Переключаемая на 4 направления двухэлементная рамочная антенна с вертикальной поляризацией

Переключаемые на 4 направления две рамки с вертикальной поляризацией

Читателей, внимательно изучивших 4-ю часть книги "Антенны КВ и УКВ", заголовок статьи смутит. Ведь в п 7.7.4 недвусмысленно указывается: «невозможно создать антенны с V поляризацией по описанному в этом параграфе принципу (коммутации на 4 направления). При попытке соединить вверху точки максимума напряжений (а у V рамок эти точки вверху) работа антенны полностью нарушается, и ДН перестает быть направленной».

 В самом деле:

  1.  Для коммутации на 4 направления конструкция должна повторять саму себя при повороте на каждые 900.

  2.  В случае рамочной антенны это означает сведение в центре всех четырех полурамок как вверху, так и внизу.

  3. А при питании рамок под вертикальную поляризацию в этих точка получаются максимумы напряжения. Причем напряжения на вибраторе и рефлекторе разные. И, естественно, при попытке соединить их вместе они становятся одинаковыми. Это полностью искажает правильное токораспределение (т.е. ДН) и принципиально лишает возможности получить его (любыми способами, включая активное питание).

На первый взгляд, между пунктами 2 и 3 существует неразрешимый антагонизм. Это действительно так. Но только в случае, если элемент выполнен как цельная, замкнутая рамка.

Вспомним, как мы делали рамку с вертикальной поляризацией ( 3-я часть "Антенн КВ и УКВ" "п. 4.3.3). Мы взяли два изогнутых l/2 диполя (с двумя же источниками), запитанных синфазно. И, исходя из того, что на их концах равные напряжения, соединили их параллельно в волновую рамку, попутно выбросив второй источник. Это упростило питание.

Но сейчас именно последний шаг не дает нам соединить вместе середины двух элементов вертикальной поляризацией. Следовательно, его надо отменить: использовать «рамку», еще не замкнутую. Собственно, это еще и не рамка (поэтому это слово и взято в кавычки в предыдущем предложении), а два синфазно запитаны изогнутых диполя. Но параметры такой «рамки» ничем не отличаются от привычной волновой рамки. Да, потребуются два источника, вместо одного, но зато исчезает мешавший нам электрический контакт в центре.

Теперь в двухэлементной антенне с вертикальной поляризацией мы можем свести близко вместе (чего требует симметрия переключения), но не соединять электрически все четыре полурамки (чтобы не испортить ДН). Симметрия через 900 получится без электрического контакта середин.

По описываемому принципу сделана антенна, показанная ни рис. 1 и в файле …4loop.gaa (модель формата программы GAL-ANA для просмотра и расчета данного файла достаточно демо-версии). Это не готовая практическая конструкция, а лишь иллюстрация описанного выше принципа.


Рис. 1.

Четыре изогнутых l/2 диполя образуют две «рамки». Вверху и внизу концы диполей сведены близко друг к другу, однако не соединены. Между ними остается зазор несколько сантиметров. Источники попарно одинаковы, как показано на рис. 1. Каждая из пар синфазных источников вместе со своими диполями образует свою «рамку» (слева и справа от оси Z на рис. 1). Таким образом, антенна по параметрам эквивалентна двухэлементной рамочной антенне с вертикальной поляризацией.

Для получения однонаправленной ДН требуется соответствующее токораспределение в «рамках». Поэтому устанавливаются разными фазы и амплитуды левой и правой (по рис. 1) пар одинаковых источников.

Такая антенна может переключаться на 4 направления, т.к. все диполи-полурамки одинаковы. Однако при попытке рассчитать практическую конструкцию на основании рис. 1, выясняется, что система питания не слишком удобна. Во-первых, в качестве фазирующих потребуются двухпроводные линии 450…600 Ом. Во-вторых, они получаются довольно длинными: более l/2 каждая. В третьих, электрическая схема коммутатора получается сложной.

