Рис. 13.3.11.
Сравним плюсы двух типов многоэлементных антенн: Уда-Яги (п. 13.3.2) и рамочных (предыдущий параграф).
Уда-Яги:
Простая механическая конструкция пассивных элементов (обычное поперечное соединение труб).
Рамочные:
Рамочный рефлектор, представляя собой по сути два разнесенных по высоте диполя с загнутыми краями, обеспечивает более широкую полосу эффективного отражения (п. 13.2.3, рис. 13.2.10), т.е. более стабильное F/B в полосе.
Объединим плюсы обеих типов. Получаем гибридную антенну, в которой рефлектор рамочный, а вибратор и директора дипольные. Гибридно такая антенна и называется: Quagi (Quads + Uda-Yagi).
Чтобы увидеть именно влияние рамочного рефлектора, рассмотрим одну и ту же антенну, но с разными рефлекторами. Возьмем антенну из строки 23 таблицы 13.2.1. Это 9-ти элементная Уда-Яги на 432 МГц, модель …\VHF\Uda_Yagi\9el_432.gaa. Она оптимизированная по F/B, которое достигает на максимуме 29 дБ. Полоса, в которой F/B превышает 25 дБ (это произвольный уровень, принятый мной в этом параграфе для сравнения), составляет 10 МГц.
Все значения F/B, приводимые в этом параграфе, вычислены при стандартных установках: 1200 по азимуту и 600 по зениту.
Заменим в антенне …\VHF\Uda_Yagi\9el_432.gaa дипольный рефлектор на проволочный квадрат, т.е. сделаем Qaugi. Результат в модели …Quagi_Q_9el_432.gaa и на рис. 13.3.11.
Усиление не изменилось (те же 14 dBi).Максимальное F/B выросло до 33,8 дБ, а полоса, в которой F/B выше 25 дБ расширилась до 18, 8 МГц, т.е. почти в 1,9 раза.
Повернем квадратный рефлектор на 450 относительно оси Х). Получим Quagi с квадратным ромбическим рефлектором, файл … Quagi_R_9el_432.gaa. Максимальное F/B возрастет до 34,5 дБ (прибавка невелика, но она есть), а полоса по уровню F/B > 25 дБ – до 19 МГц.
Перебирая разные рамочные рефлектора, выясняем влияние формы рефлектора Quagi на ее F/B (естественно, для каждого случая проводится оптимизация):
Оптимальным является квадратный ромб. Достигается максимальное F/B.
Круг и горизонтальный квадрат дают лишь чуть (~ на 1 дБ) худшие результаты, чем ромб. Рефлекторы такой формы можно применять, если что-то мешает сделать ромбический рефлектор.
Прямоугольник и треугольник проигрывают заметно. Использовать такие рефлекторы нет смысла.
Интересно отметить, что если в рассматриваемой антенне заменить рамочный рефлектор на два дипольных, разнесенных по высоте (п. 13.2.3, рис. 13.2.10), то результаты будут чуть хуже, чем у Quagi. Максимальное F/B = 33 дБ, полоса 17 МГц по уровню F/B > 25 дБ. И более сложный рефлектор из трех диполей не выиграет у ромбического, хотя и будет близок к нему по параметрам.
Quagi с большим числом элементов позволяют получать очень высокие F/B. Пример показан на рис. 13.2.12 и в файле …12Quagi144.gaa. Это 12-ти элементная Quagi на 145 МГц с ромбическим рефлектором.
Азимутальная ДН этой антенны стоит того, чтобы на нее посмотреть. Максимальное F/B превышает 40 дБ. Причем не в единственном направлении точно назад, которое любят использовать производители, чтобы получить красивые цифры. А в очень широком телесном углу: 1200 по азимуту и 600 по зениту. Полоса по уровню F/B > 25 дБ составляет 3 МГц.
Quagi (как и ее прототип Уда-Яги) позволяет делать антенны с длинной траверсой. Т.е. Quagi преодолевает ограничение рамочных антенн на длину траверсы, описанное в п. 13.3.2.
В завершении этого параграфа надо разделаться с одной старой ошибкой, возникшей еще во времена, когда компьютерного моделирования не существовало. Эта ошибка состояла в использовании в Quagi рамочного, а не дипольного вибратора.
На первый взгляд рамочный вибратор ничего особо испортить не должен, а входное сопротивление повысит до 50 Ом (так рассуждали в прежние времена, когда считалось, что Ra длинной Уда-Яги может быть только низким, обязательно требующим согласования).
Но, как мы видели в п. 13.2.1, Ra даже очень длинной Уда-Яги легко может быть 50 Ом. Да и 28 Ом согласовать несложно. Поэтому с точки зрения согласования рамочный вибратор не имеет смысла. Но хотя бы не вредит.
А вот F/B и усиление Quagi страдают от превращения дипольного вибратора в рамочный. Разберем это на примере антенны …Quagi2.gaa. Это та же самая …12Quagi144.gaa (рис. 13.3.11), в которой дипольный вибратор заменен рамочным. Что из этого вышло, показано на рис. 13.3.13, на котором кроме вида антенны приведены ее азимутальная и зенитная ДН.
В такой антенне основные излучающие токи вибратора (его верхняя и нижняя стороны) получаются выше и ниже директорной структуры. Поэтому она не может точно сфокусировать излучение вибратора. В результате растут задние и боковые лепестки. Сравните аккуратную ДН рис. 13.3.11 и большие паразитные лепестки на рис. 13.3.13. На излучение этих лепестков бесполезно тратится энергия, поэтому кроме падения F/B (на 7…9 дБ) еще и усиление снижается примерно на 0,4 дБ.
Вывод: Quagi с рамочным вибратором не имеет смысла.
Но остается вопрос: почему рамочный вибратор в Quagi это плохо, а такой же рефлектор – хорошо? Ответ прост. Излучать выше и ниже фокусирующей директорной структуры (т.е. делать рамочный вибратор) плохо, т.к. это излучение частично проходит мимо директоров и портит ДН. А вот иметь отражатель выше и ниже директоров (т.е. рамочный рефлектор) хорошо, т.к. это уменьшает паразитное излучение назад, идущее выше и ниже оси антенны.