АЗБУКА УКВ-АППАРАТУРЫ

Статья 11 Антенны для связи на УКВ

(скончание статьи 11)

Антенна DL7KM

   Немецкий радиолюбитель DL7KM на базе z-антенны сделал очень эффективные конструкции УКВ антенны для диапазонов 145 МГц и 434 МГц. По заверению ав­тора, антенна для диапазо­на 145 МГц имела усиление 17дБ по отношению к полуволновому вибратору, об­ратное подавление - 25дБ. Угол главного лепестка диаграммы направленности в вертикальной плоскости - 18 градусов, в горизонталь­ной - 30 градусов.

   Мною изготавливалась подобная антенна для диа­пазона 145 МГц И для телевизионного диапазона 480 МГц. И в том и в другом варианте антенна показала исключительно хорошие результаты , к сожалению, никаких измерений параметров этих антенн мною не было сделано.

   В этом разделе я приведу основные данные по антенне DL7KM, полученные из журнала Funkamateur №4 за 1975 год. На рис 11.17 приведено схема­тическое изображение конструкции этом антенны.

Несущие элементы конструкции (в том числе и траверсы) выполнены из алюминиевой трубы квадратного сечения размером 35x35мм, толщина стенки - Змм. Все директоры и рефлекторы выполнены из алюминиевых трубок диаметром 8мм, толшина стенки - 1мм.

Активная рамка выполнена из алюминиевого провода диаметром 5мм, длина стороны квадратa активной рамки равна 528мм.

Длина каждого из трех рефлекторов равна 1050мм.

Расстояние междy рефлекторами ARR = 660мм.

Расстояние между активной рамкой и рефлекторами AR = 460мм.

Расстояние Al = А2 = 300мм_, A3 = 330мм, А4 = 500мм, А5=А6=А7=А8 = 520мм.

Размеры директоров D1=935мм, D2=930mm, D3=925mm, D4=920mm, D5=915mm, D6=910mm, D7=905mm и D6=890мм.

Изготавливаемая мною в конце 70-х годов прошлого столетия подобная антенна имела траверсы из дюралевых трубок диаметром 30мм, рефлекторы и директоры изготавливались из биметалла (сталь-алюминий) диаметром 5мм, активная рамка - из алюминиевой трубки диаметром 15мм. Поэтому длины всех элементов пришлось пересчитывать, а затем подгонять при настройке антенны. К сожалению, никаких данных по размерам не сохранилось.

Антенна для телевизионного диапазона изготавливалась из деревянных брусков. Все рефлекторы и директоры изготавливались из медной проволоки диаметром 2,5мм. Размеры всех элементов были получены методом пропор­ционального пересчета. Эта антенна применя­лась для приема телевидения от телецентра, удаленного на расстояние 75км и работала очень хорошо.

Если вам необходима эффективная УКВ антенна, не требующая сложной настройки, то очень советую обратить внимание на антенну DL7KM.

Настройку антенны можно выполнить по предлагаемой мною в следующей главе методике.

Способы уменьшения размеров антенны

Этот небольшой раздел относится к любым конструкциям антенн, особенно дипольных.

Следует знать, что расширение рабочего диа­пазона частот антенны связано с нежелательным увеличением диаметра ее проводов. На практике нередко заменяют цилиндрические проводники со сплошной поверхностью пластинами или рядом более тонких проводников, расположен­ных в одной плоскости, либо по цилиндрической поверхности.

 На рис. 11.13 показаны геометри­ческие соотношения, позволяющие конструи­ровать цилиндрические проводники с меньшей парусностью, волновое сопротивление которых равно волновому сопротивлению цилиндричес­кого проводника со сплошной поверхностью. С помощью графика, изображенного на рис. 11.18, можно построить плоский проводник, эквива­лентный цилиндрическому в отношении волно­вого сопротивления, при равном числе n обра­зующих проводов. При необходимости можно заменить сплошной трубчатый проводник радиуса r сплошной пластиной, ширина которой L - 4г, если г << &.

При этом имеется возможность сократить примерно вдвое вес и парусность вибратора как объемного, так и плоскостного типов за счет существенного (примерно на порядок) умень­шения поперечных размеров их конечных участков.

                        ........................................................................................................................................................................................................................................................................................