Попробуем упростить питание и коммутацию. А для этого зададимся вопросом: а зачем нам понадобились источники в левой «рамке»-рефлекторе антенны рис. 1? Дело в том, что геометрия этой антенны неоптимальна с точки зрения использования левой «рамки» пассивным рефлектором. Поэтому токораспределение за счет связи по полю получается не лучшим, и его приходится подправлять активным питанием рефлектора.

Попытаемся сделать такую геометрию антенны, чтобы рефлектор не требовалось бы питать активно. Классическая геометрия оптимального токораспределения это две плоские рамки, параллельные друг другу. Но в данном случае это решение не подходит. Из условия коммутации на 4 направления антенна должна повторяться при повороте на каждые 900 вокруг оси Z. Значит, надо искать иную геометрию.

Результаты этих поисков на рис. 2. Тут уже от рамок осталось мало. Но, как ни странно, работает эта конструкция именно как двухэлементная рамочная. Зеленым цветом на  этом рисунке показаны линии питания. Их длина на рисунке – электрическая. Файл модели не привожу, т.к. в доступной на момент написания демо-версии GAL-ANA еще нет поддержки линий.


Рис. 2.

Антенна рассчитана на диапазон 40 м и конструктивно размещается на одной мачте высотой 12,5 м с крестовиной 3 х 3 м на высоте 11,8 м. Крестовина нужна для того, чтобы развести верхние концы полурамок. А это потребовалось для пассивного рефлектора (две левые полурамки по рис. 9.4.6). Нижние концы полурамок расположены по сторонам квадрата 1 х 1 м, что нужно по той же причине. Все концы диполей обязаны быть хорошо изолированными, на них максимумы напряжения.

Все фазирующие линии имеют Zo = 100 Ом и физически выполнены как два проложенных параллельно, но соединенных последовательно (оплетки соединяются вместе и далее не используются, центральные жилы обоих кабелей – выводы линии) тонких коаксиальных кабелей 50 Ом RG58. Этих кабелей достаточно даже при мощности в антенне более киловатта. В самом деле, каждая линия состоит из двух тонких кабелей, а вибратор питается по двух таким линиям. В результате на каждый из кабелей приходится лишь четверть мощности передатчика.

Необходимые индуктивности (~ по 1,7 мкГн) в полурамки рефлектора вносят разомкнутые на конце коммутатора две левые линии.

Две правые линии питают правые полурамки – наш «рамочный» вибратор. В точке подключения этих линий входной импеданс каждой из двух полурамок чисто активен и близок к 100 Ом (низко висящая V рамка имела бы Ra = 200 Ом, согласно рис. 4.3.12, в данной же антенне он просто делится пополам между половинками «рамки»). Поэтому линии согласованы. У коммутатора они просто соединяются параллельно, чем достигается низкий КСВ без дополнительного СУ в основном питающем кабеле 50 Ом.

Характеристики весьма стабильны при изменении частоты, по F/B > 12 дБ полоса составляет 250 кГц (диапазон 7 МГц), причем от 7,0 до 7,1 МГц F/B > 18 дБ. КСВ < 1,5 в полосе 600 (!) кГц. Объемная диаграмма направленности, полученная в программе GAL-ANA показана на рис. 3.

 
Рис. 4.

Антенну рис. 2 можно представить и как вариант квадратной решетки из четырех вертикалов с излучением вдоль стороны квадрата, т. к. в рассматриваемой антенне излучают лишь вертикально-наклонные части.

А токи в четырех горизонтальных, низко расположенных проводах равны и противофазны. Примерно так же, как и в обычных противовесах одиночного GP (правда там максимум тока в центре, а в нашем случае на дальних краях, но на взаимную компенсацию это мало влияет). И нижние горизонтальные провода антенны рис. 2 почти ничего не излучают точно так же, как противовесы обычного GP. Следовательно, не опасаясь падения КПД можно размещать нижние провода антенны рис. 9.4.6 довольно близко к земле. В таблице 1 приведена зависимость Ga от высоты этих проводов над реальной средней землей.

Табл. 1.

