АЗБУКА УКВ-АППАРАТУРЫ

Статья 11. Антенны для связи на УКВ

Параболоцилиндрическая антенна.

   Предлагаю для рассмотре­ния и использования разра­ботанную мною конструк­цию параболо-цилиндрической зеркальной УКВ антенны. Принцип работы этой антенны аналогичен принципу описанной выше зеркально - параболичес­кой антенны. Антенна состоит из отражающего зеркального рефлектора и колинеарного облучателя, размещенного на линии фокуса. Разница заключа­ется в конструкции отража­ющего зеркала - рефлек­тора. Такое сложное назва­ние - «параболоцилиндри­ческая» применено по­тому, что зеркало рефлек­тора выполнено в виде части цилиндра, у которого поперечное сечение имеет форму параболы, а не форму части окружности (дуги), как у обычного цилиндра. Такая конструкция рефлектора позволяет при очень узкой диаграмме направленности в верти­кальной плоскости иметь довольно широкую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. Подобная форма переднего лепестка диаграммы направленности антенны очень удоб­на для радиостанций, не имеющих устройств точной ориентации антенны на корреспондента.

   Еще одно достоинство этой конструкции заклю­чено в возможности реализовать работу антенны на нескольких частотах за счет одновременного применения нескольких облучателей. Других подобных конструкций мною нигде в литературе не встречалось, поэтому данную конструкцию для упрощения мною было решено назвать «антенна RA3XB», по позывному принадлежащей мне в тот период любительской радиостанции.

   Конструктивно антенна выполнена в виде деревянного (или пластмассового) каркаса, состоящего из рамки А, двух стоек В и пластины для крепления облучателей С. К рамке А кре­пятся специальные скобы Е. Эти скобы выпол­нены из стальной проволоки, изогнутой точно по рассчитанной форме параболы, количество скоб может быть любое, но не менее трех. Концы скоб имеют нарезанную резьбу, которая служит для крепления скоб E к раме А. В рамке А для крепления скоб E сверлятся специаль­ные отверстия. Вариант крепления показан внизу, в центре. Для креп­ления каждого конца скобы исполь­зуются по две гайки (деталь 1) и две шайбы (деталь 2). Диаметр проволоки для изготовления скоб следует выбирать в зависимости от габаритных размеров антенны, но не менее 4мм. При применении проволоки малого диаметра следует увеличить количество задействованных скоб.

   К скобам E и рамке А крепится зеркало рефлек­тора D. Крепление рефлектора к скобам может быть выполнено обычными скобочками из более тонкой проволоки, а к рамке А - шурупами. Рефлектор должен изготавливаться из металли­ческого листа (лучший вариант - алюминиевый лист) или пластмассового листа (жесткий линолиум), отражающая поверхность которого должна быть оклеена алюминиевой фольгой. В самом крайнем случае для временного варианта можно применить картон. При этом отражающая поверхность листа должна быть оклеена алюминиевой фольгой, а противоположная сторона картонного листа для защиты от влаги должна быть оклеена полиэтиленовой пленкой.

   Я специально не привожу геометрические раз­меры конструкции. Дело в том, что все размеры зависят от выбора изготовителем размеров F и D, а все остальные размеры получаются в результате расчета. Для одного из вариантов можно взять эти размеры из конструкции описанной выше зеркально - параболической антенны (F = 400мм, D = 1100мм).

   Горизонтальный размер I зависит от размера выбранного облучателя. Если в описанной выше зеркально - параболической антенне вся энергия принимаемых сигналов концентрируется в одной точке фокуса, то в данной конструкции антенны вся энергия концентрируется в линии фокуса. Поэтому самым удобным для приме­нения может быть облучатель, составленный из нескольких колинеарных диполей, т.е. диполей, расположенных на одной линии и соединенных друг с другом через согласующие устройства. Схема самого простого из таких облучателей приведена на рис. 11.7.