 Статья 12. Немного теории и основы настройки УКВ антенн.

Очень коротко об основных понятиях

Имеется большое количество литературы, посвященой описанию антенных систем различ­нейших конструкций. В журналах «Радио», " Радиолюбитель"  и «Радиомир KB и УКВ» (и многих других) постоянно печатаются статьи о новых разработках радиолюбительских антенн для различных диапазонов . Неиссякаемым источником любой радиолюбительской информации стал Интернет. Так что заинтересованный читатель всегда может найти массу информации по вопросам конструирования и работы различ­ных антенных систем.

   Поэтому я не буду останавливаться на описа­нии вопросов создания и работы популярных антенн, информации по которым вполне достаточно, в этой статье будут описаны только некоторые специальные антенны, которые, по моему мнению, не достаточно освещены в любительской литературе. В начале этой статьи я сделаю для начинающих радиолюбителей краткие описания основных элементов и понятий, имеющих отношение практически к любой радиолюбительской антенной системе. Такими элементами и понятиями являются:

• Полуволновый вибратор;

• Петлевой вибратор;

• Фидер;

• Понятие диаграммы направленности;

Полуволновый вибратор

   Излучаемая антенной радиопередатчика элек­тромагнитная энергия характеризуется опреде­ленной величиной, называемой частотой коле­баний, которая представляет собой количество единичных электромагнитных периодов, возни­кающих в течение одной секунды. За единицу измерения частоты колебаний принято такое состояние излучаемой электромагнитной энергии, когда за одну секунду возникает только один период колебаний. Такая единица изме­рения называется Герц (по фамилии известного ученого). Это элементарное понятие известно каждому школьнику, поэтому следует только заметить, что каждой величине колебании в Герцах соответствует также определенная длина пути (в метрах), которая равна кратчайшему расстоянию в пространстве, которое пройдет волна электромагнитного колебания за один период.

Математическая зависимость между длиной волны электромагнитных колебаний и частотой этих колебаний выражается формулой & = C/f  , где & - длина волны в метрах, С - скорость света в вакууме, равная 300 000 000 м/с (или 300 000 км/с), f - частота в Герцах (или кГц, если С = 300 000 км/с).

Частота колебаний определяется по формуле f (кГц) = 300 000 [км/с] / & [м]

И теория и практика антенных систем пока­зали, что наилучшими условиями излучения электромагнитных волн (или приема этих волн) обладают антенны, геометрические размеры которых равны длине волны или составляют половину длины волны, но не менее одной четвертой части от длины волны.

Наибольшее применение в радиолюбительских УКВ антеннах в качестве излучающего элемента приобрел прямолинейный цилиндрический проводник, питаемый генератором электромаг­нитных колебаний высокой частоты. Длина этого элемента равна половине длины излучаемых им радиоволн, поэтому этот элемент получил название полуволновый вибратор (диполь). На рис 12.1 изображена схема полуволнового вибратора.

Что нужно знать о полуволновом вибраторе:

• Полуволновый вибратор (диполь) мо­жет быть либо aктивным , либо пассивным элементом. Активным вибратор является в том случае, если он соединен одним проводом или системой проводов с основным радиоаппаратом - передатчиком или приемником. При этом говорят, что на вибратор подается питание, т.е. вибратор является запитанным. Пассивные диполи располагаются в непосредственной близости от вибратора активного и служат для формирования диаграмм направленности антенной системы. Непосредственно с пере­датчиком или приемником пассивные эле­менты не соединены. Пассивные вибраторы могут быть либо длиннее, либо короче активного вибратора. Более длинный вибратор называют рефлектором, укорочен­ные вибраторы называются директоры. Антенная система, созданная из активного вибратора, рефлектора и нескольких директоров, расположенных параллель­но друг другу на одной несущей траверсе, называется волновой канал. В общем случае это будет многоэлементная антенна.

• Полуволновый вибратор может быть запитан с конца, тогда такая антенная система будет иметь большое входное сопротивление и, следовательно, должна запитыватсъя по фиде­ру, который имеет точно такое же большое волновое сопротивление. Чаще всего посту­пают таким образом, что между запитывающим фидером и концом полуволнового вибра­тора устанавливают согласующие устройства. Обычно таким согласующим устройством бывает трансформатор, намотаный на ферритовом кольце или четвертьволновый трансфор­матор, выполненный из коаксиального кабеля или двухпроводной линии.

