмма направленности и входное сопротивление, примерно эквивалентны для полноразмерных рамок, приведенных в параграфах 7, 8 и 9.

Представляют интерес и рамки, где шлейфы играют роль заградительных контуров (рис.42,43). Такие рамки могут быть использованы только в кратных диапазонах – например, 10-20, 20-40, 40-80 метров.

Разберем работу антенны на диапазоны 10 и 20 м. Здесь шлейф ш1 и ш2 имеет “бесконечное” сопротивление при работе на верхней частоте антенны – 10 метров, в результате чего эта антенна примерно эквивалентна диполю, но за счет верхней части, которую выбирают чуть длиннее нижней, нет излучения в зенит, и диаграмма направленности антенны более прижата к земле. В диапазоне 20 метров это обычная шлейфовая рамка. Шлейфы можно не туго свернуть, можно их развести в стороны, или использовать шлейфы в пластике, учитывая при этом коэффициент укорочения.

Настройка таких двухдиапазонных рамок заключается в настройке по минимуму КСВ части антенны под шлейфами при работе на верхнем диапазоне и с помощью верхней части над шлейфами при работе в нижнем диапазоне.

Шлейфовые рамки можно использовать для построения многоэлементных антенн.

Шлейфовые рамочные антенны – это симметричные антенны, поэтому здесь желательно использовать симметрирование.

Если шлейфы в антенне сделаны жестко и электрическая длина антенны получилась немного больше расчетной, то можно электрически укоротить шлейф с помощью емкости, размещенной в их начале (рис.44).

Если в антенне используется несколько шлейфов, то необходимо размещать в каждом из шлейфов по подстроечной емкости.

На основе таких шлейфов, при соответствующем расчете их параметров можно создавать и многодиапазонные антенны, используя шлейф, подстраиваемый конденсатором как режекторный контур. Например, можно теоретически создать небольших размеров короткую эффективную антенну для 28-10-7 МГц (рис.45).

Здесь на 28 МГц работает нижняя часть рамки – и антенна представляет собой диполь, режекторные контуры К1 и К2 отключают верхнюю часть рамки. На 10 МГц рамка работает как свернутый полуволновый диполь, здесь его длина удлиняется до необходимой резонансной отрезками шлейфов К1, К2 и середина размыкается из-за режекторного контура, настроенного на 10 МГц. При работе на 7 МГц до этого диапазона удлиняется с помощью линий К1, К2, К3. К сожалению, практическое выполнение такой антенны немного проблематично, хотя и реально.

11. Трехдиапазонная рамочная антенна.

Еще один способ создания многодиапазонной рамки – это включить параллельно три волновые рамки на соседние четные диапазоны – например, 80-40-20 или 40-20-10 метров (рис.46).

В этом случае рамки, работающие на разных диапазонах, оказывают малое влияние друг на друга. При работе рамок в одном из диапазонов только одна из них будет резонировать, и иметь активное сопротивление, которое зависит от положения рамок относительно земли (это уже обсуждалось ранее). Остальные рамки будут иметь при этом большие реактивные составляющие и не окажут большого влияния на работу резонансной рамки. Эта система может работать не более, чем в трех четных диапазонах. Если добавить к системе рамок 80-40-20 метров еще одну рамку – на 10 или 15 метров, то эффективность работы низкочастотной рамки на 80 метров заметно упадет. Но можно безболезненно добавлять рамки на промежуточные диапазоны. Например, в систему 80-40-20 метров добавить рамку на 30 метров, а в систему 20-14-10 добавить рамки на 17 и 12 метров. Конечно, КСВ системы будет в целом хуже, чем КСВ одной рамки, но тем не менее она будет работать достаточно эффективно. Рамки могут быть расположены как угодно – внутри друг друга в одной плоскости или в разных плоскостях. Не играет роли и геометрическая форма рамок. Коэффициент направленного действия системы будет в целом определяться К.Н.Д. резонансной рамки, хотя он будет несколько хуже, т.е. “размытее”, из-за влияния соседних рамок, особенно это относится к внутренним рамкам. Некоторый разнос рамок в плоскостях несколько уменьшает их влияние друг на друга. Эту систему также желательно питать через симметрирующее устройство. Система будет работоспособна и на нечетных резонансах ее отдельных рамочных антенн.

Описания таких антенных систем не редки как в нашей, так и в зарубежной литературе. Например, в л.11.1 была описана такая рамка, работающая на 3,5, 7 и 14 МГц. Встречаются и другие описания, являющиеся по сути дела повторением этого.

12. Укорочение рамки емкостью и индуктивностью.

В целях уменьшения размеров рамочных антенн используют укороченные рамки. “Укоротить” рамку можно с помощью соответствующе включенных емкости и индуктивности. Обратимся для примера к диполю – основному составляющему элементу рамки. На рис.47 показано распределение тока и напряжения в диполе.

Для того чтобы укоротить диполь с помощью катушки необходимо включить катушки в центр диполя и питать его через катушку связи, что несколько затруднительно и требует симметрирующее устройство, или подключить две идентичные катушки сразу к кабелю питания. Для укорочения с помощью емкости необходимо включить емкостные нагрузки на концах диполя – обычно это бывают 3-4 крестообразных проводника длиной около метра (рис.48).

Разберем достоинства и недостатки обеих схем. При использовании индуктивного согласования необходимо, конечно, использовать максимально добротные, намотанные толстым проводом и защищенные от влаги катушки, т.к. на них может быть довольно большое высокочастотное напряжение. Здесь проявляется в большой степени недостаток, связанный с трудностью настройки антенн. Тут можно предложить настройку изменением индуктивности катушек. Для успешного излучения электромагнитной волны необходимо обеспечить максимальную силу тока в линейном проводнике в основании антенны.

В случае согласования с помощью индуктивности коэффициент полезной мощности антенны заметно упадет, но все же согласование с помощью индуктивности используют. Схема согласования укороченного квадрата с помощью индуктивностей приведена на рис.49.

Рассчитать параметры индуктивностей несложно, используя простую эмпирическую формулу. Для этого определяют длину укорочения S:

S = l / 4 – L, где

l – длина волны, на которой работает антенна, L – длина стороны.

Величина S рассчитывается в метрах.

Индуктивность катушки согласования L, равная L2, L3, 0,5L1, будет равна:

L = S / (1,5…4), где L в мкГн.

К сожалению, более точной формулы расчета индуктивностей нет, т.к. в любом случае эти индуктивности будут требовать подстройки.

Важно, чтобы соблюдалось следующее правило: L2=L3 и L2+L3=L1

Cогласование с помощью индуктивности позволяет уменьшить длину рамки примерно до 30-50% от первоначальной при уменьшении КПД до 30-10%. Широкополосность рамки при этом также уменьшается, но в целом рамка остается работоспособной внутри любительского диапазона. Для согласования рамки пригодны все указанные здесь методы, хорошо подходит симметричное гамма-согласование.

Диаграмма направленности рамочных антенн, укороченных с помощью индуктивности, будет примерно аналогична диаграмме направленности неукороченных антенн (так же и их входное сопротивление). Но при этом вертикальные и горизонтальные лепестки диаграммы направленности будут притупляться и размываться, образуя общую диаграмму направленности. На рамку, согласованную индуктивностью, в большей мере влияют рассимметрирующие предметы. Возможна сдвижка гармониковых резонансов как в сторону низких, так и в сторону высоких частот.

Стоит еще отметить, что возможно использование рамочной антенны, укороченной индуктивностью, с заземленным полотном. Индуктивности при этом включаются согласно рис.50.

При согласовании укороченной рамки с помощью емкости следует помнить тот факт, что т.к. рамочная антенна представляет собой замкнутый контур, у нее нет концевой емкости, как у диполя. В силу этого укорочение рамки емкостью возможно только за счет емкостного взаимодействия противоположных сторон с высоким потенциалом (рис.52).

Здесь нельзя не отметить некоторую “искусственность” при емкостном согласовании рамки по сравнению с емкостным согласованием диполя. Если в последнем емкостные токи протекают между противоположными концами диполя, а также землей, и служат в конечном итоге для формирования диаграммы направленности и незначительно снижают излучение диполя, то здесь емкостные токи протекают только внутри конденсатора и не принимают участия в формировании объема излучения антенны. В силу того, что в случае согласования антенны с помощью индуктивности мощность тока у основания питания антенны повысится, на рамку, укороченную емкостью, в гораздо меньшей степени действуют ассимметрирующие факторы. За счет лучшего согласования с помощью емкости КПД такой рамки будет гораздо выше, по сравнению с рамкой, укороченной индуктивностью, и составит примерно 60% при рамке с периметром 50%, и 40% при рамке с периметром 30%. В то же время при периметре рамки 90-70% от основной, КПД будет в пределах 90-80% основной рамки.

Расчет конденсатора в общем случае не сложен, он примерно аналогичен расчету индуктивности L в рамке, укороченной индуктивностью, и выражается через ее значение:

4C = 1 / W2 ´ L,

где C, L, W выражены в единицах СИ, и W=6,28F, где F – частота работы рамки. Этот расчет приблизителен и зависит от многих случайных факторов.

Можно использовать конденсатор до 50 пФ при построении рамок диапазона 6-20 метров, и 100 пФ при построении рамок диапазонов 80-160 метров. Следует обратить особое внимание на качество конденсатора – он должен быть воздушным или вакуумным с примерным зазором около 0,5-1 мм на 100 Вт мощности. Следует принять тщательные меры по его влагоизоляции. При конструировании антенны можно использовать заземление нулевого потенциала рамки. Все, что касается входного сопротивления и диаграммы направленности, аналогично рамке, согласованной индуктивностью.

Так как рамка, согласованная емкостью или индуктивностью, является резонансным элементом, то ее можно использовать в многоэлементных антеннах в качестве пассивных и активных элементов.

В многоэлементных антеннах при обеспечении возможности подстройки емкости, можно создать антенну с изменяемой диаграммой направленности на 180 градусов.

Следует обратить внимание, что хотя и возможно создание комбинированных укороченных рамочных антенн (рис.53), согласуемых с помощью индуктивностей и подстраиваемых емкостью, в радиолюбительской практике они не применяются из-за сложности реализации.

Следует обратить еще раз внимание на то, что только в основном отсутствие соответствующих высоковольтных переменных емкостей сдерживает применение укороченных емкостью рамок. В этой связи будет полезно рассмотреть укороченную антенну G3YDX (л.12.2). В этой антенне, рассчитанной на 14 МГц, роль емкости играют внутренние шлейфы (рис.54).

Укорачивая или удлиняя части А, можно менять резонансную частоту антенны. На таком принципе можно построить “конденсатор” и для укороченных рамок для других диапазонов. Чем больше длина А, тем меньше длина рамки. В этой антенне для сохранения симметрии длины А во всех четырех сторонах должны быть одинаковыми.

И в конце этой главы стоит отметить, что в бывшем Советском Союзе первая доступная радиолюбителям публикация об укороченных рамочных антеннах появилась в л. 12.1.

13. Шунтовая рамка.

Описание примерно такой широкополосной рамочной антенны периодически появляется на страницах отечественной и зарубежной литературы (л.13.1, л.13.2). Широкополосная шунтовая рамка показана на рис.55.

