Рис. 13.5.18.
Конструкции предыдущего параграфа весьма сложны. В значительной мере, из-за отдельной системы питания. Поэтому радиолюбители часто используют упрощенные конструкции решеток, в которых сами части антенны выполняют функцию системы питания.
Простейшее и очевидное решение: использовать полуволновые отрезки двухпроводных линий для фазирования. Антенны, изображенные на рисунках 6.2.10,а и 6.2.1.2 (из п. 6.2.3. про КВ решетки) используются и на УКВ. Например, в файле …4x2_dipole.gaa показана реализация антенны рис. 6.2.12 (решетки 4 х 2 из полуволновых диполей) в вертикальном варианте на диапазон 144 МГц. Усиление этой антенны 10,8 dBi, полоса по КСВ50 меньше 2 составляет 6,5 МГц.
Более интересная идея состоит в следующем: расположить на плоскости множество l/2 диполей так, чтобы токи в горизонтальных диполях оказались бы синфазны, а в вертикальных – противофазны. Тогда такая антенна будет эквивалентна решетке синфазных горизонтальных диполей, а вертикальные части не будут излучать, обеспечивая лишь правильное питание горизонтальных.
Простейшая реализация этой идеи показана на рис. 13.5.18 и в файле …7_dipole.gaa. Эта антенна состоит из семи горизонтальных и восьми вертикальных l/2 диполей. На рис. 13.5.18 (и всех последующих рисунках этого параграфа) показана горизонтальная ДН.
Из распределения токов на рис. 13.5.18 видно что:
токи в вертикальных частях противофазны и поэтому не излучают (точно так же, как противовесы любого GP, см. п. 3.4.1).
Токи в горизонтальных частях синфазны. Поэтому антенна работает как решетка из семи l/2 диполей, разнесенных как по ширине, так и по высоте.
Поэтому сужаются как горизонтальная, так и вертикальная ДН, и антенна выигрывает более 8 дБ у простого l/2 диполя, несмотря на двунаправленную ДН.
Другая конструкция, реализующая ту же идею, приведена на рис. 13.5.19 и в файле …7_dipole_loop.gaa. Она также аналогична семи синфазным l/2 диполям, поэтому имеет почти такое усиление, как и предыдущая антенна.
Обе последние (рис. 13.5.18 и 13.5.19) антенны имеют общий недостаток. Это теоретические конструкции, хорошо подходящие для понимания принципа работы, но неудобные на практике из-за высокого (да еще и с реактивностью) входного импеданса.
Практическая конструкция GP на Wi-Fi 2412 – 2484 МГц (например, для роутера), сделанная на основе рис. 13.5.18 показана в файле …WiFi_GP.gaa и на рис. 13.5.20. Это вертикальная половина антенны рис. 13.5.18, в котором для согласования несколько изменена форма нижней части. На рис. 13.5.20 показаны l/4 радиалы. В реальности их нет. Проволочная конструкция рис. 13.5.20 непосредственно вставляется в разъем роутера, в который раньше вкручивалась штатная антенна, а роль радиалов выполняет шина земли платы роутера.
Теперь займемся приведением до пригодного для практики вида антенны рис. 13.5.19. Точнее, это уже сделал ее автор, Ross Anderson, W1HBQ, а мы лишь посмотрим, что у него получилось.
В принципе, поставив СУ в точке питания, можно заставить вполне прилично работать конструкцию рис. 13.5.19. И W1HBQ это делал. Но желающих повторить было немного: согласование на сотнях мегагерц импедансов в сотни ом – штука капризная и неудобная, т.к. требуются очень малые емкости, сравнимые с конструктивными.
Тогда Ross Anderson скомпоновал две антенн рис. 13.5.19 как половинки диполя. Результат показан на рис. 13.5.21 и в файле …W1HBQ_CQ17.gaa. Это антенна на диапазон 1296 МГц. Её входное сопротивление близко к 50 Ом, а усиление достигает 15,2 dBi, полоса по КСВ50 меньше 2 около 40 МГц.
Чтобы выжать максимум усиления W1HBQ добавил между половинками антенны два короткозамкнутых l/4 шлейфа (вверху и внизу). Их замыкающие мостики хотя и имеют малую длину (около 0,12l), но по ним течет большой ток, и они разнесены в пространстве. Итого, у нас получается 17 синфазно возбужденных горизонтальных частей: четырнадцать l/2 диполей и три перемычки (считая и ту, в которую включен источник) по 0,12l.
Введение двух короткозамкнутых l/4 шлейфов в антенну рис. 13.5.21 повышает усиление всего на 0,45 дБ. Но, во-первых, и это не лишнее, а во-вторых, эти шлейфы пригодятся потом для наращивания размеров антенны. Но увеличивать размеры мы будем позднее. А пока, наоборот, будем их уменьшать.
Отрежем от антенны рис. 13.5.21 крайние рамки. И те вертикальные стороны, к которым эти рамки крепились. Получаем антенну, показанную в файле …W1HBQ_CQ13.gaa и на рис. 13.5.22. Она имеет 13 горизонтальных элементов и несколько меньшее усиление 14,5 dBi.
Разместив сзади антенны рис. 13.5.22 большой плоский рефлектор на расстоянии ~0,16l получим однонаправленную ДН и прирост усиления ~ на 6 дБ (пп. 3.3.1 и 12.1.2). Такая антенна на диапазон Wi-Fi приведена в файле …W1HBQ_WiFil.gaa (в этом файле применен тот же прием упрощения моделирования, что и для Backfire п. 13.2.3, вместо плоского рефлектора использована поверхность идеальной земли). Ra = 200 Ом, для питания используется U-колено.
Усиление антенны файла …W1HBQ_WiFil.gaa достигает 20,5 dBi, что сопоставимо с антенной Уда-Яги с траверсой 13l (рис. 13.2.1), или параболической зеркальной диаметром 5l (п. 13.7.2.4). А размеры антенны файла …W1HBQ_WiFil.gaa при этом относительно небольшие: 4,9l х 2,8l x 0,2l. Т.е. она может быть выполнена в виде плоской панели. Ее полоса около 180 МГц, поэтому антенна прощает небольшие погрешности изготовления.
Но вернемся к обещанию увеличить антенну рис. 13.5.21. Это сделано в файле …W1HBQ_CQ21.gaa и на рис. 13.5.23. Короткозамкнутые l/4 шлейфы использованы для питания добавленных рамок. Входное сопротивление получилось 60 Ом. Количество синфазных горизонтальных элементов выросло до 21. Увеличилось и усиление до 16,9 dBi (без рефлектора при двунаправленной ДН). Полоса, конечно, сузилась до 19 МГц по уровню КСВ50 меньше 2 (в диапазоне 1296 МГц).
Используя тот же принцип, продолжим наращивать размеры, добавляя новее рамки со всех сторон антенны рис. 13.2.23. На рис. 13.5.24 и в файле …W1HBQ_CQ77.gaa показана антенна на 1296 МГц, содержащая 77 синфазных горизонтальных элементов. Онa имеет полосу 14 МГц по уровню КСВ50 меньше 2. Столь большое количество элементов дает огромное Ga = 22,9dBi (это при двунаправленной ДН, плоский рефлектор сзади прибавит еще 6 дБ). Это рекордное усиление для не зеркальных антенн.
Фактически, антенны W1HBQ собирают весь сигнал с площади ромба, очерчивающего их габариты. И в этом смысле они близки к зеркальным антеннам (которые тоже собирают сигнал со всей занимаемой площади.
Bonn, 22.07.2012