• Если стержень полуволнового вибратора рас­пилить точно посередине его длины, то при этом электрические свойства вибратора не изменяются, но появляется возможность запитатъ этот вибратор по фидеру с малой величиной волнового сопротивления. Опреде­лено, что входное сопротивление запитанного посередине полуволнового вибратора равно примерно величине 75 Ом. Близкое к этой величине волновое сопротивление имеет обычный бытовой телевизионный кабель отечественного производства. Западные фир­мы производят телевизионные кабели с волновым сопротивлением 60 Оm. Если не придавать большого значения симметрирова­нию антенной системы, то центральная жила кабеля подсоединяется к одной половине вибратора, а оплетка - к другой.

• Важное значение имеет диаметр вибратора, вернее отношение длины излучаемой волны к диаметру вибратора. На частотах УКВ диа­пазона, где величины длин волн имеют сравнительно небольшие значения, это отно­шение может оказаться довольно малым, из-за чего может значительно ухудшиться работа антенны, уменьшиться её коэффициент полезного действия (кпд). Чтобы скомпенси­ровать увеличенный диаметр вибратора, уменьшают длину этого вибратора. Полу­чается так, что чем толще вибратор, тем короче должна быть его длина. Имеется даже понятие коэффициент укорочения длины полуволнового вибратора Обычно величину коэффициента укорочения определяют по соответствующему графику, но я предлагаю для этих целей использовать таб. 12.1. В верхней строке этой таблицы располагаются величины отношения длины волны к диаметру вибратора, в нижней строке - величины коэффициента укорочения.

  Например, вы хотите задействовать в ка­честве полуволнового вибратора цилиндр диаметром 20 мм, при этом длина волны, при которой будет работать этот вибратор, состав­ляет 700 мм (частота 427 МГц). Полученной величине 700/2 = 350 будет соответствовать коэффициент укоро­чения 0,945. Следова­тельно, при определении необходимого размера вибратора сначала следует по приведенной выше формуле определить цифровое значение половины длины рабочей волны, затем эту величину умножить на коэффициент укорочения.

Следует помнить, что антенны, выполненные из тонких проводников, имеют большую вели­чину добротности и хорошо работают только в узком диапазоне частот.

Петлевой вибратор

   Два одинаковых петлевых вибратора могут быть размещены на небольшом расстоянии, параллельно друг другу. Если при этом сое­динить между собой концы этих вибраторов, а нижний вибратор разрезать посередине -получится так называвши петлевой вибратор.

На рис 12.2 изображены некоторые из вари­антов петлевого вибратора.

   Практически простой полуволновой вибратор и петлевой полуволновый вибратор имеют похо­жие рабочие характеристики. Однако входное сопротивление петлевого вибратора в четыре раза выше, чем у обычного полуволнового, и составляет ЗОО Ом. Так что при запитывании петлевого вибратора обычным телевизионным коаксиальным кабелем следует применять согласующие трансформаторы.

   Конструктивно петлевой вибратор может быть выполнен в различных вариантах. Он может иметь или форму круга, или форму треуголь­ника, или форму квадрата, или какую - то иную форму. В любом из этих вариантов опреде­ляющим размером будет размер периметра этого вибратора. Периметр активного петлевого (рамочного) вибратора должен быть равен дли­не рабочей волны, умноженной на коэффициент укорочения.

Антенны могут состоять из одного активного вибратора и нескольких вибраторов пассивных. Например, антенна «тройной квадрат» состоит из активной рамки, периметр которой равен длине волны, из рефлектора, периметр которого на 5% больше длины волны, и директора , периметр которого примерно на 3% меньше длины волны. Все пассивные вибраторы представляют собой замкнутые контуры и их плоскости располагаются на одной траверсе параллельно плоскости вибратора активного.

Фидер

   Одиночньй провод, либо система проводов, которыми радиопередатчик соединен с антен­ной, называется фидер. Фидер из одиночного провода применяется редко, типичный пример - это многодиапазонная антенна VS1AA, так называемая «американка». Была популярна в пятидесятые годы прошлого столетия. Наиболее часто в качестве фидера используется коакси­альный кабель, например, телевизионный. Реже применяется двухпроводныи фидер, состоящий из двух параллельных проводов, разделенных между собой изоляционным материалом.