Она работоспособна в диапазоне волн от 0,8l до 2,5l , где l – собственная квазирезонансная длина волны антенны (рис.55). В этом диапазоне ее активное сопротивление меняется от 100 до 300 Ом при слабовыраженной реактивной составляющей. Стоит заметить, что иногда размеры ее сторон принимаются несколько отличными от l /3, но незначительно.

Здесь рамка ведет себя почти как диполь – имеет примерно равный ему коэффициент усиления и диаграмму направленности, хотя рамку и можно размещать относительно низко над землей. В ее диаграмме направленности практически отсутствуют вертикальные составляющие излучения, так как из-за распределения тока в рамке они взаимно уничтожаются. Как вытекает из ее входного сопротивления, питать ее лучше по двухпроводной линии, но можно использовать и недлинный 75-омный коаксиал. Питание рамки должно быть только непосредственное, желательно использовать симметрирующее устройство. Заземлять полотно шунтовой рамки нельзя ни в одной из точек.

В л.13.2 дан интересный способ получения волны с круговой поляризацией и некоторого согласования рамки. Этот способ заключается в питании рамки (рис.56) в точках А-А непосредственно, а в точках Б-Б через линию, обеспечивающую сдвиг 90 градусов. Недостатки этого метода заключаются в том, что достаточно легко осуществить сдвиг фаз посредством включения коаксиального кабеля можно лишь на одной частоте, на других сдвиг фаз будет иным, и в результате параметры рамки ухудшатся.

Но все же, эта рамка является одной из самых простых, обеспечивающих почти трехкратный перекрыв частот – одна рамка может работать, скажем, от 10 до 30 метров. Эта рамка не является резонансной, поэтому ее нельзя использовать в качестве пассивных элементов многодиапазонных антенн, но в качестве активных элементов она вполне может быть использована. В частности, в л.13.1 рассмотрен вариант логопериодической антенны с использованием в качестве активного элемента описанной здесь шунтовой рамки. Но справедливости ради стоит добавить, что иногда появляются попытки создать широкополосную направленную многоэлементную антенну, используя в качестве пассивных элементов для нее шунтовых рамок, см. л.13.3, сама антенна изображена на рис.57.

Эта антенна работает в диапазоне частот 180-250 МГц и имеет усиление около 2,2 раз над диполем соответствующего диапазона и меняется в пределах этого диапазона не более чем на 10%. К антенне подключена в точках Х-Х двухпроводная линия волновым сопротивлением 300 Ом. Данная антенна, учитывая высокий расход материалов на ее изготовление и низкий коэффициент усиления, проигрывает многим другим, более простым широкополосным антеннам, например, зигзагообразной антенне Харченко, которая будет описана ниже.

14. Спиральные рамочные антенны.

В л.14.1 были даны материалы, необходимые для расчетов антенн со спирально-укороченными элементами (рис.58). Особенность этих антенн состоит в том, что они существенно короче – в 1,5-2,5 раза – линейных антенн. Это происходит за счет того, что ВЧ токи распространяются вдоль проводника – а он в данном случае свит в спираль, в результате чего электрическая длина антенны для токов высокой частоты получается выше в 1,5-2,5 раза ее линейных размеров L. Коэффициент укорочения K, равный отношению электрического размера антенны к линейному, зависит от радиуса и шага спирали, а также от частоты, на которой проводились измерения (расчетные соотношения приведены в л.14.1).

Основываясь на этом, можно выполнить линейные части рамочных антенн, используя спиральные проводники. В частности, это можно сделать, конструируя как “полноразмерные” спиральные рамки, так и укороченные. В этом случае размеры рамочных антенн получаются особенно небольшими (рис.59).

Такие рамки еще не получили широкого распространения в радиолюбительской связи, на мой взгляд, только из-за сложностей с каркасом – пластмассовым обручем. Например, на широко распространенном пластиковом спортивном обруче, который имеет диаметр от 1 до 1,2 метра, можно создать “полноразмерную” рамочную антенну только для диапазонов от 6 до 12 метров, а на этих диапазонах и полноразмерные рамки имеют небольшие размеры.

Используя согласующие устройства в виде емкостных нагрузок и шлейфов, диапазон работы стандартного обруча можно поднять до 15-20 метров, но на этих диапазонах его работа будет уже не столь эффективна.

В зарубежной литературе иногда появляется информация о промышленных спиральных антеннах, которые могут работать в широком диапазоне, но шириной не более октавы, и при использовании специального согласующего устройства, располагаемого на такой антенне.

Спиральные антенны являются резонансными антеннами, поэтому их можно использовать в качестве любых элементов направленных антенн как пассивных, так и активных. Диаграмма направленности спиральных рамочных антенн будет примерно аналогична их “длин-ным” аналогам, но провалы в лепестках диаграммы направленности будут значительно слабее. Усиление таких антенн уже будет приближаться к усилению диполя и, в случае больших укорочений, может быть меньше его. Входное сопротивление таких антенн будет процентов на 20-30 ниже, чем полноразмерных. Не менее, чем на удвоенную эту величину, возрастет и их реактивная составляющая.

15. Многовитковые рамочные антенны.

Классическая рамочная антенна содержит один виток провода, но иногда используют и многовитковые рамочные антенны, имеющие число витков в рамке, больше одного (рис.60).

Хотя в любительской практике такие антенны практически не используются, все же интересно будет узнать их параметры.

Сопротивление такой антенны будет в 2-3 раза выше для двухвитковой рамки, чем у одновитковой, и будет достигать нескольких килоом для 3-4 витковой. Отсюда вытекает, что коэффициент усиления двухвитковой рамки будет примерно на 0,5-1 дБ выше, чем у одновитковой. Будут также резче выражены минимумы ее диаграммы направленности, которая, в общих чертах, будет совпадать с диаграммой направленности одновитковой рамки.

Из-за сложности согласования высокого входного сопротивления рамки с низким сопротивлением коаксиального кабеля или выходного каскада передатчика, эти преимущества реализовать не удается. Такая двойная рамка сильнее подвержена рассимметрированию, чем одиночная. Существует также проблема, связанная с обеспечением постоянного расстояния между внутренней и наружной рамкой. Чем больше расстояние межу соседними рамками, тем выше усиление, так как рамка охватывает больший объем.

Но все же иногда двойную и даже тройную рамку используют. Следует заметить, что сторона рамки должна быть кратной четверти длины волны. Использование многовитковой рамки общим периметром, равным длине волны, нецелесообразно из-за меньшего усиления, чем у одновитковой. Многовитковые резонансные рамки можно использовать в многоэлементных директорных антеннах, желательно использование в качестве активного элемента.

16. Широкополосные нагруженные рамки.

Широкополосная нагруженная рамка (рис.61) является неоптимальной ромбической антенной. В такой рамке периметр может составлять от 0,1 длины волны и больше, т.е. рамка с периметром длиной 10 метров будет работать во всех КВ диапазонах, начиная от 80 и заканчивая 6 метрами.

Подобный тип антенн называется антенной бегущей волны, в частности - ромбической антенной и подробно описан в л.16.1. Из этого источника можно определить, что такая антенна будет эффективна при длине ее периметра не менее 2 длин волн, т.е. рамка с периметром 10 метров будет эффективно работать лишь на диапазоне 6 метров. На более низкочастотных диапазонах она будет иметь почти круговую диаграмму направленности с почти одинаковой вертикальной и горизонтальной составляющей. Располагаться такая рамка может как горизонтально с высотой подвеса нижней питающей точки не менее l /8 (где l – нижняя рабочая длина волны), так и вертикально. Входное сопротивление такой рамки близко к сопротивлению ее концевой нагрузки. Геометрия может быть любая, но предпочтителен круг или ромб.

Несмотря на ее низкую теоретическую эффективность, при использовании такой рамки, мне удавалось проводить даже DX QSO на диапазонах 20-40 м и QSO с 9-0 районом на 80-160 м, при подводимой мощности к такой антенне 20 Вт. Это говорит о том, что такую рамку вполне можно использовать в качестве вспомогательной широкополосной антенны.

Сопротивление нагрузки должно быть рассчитано на мощность не менее 30% от подводимой мощности к выходному каскаду на низкочастотном диапазоне (на высокочастотных диапазонах эти цифры могут быть уменьшены до 10%). Для питания антенны следует использовать двухпроводную линию волновым сопротивлением 300-600 Ом, либо, при питании через коаксиал, использовать известное согласующее устройство. Желательно применять симметрирование, при несимметричном выходе передатчика.

Следует заметить, что эта антенна является чем-то промежуточным между ромбической и петлевой. При использовании ее только на диапазонах 80-20 метров можно использовать нагрузочное сопротивление 75-100 Ом и питать ее непосредственно коаксиальным кабелем, но КПД такой антенны по сравнению с рамкой, нагруженной на 600-омное сопротивление, будет значительно ниже.

17. Двойная рамочная антенна.

Двойная рамочная антенна или антенна Харченко (по фамилии автора, впервые описавшего ее в л.17.1) показана на (рис.62). Периметр каждой из рамок равен длине волны, на которой работает рамка. За счет параллельного включения двух рамок суммарное входное сопротивление системы близко к 60 Ом, следовательно, антенну можно питать через коаксиальный кабель как 75 Ом, так и 50 Ом.

Коэффициенты усиления двойной рамочной антенны или, как ее еще называют, зигзагообразной антенны, достигают от 6 до 8 дБ. Возрастает и полоса пропускания такой антенны, увеличивается ее эффективность на высоких частотах. График КБВ приведен на (рис.62б).

Для дальнейшего увеличения полосы пропускания антенны используют параллельное включение нескольких антенн (рис.63), как это делают и в случае использования одиночных рамочных антенн. Из-за значительных размеров зигзагообразные антенны используют, в основном, только в УКВ диапазонах. Широкополосность антенны позволяет менее строго подходить к точному соблюдению ее размеров, как, например, в случае вибраторных директорных антенн.

Но эта широкополосность не позволяет использовать зигзагообразные антенны в качестве пассивных элементов многоэлементных директорных антенн. Для выполнения рефлектора используют лист металла, либо его эквивалент, выполненный из проводников (рис.64). С таким рефлектором коэффициент усиления зигзагообразной антенны может достигать 10-12 дБ (над изотропным излучателем).

Еще некоторого повышения усиления можно достигнуть, установив два директора длиной примерно 0,48 длины волны антенны (рис.65).

Несмотря на то, что двойная рамочная антенна хорошо согласуется с коаксиальным кабелем, можно использовать и вариант питания через гамма-согласование, предложенное в л.17.2. и показанное на (рис.66).

Такой вариант питания наиболее подходит при использовании зигзагообразной антенны на передачу, так как в этом случае минимизировано излучение гармоник передатчика. Такое питание, кроме того, позволяет выполнить антенну цельнометаллической и, следовательно, улучшить ее механические свойства.

Включение только двух рамок в одну систему не ограничивает использование зигзагообразных антенн в качестве антенн с высоким коэффициентом усиления. В л. 17.3. рассмотрен принцип объединения в одну систему двух зигзагообразных антенн, а в л.17.4. – от 4 до 16 зигзагообразных антенн! При объединении таких антенн соответствующим образом можно получить антенные системы, обладающие громадным коэффициентом усиления в диапазоне УКВ. К сожалению, размеры таких антенных полей получаются весьма значительными.

