Рис. 3.6.20
До сих пор мы говорили только о вредном влиянии синфазного тока линии питания. Но от него иногда бывает и польза. Что от антенны требуется в первую очередь? Излучение. А синфазный ток линии как раз излучает. Значит всего-то надо: сконструировать антенну с учётом излучения синфазного тока линии, и расположить линию, так, чтобы она могла эффективно излучать (не по земле, не вдоль стены, и т. п.).
Классическим примером таких антенн является end fire dipole, показанный на рис. 3.6.20.
Этот полуволновой диполь может быть целиком выполнен из коаксиального кабеля. На расстоянии l/4 волны от свободного конца кабель разрезается. Длина здесь имеется в виду электрическая, физическая же будет меньше в 0,85..0,97 раз – из-за укорачивающего влияния внешней пластиковой изоляции кабеля (не путать с другим КУ - кабеля по внутренней изоляции, который приводится в паспортных данных). Центральная жила питающего кабеля соединяется с оплеткой отрезанного конца. Собственно антенна почти готова. Осталось, отступив l/4 от точки питания намотать кабелем развязывающий дроссель. И привыкнуть, что в месте разреза оплетка слева ни с чем не соединяется.
Чтобы понять, как работает эта антенна, рассмотрим этапы трансформации обычного полуволнового диполя в end fire dipole.
В качестве исходного возьмем обычный l/2 диполь, из полых трубок, с питанием в центре кабелем, отходящим перпендикулярно вниз.
Заменим правое плечо диполя l/4 отрезком кабеля. Вернее только оплёткой этого отрезка, с учётом КУ. Ничего не изменится.
Пропустим питающий кабель внутри левой трубки. Это можно сделать, поскольку ВЧ-ток течет лишь по поверхности трубки, не затекая внутрь (скин-эффект). Поэтому внутри трубки поля нет (экранированное пространство). Но вот чтобы без проблем вывести кабель с левого торца трубки на нём придется поставить развязывающий дроссель (см. параграф 3.6.4.2). В самом деле – ВЧ-напряжение на конце трубки диполя максимально, а на наружной стороне оплётки спускающегося к радиостанции кабеля должен быть ноль. А разделены эти две точки всего лишь тонким слоём изоляции кабеля.
Заменим правую трубку диполя наружной стороной оплётки кабеля (не забыв о КУ). Помните, в параграфе 3.6.3 мы говорили, что из-за скин-эффекта токи, протекающие по внутренней и по наружной поверхностям оплётки становятся разными. То есть для токов имеются как бы две оплётки, разделенные слоем в котором тока нет (поэтому слой этот эквивалентен изолятору). Чтобы и теперь ничего не изменилось, дроссель придется изрядно увеличить. Потому что теперь точки с максимум напряжения (конец диполя) и нулём (внешняя поверхность оплётки кабеля снижения левее дросселя) ничем кроме дросселя не разделены.
То есть, часть правее дросселя на рис. 3.6.20 - это обычнейший диполь, который надо соответственно располагать, имея в виду его излучение. Полезный антенный ток по левой половинке этого диполя есть не что иное, как синфазный ток внешней стороны кабеля. Именно поэтому слева от места разреза оплётка не соединяется ни с чем – ток с внутренней стороны оплётки вытекает на излучающую внешнюю сторону.
Часть левее ВЧ-дросселя – обычный кабель снижения (с почти нулевым синфазным током), который может быть расположен где и как угодно.
Таким образом, в данном случае дроссель выполняет функции ВЧ-изолятора конца диполя (преграждая дальнейший путь синфазному току внешней стороны оплётки) конца диполя. Поэтому он должен обладать высоким реактивным сопротивлением минимум в несколько кОм, и минимальной конструктивной ёмкостью. От одного дросселя это получить непросто, поэтому часто на конце end fire dipole устанавливают два последовательных дросселя. По конструкции дроссель в такой антенне – ближайший родственник дросселя лампового усилителя мощности на данные частоту и мощность. В обоих случаях требуется отсечь ВЧ напряжение с высокоомной (до нескольких кОм) нагрузки.
Чтобы избежать проблем с изготовлением дросселя, можно сделать левую часть диполя длиной в l/2 (или кратной). Тогда вместо дросселя потребуется хорошее заземление (или система l/4 противовесов, т.е. ВЧ-заземление). Поскольку на конце такой части диполя будет уже не максимум напряжения, а ноль. Пример такой антенны показан в файле …ANT/Radiation of feeder/end fire.maa. Поскольку в плече диполя длиной l/2 текут противофазные токи, то ДН такой антенны отличается от привычной «восьмерки». При разумных высотах подвеса (и горизонтальном расположении излучающей части) ДН имеет непривычный почти квадратный вид. Если же излучающая часть кабеля идет до земли наклонно или вертикально, то такая антенна приближается по свойствам к обыкновенному вертикалу.
Стоит отметить, что при любом выполнении левого плеча диполя (l/4 с дросселем, или l/2 с заземлением) правое плечо диполя вовсе не обязательно должно быть выполнено именно из коаксиала. Вполне допустимо выполнить его из обычного провода длиной l/4. И даже в виде очень короткого и толстого провода, с удлиняющей катушкой (подробнее о такой антенне пойдет речь в параграфе 3.7.8.3).
Другой известной антенной, в которой полезное излучение создаётся синфазным током линии питания, является перевернутый коаксиальный GP.
