Рис. 1.
Ниже описан любопытный способ получения круговой поляризации в антенне Uda-Yagi.
Стандартное решение антенны продольной волны с круговой поляризацией – две отдельные обычные Uda-Yagi линейной поляризации, размещенные на одной траверсе перпендикулярно друг другу и запитанные через разветвитель с фазовым сдвигом между выходами в 900 (см. например тут первые несколько антенн). Конфигурацией и размерами антенн тут можно получить удобное входное сопротивление. Такая антенна – хорошее решение. Но довольно затратное (и материала много уходит, и хороший разветвитель с качественными разъемами может стоить как половина антенны).
Другой вариант антенны продольной волны с круговой поляризацией – спиральная антенна. Делается проще и дешевле предыдущего варианта, но имеет высокое входное сопротивление 100 … 200 Ом, что требует согласования.
Объединим достоинства предыдущих вариантов самым простым и очевидным способом. Возьмем многоэлементную горизонтальную антенну Uda-Yagi с длинной траверсой и большим числом элементов. И закрутим её траверсу. Точнее говоря, будем подворачивать вокруг траверсы каждый следующий от вибратора элемент на прогрессивно возрастающий угол. Так, чтобы дальние директоры стали бы уже вертикальными.
Если угол между соседними элементами небольшой, то между ними будет значительная связь по полю (т.е. антенна Uda-Yagi будет нормально работать). Но за счет нарастания угла поворота директоров с удаление от вибратора, плоскость поляризации закрутится (как в спиральной антенне) и мы получим круговую поляризацию излучения.
Реализация этой идеи показана на рис 1. и в файле модели.
Угол закрутки между соседними элементами подобран так, чтобы в дальней зоне V и H составляющие в направлении главного лепестка стали бы одинаковы по амплитуде (синяя и красная ДН на рис. 1) и имели бы фазовый сдвиг 90 гр. Проще говоря: чтобы в направлении максимума излучалась волна круговой поляризации.
Дальнейший анализ излучаемой диаграммы направленности сделан окном "3D ДН" MMANA-GAL PRO.
Суммарная объемная ДН показана на рис.2 (полулогарифмический ARRL масштаб) и 3 (линейный).
Вертикальная составляющая объемной ДН (полулогарифмический ARRL масштаб) показана на рис 4.
Горизонтальная составляющая объемной ДН (полулогарифмический ARRL масштаб) показана на рис 5.
Из сравнения двух предыдущих рисунков видно, что V и H составляющие объемной ДН совпадают по форме только в направлении главного лепестка. А в остальных направлениях они различаются и иногда довольно существенно. Но ведь чисто круговая поляризация возможна лишь при одинаковых по амплитуде вертикальной и горизонтальной составляющих, т.е. при V/H = 1.
Поэтому полезно посмотреть по всем возможным пространственным направлениям как меняется соотношение между V и Н. Для этого в окне "3D ДН" MMANA-GAL PRO выводится в виде объемной фигуры коэффициент К, равный отношению V/H или H/V (меньшей величины к большей, так чтобы всегда получалось число от меньше 1). К меняется от 0 (поляризация линейна) до 1 (поляризация круговая). Промежуточные значения К соответствуют эллиптической поляризации.
Поскольку К может быть мал, то для его отображения удобна логарифмическая или полулогарифмическая шкалы, а К при этом измеряется в дБ: от 0 при круговой поляризации, до сильно отрицательных величин при линейной.
Практически удобно принять следующую границу: если К < - 30 дБ (или 0,03 в линейной мере), то поляризация линейна (3% отклонения малозаметны).
На рис. 6 показано, как выглядит объемное распределение К для рассматриваемой антенны.
Рис. 7 показывает эту же фигуру, но под другим углом, облегчающим изучение боковых лепестков.
На рис. 8 мы смотрим на эту же фигуру с направления главного лепестка. На рис. 8 хорошо показано высокое значение К во всем главном лепестке (т.е. почти точно круговая поляризация), а также на глаз видны результаты нашего закручивания директоров, особенно в боковых лепестках.
Картинки распределения К очень интересны, но для анализа направленных антенн удобнее иметь отображении не просто фигуры К, а результат умножения её на объемную ДН антенны.
Посмотрите на три предыдущих рисунка. Может показаться что антенна на них сильно излучает и в бок и назад. Но это не так, на рис. 6 – 8 изображен только коэффициент К (показывающий насколько поляризация излучения по направлениям близка к круговой), но ничего не говорится об уровне излучения по этим направлениям.
Поэтому для направленной антенны более наглядным является представление K, умноженное на объемную ДН. В результате мы получаем рис. 9 и 10 (разные виды одной и той же фигуры в полулогарифмическом масштабе) и рис. 11 (та же фигура в линейном масштабе).
Здесь уже хорошо видно в каких направлениях мы излучаем хороший уровень с поляризацией, близкой к круговой.
Еще несколько слов об антенне, показанной на рис. 1 и создании ей подобных.
После закручивания директоров Ra возрастает примерно вдвое по сравнению с исходной плоской Uda-Yagi. Поэтому, чтобы получить 50 Ом берите исходную плоскую антенну с Ra = 25 Ом.
Оптимальный угол закрутки между соседними элементами составляет 10 … 30 гр. Он не постоянный по всей длине траверсы, а меняется в зависимости от расстояния между элементами и их настройки. Его следует подгонять, ориентируясь на одинаковость V и Н составляющих в главном лепестке, а также на угол между ними (должен быть 90 гр).
Для определения последнего в модель вставлены два коротких измерительных диполя: провода 11 (горизонтальный) и 12 (вертикальный). Сохранив после расчета таблицу токов («Файл» - «Создать таблицу токов *,csv») и открыв её любым текстовым редактором, посмотрите разность фаз токов серединах этих проводов. Она должна быть около 90 гр.
Beer Sheeba, 14.07.2015