Хотя двойные рамочные антенны и являются симметричными, симметрирование часто не используют, особенно при работе антенн в TV-диапазонах. Это связано с тем, что обычно такие антенны выполняют широкополосными, чего нельзя сказать о симметрирующих устройствах УКВ диапазонов. Также ввиду небольших размеров зигзагообразных антенн и большого удаления от них посторонних предметов, рассимметрирование проявляется не сильно и потери от него незначительны.

Для успешной работы таких антенн их необходимо располагать как можно выше над землей, хотя уже при подвесе более длины волны все параметры антенны сохраняются. Диаграмма направленности зигзагообразной антенны имеет форму восьмерки, но ее лепестки более узкие, чем для одиночной рамки.

18. Широкополосные и укороченные зигзагообразные антенны.

В л.18.1. рассмотрена широкополосная зигзагообразная антенна (рис.67а).

Широкополосность антенны достигается путем увеличения распределенной емкости проводников полотна антенны. В этом случае антенна работоспособна в диапазоне частот от 0,2 до 0,34 L/l . График КБВ и КНД приведен на (рис.67б).

Чем выше рабочая частота, тем выше КНД и уже лепесток диаграммы направленности. Такую антенну широко используют при приеме телевидения в нескольких каналах. Иногда ее используют в служебной связи в качестве широкополосной приемной УКВ антенны.

Иногда встречаются описания зигзагообразных антенн, содержащих укороченные элементы, описанные в главах 10-12. Антенны, содержащие такие элементы, стоит использовать только на верхних КВ диапазонах (10-6 метров) для построения зигзагообразных антенн. В этом случае результаты оправдают затраты на построение “зигзага”.

19. Открытые рамочные антенны.

Открытая рамочная антенна показана на (рис.68).

Она образована путем сгибания в квадрат диполя, с длиной плеч, равной длине волны. Распределение тока и напряжения в таком диполе показано на (рис.69). Поскольку такой волновой диполь имеет коэффициент усиления около 5 дБ над четвертьволновым диполем, то очевидно, что открытая рамка также будет иметь примерно такое же (на практике чуть меньше) усиление. На практике оно получается около 6-7 дБ над изотопным излучением. Диполь с такой длиной плеч имеет высокое входное сопротивление. Оно будет равно от 800 Ом до 5 кОм в зависимости от толщины провода, из которого выполнена рамка. Полоса пропускания такой антенны будет несколько меньше, чем для обычной рамки, но все же вполне достаточная для работы в каждом любительском диапазоне частот.

Для питания открытой рамки можно использовать двухпроводную открытую линию. В этом случае рамка будет работоспособна не только на своей резонансной частоте, но и на своих низкочастотных и высокочастотных гармониках, т.е. открытая рамка с периметром 40 м, предназначенная для работы на 20-метровом диапазоне, будет работать в диапазоне частот от 10 до 80 м. Но если необходимо тщательное согласование (например, при построении рамки на 6 или 10-метровый диапазон) используют l /4-волновой трансформатор. Можно использовать 2 типа таких трансформаторов: закрытый и открытый. Закрытый трансформатор показан на (рис.70).

Здесь используют то обстоятельство, что замкнутая l /4-волновая линия имеет на открытом конце высокое входное сопротивление, а на замкнутом – низкое. Основываясь на этом, можно к открытому концу подключить высокоомную рамку, а на некотором расстоянии X от закрытого конца, которое определяется экспериментально, 75- или 50-омный кабель. Настройка системы достигается как изменением расстояния X, так и изменением расстояния между проводами четвертьволнового трансформатора. При таком согласовании будет достигнут минимальный уровень излучения гармоник, производимых передатчиком.

При использовании открытого четвертьволнового трансформатора (рис.71) согласование происходит согласно общеизвестной формуле :

Zp = Zл / Zк,

где Zp - входное сопротивление рамки,

Zл - входное сопротивление согласующей линии,

Zк - входное сопротивление кабеля питания.

Здесь используют линию сопротивлением 500-600 Ом и коаксиал 75 Ом, что подходит для рамок с входным сопротивлением 3-5 КОм, которое они будут иметь при выполнении их из провода диаметром 1-3 мм.

Для более тщательного согласования меняют волновое сопротивление линии путем изменения расстояния между ее проводниками. Можно использовать и линию в пластиковой изоляции – КАТВ или “лапшу”, не забывая о ее коэффициенте укорочения. Так как открытая рамка тоже является симметричной антенной, необходимо использовать ее симметрирование, как было рассмотрено выше.

Все, что касается размещения над землей, а также КПД для закрытой рамки, верно и для открытой, с той лишь разницей, что ее лепестки диаграммы направленности будут более узкими, чем для обычной рамки.

Следует еще заметить, что способ непосредственного питания коаксиальным кабелем (рис.72) ведет обычно к рассимметрированию рамки.

С таким питанием работа рамки на гармониковых частотах невозможна. В точках пучности напряжения, отмеченных на рис.68 штрихами, необходимо применять высококачественные изоляторы, особенно в точке разрыва.

Использование любого укорочения проводников – емкостного или индуктивного, резко снижает эффективность открытой рамки и уменьшает ее полосу пропускания до неприемлемого уровня.

20. Многоэлементные антенны с активным питанием.

В антенне с активным питанием ее элементов диаграмма направленности формируется путем взаимодействия излученных каждым вибратором радиоволн. В этом случае суммарная диаграмма направленности зависит от диаграммы направленности каждого излучателя, расстояния между ними и разности фаз между токами, питающими эти излучатели (рис.73).

Отсюда понятно, что, так как одиночная рамка имеет узкую диаграмму направленности, то суммарная диаграмма направленности нескольких рамок будет еще более узкой. Следует обратить внимание на то, что коэффициент усиления системы из активных рамок выше, чем коэффициент усиления системы из такого же числа рамок, только одна из которых является активной.

Поскольку при наличии двух активных, близко расположенных рамок при питании их током различных фаз можно создать диаграмму направленности с главным лепестком в практически любую сторону, остановимся только на часто встречающихся вариантах активных рамочных антенн. Один из них показан на рис.74.

Он представляет собой две рамки, расположенные на расстоянии четверти длины волны, и питаемые со сдвигом фаз 90° . Направление излучения главного лепестка показано на рисунке. Характеристики такой антенны: усиление не хуже 12 дБ, не лучше 14 дБ; отношение излучения вперед/назад не менее 26 дБ, не более 40 дБ, отношение излучения вперед/вбок более 30 дБ. На практике, из-за того, что в качестве питающей линии используют коаксиальный кабель, линия питания элементов антенны выглядит как показано на рис.75. В качестве рамок можно использовать не только квадраты, но и другие фигуры - дельты, ромбы, круги. Входное сопротивление такой антенны будет в пределах 60 Ом, что позволяет использовать для ее питания любой коаксиальный кабель – 75 или 50 Ом. Такая антенна для диапазона 40 метров рассмотрена в л.20.1., но иногда используют в качестве “рефлектора” такой антенны элемент, имеющий размеры рефлектора для обычной пассивной многоэлементной антенны. Такое построение антенны несколько усложняет ее согласование, хотя, безусловно, несколько улучшает ее характеристики.

Для конструирования активных направленных систем подходят любые рамки – закрытые, открытые, укороченные и даже широкополосные нерезонансные. Благодаря активному питанию рамок, антенна работает не только на своей основной частоте, но и на резонансных частотах рамок, необходимо лишь согласовать антенную систему с линией питания, что возможно с помощью тюнера. На других частотах диаграмма направленности будет отличаться от диаграммы направленности системы на основной частоте из-за другой разницы фаз.

Еще одна распространенная конструкция антенны с активным питанием основана на широко распространенной антенне ZL (рис.76). Именно здесь и оправдано использование рефлектора длиной несколько большей, чем вибратор (рис.76). Питают антенну в точках XХ через коаксиал 75 Ом, фазирующая линия имеет волновое сопротивление 300 Ом, хотя оно и некритично. Параметры этой антенны несколько хуже, чем классической четвертьволновой (т.е. питаемой со сдвигом фаз 90° и имеющей расстояние между рамками l /4). Коэффициент усиления в прямом направлении 5,5 дБ, обратное ослабление 40 дБ (хотя эта часто приводимая цифра завышена). Для выполнения этой антенны также можно использовать резонансные закрытые рамки (как полноразмерные, так и укороченные различными способами) и открытые рамки. Использование нерезонансных рамок также возможно для выполнения этой антенны. Антенна может работать и на других резонансных частотах рамок.

21. Многоэлементные рамочные антенны с пассивными элементами.

Принцип работы многоэлементной антенны с пассивными элементами основан на взаимодействии поля излучения активного элемента с полями переизлучения, создаваемыми пассивными элементами, которые, в свою очередь, образуются от энергии, излученной активным элементом. Для создания соответствующего распределения необходимо, чтобы рефлектор был настроен на частоту чуть ниже частоты настройки излучателя, а директор – на частоту чуть выше (рис.77).

Уровень переизлучения пассивными элементами существенно зависит как от частоты их резонансной настройки, так и от их добротности на резонансной частоте. Выполнение пассивных элементов из тонкой проволоки (конечно, тонкой до определенных пределов) приводит к некоторому повышению эффективности антенны за счет увеличения добротности пассивных элементов. Выполнение пассивных элементов толстыми несколько снижает эффективность антенны за счет снижения уровня переизлучения. (Но толстые элементы будут великолепно работать в антенне с активным питанием элементов!). Так как толстые элементы имеют более широкую полосу пропускания, то уменьшится коэффициент усиления антенны, который прямо пропорционально связан с ее полосой пропускания. Вообще говоря, следует придерживаться следующих рекомендаций: все элементы антенны должны быть выполнены из материала одинаковой толщины - только в этом случае можно создать оптимальную диаграмму направленности. Для данной конструкции антенны: толщина вибраторов S должна быть не более, чем:

S=l /1000 (для диапазона до 30 МГц);

S=l /100 (свыше 50 МГц);

где l - длина волны в метрах, на которой работает антенна, т.е. на диапазоне 10 метров толщина вибраторов должна быть не более 10 мм, на диапазоне 20 метров – 20 мм. При более толстых элементах коэффициент усиления немного уменьшается и полоса пропускания антенны возрастает (но в то же время упрощается ее настройка!).

Усиление, обеспечиваемое многоэлементной рамочной антенной, и усиление, обеспечиваемое многоэлементной дипольной антенной (типа “волновой канал”), имеющей на один элемент больше рамочной, примерно равны. Это приведено в л.21.1, 21.2 и в другой радиолюбительской литературе. Связано это с тем, что уже сам активный элемент антенны – квадрат – имеет усиление как минимум на 1 дБ больше, чем усиление активного элемента антенны “волновой канал” диполя. Играет свою роль и то, что большее усиление обеспечивают и пассивные элементы многоэлементной рамочной антенны. Можно принять цифры, что усиление относительно диполя двухэлементной рамочной антенны и трехэлементной дипольной – не менее 7 дБ, усиление трехэлементной рамочной и 4-х элементной дипольной – не менее 9 дБ, соответственно 4 и 5 элементных антенн – не менее 10 дБ, т.е. очевидно, что после трех элементов резкий рост усиления прекращается, и добавление каждого директора дает прирост усиления всего лишь 1 дБ. Отношение излучения вперед/назад может достигать на практике от 20 до 30 дБ и очень зависит от конструкции, питания и размещения антенны. Из сказанного видно, что наиболее оптимальной конструкцией является 2-х и 3-х элементная рамочная антенна. Прирост усиления первой по сравнению с обычной рамкой составляет не менее 5 дБ, а прирост усиления трехэлементной антенны по сравнению с двух – уже только 2 дБ.

