Рис. 13.2.3.
Все антенны (за одним исключением, о котором ниже), описанные в табл. 13.2.1, имеют относительную полосу BW по КСВ < 2 от 2% до 5%. Этого хватит, чтобы с запасом перекрыть любой из радиолюбительских УКВ диапазонов. Но для других применений такой полосы может оказаться мало.
Например, для GSM (890 – 965 МГц п. 12.1.1) требуется более 8% относительной BW. И антенна …17el_920.gaa (это вот то самое исключение в табл. 13.2.1, строка 42) их имеет даже с запасом. Ее полоса достигает 9,5%. Но оплачивается это потерей почти 2 дБ в усилении (сравните в табл. 13.2.1 строку 42 со строками 43 и 44).
Но иногда (например, FM- и ТВ-вещание) не хватает и 10% полосы. В п. 7.2.4.1 мы упоминали о возможности создания антенн Уда-Яги с относительной полосой в десятки %. О них мы сейчас и поговорим.
Максимальная относительная полоса по уровню КСВ < 2, которую можно выжать из антенны Уда-Яги с одним питаемым элементом, составляет 30… 35%.
При проектировании широкополосной Уда-Яги надо решить две проблемы.
Первая – сохранение терпимой формы ДН (Ga и F/B) во всей полосе. Делается это увеличением размеров рефлектора, и уменьшением директоров. Идея в том, чтобы на самой низкой частоте работали бы рефлектор, вибратор и несколько первых директоров. А на самой высокой: вибратор и дальние директора.
Отсюда вытекают следующие свойства широкополосных Уда-Яги:
Из-за вынуждено большой расстройки рефлектора и директоров Ga ощутимо (на 1…3 дБ) ниже усиления узкополосной антенны с таким же количеством элементов.
Эти антенны являются электрическим аналогом широкополосных LC фильтров. Такие фильтры имеют плоскую АЧХ в широкой полосе. Но это оплачивается сложностью проектирования и настройки. Которая резко увеличивается с ростом порядка (т.е. количества контуров) фильтра. Это же справедливо и для широкополосных Уда-Яги. Поэтому количество элементов в них не делают большим. Типично 3… 5, реже 7 … 9.
Резонансный рефлектор в виде одной трубки не может быть широкополосным (нельзя на одном резонансном проводе получить постоянный фазовый сдвиг при значительном изменении частоты). Это приводит к заметному падению F/B на краях полосы. Если величина F/B в полосе критична, то рефлектор должен быть сложным (состоять из нескольких проводов), чтобы обеспечивать эффективное отражение во всей полосе (см. следующий параграф). Но вне зависимости от того, из скольких трубок состоит рефлектор, он считается одним элементом антенны.
Вторая проблема при создании широкополосных Уда-Яги – согласование вибратора с приемлемым КСВ. Способов для этого два:
Очень близко от вибратора разместить короткий директор. Собственно, директором его можно назвать лишь формально: из-за близости к вибратору на усиление и форму ДН он практически не влияет. Фактически это дополнительная часть вибратора, обеспечивающая широкополосное согласование (п. 3.5.12). Поэтому его называют не директором, а паразитным вибратором, и даже не учитывают в общем количестве элементов. Просто говорят, что используется сложный вибратор из двух трубок. Его зависимость JX от частоты S-образна и пересекает ноль трижды. Достоинство этого способа в том, что можно получить Ra = 50 или 75 Ом. Т.е. прямо запитать вибратор кабелем с любым из широкополосных устройств симметрирования (п. 12.6.2.1).
Использовать петлевой вибратор. Он более широкополосен (п. 4.1.5), чем простой диполь. Входное сопротивление получается около 200 … 300 Ом (из-за сильной расстройки пассивные элементы не могут его заметно снизить). К сожалению, использовать U-колено (п. 12.6.2) для согласования в данном случае нельзя. Это устройство резонансное и относительно узкополосное. Поэтому приходится применять ШПТДЛ без сердечника, намотанный парой двухпроводных линий с волновым сопротивлением 100 …150 Ом (тонкие обмоточные провода, сложенных вместе). А у такого трансформатора существует паразитная индуктивность (выводы + рассеяние). Для ее компенсации надо закладывать емкостную реактивность вибратора в несколько десятков ом (п. 12.6.1.1).
Рассмотрим, как работают эти способы, на примере приема УКВ ЧМ вещания стандарта CCIR. Диапазон 88 – 108 МГц, относительная полоса 20,5%.
Пятиэлементная Уда-Яги для УКВ ЧМ вещания показана в файле …\FM\FM5_75Yagi.gaa и на рис. 13.2.3. Как отмечено выше, двойной рефлектор считается одним элементом. И сложный вибратор (трубки 1,59 и 1,31 см) – тоже. Поэтому элементов в антенне рис 13.2.3 всего пять: двойной рефлектор, сложный вибратор и три директора
Для улучшения широкополосности в этой антенне использованы следующие решения:
рефлектор из двух, разнесенных по высоте трубок;
ложный вибратор из двух трубок (паразитный вибратор 1,31 м в 5 см от основного).