  Подобные конструкции часто используются радиолюбителями в виде вертикальных антенн с круговой диаграммой направленности на диапазоне 144 МГц. Такая антенна очень хорошо согласуется с кабелем и исключительно удобна для проведения местных радиосвязей. Антенна может быть изготовлена из медного провода диаметром 2 ... Змм. Коаксиальный кабель подключается непосредственно к точкам X и X1, при этом к точке X подсоединяется оплетка кабеля, а к точке X1 - центральная жила. При желании можно выполнить более точную настройку антенны путем перемещения точек подключения кабеля вниз или вверх (по схеме) при одновременном контроле излучаемой мощности или коэффициента стоячей волны. Диполи антенны самого низкочастотного диапазона должны располагаться относительно рефлектора таким образом, чтобы между боковой кромкой рефлектора и проекциями на рефлектор концевых точек диполей оставалось пространство не менее &/10. Следовательно,горизонтальный габарит­ный размер I должен быть равен сумме длин диполей плюс 2&/10.

   Если этот размер ока­жется слишком большим, то можно взять другую конструкцию облучателя, у которой каждый диполь имеет длину (&/2)*К, но при этом связаны они между собой четвертьвол­новыми трансформаторами. Такая схема компоновки колинеарной антенны является классической.

   Кстати, обратите внимание, что слово «колинеарный» пишется с одной буквой "л" Дело в том, что в русском языке нет приставки «кол», а имеются две заимствованные их иностранного языка приставки «ко» и «кон». Например, вспомните слова «коаксиальный», «колинеар­ный», «концентрические» и т.д.. Слово «кол» является корневым словом. Вспомните школьные годы и самую нежелательную отметку в дневнике.

    На рис. 11.8 представлена схема классического варианта колинеарной антенны, которую можно применить в качестве облучателя антенны RA3XB на любых УКВ диапазонах.

Размер b на рис. 11.7 и рис. 11.8 следует выби­рать из таблицы таб. 11.1. Размеры получены путем расчета при условии, что волновое сопротивление линии во всех случаях равно примерно 300 Ом.

   Так что выбор конструкции облучателя обширный, также возможны самые различные варианты совмещений и размещений. Поэтому и габаритный размер по горизонтали может иметь любое удобное для вас значение. Для размещения облучателя в конструкции антенны RA3XB специально предназначена планка С, расположенная точно в линии фокуса. Изготовленный из медного провода облучатель крепится к планке С в нескольких местах капро­новыми нитками или изолентой. На планке С  можно расположить сразу несколько облуча­телей для работы в различных диапазонах. Например, сверху планки С располагается облучатель диапазона 435 МГц, а снизу - облучатели диапазона 1296 МГц и диапазона 2400 МГц.

   При расчетах длин диполей облучателя следует учитывать величину укорочения длины диполя в зависимости от диаметра проводника, из кото­рого предполагается изготавливать этот диполь. На УКВ диапазонах принято проводить расчет длины диполя с учетом коэффициента укороче­ния К, который находится в определенной зависимости от отношения &/d. В табл. 11.2 приведены величины коэффициента укорочения К для некоторых величин отношений &/d Промежуточные значения К можно назначить примерно, исходя от размеров двух ближайших значений.

   При изготовлении каркаса антенны следует обратить внимание на создание достаточной жесткости стоек В. Для этого можно будет установить дополнительные укосины, показан­ные на схеме антенны штриховыми линиями. На стойках В можно будет также разместить коробки с антенными усилителями.

   Коэффициент направленного действия антенны рассчитывается по формуле: G = 4piS/&², где S - площадь раскрыва антенны, S = dl; & - длина волны. При расчетах длина волны и геометрические размеры должны быть в одних единицах измерения. Обычно исполь­зуются сантиметры.

   Проведем прикидочные расчеты величин к.н.д. антенны для различных диапазонов - диапа­зона 435 МГц (длина волны - 69см), диапазона 1296 МГц (длина волны - 24см) и диапазона 2400 МГц (длина волны 12см). Расчет проводим для величины площади раскрыва S = dl = 110*140 = 15400см², 4tcS = 193424см². Данные расчета приведены в таб. 11.3.