Так как геометрию рамочной антенны составляют горизонтальные, и вертикальные проводники, то рамочная многоэлементная антенна излучает как вертикально, так и горизонтально поляризованную волну так, как это было показано в предыдущих главах. То же самое относится и к положению антенны относительно земли. Рамочная антенна уже будет работать при высоте подвеса нижней ее части около 0,1 от длины волны, на которой работает антенна. Конечно, лучшие результаты будут при высоком подвесе антенны.

Поскольку составные части многоэлементной рамочной антенны – рамки – широкополоснее, чем составные части YAGI - диполи, то и сама многоэлементная рамочная антенна широкополоснее YAGI, которая часто работает лишь в части любительского диапазона. Правильно настроенная многоэлементная рамочная антенна работает во всем любительском диапазоне с приемлемым КСВ. Ее широкополосность должна быть не менее 2-3 % от центральной рабочей частоты.

Входное сопротивление многоэлементной рамочной антенны может достигать 75 Ом для двухэлементной и 50 Ом для трех и более элементной антенны. Входное сопротивление зависит от настройки пассивных рамок, от местоположения антенны относительно посторонних предметов и высоты ее подвеса, и может быть от 40 до 80 Ом. Вот почему, хотя антенну и можно запитать непосредственно кабелем с подходящим волновым сопротивлением, гораздо лучше будет использовать гамма согласование. Размеры его будут совпадать с размерами уже здесь описанного гамма согласования для одиночной рамки. Понятно, что многоэлементная рамочная антенна при использовании гамма согласования будет строго однодиапазонной антенной, причем с минимумом излучения различных высокочастотных и низкочастотных гармоник передатчика. При питании же антенны непосредственно через коаксиальный кабель, она в принципе может работать на нечетных гармониках рамок, также при соответствующем согласовании, и с очень малой эффективностью в диапазонах в 2-3 раза ниже резонансного диапазона волн.

Все, что касается симметрирования одиночной рамки, особенно верно и для многоэлементной системы, так как в этом случае даже небольшое рассимметрирование может сместить и исказить лепесток диаграммы направленности.

Что касается поляризации и качественного вида диаграммы направленности (в направлении главного излучения) для рамок различных конфигураций и подвеса, то все, что касалось одиночной рамки, верно и для многоэлементной антенны. Но здесь необходимо более критически относиться к высоте подвеса, так как в этом случае земля влияет сразу на несколько рамок – рефлектор, излучатель и директор. А в этом случае суммарное дестабилизирующее влияние может существенно ухудшить параметры антенны и потребовать более серьезной и тщательной ее настройки.

Иногда многоэлементные антенны, при подвесе их на высоту не менее длины волны, располагают наклонно к земле (рис.77). Это делают с той целью, чтобы основной лепесток излучения был еще более пологим к горизонту. Многоэлементная антенна, расположенная на высоте четверти длины волны над землей, всегда будет иметь максимум главного лепестка в 45° под горизонт, а при высоте менее этой лепесток поднимется еще выше. Но наряду с главным лепестком всегда будут побочные лепестки, расположенные под малым углом к горизонту, поэтому с многоэлементной антенной с низким подвесом возможны как местные, так и дальние связи, а уже с антенной с высоким подвесом - начиная от длины волны, на которой работает антенна, только дальние связи и связи поверхностной волной – обычно до 100 км (на 21-28 МГц).

22. Размеры и исполнение многоэлементных рамочных антенн.

При изготовлении многоэлементных антенн следует стремиться к возможной оптимизации их параметров. Для двухэлементной антенны коэффициент усиления и КНД зависят как от расстояния между рефлектором и активным элементом, так и от размеров рефлектора. Как проверено на практике, оптимальный рефлектор для двухэлементной антенны должен быть на 5-6% длиннее ее активного элемента. Рефлектор можно выполнить сразу длиннее, а можно выполнить его и подстроечным (рис.78).

Первоначально рефлектор и вибратор выполняют одинаковых размеров, затем изменением длины рефлектора путем перемещения перемычки, настраивают антенну по максимальному усилению или по максимальному ослаблению заднего лепестка – эти настройки несколько не совпадают.

Усиление антенны в большой мере зависит от расстояния между рефлектором и вибратором (рис.79). Как видно из этого графика, приведенного во многих источниках (л.22.1, л.22.2), оптимальное усиление двухэлементной антенны будет при расстоянии вибратор-рефлектор 0,175l . Но антенна будет эффективно работать и при расстоянии, равном от 0,05 до 0,25 длины волны.

Это дает возможность создания таких антенн, как G4ZU и других, укороченных и удлиненных направленных рамочных антенн. Это может быть очень удобно при недостатке места, при размещении рамок вибратора и рефлектора на уже установленных мачтах или каких-либо других опорах.

Отношение излучения вперед/назад двухэлементной антенны может составлять по теории не менее 26 дБ, хотя на практике эта величина бывает ниже и обычно достигает около 24 дБ для квадратов, выполненных на каркасе из изоляционного материала, и может быть не лучше 20-22 дБ для антенны, в конструкции которой задействованы металлические несущие элементы. Металл внутри рамок поглощает и переотражает электромагнитную энергию, что ухудшает характеристики антенны.

К ухудшению характеристик рамочных антенн ведет размещение нескольких антенн на одной траверсе. А если еще используется питание всех рамок через один кабель, то добиться отношения излучения вперед/назад лучше 20 дБ вряд ли удастся. Здесь можно попытаться использовать поляризационное разделение внутренних рамок (л.22.1), но в этом случае коаксиальный кабель, идущий от неиспользуемой в данный момент рамки, необходимо нагружать на какую-либо переменную реактивность – катушку или конденсатор или их систему, и согласовывать эту антенну по минимуму влияния на рабочую.

Как было сказано выше, добавление лишнего директора повышает коэффициент усиления двухэлементной антенны примерно на 2 дБ, а 3-х и более элементной антенны примерно на 1 дБ. График расстояния оптимального расположения директора относительно рефлектора почти совпадает с графиком, приведенным на рис.79, с той лишь разницей, что максимум усиления будет на расстоянии, равном 0,2 длины волны. Периметр директора трехэлементной антенны должен быть на 2,5-3 % длиннее; для четырех и более элементной антенны рефлектор длиннее на 2,5-3 %, а директоры короче на 2 % активной рамки.

Таблицы оптимальных размеров рамочных многоэлементных антенн приведены на рис.81. Конечно, можно жестко не придерживаться расстояния между вибраторами, имея в виду рис.79, следует также помнить, что лучше всего выполнять пассивные элементы антенны подстроечными. Это дает возможность точно настроить антенну по максимуму коэффициента усиления в реальных условиях.

Иногда используют упрощенные пассивные элементы, выполненные в виде диполей (рис.80).

Рамка при использовании таких диполей будет иметь меньшее усиление и больший уровень заднего излучения, чем при использовании пассивных рамочных элементов. Следует правильно размещать пассивные диполи для реальной рамочной антенны, имеющей преобладающую вертикальную или горизонтальную поляризацию. В общем случае, при питании перпендикулярно горизонтальной стороне поляризация будет горизонтальной, при питании перпендикулярно вертикальной стороне поляризация будет вертикальной. Следует также учитывать, что было сказано выше о поляризации рамок с низким подвесом. Размеры диполей для рефлектора и директоров должны быть вдвое меньше периметра соответствующей пассивной рамки. Желательно также и для диполей предусмотреть возможность регулировки их размеров.

Возможно использование и других резонансных элементов в качестве пассивных элементов (рис.80).

23. Многоэлементные рамочные антенны с открытыми рамками.

Все, что касается закрытых рамочных многоэлементных антенн относительно размеров их пассивных элементов и расстояния между ними, верно и для открытых рамочных антенн.

Для получения размеров открытой рамочной антенны необходимо все размеры пассивных и активных элементов умножить на два. Входное сопротивление такой антенны также будет достаточно велико, и для ее питания и симметрирования необходимо использовать все методы, описанные для согласования выше.

Усиление открытой рамочной антенны будет выше закрытой примерно на 2-3 дБ. При использовании для ее питания двухпроводной линии и согласующего устройства, такую антенну можно согласовать в более широком диапазоне частот, чем закрытую рамочную антенну.

Но в то же время такая антенна требует большего расхода материалов по сравнению с закрытой рамочной антенной и больше места для её установки.

24. Двухэлементная антенна G4ZU.

Эта антенна (л. 24. 1. рис.82) имеет ещё одно название - “птичья клетка”, за её внешний вид. Но по позывному впервые предложившего её радиолюбителя, её также называют “квадратная антенна G4ZU”.

Как видно из рисунка, здесь центры рефлектора и излучателя находятся на очень близком расстояние друг от друга – на практике получается 50-20 см, в зависимости от диапазона. За счёт этого неоптимального расположения такая антенна имеет реальный коэффициент усиления – около 6-7 дБ, и ослабление заднего лепестка около 20 дБ.

Для этой антенны требуется всего лишь одна мачта, более того, верхние части антенны (на рис.82 обозначены “О”) имеют нулевой потенциал и, следовательно, могут быть заземлены, что ещё более упрощает конструкцию антенны. При проектировании G4ZU на НЧ диапазоны мачта делается немного выше квадратов и используется для крепления оттяжек (рис. 83). Часто внутри квадратов на НЧ диапазоны помещают квадраты и для ВЧ диапазонов. Можно использовать для этих целей не только квадраты, но и другие рамки: UA1ZAS (л. 24.2) рекомендует использовать дельты для построения G4ZU. Периметр рамок должен соответствовать указанному ранее для двухэлементных антенн. Желательна возможность подстройки рефлектора. Поскольку средняя точка G4ZU заземлена, изменять направление излучения системы можно коммутацией шлейфа и подключения настроечной линией рефлектора (л. 24.3).

Схема такой антенны показана на рис.84. С помощью реле к одной рамке подключают кабель питания, а к другой – удлиняющую линию, и можно менять направление излучения антенны на 360° фиксированно через 90° . Эта антенна должна находиться по возможности в свободном от посторонних предметов пространстве, чтобы исключить их влияние на работу антенны, которое будет проявляться в ее рассимметрировании, и, следовательно, длина настроечного шлейфа будет неоптимальной для каждой из ее сторон излучения.

На принципе питания через симметричное гамма-согласование основана конструкция антенны HB9CV (л.24.1). В ней заземлены уже все точки, имеющие минимум напряжения (рис.85). Эту антенну часто выполняют с уменьшенным расстоянием между вибраторами (рис.86). Коэффициент усиления такой антенны еще меньше, чем G4ZU, и составляет 5-6 дБ. Размеры рефлектора и излучателя соответствуют указанным для многоэлементных антенн, хотя лучше сделать рефлектор с возможностью подстройки его длины.

