АЗБУКА УКВ-АППАРАТУРЫ

Статья 11. Антенны для связи на УКВ

Специальные антенны.

 На протяжении многих лет наибольшей попу­лярностью среди радиолюбителей пользуются антенны типа «волновой канал», которые также известны под название «директорные антенны» и «антенны Уда-Яги». Эти антенны, относящиеся к классу антенн с осевым излучением, имеют наилучшее отношение усиления к массе и к тому же очень просты по конструкции.

 Описания таких антенн широко распростра­нены и, по моему мнению, имеются у каждого радиолюбителя. Поэтому в этой статье я приведу описания только специальных антенн, с которыми читатель может быть не знаком.

Спиральная антенна

 Спиральная антенна образована проводни­ком, расположенным в пространстве по цилин­дрической винтовой линии с шагом s и числом витков п. Эти антенны являются широкополосными, их частотный диапазон (для цилиндрических спиралей) может достигать 30% средней частоты. Входное сопротивление спиральных антенн высоко (120... 150 Ом), и для их питания следует применять широкополосные согласу­ющие устройства или несимметричные фидеры с большим волновым сопротивлением.

 Спиральные антенны имеют излучение с вращающейся поляризацией, что особенно важно при использовании такой антенны для радиосвязи с ИСЗ. Вращающаяся поляризация более выражена у многовитковых антенн.

 Конструктивно спиральные антенны могут иметь цилиндрическую или коническую форму, иметь равный или изменяющийся шаг между витками, а также могут быть различными и другие параметры. В радиолюбительской практике наибольшее применение получили цилиндрические спиральные антенны с постоянным шагом.

 Схематическое изображение цилиндрической спиральной антенны представлено на рис. 11.3.

 

  Антенна используется в режиме излучения вдоль оси спирали от точки питания к свобод­ному концу, что имеет место при числе витков n>3, длине каждого витка 1,3>L/&>0,75 и угле подъема спирали 12°<а<16°. При этих условиях вдоль антенны устанавли­вается бегущая волна.

 Для получения излучения в одном направлении применяют дисковый рефлектор квадратной или круглой формы, имеющий поперечное сечение 2R = (0,6...1,0)&. Рефлектор может быть сплош­ным, сетчатым или сделан из радиальных стержней, или в форме «паутины». При этом наибольший размер ячейки в сетчатом рефлекторе не должен превышать 0,1&. При угле подъема спирали:  a = 14°, s/& = 0,24 и п = 6 - антенна имеет оптимальные параметры. Расстояние начала спирали от экрана выбирают равным 0.13&

 Для приема излучения с линейной поляриза­цией можно применять антенну, состоящую из двух близко расположенных спиралей с парал­лельными осями, намотанных в противополож­ные стороны. Если эти спирали расположить в горизонтальной плоскости, то возможен прием волн с горизонтальной поляризацией, а при вертикальном расположении - с вертикальной поляризацией.     Антенна из двух параллельно расположенных спиралей дает возможность при соединении спиралей параллельно получать входное сопротивление R_Bx = (65...80) Ом, что удобно при питании ее обычным коаксиальным кабелем без согласующих устройств. Если одиночная спиральная антенна используется для приема радиоволн с горизонтальной или вертикальной поляризацией, то при расчете к.н.д. следует из полученного значения к.н.д. вычесть 3 дБ.

Спиральная антенна имеет меньшие размеры, чем антенна «волновой канал», и способна работать в значительно большей полосе частот. Расчет параметров спиральной антенны можно проводить по следующим эмпирическим формулам:

Входное сопротивление спиральной антенны, Ом: R_ex = 140L/&;

К.н.д. антенны:

Ширина диаграммы направленности на уровне половинной мощности(на уровне 3 дБ), град:   ; здесь s/& — шаг спирали, отнесенной к длине волны; I& — относительная длина спирали; L& - относительная длина одного витка; n - количество витков спирали.   Длина спирали связана с ее шагом и числом витков: n*S& = I&

При необходимости можно определить рас­положение «нулей» диаграммы направленности по формуле:

  В [3] приведены следующие величины коэф­фициентов усиления цилиндрических спираль­ных антенн в зависимости от числа витков: 3 витка - 10,1 дБ; 4 витка - 11,3; 5 - 12,3; 6 - 13,1; 7-13,8; 8-14,4; 9-14,9; 10-15,ЗдБ.

Примеры спиральных антенн.

1. Спиральная антенна для диапазона & = 70см имеет шаг s = 15,4см, число витков п = 7 и длину витка L= 54,5см (диаметр спирали D = 16,7см). Таким образом, отношение L/& = 0,78, s/& = 0,22. По номограмме I& = 1,54 (т.е. I = 108 см). R_ex= 109 Ом, G = 11,4 дБ, о,₅= 53,8° (можно вычислить расположение нулей  о= 120°), R_bx= 109 Ом.

2.  Одна из описываемых в любительской литературе спиральная антенна для диапазона & = 200см имеет шаг s = 50см, число витков п = 3 и длину витка L = 204см (диаметр спирали D = 65см), расстояние от начала витка до рефлектора равно 41см. Дисковый рефлектор выполнен из металлического листа и имеет диаметр 120см. Антенна выполнена из металлической трубки диаметром 6мм.