Каждый фидер характеризуется определенной величиной волнового сопротивления. Например, телевизионный коаксиальный кабель имеет вол­новое сопротивление порядка 75 Ом (оте­чественный), либо 60 Ом (зарубежный). Волно­вое сопротивление двухпроводного фидера зависит от расстояния между этими проводами и может иметь величины от 100 до IOOO Ом (и более).

И антенна, и фидер, и передатчик (или приемник) могут иметь различные  величины волно­вого сопротивления. Поэтому нужно всегда пом­нить о том, что следует антенну согласовывать с фидером, а фидер согласовывать с выходом передатчика (или входом приемника). Вопросы согласования всегда очень важны и им нужно уделять самое болъшое внимание, иначе вся высокочастотная энергия будет пропадать в фидере.

В радиолюбительской практике применяется, в основном, два способа питания антенн :

• Питание при помощи настроенного фидера, когда длина фидера выбрана таким образом, что на этой длине укладывается целое число полуволн рабочей частоты. Такой вид питания применяется чаще всего на коротковолновых диапазонах.

• Питание при помощи ненастроенного фидера допускает применение фидера произвольной длины, но при этом непременным является условие согласования волнового сопротивле­ния фидера с входным сопротивлением ан­тенны и выходным сопротивлением передат­чика (или приемника). Согласование с антенной достигается, как пpaвилo, выбором определенных геометрических размеров ан­тенны, при которых её входное сопротивление становится равным (или приблизительно равным) волновому сопротивлению фидера, согласование фидера с передатчиком дости­гается различными подстроечными элемен­тами, входящими в состав выходного колебательного контура. Степень согласо­вания передатчика через фидер с антенной определяется прибором, который называется «КСВ-метр». KCB - это коэффициент стоячей волны, равный отношению  наибольшей величины ВЧ тока (или напряжения) в фидере, к его наименьшему значению В идеалъном случае величина ВЧ тока (или напряжения) по всей длине фидера должна быть одинакова, т.е. KCB = 1. При росте потерь за счет рассогласования величина высокочастотного тока (или напряжения) по длине кабеля изменяется и KCB может достигать очень больших величин. Это говорит о тон, что почти вся вырабатываемая передатчиком энергия теряется в фидере. Наибольшей допустимой величиной может быть KCB = 2.

 • Размеры и настроенного и ненастроенного фидера должны учитывать коэффициент укорочения, зависящий от конструкции фи­дера и от примененного в этой конструкции диэлектрика. В радиолюбительской практике принято считать, что коэффициент укорочения ленточного кабеля равен- 0,8, а для коакси­ального кабеля - 0,66. При использовании ненастроенного фидера, длина которого может быть любой, часто применяются для согласующих и симметрирующих устройств куски из того же кабеля, имеющие длину, кратную длине рабочей волны.  Вот для точ­ного определения длины каждого из этих кусков следует учитывать коэффициент укорочения.

Диаграмма направленности

Каждая антенна распространяет излучаемую вч энергию в разные стороны не равномерно. Графическое изображение особенностей распространения антенной электромагнитной энергии называется диаграммой направлен­ности. Различают диаграммы направленности антенны в горизонтальной или в вертикальной плоскостях. Если антенна имеет какое - то преимущественное направление для излучения энергии, то вводятся понятия коэффициент усиления и коэффициент направленного действия (к.нд.) антенны. Понятие «коэффи­циент направленного действия» применяют тог­да, когда говорят о теоретических возможностях антенны, а коэффициент усиления имеет смысл для реально существующей, уже изготовленной антенны. Величина коэффициента усиления антенны всегда меньше величины коэффициента направленного действия, эto соотношение можно выразить формулой

Kус = (К.Н.Д.) х (КюП.Д.), где K_yc - коэффициент усиления антенны; К.Н.Д. - коэффициент направленного действия антенны;

К.П.Д. - коэффициент полезного действия антенны.

Коэффициент полезного действия зависит от неточностей изготовления, согласования, выбора материалов и т.д.

Построение диаграммы направленности антенны рассмотрен подробно далее, в разделе настройки многоэлементных антенн.

Тяпичев Г.А.

Продолжение следует...