Антенну G4ZU лучше всего питать 75-омным кабелем (хотя, с некоторым ухудшением ее работы, подойдет и 50-омный), приняв самые серьезные меры по его симметрированию. Можно питать и через симметричное гамма согласование, описанное здесь ранее. Размещать антенну следует как можно выше над землей.

25. Расположение рамочных антенн относительно других предметов.

Рамочные антенны излучают как вертикально, так и горизонтально поляризованную волну. В зависимости от того, какая из них преобладает, выбирают место установки антенны. Крайне важно, чтобы в лепестке диаграммы направленности антенны не было предметов, реагирующих на преобладающую поляризованную составляющую ЭМВ, излучаемую антенной, или чтобы эти предметы находились на расстоянии не менее двух длин волны или, в крайнем случае, на расстоянии, равном половине периметра антенны. Посторонние предметы, переизлучая ЭМВ энергию, могут серьезно исказить диаграмму направленности антенны, вызвав провал в ее лепестке излучения. Особенно это касается многоэлементных антенн с узкой диаграммой направленности. В провале диаграммы направленности рамочной антенны посторонние проводящие предметы могут находиться на расстоянии не менее четверти длины волны работы антенны. В принципе возможно размещение внутри рамки какой-либо малогабаритной антенны – магнитной рамки или штыря, хотя это и несколько ухудшит параметры обоих антенн. Для растяжек рамочных антенн желательно использовать неметаллические оттяжки – синтетическую негниющую веревку, толстую рыболовную леску. Металлические оттяжки могут стать причиной TVI при плохой фильтрации сигнала передатчика и вообще при больших уровнях сигнала, подводимого к антенне.

Рамочные антенны менее капризны в установке, чем дипольные антенны, и допускают свою установку в таких условиях – малая высота подвеса и большая насыщенность мешающими предметами территории их установки – когда установка диполя неэффективна. Это происходит потому, что дипольная антенна разомкнута, и даже небольшое количество проводящих предметов может изменить емкость концов диполя, и, следовательно, изменить его резонансную частоту. Рамочная антенна замкнута, разомкнутая же рамочная антенна является “квазизамкнутой” – т.е. ведет себя как закрытая рамка по отношению к различным дестабилизирующим предметам. Это позволяет подходить к размещению рамочных антенн менее строго, чем в случае дипольных и штыревых антенн.

26. Влияние атмосферных воздействий на рамочную антенну.

Рамочные антенны, особенно открытые, являются одними из самых опасных антенн с точки зрения статического электричества. Вследствие своих значительных линейных размеров и обычно более высокого расположения относительно других антенн, они являются целью для удара молнии и собирателем статического электричества. Это особенно заметно в предгрозовой и грозовой период, а также в сухую зимнюю погоду. Антенна при работе на прием дает много QRM. Если же антенну изолировать от электротехнической “земли”, т.е. вынуть кабель из разъема, то статический заряд, накопленный антенной, выразится в искрах, и довольно значительных, проскакивающих между оплеткой коаксиала и “землей”. Чтобы этого не происходило, необходимо заземлять оплетку коаксиала, и лучше, если это будет сделано на крыше. На крыше оплетку коаксиала следует заземлять через резистор 10-100 кОм мощностью 2 Вт либо через ВЧ-дроссель. Это предотвратит дополнительное рассимметрирование антенны. Хорошим методом защиты антенны от статики является заземление точки полотна нулевого потенциала на мачте размещения антенны. Безопасными антенными являются антенны типа G4ZU, полотно которых заземлено на мачте.

Особое внимание следует обратить на установку разомкнутых рамочных антенн. Для этого необходимо ознакомиться с л.26.1. Открытый незаземленный ус рамки может явиться причиной выхода из строя выходных транзисторов передатчика. Накопленный заряд (он накапливается в погонной емкости коаксиала) может разрушить верхний изолятор, если оплетка кабеля не будет заземлена. Иногда возникает периодический пробой этого изолятора, который может выражаться в сильных QRM приему, и даже может стать причиной TVI.

ЛИТЕРАТУРА.

  1. Беньковский З., Липинский Э.: Любительские антенны коротких и ультракоротких волн. М., Радио и связь,1983.

  2. В.Швыдкий (UH8CT): Антенна радиостанции UK8HAA; Радио № 7, 1972.

  3. Г.Болотов, С.Жемайтис: Многодиапазонный вариант рамочной антенны; Радио № 2, 1989 г.

  4. К.Сепп, А.Снесарев: КВ антенны “квадрат”; Радио № 6, 7, 1978 г.

  5. J.L. Dietrich WAORDX: Loops and dipoles; A Comparative analisis QST, sept. 1985.

  6. Рамка с 50-омным питанием; КВ-журнал № 1, 1992.

  7. Г.З.Айзенберг и др.: Коротковолновые антенны. М.; Радио и связь, 1985.

  8. И. Подгорный (UC2AGL): Антенный тюнер; Радиолюбитель № 1, 1991.

  9. Г.И. Атабеков: Линейные электрические цепи., М., Энергия, 1978.

  10. Ротхаммель К.: Антенны.; М.; Энергия, 1978.

  11. Антенна “Мини квадрат”; (“За рубежом”, QST № 8, 1973), Радио № 10, 1973.

  12. А. Голицин (UA9UR): Антенна для низкочастотных диапазонов; Радио № 2, 1973.

  13. С. Бунимович: Малогабаритная квадратная антенна; Радио № 4, 1968.

  14. Квадрат на 14 МГц; (“За рубежом”, RADCOM № 10, 1976), Радио № 4, 1977.

  15. Е.Барановский, Э.Тумаркин: Диапазонная рамочная антенна; Радио № 6, 1969.

  16. Антенна на 180-250 МГц; (“За рубежом”, Radioamateur № 12, 1959), Радио № 3, 1960.

  17. К.Харченко: Проводники с укорочением в антеннах; Радио № 8, 1979.

  18. К.Харченко: За зоной уверенного приема. Зигзагообразные антенны. Радио № 3, 1961. Телевизионные антенны; Радио № 4, 1961. Двойные зигзагообразные антенны; Радио № 8,1961.

  19. К.Каллемаа (UR2BU): Ультракоротковолновые антенны; Радио № 8,1973.

  20. К. Харченко: Еще раз о зигзагообразных антеннах; Радио № 11, 1962.

  21. К Харченко: Высокоэффективные антенны на 430 МГц; Радио № 4, 1966.

  22. К. Харченко: Широкополосная телевизионная антенна; Радио № 10, 1967.

  23. Ю. Кондратьев: Антенна двойной треугольник; Радио № 2, 1974.

  24. А. Новиков (UA0CAS), А. Бабин (UA0LAQ): Антенна с переключаемой диаграммой направленности; Радио № 6, 1974.

И.Н.Григоров (RK3ZK).

(Только для публикации на СКР)

www.cqham.ru

Введение в основы антенн

Добавлено 28 января 2017 в 18:30

Основы антенн

Антенны используются для передачи и приема информации через изменения электромагнитных полей, которые окружают их. Данная статья представляет собой введение в теорию антенн для начинающих. В ней кратко рассматривается само понятие волны, падающая, отраженная и стоячая волны, КСВ, модуляция, дипольная антенна.

Краткая история электромагнетизма

Более 2600 лет назад (и, вероятно, еще раньше) древние греки обнаружили, что кусок янтаря, натёртый об мех, притягивает легкие предметы, например, перья. Примерно в то же время древние люди обнаружили магнитную руду, которая представляет собой куски намагниченной горной породы.

Потребовалось несколько сотен лет, чтобы определить, что существует два различных вида притяжения и отталкивания (магнитное и электрическое): одинаковые отталкиваются, а противоположные притягиваются. Затем прошло еще 2000 лет перед тем, как ученые впервые обнаружили, что эти два совершенно разных явления природы были неразрывно связаны между собой.

В начале девятнадцатого века Ханс Кристиан Эрстед помести провод перпендикулярно стрелке компаса и ничего не увидел. Но когда он повернул провод параллельно стрелке компаса и пропустил через него ток, стрелка отклонилась в одном направлении. Когда он пропустил ток через провод в противоположном направлении, стрелка компаса также отклонилась в противоположном направлении.

Ток, протекающий через проводник, расположенный перпендикулярно стрелке компаса, не вызывает ее движенияСтрелка компаса, расположенная параллельно проводнику, через который проходит ток. При изменении направления протекания тока на противоположное направление отклонение стрелки также меняется на противоположное.

Этот провод был первой передающей антенной, а компас был первым приемником. Ученые в то время просто не знали об этом.

Пока не очень элегантно, этот эксперимент дал подсказку о том, как работает вселенная – что заряды, двигающиеся через провод, создают магнитное поле, которое перпендекулярно проводу. (Ученые вскоре узнали, что это поле, окружающее проводник, имеет круглую форму, а не форму прямой, перпендикулярной проводнику.)

С помощью этой информации ученые смогли описать способы, с которыми электрические и магнитные поля взаимодействуют с электрическими зарядами, и сформировать основы понимания электромагнетизма.

Видео выше показывает, как нить лампы накаливания, работающей от переменного тока, изгибается между точками крепления при воздействии сильного магнитного поля.

Вскоре Никола Тесла в своей лаборатории без проводов зажег лампы, продемонстрировал первую игрушечную лодку с дистанционным управлением и создал систему переменного тока, которую сегодня мы используем по всему миру для передачи электрической энергии.

Менее чем через столетие после эксперимента Эрстеда, Гульельмо Маркони изобрел способ передачи первых беспроводных телеграфных сигналов через Атлантику.

И вот теперь, через два столетия после первого эксперимента с компасом, мы можем делать фотографии далеких планет и отправлять их через необъятный космос на устройства, которые мы можем держать в руках – и всё благодаря антеннам.

Фотография Плутона

Составные блоки

В нашей Вселенной действуют определенные правила. Люди обнаружили это тысячи лет назад, когда стали различать силу тяжести и способность одних объектов притягивать или отталкивать другие объекты. Затем люди обнаружили еще один набор правил притяжения и отталкивания, которые были полностью отделены от первого.

Люди разделили объекты по категориям и с помощью экспериментов определили, что положительный и отрицательный являются противоположными проявлениями свойства под названием «заряд», как и северный и южный полюса являются противоположными проявлениями чего-то под названием магнетизм, как и левая и правая руки являются двумя типами рук.

Изображение, показывающее зеркальную симметрию между электрическими зарядами, магнитными полюсами и руками

Что-то происходило в проводе Эрстеда независимо от того, была ли под ним стрелка компаса или нет. Это приводит к идее о неосязаемых электромагнитных полях, которые пронизывают Вселенную – и самые плотные материи, и вакуум. Каждый из наших объектов, отнесенных к категориям (+/-/N/S), влияет на пространство вокруг него и подвергается влиянию, если изменяется окружающее его поле.

Наложение волн (принцип суперпозиции)

Волны переносят энергию из одного места в другое.