Увеличивая размер раскрыва антенны d до величины 150см, можно значительно увеличить к.н.д. Результаты расчета к.н.д. антен­ны RA3XB при вели­чине d = 150см при­ведены в таб. 11.4.

Площадь S = dl = 150*140 = 21000см², 4tcS = 263760см² .

   Выполненный расчет показы­вает, что даже небольшое увели­чение раскрыва антенны значи­тельно увеличивает направлен­ные свойства, а значит и коэф­фициент усиления антенны.

Огромное преиму­щество этой антенны по сравнению с антенными решетками в том, что антенну RA3XB не нужно настраивать. Те, кто пытался получить хорошие результаты при настройке длинных директорных антенн или антенных решеток, оценят такое преимущество.

   Прикидочными расчетами получено, что угол диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости на 435 МГц будет порядка 18 градусов, а угол в горизонтальной плоскости - порядка 45 градусов. Это говорит о том, что антенну можно использовать как стационарную для проведения связей через ИСЗ на многих из орбит. На более высокочастотных диапазонах угол в вертикальной плоскости будет значительно меньше, а угол в горизонтальной плоскости тоже уменьшится, но на меньшую величину.

   Недостаток антенны заключается в её значи­тельной парусности. Но если учесть возмож­ности довольно простыми средствами достигнуть огромных величин коэффициента усиления, которые не могут быть достигнуты многими из обычных средств, то стоит задуматься об изготовлении этой антенны.

  Если при изготовлении антенны точно соблюдены все расчетные данные, то никакой дальнейшей настройки не требуется.

Антенна не прошла достаточных испытаний, поэтому автору будут интересны любые данные об использовании антенны.

   Изготовление антенны следует начать с построения линии параболы, по форме которой затем нужно будет изгибать проволочные скобы Е. Эта работа должна быть выполнена с возможно большой точностью. На листе милли­метровки (бумаги с миллиметровой разметкой) размером 2000 х 500мм следует сначала начертить осевые линии х и у. Ось х должна проходить посередине длиной стороны листа миллиметровки (поперек листа), а ось у должна располагаться у левой кромки листа. Для примера смотрите схему на рис. 11.5.

   Решаем задачу построения параболы, имеющей расстояние фокуса f = 550мм и размер раскрыва отражающего зеркала d = 1500мм. Пересечение осевых линий х и у дает точку начала отсчета - точку 0 (ноль). Затем на оси х от точки 0 откладываем первое значение х = 2мм. Подставляем эту величину в формулу у² = 4fx и вычисляем сначала у² = 4x550x2 = 4400, затем извлекаем из полученного значения квадратный корень, тем самым вычисляем значение у. Полученное значение у откладываем вдоль оси у сначала в зоне положительных величин (выше оси х), затем в зоне отрица­тельных величин (ниже оси х). Таким образом мы имеем уже три точки необходимой параболы.

   Затем назначаем величину х = 5мм и по формулам определяем соответствующее значе­ние величины у. Ставим на бумаге еще две точки, относящиеся к нашей параболе. Точно таким же образом определяем величины у, соответствующие значениям х = 10, 20, 30, 50, 100, 200 и 300мм. Откладываем полученные величины по обе стороны оси х и получаем полный профиль необходимой параболы.

Все расчетные величины для этого примера приведены в табл. 11.5.

   Если теперь соединить все полученные точки, то получим кривую линию, которая называется параболой и форме которой должны точно соответствовать формы изгиба всех скоб Е. Раскрыв рефлектора должен ограничиваться размером 750мм выше оси х и размером -750мм, т.е. ниже оси х. В итоге величина раскрыва рефлектора будет соответственно d = 1500мм.

   Следующим этапом следует назначить габа­риты рамки А и размеры прочих составных частей. Не вздумайте устанавливать облучатели чуть ближе или чуть дальше от рефлектора! Антенна работать не будет, если облучатели установлены не на линии фокуса! Проверьте размер f от рефлектора до облучателя после сборки всей конструкции еще раз.

Тяпичев Г. А.

Продолжение следует...