Спиральная антенна для 1296 МГц

В радиолюбительской литературе ранее была описана спиральная антенна на 1295 МГц, предложенная U18AAD и U18ABW. Она имеет четыре спирали, установленные на общем щите - рефлекторе. Поляризация поля круговая. Такая антенна достаточно широкополосная и может применяться в диапазоне 1215...1300 МГц.

Поскольку описание антенны приводилось во многих источниках, в данной статье ограничусь только перечислением некоторых основных размеров антенны.

Диаметр витков спирали выбран (с учетом коэффициента укорочения) 0,31 &. Угол подъема спирали 14°, что соответствует расстоянию между витками 0,24 &; при этом антенна имеет оптимальные электрические параметры.

Каждая из спиралей состоит из семи витков, выполнена из посеребренного медного провода диаметром 3,5 мм. Диаметр намотки 71,3 мм, намотка всех четырех спиралей в одну сторону. Щит-рефлектор имеет размеры 600 х 600мм и изготовлен из твердого дюралюминия толщиной 2 мм.

Следует отметить, что антенна остронаправ­ленная в обеих плоскостях и требует при уста­новлении связи вращения как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях.

Зеркально-параболическая антенна

Зеркально-параболическая антенна состоит из отражающего металлического зеркала в форме параболоида вращения и излучателя, помещен­ного в его фокусе. Антенны этого типа относятся к классу синфазных; в любой точке вообра­жаемой плоскости раскрыва зеркала электромаг­нитное поле синфазно. Синфазность поля опре­деляется свойствами параболы: сумма расстоя­ния от фокуса до любой точки параболы и от этой точки до плоскости раскрыва всегда постоянна. Поступающий на зеркало антенны пучок электромагнитных колебаний за счет отражения от поверхности зеркала, имеющего форму параболоида вращения, концентрируется в точке фокуса. Схематически этот процесс изображен на рис. 11.4.

Схема зеркально - параболической антенны изображена на рис. 11.5.

Чтобы построить параболическое зеркало, необходимо изготовить шаблон соответствую­щих размеров, связанных уравнением параболы у² = 4Fx (в прямоугольных координатах) или р = 2F/(1+cos f) (в полярных координатах), где F - фокусное расстояние.

Глубина зеркала H (расстояние от его вершины до плоскости раскрыва), диаметр зеркала D и его фокусное расстояние F связаны следующей зависимостью: H = D²/16F.

При конструировании зеркально-параболическихантенн важное значение имеет еще один параметр - угловая апертура Ф- угол, под которым виден раскрыв зеркала из его фокуса. Знание этого угла необходимо для правильного расположения облучателя и выбора его диаграммы направленности. Если главный лепесток диаграммы направленности облучателя меньше угловой апертуры Ф, то поверхность зеркала облучается не полностью, мал коэффициент использования поверхности (к.и.п.) Q и при одинаковых условиях антенна имеет меньший к.н.д. (G). Если ширина главного лепестка диаграммы направленности облучателя больше Ф, то часть энергии проходя мимо зеркала и к.п.д. антенны падает. Кроме того, у антенны появляются сильные боковые лепестки. Обычно стремятся делать облучатель таким, чтобы на края раскрыва (на края зеркала) попадало 0,1 мощности, идущей в главном направлении.

Угловая апертура Ф связана с фокусным расстоянием и диаметром зеркала на основании предыдущей формулы следующим образом: tg (Фо /2)= (D/2F)/(1—D²/16F²).

Пример 1 - Параболическое зеркало должно иметь диаметр раскрыва D = 110 см и фокусное расстояние F = 40 см. Глубина параболоида H = 19 см. При этом угловая апертура Ф = 138°.

   При построении шаблона параболоида следует задавать значения х и определять по формуле соответствующие им значения у, а затем по полученным точкам строить параболу. Если используются полярные координаты, то по значениям угла ф находят соответствующие им значения р. Если параболоид выполнен на проволочном каркасе, то по значениям х и у определяют размеры и форму радиальных парабол и круговых поясов (т.е., кроме х и у, задают также D). Каркас обтягивают хорошо пропаянной сеткой из медной проволоки.

  Коэффициент направленного действия G зеркально-параболических антенн прямо пропорционален площади раскрыва S, коэффициенту использования поверхности Q и обратно пропорционален квадрату длины волны &. Чем уже диаграмма направленности облучателя, помещенного в фокусе зеркала, тем большее значение G у зеркально-параболической антенны. При этом уровень боковых лепестков умень­шается. Так, например, если в качестве облучателя использован полуволновой вибратор с рефлектором, то к. н. д. G будет меньше, а уровень боковых лепестков выше, чем при использовании в качестве облуча­теля более направленных антенн (типа «волновой канал», спиральных и др.).

  Для определения к. н. д. зеркально-параболи­ческой антенны служит формула: G = 4piQ(S/&²). При этом для антенны с круглым раскрывом S = piD²/4.

Эти формулы дают возможность по заданным значениям D (или S) и X определять к.н.д. G для различных значений к.и.п. Q (т.е. для различных распределений высокочастотных токов в раскрыве), что, как уже говорилось, зависит от типа облучателя.

Практически трудно получить Q > (0,6...0,7). Для облучателя в форме полуволнового вибратора с рефлектором максимальное значение Q* 0,56.

Пример 2. Для антенны D= 110см на волне к = 24см при расчетах по формулам имеем к.н.д. G = 20,5 дБ. При этом согласно отношению D/& = 4,6 ширина диаграммы направленности на уровне 3дБ ...

Тяпичев Г. А

Продолжение следует...