Оставаясь нетронутым в течение длительного периода времени, поверхность воды в бассейне будет казаться плоской и неподвижной. Если побеспокоить воду в одном месте, молекулы воды побеспокоят соседние молекулы воды, которые побеспокоят соседние молекулы воды и так далее, пока волнение не дойдет до края бассейна.

Молекулы, которые начали цепь событий, остаются на месте, близкому их начальному расположению, но волнение достигнет края бассейна за секунды. Волны передают энергию без переноса вещества.

Одиночная волна в бассейне

Волны, как мы их описываем, это движение возмущения через среду. Одиночное начальное возмущение или миллион таких возмущений, к распространению возмущения приводит цепная реакция столкновений молекул в бассейне.

График распространения двух волн в бассейне

Когда две волны возмущают одну и ту же область пространства, их амплитуды будут складываться или вычитаться, создавая либо конструктивную, либо разрушающую интерференцию. Эта практика временного сложения или вычитания называется принципом суперпозиции.

График конструктивной интерференции волн

После того, как волны интерферируют в определенном месте, они продолжают движение в том же направлении и с той же скоростью, с какими они начали движение, так долго, пока они остаются в той же среде. Скорость и направление могут измениться, когда волна войдет в новую среду. Звуковые волны проходят через воздух, водные волны проходят через жидкости – вещества, через которые проходят волны, называются «средой».

Электромагнитные волны могут проходить через такие среды, как воздух и вода, или через пустоту космоса – они не требуют среды для распространения энергии из одного места в другое.

Отражение волны

При переходе волн из одной среды в другую часть их энергии передается, часть энергии отражается, а часть энергии рассеивается в окружающую среду.

Свойства материалов этих двух сред определяют соотношения передачи к отражению и рассеиванию. А также свойства материалов определяют, будет ли волна инвертироваться при отражении.

Передача и отражение энергии одиночного волнового импульсаНепрерывная падающая волна (оранжевый) попадает на границу сред, где часть энергии отражается (светло-оранжевый), а часть энергии передается (темно-оранжевый)

Отражение и инверсия

Когда волны распространяются из одной среды в другую, часть падающей энергии отражается. В зависимости от свойств материалов сред волны могут инвертироваться при отражении.

Представьте себе длинную пружину, привязанную к столбу. Если вы слегка ударите пружину слева, возмущение распространится по всей длине пружины, пока оно не ударит столб; и в этот момент оно изменит направление и начнет распространяться назад к вам с другой стороны, справа. Это и есть инверсия.

Инверсия волны при отражении

Возьмите ту же самую пружину и привяжите ее к веревке, одетой петлей на столб. Если вы слегка ударите пружину слева, возмущение распространится по всей длине пружины, пока оно не ударит веревку; в этот момент оно изменит направление и начнет распространяться назад к вам с той же стороны, слева.

Отсутствие инверсии при отражении

Понимание отражения колебаний пружины поможет нам понять, что происходит внутри антенны.

Вот четыре ситуации, которые помогут проиллюстрировать понятия отражения и инверсии.

Инвертируется или нет волна при отражении, это определяется свойствами сред по обе стороны границы раздела.

Если волна инвертируется при отражении, и мы хотим получить конструктивную интерференцию в веревке, у нас должна быть веревка длиной, равной половине длины волны, полной длине волны или полутора длин волны и так далее:\(L = n {\lambda \over 2}\), где n – целое положительное число.

Антенный резонанс основан на тех же принципах отражения и интерференции: выбирайте длину провода так, чтобы отраженная энергия могла интерферировать конструктивно, создавая больший сигнал, а, не уменьшая его.

Стоячие волны

Когда две волны одинаковой длины распространяются в одной среде, но в противоположных направлениях (изображены синим и оранжевым цветами в примерах ниже), они могут взаимодействовать и образовывать стоячую волну (изображена зеленым цветом в примерах ниже). Стоячие волны называются так потому, что в то время, как синие волны движутся влево, а оранжевые волны движутся вправо, зеленые стоячие волны не обладают никаким видимым движением в какую-либо сторону.

Падающая волна (оранжевая) и отраженная волна (синяя) объединяются, формируя стоячую волну (зеленая)

Стоячая волна возникает только при определенных условиях в среде, которые определяются режимом отражения и длиной падающей волны.

Коэффициент стоячей волны (КСВ, SWR)

Стоячие волны максимальной амплитуды возникают при очень точной комбинации частоты (или длины волны) и длины антенны.

К сожалению, нецелесообразно и фактически невозможно иметь антенны, которые обладают точной длиной, необходимой для формирования идеальной стоячей волны в требуемом диапазоне частот. К счастью, в этом нет необходимости. Антенна с одной фиксированной длиной может работать в небольшом диапазоне частот с небольшим, приемлемым уровнем расстройки.

Стоячие волны и напряжения в линии, показанные в течение периода колебаний

Длина антенны должна быть настроена для получения стоячей волны как можно более близкой к идеальной в центре рабочего диапазона частот.

Измерители КСВ (коэффициента стоячей волны) измеряют отношение передаваемой энергии к отраженной, и это отношение должно быть как можно ближе к 1:1.

Небольшие подстройки могут быть выполнены путем добавления в схему пассивных компонентов между оконечным каскадом усиления и антенной. Небольшие недостатки в настройке антенны могут вызвать появление разности потенциалов на конечном каскаде усиления, нагревание конечного участка передающей линии. Большой дисбаланс может вызвать подачу большой разности потенциалов обратно на схему передатчика, вызывая пробой диэлектрика, искрение и выход из строя оконечного усилителя.

Передача информации

Вероятно, наиболее известны два способа передачи информации: частотная модуляция (ЧМ, FM) и амплитудная модуляция (АМ, AM).

Частотная модуляция

При частотной модуляции информация передаются с помощью изменения частоты несущего колебания.

Частотная модуляция

Амплитудная модуляция

При амплитудной модуляции частота несущего колебания остается постоянной. Информация передается с помощью изменения амплитуды несущей.

Амплитудная модуляция

Дипольная антенна

Простая антенна, которая использует два одинаковых элемента, называется диполем. Самые короткие дипольные антенны работают с колебаниями, для которых длина антенны равна половине длины волны, и которые создают стоячие волны по всей длине антенны.

Стоячие волны в дипольной антенне

Изменяющиеся электрические поля вдоль длины антенны создают радиоволны, которые распространяются в направлениях от антенны.

Антенная, излучающая энергию

Антенны позволяют передавать и получать информацию, воздействуя и подвергаясь воздействию электромагнитных полей, пронизывающих вселенную. В следующей статье мы рассмотрим различные типы антенн, и как они работают.

Оригинал статьи:

  • Mark Hughes. An Introduction to Antenna Basics

radioprog.ru

[Перевод] Справочник по антеннам для радаров

Статья на перевод предложена alessandro893. Материал взят с обширного справочного сайта, описывающего, в частности, принципы работы и устройство радаров.

Антенна – это электрическое устройство, преобразующее электроэнергию в радиоволны и наоборот. Антенна используется не только в радарах, но и в глушилках, системах предупреждения об облучении и в системах коммуникаций. При передаче антенна концентрирует энергию передатчика радара и формирует луч, направляемый в нужную сторону. При приёме антенна собирает возвращающуюся энергию радара, содержащуюся в отражённых сигналах, и передаёт их на приёмник. Антенны часто различаются по форме луча и эффективности.

Слева – изотропная антенна, справа – направленная

Дипольная антенна

Дипольная антенна, или диполь – самый простой и популярный класс антенн. Состоит из двух одинаковых проводников, проводов или стержней, обычно с двусторонней симметрией. У передающих устройств к ней подаётся ток, а у принимающих – принимается сигнал между двумя половинами антенны. Обе стороны фидера у передатчика или приёмника соединены с одним из проводников. Диполи – резонирующие антенны, то есть их элементы служат резонаторами, в которых стоячие волны переходят от одного конца к другому. Так что длина элементов диполя определяется длиной радиоволны.

Схема излучения

Диполи – это ненаправленные антенны. В связи с этим их часто используют в системах связи.

Антенна в виде несимметричного вибратора (монопольная)

Несимметричная антенна представляет собой половину дипольной, и монтируется перпендикулярно проводящей поверхности, горизонтальному отражающему элементу. Коэффициент направленного действия монопольной антенны вдвое больше, чем у дипольной антенны удвоенной длины, поскольку под горизонтальным отражающим элементом нет никакого излучения. В связи с этим КНД такой антенны в два раза выше, и она способна передавать волны дальше, используя ту же самую мощность передачи.

Схема излучения

Антенна “волновой канал”, антенна Яги-Уда, антенна Яги

Антенна Яги – направленная антенна, состоящая из нескольких параллельных элементов, расположенных на одной линии. Часто состоят из одного элемента-облучателя, обычно диполя или свёрнутого диполя. Только этот элемент испытывает возбуждение. Остальные элементы паразитные – они отражают или помогают передавать энергию в нужном направлении. Облучатель (активный вибратор) обычно находится вторым с конца, как на картинке ниже. Её размер подбирается с целью достижения резонанса при наличии паразитных элементов (для диполя это обычно 0,45 – 0,48 от длины волны). Элемент слева от облучателя – отражатель (рефлектор). Он обычно длиннее облучателя. Отражатель обычно один, поскольку добавление дополнительных отражателей мало влияет на эффективность. Он влияет на отношение мощностей сигналов антенны, излучаемых в направлениях назад/вперед (усиление в максимальном направлении по отношению к противоположному). Справа от облучателя находятся элементы-директоры, которые обычно короче облучателя. У антенны Яги очень узкий диапазон рабочих частот, а максимальное усиление составляет примерно 17 дБ.

Схема излучения

Уголковая антенна

Тип антенны, часто используемой на УКВ и УВЧ-передатчиках. Состоит из облучателя (это может быть диполь или массив Яги), укреплённого перед двумя плоскими прямоугольными отражающими экранами, соединёнными под углом, обычно в 90°. В качестве отражателя может выступать лист металла или решётка (для низкочастотных радаров), уменьшающая вес и увеличивающая сопротивление ветру. У уголковых антенн широкий диапазон, а усиление составляет порядка 10-15 дБ.

Схема излучения

Вибраторная логопериодическая (логарифмическая периодическая) антенна, или логопериодическая решетка из симметричных вибраторов

Логопериодическая антенна (ЛПА) состоит из нескольких полуволновых дипольных излучателей постепенно увеличивающейся длины. Каждый состоит из пары металлических стержней. Диполи крепятся близко, один за другим, и подключаются к фидеру параллельно, с противоположными фазами. По виду такая антенна похожа на антенну Яги, но работает она по-другому. Добавление элементов к антенне Яги увеличивает её направленность (усиление), а добавление элементов к ЛПА увеличивает её полосу частот. Её главное преимущество перед другими антеннами – чрезвычайно широкий диапазон рабочих частот. Длины элементов антенны относятся друг к другу по логарифмическому закону. Длина самого длинного из элементов составляет 1/2 от длины волны самой низкой из частот, а самого короткого – 1/2 от длины волны самой высокой частоты.

Схема излучения

Спиральная антенна

Спиральная антенна состоит из проводника, закрученного в виде спирали. Обычно они монтируются над горизонтальным отражающим элементом. Фидер соединяется с нижней частью спирали и горизонтальной плоскостью. Они могут работать в двух режимах – нормальном и осевом.