Высота, м 0,05 0,1 0,2 0,5 1 1,5 2
Ga, dBi 2,4 2,5 2,7 3 3,3 3,5 3,6

Видно, что уже от высоты 0,5 м (т.е. около 1% l) скорость изменения усиления с высотой уменьшается (дальнейший рост обусловлен уже просто увеличением высоты всей антенны над землей).

При высотах 1…5% l рассматриваемая антенна проигрывает всего 0,9 … 0,3 дБ квадратной решетке четвертьволновых вертикалов с излучением вдоль стороны. Но расходы на данную антенну многократно ниже:

  1. Одна мачта против четырех.
  2. Не нужны радиалы. А в решетках вертикалов требуются отдельные и хорошие (десятки противовесов) под каждым элементом).

Дело даже не в дополнительном расходе проволоки на множество радиалов (хотя и она не бесплатна). А в необходимой для этого площади земли. Сравним:

  1. Решетка четвертьволновых вертикалов при l/4 радиалах потребует для своего размещения (включая радиалы, конечно) квадратного участка земли размерами минимум 0,65l х 0,65l. Для диапазона 7 МГц это 28 х 28 м.
  2. А наша антенна при высоте нижнего пролета 1,5 м (что даст практически такое же усиление, как у упомянутой решетки поместится на участке 16 х 16 м (учитывая точки крепления растяжек нижних углов), т.е. на втрое  меньшей площади. Если нижний край рассматриваемой антенны поднять до 2,5 ….3 м (что откроет свободный проход под ней), то ее Ga вырастет до 3,6 dBi. Это почти соответствует максимально возможному усилению для решетки из 4-х вертикалов. При этом требуемая площадь увеличится до 21 х 21 м, что почти вдвое меньше, чем для четырех вертикалов.

Схема коммутатора направлений показана на рис. 4. Требуются два реле с двумя группами контактов на переключение каждое. В указанном на рис. 3 положении (оба реле К1 и К2 выключены) излучение идет в направлении, указанном стрелкой, между полурамками А и D. В таблице 2 даны все положения коммутатора.


Рис. 4.

Табл. 2.

Направление излучения между полурамками A - D A - B С - B C - D
Положение реле K1 и K2 выкл. K1 вкл.  K2 выкл. K1 и K2 вкл. K1 выкл.  K2 вкл.

Обратите внимание на соблюдение фазировки линий. Диполи, образующие рефлектор и вибратор обязаны быть попарно синфазны. Если одна из линий ошибочно окажется перекрещенной, то антенна работать не будет. На рис. 3 точки подключения линий маркированы цифрами. Для всех диполей провод линии, подключаемый к верхнему плечу должен идти к одинаковому номеру на коммутаторе (например, 1).

Если вдруг при настройке выяснится, что КСВ очень высок, а ДН не желает быть направленной, то первое подозрение, должно быть на ошибку в фазировке линий, идущих к диполям вибратора. Скорее всего, одна из них случайно перекрещена, т.е. неверно подключена к клеммам коммутатора.


Настройка состоит из двух этапов.

На первом:

На втором этапе настройки подключают все линии и коммутатор. Изменяя одновременно длины двух линий, подключенных к рефлектору, добиваются максимума F/B (напомню, на рис. 2 указаны электрические длины). Этот этап может потребоваться если практическая реализация заметно отличается от модели. Например, коэффициент укорочения используемого кабеля существенно не совпадает с ожидаемым в расчет (с RG58 это случается, т.к. его выпускают очень много разных производителей). Если длины линий рефлектора пришлось корректировать, то измените точно так же и длины линий вибратора.

Второй этап настройки можно сделать еще проще, если установить длины линий 0,42 …0,44l. При этом их длину менять не надо, а необходимую реактивность получают, подключая к их концам в коммутаторе сдвоенный переменный конденсатор (с изолированными друг от друга и корпуса роторами). Но придется соответственно усложнить схему коммутатора. Максимума F/B в этом случае добиваются просто вращением этого конденсатора.



На главную - Main page