Антенна рис. 13.2.3 выполнена из относительно тонких алюминиевых трубок диаметром 8 мм. Несмотря на это относительная полоса этой антенны по КСВ75 < 2 составляет 29%, что близко к верхнему пределу для данного типа. А в полосе 88 – 108 МГц ее КСВ75 не превышает 1,3, как показано на рис. 13.2.4
Зависимость усиления и F/B антенны рис. 13.2.3 от частоты показана на рис. 13.3.5. Усиление растет от 7,8 до 10 dBi, а F/B ни в одной точке рабочей полосы не падает ниже 16,5 дБ.
Изучим на примере антенны рис. 13.2.3 влияние решений, описанные в начале этого параграфа:
Если мы заменим сложный рефлектор на один резонансный, длиной 1,68 м (файл …\FM\FM5_75Yagi_1R.gaa), то на согласование и полосу по КСВ75 это почти не повлияет. Но зато F/B в участке 88 – 100 МГц снизится до 11 … 12 дБ. Это понятно: не может одна трубка обеспечить хорошее отражение в столь широкой полосе частот.
Если мы заменим простой вибратор с приближенным к нему первым директором на один петлевой (файл …\FM\FM5_300Yagi.gaa), то на ДН (Ga и F/B в полосе) это почти не повлияет. А вот входное сопротивление возрастет до 300 Ом (под ШПТДЛ 4:1), а полоса по КСВ < 2 сужается до 20% (КСВ300 достигает 2 на 88 и 108 МГц). Все же петлевой диполь не настолько хорош по полосе, как широкополосное согласование с S-образной характеристикой JX(f).
Если же мы в антенне рис. 13.2.3 заменим простой вибратор на петлевой, но при этом оставим близкорасположенный первый директор, обеспечивающий расширение полосы (файл …\FM\FM5_300_1Yagi.gaa), то на ДН это почти не повлияет. И на полосу по КСВ тоже. Только Ra возрастет до 300 Ом.
Трехэлементная Уда-Яги на УКВ ЧМ приведена в файле …\FM\FM3_75Yagi.gaa. По внешнему виду она близка к антенне рис. 13.2.3 без двух дальних директоров. Но не поленитесь заглянуть в файл модели: оставшиеся размеры отличаются ощутимо.
…Кстати о размерах. Вернее о точности их соблюдения. В отличие от большинства других широкополосных (апериодических р. 4.4, с толстыми элементами п. 4.1.3) все антенны этого раздела очень критичны к точности изготовления. Она должна быть не хуже + 0,5% для вибраторов, и + 1% для расстояний между ними. Сравните: для апериодических и «толстых» антенн можно спокойно ошибаться с размерами на единицы, и даже на десяток процентов.
Как упоминалось выше, широкополосные Уда-Яги являются электрическим аналогом LC-фильтра с очень широкой полосой, построенного на высокодобротных контурах. Если вы имели дело с такими фильтрами, то требования по точности к их элементам + 0,5% не удивят. Даже при небольших промашках в номиналах элементов на АЧХ такого фильтра вылезают заметные горбы и впадины в полосе. Аналогично, у широкополосной Уда-Яги при ошибках в размерах быстро растет неравномерность КСВ в полосе.
Антенны же с низкой реактивностью (апериодические, «толстые») имеют электрическим аналогом фильтр на LC-контурах с очень низкой добротностью (т.е. малой реактивностью и большими активными потерями). Такой фильтр (в отличие, от конструкции на высокодобротных контурах) слабо реагирует на небольшое изменение номиналов элементов.
Но вернемся к трехэлементной антенне …\FM\FM3_75Yagi.gaa. В полосе 88 – 108 МГц ее КСВ75 < 1,6, Ga меняется от 7,2 до 8,5 dBi, F/B – от 13 до 17 дБ.
7-ми элементная антенна на УКВ ЧМ диапазон приведена в файле …\FM\FM3_75Yagi.gaa. Она напоминает антенну рис. 13.2.3 с двумя дополнительными директорами и более сложным рефлектором не из двух, а их трех трубок. От 88 до 108 МГц КСВ75 не превышает 1,6. Семь элементов дали большое усиление, возрастающее 9 до 12 dBi. F/B меняется от 16 до 23 дБ. Платой за столь высокие характеристики является большая длина траверсы, достигающая 4,5 м.
Из-за большого усиления и высокого F/B эта антенна является одной из лучших для загоризонтного приема всей полосы УКВ FM радиовещания стандарта CCIR, особенно в условиях мощных помех от местных передатчиков.