Нормальный (поперечный) режим: размеры спирали (диаметр и наклон) малы по сравнению с длиной волны передаваемой частоты. Антенна работает так же, как закороченный диполь или монополь, с такой же схемой излучения. Излучение линейно поляризуется параллельно оси спирали. Такой режим используется в компактных антеннах у портативных и мобильных раций.

Осевой режим: размеры спирали сравнимы с длиной волны. Антенна работает как направленная, передавая луч с конца спирали вдоль её оси. Излучает радиоволны круговой поляризации. Часто используется для спутниковой связи.

Схема излучения

Ромбическая антенна

Ромбическая антенна – широкополосная направленная антенна, состоящего из одного-трёх параллельных проводов, закреплённых над землёй в виде ромба, поддерживаемого в каждой вершине вышками или столбами, к которым провода крепятся при помощи изоляторов. Все четыре стороны антенны одинаковой длины, обычно не менее одной длины волны, или длиннее. Часто используются для связи и работы в диапазоне декаметровых волн.

Схема излучения

Двумерная антенная решётка

Многоэлементный массив диполей, используемых в КВ диапазонах (1,6 – 30 МГц), состоящий из рядов и столбцов диполей. Количество рядов может быть 1, 2, 3, 4 или 6. Количество столбцов – 2 или 4. Диполи горизонтально поляризованы, а отражающий экран располагается за массивом диполей для обеспечения усиленного луча. Количество столбцов диполей определяет ширину азимутального луча. Для 2 столбцов ширина диаграммы направленности составляет около 50°, для 4 столбцов — 30°. Главный луч можно отклонять на 15° или 30° для получения максимального охвата в 90°.

Количество рядов и высота самого нижнего элемента над землёй определяет угол возвышения и размер обслуживаемой территории. Массив из двух рядов обладает углом в 20°, а из четырёх – в 10°. Излучение двумерной решётки обычно подходит к ионосфере под небольшим углом, и из-за низкой частоты часто отражается обратно к поверхности земли. Поскольку излучение может многократно отражаться между ионосферой и землёй, действие антенны не ограничено горизонтом. В результате такая антенна часто используется для связи на дальние расстояния.

Схема излучения

Рупорная антенна

Рупорная антенна состоит из расширяющегося металлического волновода в форме рупора, собирающего радиоволны в луч. У рупорных антенн очень широкий диапазон рабочих частот, они могут работать с 20-кратным разрывом его границ – к примеру, от 1 до 20 ГГц. Усиление варьируется от 10 до 25 дБ, и часто они используются в качестве облучателей более крупных антенн.

Схема излучения

Параболическая антенна

Одна из самых популярных антенн для радаров – параболический отражатель. Облучатель располагается в фокусе параболы, и энергия радара направляется на поверхность отражателя. Чаще всего в качестве облучателя используется рупорная антенна, но можно использовать и дипольную, и спиральную.

Поскольку точечный источник энергии находится в фокусе, он преобразуется в волновой фронт постоянной фазы, что делает параболу хорошо приспособленной для использования в радарах. Изменяя размер и форму отражающей поверхности, можно создавать лучи и схемы излучения различной формы. Направленность параболических антенн гораздо лучше, чем у Яги или дипольной, усиление может достигать 30-35 дБ. Главный их недостаток – неприспособленность к низким частотам из-за размера. Ещё один – облучатель может блокировать часть сигнала.

Схема излучения

Антенна Кассегрена

Антенна Кассегрена очень похожа на обычную параболическую, но использует систему из двух отражателей для создания и фокусировки луча радара. Основной отражатель параболический, а вспомогательный – гиперболический. Облучатель находится в одном из двух фокусов гиперболы. Энергия радара из передатчика отражается от вспомогательного отражателя на основной и фокусируется. Возвращающаяся от цели энергия собирается основным отражателем и отражается в виде сходящегося в одной точке луча на вспомогательный. Затем она отражается вспомогательным отражателем и собирается в точке, где расположен облучатель. Чем больше вспомогательный отражатель, тем ближе он может быть к основному. Такая конструкция уменьшает осевые размеры радара, но увеличивает затенение раскрыва. Небольшой вспомогательный отражатель, наоборот, уменьшает затенение раскрыва, но его нужно располагать подальше от основного. Преимущества по сравнению с параболической антенной: компактность (несмотря на наличие второго отражателя, общее расстояние между двумя отражателями меньше, чем расстояние от облучателя до рефлектора параболической антенны), уменьшение потерь (приёмник можно разместить близко от рупорного излучателя), уменьшение интерференции по боковому лепестку для наземных радаров. Основные недостатки: сильнее блокируется луч (размер вспомогательного отражателя и облучателя больше, чем размер облучателя обычной параболической антенны), плохо работает с широким диапазоном волн.

Схема излучения

Антенна Грегори

Слева – антенна Грегори, справа — Кассегрена

Параболическая антенна Грегори очень похожа по структуре на антенну Кассегрена. Отличие в том, что вспомогательный отражатель искривлён в противоположную сторону. Конструкция Грегори может использовать меньший по размерам вспомогательный отражатель по сравнению с антенной Кассегрена, в результате чего перекрывается меньшая часть луча.

Офсетная (асимметричная) антенна

Как следует из названия, излучатель и вспомогательный отражатель (если это антенна Грегори) у офсетной антенны смещены от центра основного отражателя, чтобы не блокировать луч. Такая схема часто используется на параболических антеннах и антеннах Грегори для увеличения эффективности.

Антенна Кассегрена с плоской фазовой пластиной

Ещё одна схема, предназначенная для борьбы с блокированием луча вспомогательным отражателем,- это антенна Кассегрена с плоской пластиной. Она работает с учётом поляризации волн. У электромагнитной волны есть 2 компоненты, магнитная и электрическая, всегда находящиеся перпендикулярно друг другу и направлению движения. Поляризация волны определяется ориентацией электрического поля, она бывает линейной (вертикальной/горизонтальной) или круговой (круговой или эллиптической, закрученной по или против часовой стрелки). Самое интересное в поляризации – это поляризатор, или процесс фильтрации волн, оставляющий только волны, поляризованные в одном направлении или в одной плоскости. Обычно поляризатор изготавливают из материала с параллельным расположением атомов, или это может быть решётка из параллельных проводов, расстояние между которыми меньше, чем длина волны. Часто принимается, что расстояние должно быть примерно в половину длины волны.

Распространённое заблуждение состоит в том, что электромагнитная волна и поляризатор работают схожим образом с колеблющимся тросом и дощатым забором – то есть, к примеру, горизонтально поляризованная волна должна блокироваться экраном с вертикальными щелями.

На самом деле, электромагнитные волны ведут себя не так, как механические. Решётка из параллельных горизонтальных проводов полностью блокирует и отражает горизонтально поляризованную радиоволну и пропускает вертикально поляризованную – и на оборот. Причина следующая: когда электрическое поле, или волна, параллельны проводу, они возбуждают электроны по длина провода, и поскольку длина провода многократно превышает его толщину, электроны могут легко двигаться и поглощают большую часть энергии волны. Движение электронов приведёт к появлению тока, а ток создаст свои волны. Эти волны погасят волны передачи и будут вести себя как отражённые. С другой стороны, когда электрическое поле волны перпендикулярно проводам, оно будет возбуждать электроны по ширине провода. Поскольку электроны не смогут активно двигаться таким образом, отражаться будет очень малая часть энергии.

Важно отметить, что, хотя на большинстве иллюстраций у радиоволн всего 1 магнитное и 1 электрическое поле, это не значит, что они осциллируют строго в одной плоскости. На самом деле можно представлять, что электрические и магнитные поля состоят из нескольких подполей, складывающихся векторно. К примеру, у вертикально поляризованной волны из двух подполей результат сложения их векторов вертикальный. Когда два подполя совпадают по фазе, результирующее электрическое поле всегда будет стационарным в одной плоскости. Но если одно из подполей медленнее другого, тогда результирующее поле начнёт вращаться вокруг направления движения волны (это часто называют эллиптической поляризацией). Если одно подполе медленнее других ровно на четверть длины волны (фаза отличается на 90 градусов), то мы получим круговую поляризацию:

Для преобразования линейной поляризации волны в круговую поляризацию и обратно необходимо замедлить одно из подполей относительно других ровно на четверть длины волны. Для этого чаще всего используется решётка (четвертьволновая фазовая пластина) из параллельных проводов с расстоянием между ними в 1/4 длины волны, расположенных под углом в 45 градусов к горизонтали. У проходящей через устройство волны линейная поляризация превращается в круговую, а круговая – в линейную.

Работающая по этому принципу антенна Кассегрена с плоской фазовой пластиной состоит из двух отражателей равного размера. Вспомогательный отражает только волны с горизонтальной поляризацией и пропускает волны с вертикальной поляризацией. Основной отражает все волны. Пластина вспомогательного отражателя располагается перед основным. Он состоит из двух частей – это пластина со щелями, идущими под углом в 45°, и пластина с горизонтальными щелями шириной менее 1/4 длины волны.

Допустим, облучатель передаёт волну с круговой поляризацией против часовой стрелки. Волна проходит через четвертьволновую пластину и превращается в волну с горизонтальной поляризацией. Она отражается от горизонтальных проводов. Она опять проходит через четвертьволновую пластину, уже с другой стороны, и для неё провода пластины ориентированы уже зеркально, то есть, будто бы повёрнуты на 90°. Предыдущее изменение поляризации отменяется, так что волна снова приобретает круговую поляризацию против часовой стрелки и идёт обратно к основному отражателю. Отражатель меняет поляризацию с идущей против часовой стрелки на идущую по часовой. Она проходит через горизонтальные щели вспомогательного отражателя без сопротивления и уходит в направлении целей вертикально поляризованной. В режиме приёма всё происходит наоборот.

Щелевая антенна

Хотя у описанных антенн довольно большое усиление по отношению к размеру апертуры, у всех них есть общие недостатки: большая восприимчивость по боковым лепесткам (подверженность мешающим отражениям от земной поверхности и чувствительность к целям с низкой эффективной площадью рассеяния), уменьшение эффективности из-за блокирования луча (проблема с блокированием есть у малых радаров, которые можно использовать на летающих аппаратах; большие радары, где проблема с блокированием меньше, нельзя использовать в воздухе). В результате была придумана новая схема антенны – щелевая. Она выполнена в виде металлической поверхности, обычно плоской, в котором прорезаны отверстия или щели. Когда её облучают на нужной частоте, электромагнитные волны испускаются из каждого слота – то есть, слоты выступают в роли отдельных антенн и формируют массив. Поскольку луч, идущий из каждого слота, слабый, их боковые лепестки также очень малы. Щелевые антенны характеризуются высоким усилением, малыми боковыми лепестками и малым весом. В них могут отсутствовать выступающие части, что в ряде случаев является их важным преимуществом (например, при установке на летательных аппаратах).

Схема излучения

Пассивная фазированная антенная решётка (ПФАР) [passive electronically scanned array, PESA]

Радар с МИГ-31

С ранних времён создания радаров разработчиков преследовала одна проблема: баланс между точностью, дальностью и временем сканирования радара. Она возникает оттого, что у радаров с более узкой шириной пучка повышается точность (увеличивается разрешение) и дальность при той же мощности (концентрация мощности). Но чем меньше ширина пучка, тем дольше радар сканирует всё поле зрения. Более того, радару с большим усилением потребуются антенны большего размера, что неудобно для быстрого сканирования. Для достижения практичной точности на низких частотах радару потребовались бы настолько громадные антенны, что их было бы затруднительно поворачивать с механической точки зрения. Для решения этой проблемы была создана пассивная фазированная антенная решётка. Она полагается не на механику, а на интерференцию волн для управления лучом. Если две или более волн одного типа осциллируют и встречаются в одной точке пространства, суммарная амплитуда волн складывается примерно так же, как складываются волны на воде. В зависимости от фаз этих волн интерференция может усиливать или ослаблять их.

Луч можно формировать и управлять им электронным способом, контролируя разность фаз группы передающих элементов – таким образом можно контролировать, в каких местах происходит усиливающая или ослабляющая интерференция. Из этого следует, что в радаре самолёта для управления лучом из стороны в сторону должно быть не менее двух передающих элементов.

Обычно радар с ПФАР состоит из 1 облучателя, одного усилителя малых помех, одного распределителя мощности, 1000-2000 передающих элементов и равного количества фазосдвигателей.

Передающими элементами могут быть изотропные или направленные антенны. Некоторые типичные виды передающих элементов:

На первых поколениях истребителей чаще всего использовались патч-антенны (полосковые антенны), поскольку их проще всего разрабатывать.

Современные массивы с активной фазой используют желобковые излучатели из-за их широкополосных возможностей и улучшенного усиления:

Вне зависимости от типа используемой антенны увеличение количества излучающих элементов улучшает характеристики направленности радара.

Как мы знаем, при одинаковой частоте радара увеличение апертуры приводит к уменьшению ширины пучка, что увеличивает дальность и точность. Но у фазированных решёток не стоит увеличивать расстояние между излучающими элементами в попытке увеличения апертуры и уменьшения стоимости радара. Поскольку если расстояние между элементами больше, чем рабочая частота, могут появляться побочные лепестки, заметно ухудшающие эффективность радара.

Самая важная и дорогая часть ПФАР – фазосдвигатели. Без них невозможно управлять фазой сигнала и направлением луча.

Они бывают разных видов, но в целом их можно разделить на четыре типа.

Фазосдвигатели с временной задержкой

Простейший тип фазосдвигателей. Сигналу на прохождение линии передачи нужно время. Эта задержка, равная фазовому сдвигу сигнала, зависит от длины линии передачи, частоты сигнала и фазовой скорости сигнала в передающем материале. Переключая сигнал между двумя или более линиями передач заданной длины, можно управлять фазовым сдвигом. Переключающие элементы – это механические реле, pin-диоды, полевые транзисторы или микроэлектромеханические системы. pin-диоды часто используются из-за высокой скорости, низких потерь и простых цепей смещения, обеспечивающих изменение сопротивления от 10 кОм до 1 Ом.

Задержка, сек = фазовый сдвиг ° / (360 * частота, Гц)

Их недостаток в увеличении фазовой ошибки с увеличением частоты и увеличении размера с уменьшением частоты. Также изменение фазы изменяется в зависимости от частоты, поэтому для слишком малых и больших частот они неприменимы.

Отражательный/квадратурный фазосдвигатель

Обычно это квадратурное устройство связи, разделяющее входной сигнал на два сигнала, различающихся по фазе на 90°, которые затем отражаются. Затем они комбинируются по фазе на выходе. Эта схема работает благодаря тому, что отражение сигнала от проводящих линий могут быть смещены по фазе по отношению к падавшему сигналу. Сдвиг по фазе изменяется от 0° (открытая цепь, нулевая ёмкость варактора) до -180° (цепь закорочена, ёмкость варактора бесконечна). Такие фазосдвигателя обладают широким диапазоном работы. Однако физические ограничения варакторов приводят к тому, что на практике сдвиг по фазе может достигать только 160°. Но для большего сдвига возможно комбинировать несколько таких цепей.

Векторный IQ-модулятор

Так же, как и у отражательного фазосдвигателя, здесь сигнал разделяется на два выхода с 90-градусным смещением фазы. Входящая фаза без смещения называется I-каналом, а квадратура с 90-градусным смещением называется Q-каналом. Затем каждый сигнал проходит через двухфазный модулятор, способный сдвигать фазу сигнала. Каждый сигнал подвергается сдвигу фазы на 0° или 180°, что позволяет выбрать любую пару квадратурных векторов. Затем два сигнала рекомбинируются. Поскольку затухание обоих сигналов можно контролировать, у выходящего сигнала контролируется не только фаза, но и амплитуда.

Фазосдвигатель на фильтрах верхних/нижних частот

Был изготовлен для решения проблемы фазосдвигателей с временной задержкой, не способных работать на большом диапазоне частот. Работает путём переключения пути сигнала между фильтрами верхних и нижних частот. Похож на фазосдвигатель с временной задержкой, только вместо линий передачи используются фильтры. Фильтр верхних частот состоит из последовательности индукторов и конденсаторов, обеспечивающих опережение по фазе. Такой фазосдвигатель обеспечивает постоянный сдвиг фазы в диапазоне рабочих частот. Также его размер гораздо меньше, чем у предыдущих перечисленных фазосдвигателей, поэтому он чаще всего используется в радарах.

Если подытожить, то по сравнению с обычной отражающей антенной, основными преимуществами ПФАР будут: высокая скорость сканирования (увеличение количества отслеживаемых целей, уменьшение вероятности обнаружения станцией предупреждения об облучении), оптимизация времени нахождения на цели, высокое усиление и малые боковые лепестки (тяжелее заглушить и обнаружить), случайная последовательность сканирования (сложнее заглушить), возможность использовать особые техники модуляции и обнаружения для извлечения сигнала из шума. Основные недостатки – высокая стоимость, невозможность сканирования шире 60 градусов в ширину (поле зрения стационарного фазового массива – 120 градусов, механический радар может расширить его до 360).

Активная фазированная антенная решётка [Active Electronically Scanned Array, AESA]

Снаружи АФАР (AESA) и ПФАР (PESA) отличить сложно, но внутри они кардинально различаются. ПФАР использует один или два высокомощных усилителя, передающего один сигнал, который затем делится на тысячи путей для тысяч фазосдвигателей и элементов. Радар с АФАР состоит из тысячи модулей приёма/передачи. Поскольку передатчики находятся непосредственно в самих элементах, у него нет отдельных приёмника и передатчика. Различия в архитектуре представлены на картинке.

У АФАР большинство компонентов, таких, как усилитель слабых сигналов, усилитель большой мощности, дуплексор, фазосдвигатель уменьшены и собраны в одном корпусе под названием модуля приёма/передачи. Каждый из модулей представляет собой небольшой радар. Архитектура их следующая:

Хотя АФАР (AESA) и ПФАР (PESA) используют интерференцию волн для формирования и отклонения луча, уникальный дизайн АФАР даёт много преимуществ по сравнению с ПФАР. К примеру, усилитель слабого сигнала находится рядом с приёмником, до компонентов, где теряется часть сигнала, поэтому у него отношение сигнал/помеха лучше, чем у ПФАР.

Во-вторых, у обычного радара возможность уменьшения паразитной интерференции ограничена ошибками нестабильности аппаратуры. Больше всего в эти ошибки вносят вклад аналого-цифровой преобразователь, преобразователь с понижением частоты, усилителей высокой мощности, усилители слабых сигналов и генератор волн. У АФАР с распределённой группой усилителей высокой мощности и усилителей слабых сигналов такие ошибки можно уменьшать. В результате у АФАР повышается чувствительность в шумных условиях.

Более того, при равных возможностях обнаружения у АФАР меньше рабочий цикл и пиковая мощность. Также, поскольку отдельные модули АФАР не полагаются на один усилитель, они могут одновременно передавать сигналы с разными частотами. В результате АФАР может создавать несколько отдельных лучей, разделяя массив на подмассивы. Возможность работать на нескольких частотах приносит многозадачность и способность развёртывать системы радиоэлектронного подавления в любом месте по отношению к радару. Но формирование слишком большого количества одновременных лучей уменьшает дальность действия радара.

Два главных недостатка АФАР – высокая стоимость и ограниченность поля зрения 60 градусами.

Гибридные электронно-механические фазированная антенные решётки

Очень высокая скорость сканирования ФАР сочетается с ограничением поля зрения. Для решения этой проблемы на современных радарах ФАР располагаются на подвижном диске, что увеличивает поле зрения. Не стоит путать поле зрения с шириной пучка. Ширина пучка относится к лучу радара, а поле зрения – общий размер сканируемого пространства. Узкие пучки часто нужны для улучшения точности и дальности действия, а узкое поле зрения обычно не нужно.

se7en.ws

Антенны, свойства и параметры.

Основные характеристики антенны

В радиосвязи антенна определяется тремя основными параметрами - усилением, направлением и поляризацией одним основным параметром - формой диаграммы приёма/излучения (это определяет её усиление). Для понимания принципа работы антенны хорошо подходит отражатель фонарика. Передающая антенна отличается от приёмной только способностью выдерживать определённую мощность.

Коэффициент усиления антенны измеряется в децибелах, он представляет собой отношение между двумя значениями: коэффициентом усиления конкретной антенны по сравнению с коэффициентом усиления изотропной антенны или диполя. Изотропной антенной является теоретическая антенна с равномерной трехмерной диаграммой (по аналогии с лампочкой фонарика без отражателя ).В отличие от изотропных антенн, дипольные антенны - реальны. Диполь излучает на 360 градусов в горизонтальной плоскости и ~ 75 градусов в вертикальной плоскости (при условии, что дипольная антенна стоит вертикально). Диполь имеет преимущество (усиление) над изотропным излучателем 2,15 dB в горизонтальной плоскости.

Усиление по сравнению с дипольными антеннами обозначаются в dBd.

Таким образом, диполь имеет усиление 0 dBd или 2,15 dBi.

Важным фактором при использовании антенны является поляризация.

Она зависит от типа антенны и ее расположения в пространстве. К примеру, вертикально расположенный (относительно земли) вибратор, дает вертикальную поляризацию,

а горизонтально расположенный — горизонтальную.

Волны с разной поляризацией по-разному распространяются в пространстве, поэтому разная поляризация часто используется для получения оптимальной связи.

N.B. Природные и индустриальные помехи, имеют в основном вертикальную поляризацию. Горизонтально поляризованные волны, отражаются от препятствий менее интенсивно, чем вертикально.

При распространении вертикально поляризованных волн, земная поверхность поглощает на 25% меньше их энергии.

Лесопосадки больше поглощают вертикально поляризованную волну.

И т.д.

stv-ural.ru


Смотрите также

Календарь

ПНВТСРЧТПТСБВС
     12
3456789
10111213141516
17181920212223
24252627282930
31      

Мы в Соцсетях

 

vklog square facebook 512 twitter icon Livejournal icon
square linkedin 512 20150213095025Одноклассники Blogger.svg rfgoogle