Следующая антенна реализует предельную для Уда-Яги относительную полосу. Это ТВ антенна на каналы с 6 по 12 (174 –230 МГц), приведена в файле …\TV\TV6_12_75.gaa и на рис. 13.2.6.
По уровню КСВ75 < 2 полоса составляет 67 МГц или 33,5%. В этой полосе F/B превышает 13 дБ, а усиление растет от 8,2 до 10,5 dBi. В рабочем же диапазоне 174 – 230 МГц КСВ75 ни в одной точке не превышает 1,4, минимальное F/B возрастает до 16 dB, усиление остается таким же.
Подборка других широкополосных телевизионных антенн, рассчитанных под Ra = 300 Ом (согласование на 75 ом через ШПТ), приведена в таблице 13.2.2. Антенны первых 8-ми строк табл. 13.2.2 – это модели коллективных ТВ антенн, которые вы могли видеть на крышах многоквартирных домов.
| N | Имя файла (первая цифра – число элементов, следующие – номера ТВ каналы | ТВ каналы | Полоса ы) частот, МГц | Ga в свободном пространстве, от и до, dBi |
| 1 | …\TV\ATBK5_1,3.gaa | 1 и 3 | 48 – 56 и 76 – 84 | 4,9 – 5 и 6,9 – 8,1 |
| 2 | …\TV\ATBK5_1,4.gaa | 1 и 4 | 48 – 56 и 84 – 92 | 4,9 – 5 и 7,1 – 9,2 |
| 3 | …\TV\ATBK6_1,5.gaa | 1 и 5 | 48 – 56 и 84 – 92 | 4,9 – 5 и 7,1 – 9,2 |
| 4 | …\TV\ATBK4_2-3.gaa | 2 – 3 | 58 – 84 | 5,5 – 8 |
| 5 | …\TV\ATBK5_2,4.gaa | 2 и 4 | 58 – 66 и 84 – 92 | 5,3 – 5,5 и 7,1 – 8,2 |
| 6 | …\TV\ATBK5_2,5.gaa | 2 и 5 | 58 – 66 и 92 – 100 | 5,0 – 5,3 и 6,9 – 8,2 |
| 7 | …\TV\ATBK5_3-5.gaa | 3 – 5 | 76 – 100 | 6,8 – 8,8 |
| 8 | …\TV\ATBK7_6-12.gaa | 6 – 12 | 174 – 230 | 8,5 – 10,8 |
| 9 | …\TV\DMV14_24-49.gaa | 24 – 49 | 500 – 700 | 10 – 14 |
Еще одна распространенная задача, где может потребоваться широкая полоса – внешняя антенна для сотовых телефонов стандартов CDMA и GSM900. Требуемое перекрытие от 824 до 965 МГц (п. 12.1.1). В отличие от приемных вещательных антенн здесь нужна и работа на передачу, поэтому требуется лучшее согласование, т.е. более низкий КСВ в рабочей полосе.
Такая антенна показана в файле …\Phone\GSM900_9Yagi.gaa и на рис. 13.2.7. Все ее элементы выполнены из трубок диаметром 6 мм, за исключением вибратора, диаметр которого 10 мм.
Относительная полоса антенны по уровню КСВ50 < 2 составляет 30%. Зависимость КСВ50 от частоты показана на рис. 13.2.8. В полосе 800 – 980 МГц КСВ50 ни в одной точке не превышает 1,2, т.е. обеспечивается очень хорошее согласование.
Зависимости Ra и JXa от частоты антенны рис 13.2.7 приведены на рис. 13.2.9. График JXa пересекает ноль целых пять раз. Это типичная картина для широкополосного LC-фильтра, о родстве рассматриваемых антенн с которым мы уже дважды вспоминали.
Усиление антенны рис. 13.2.7 растет от 10 dBi на 800 МГц до 13 dBi на 1000 МГц. F/B в рабочей полосе колеблется в пределах 15… 18 дБ.
Антенна для GSM1800 (1710 – 1880 МГц, п.12.1.1) приведена в файле …\Phone\GSM1800_9Yagi.gaa. Ее характеристики аналогичны антенне рис. 13.2.7.
Кстати. Имейте в виду, что никакая направленная внешняя антенна GSM не сможет увеличить дальность связи свыше 35 км. Радиус действия почти всех базовых станций GSM программно ограничен этой величиной по времени задержки (timing advance) распространения сигнала (радиоволне потребуется ~233 мкс, чтобы пройти 2 раза по 35 км).
Иногда (на морском побережье, в пустынях, горах) базовая станция может работать в режиме extended cell, при которой допустимая задержка увеличена, и предельный радиус GSM связи возрастает до 75 км. Но такие случаи редки, т.е. в этом режиме падает пропускная способность базовой станции.