К сожалению, мы еще не рассматривали обычные перевернутые GP, нужные для понимания работы такой антенны. О них подробно речь пойдет только в главе 4. Пока же достаточно знать, что если взять обыкновенный GP с парой l/4 противовесов и перевернуть его вверх ногами (вернее противовесами), то никаких особых изменений в работе антенны это не повлечет (особенно это очевидно в свободном пространстве, где ни верха, ни низа нет).
Взяв, в качестве исходной точки такой GP трансформируем его в перевернутый коаксиальный GP.
Выполним штырь из полой трубки, а пару верхних противовесов из обычного провода. Центральную жилу кабеля подключим к противовесам, а оплётку – к вертикалу. Поскольку точка питания высоко над землёй, такое подключение возможно. Кабель отведем горизонтально, перпендикулярно противовесам. Словом – обычный перевернутый GP.
Теперь пропустим кабель вниз внутри трубы вертикала. Будет все то же самое, что и в п.3 преобразования диполя в end fire dipole. Потребуется дроссель на выходе кабеля снизу из трубы вертикала.
А теперь заменим трубу вертикала наружной стороной оплётки кабеля (см. п. 4. преобразования диполя). Получилась конструкция, показанная на рис 3.6.21.
По сути работы – это обычный (хотя и перевернутый) GP. К оплётке коаксиального кабеля на верхнем конце ничего не подключено – она сама по себе является излучающим проводом (вернее её внешняя сторона). По длине излучает l/4 часть (не забыть про КУ по внешней пластиковой изоляции кабеля!) от противовесов до точки установки дросселя. Оплётка же после дросселя не излучает (конечно, если дроссель хороший).Также как и в случае диполя, длина излучающей части может быть выбрана в l/2. При этом вместо дросселя потребуется заземление (или еще одна система l/4 противовесов). Кстати говоря, существуют очень близкие по принципу работы антенны-мачты (еще их называют антеннами верхнего питания, или АВП). Они состоят из заземленной полой трубы, внутри которой проходит питающий кабель. Наверху оплётка кабеля соединяется с верхним краем трубы, а центральная жила с расположенными горизонтально противовесами или диском. Но это не тема данного раздела,, о АВП речь впереди - в разделах 3.7.3 и 3.7.8 , а также в главе 4.
Возвращаясь к антенне, показанной на рисунке 3.6.21, отмечу, что противовесы совсем не обязательно располагать горизонтально – вполне допустимо и наклонное их расположение (но поскольку это противовесы, то обязательна их осевая симметрия, относительно штыря). Кроме того, ничто не мешает использовать антенну рис. 3.6.21 повернутой горизонтально или перевернутой (то есть в виде обычного GP с противовесами внизу). Такой вариант может очень пригодиться, например, при запитке антенны свисающей с балкона или дерева вниз. Точно также можно свесить вертикально вниз и end fire dipole.
Последняя антенна этого параграфа - коаксиальная рамка. Увы, опять приходится забегать вперед, потому что обычную рамку мы еще не рассматривали. Но, надеюсь, что большинство читателей знакомы с обычной рамочной антенной, с периметром 1l. Входное сопротивление простой квадратной рамки со стороной в l/4 составляет около 120 Ом (в свободном пространстве), и уменьшается по мере вытягивания квадрата в прямоугольник.
В качестве рамки, с периметром 1l можно использовать наружную сторону оплётки коаксиального кабеля, как показано на рис. 3.6.22. По принципу работы эта антенна аналогична ранее рассмотренным в этом разделе конструкциям. ВЧ-ток, вытекая из жилы конца кабеля (оплётка никуда не подсоединена!) на наружную поверхность оплётки, проделывает по ней путь длиной в 1l, попутно обеспечивая излучение антенны. Поскольку в данном случае дроссель расположен в точке питания рамки, где сопротивление низкое (50…120 Ом), то его реактивное сопротивление может быть относительно низким (200..500) Ом.
Коаксиальная рамка часто используется в качестве «антенны быстрого изготовления» на УКВ, привлекая предельной простотой выполнения. Нужен лишь запас в 1l по длине питающего кабеля, который можно свернуть в рамку. На дальнем конце кабеля центральная жила зачищается (оплетка остается свободной). Отступив примерно 0,9l от конца кабеля (мы помним про КУ!) с него аккуратно (без повреждения оплётки) снимается внешняя изоляция на длине примерно в 0,1l. В середину оголенного участка оплетки на передвижном зажиме подключается центральная жила конца кабеля. Левее её надевается ферритовое кольцо (или делается дроссель без сердечника). Передвигая зажим (то есть, меняя периметр рамки) добиваемся резонанса, а изменяя форму рамки – КСВ=1. Это рассказывать долго, а при некотором навыке изготовление коаксиальной рамки на 144 МГц или на пару соседних каналов ТВ занимает времени меньше, чем чтение этого абзаца. Единственным недостатком такой антенны является необходимость нарушать внешнюю изоляцию коаксиала (требуется последующая герметизация).
Все три антенны, описанные в этом разделе хотя и имеют Ra близкое к волновому кабеля Z0, но тем не менее может потребоваться подстройка размером и формой антенны с целью Ra = Z0. Если это не удаётся, то придется разорвать кабель перед дросселем (левее - для рис 3.6.20 и 3.6.22 и ниже - для рис 3.6.21) и включить в этом месте любое подходящее СУ.
Для всех антенн, использующих излучение внешней стороны оплётки коаксиала, важно, чтобы излучающий участок кабеля не был бы покрыт сажей, водой, грязью (это увеличивает потери, поскольку там протекает ВЧ-ток) и располагался бы именно как антенна – подальше от поглощающих предметов, земли, металла. А в той части кабеля, где оплётка кабеля не излучает (перед дросселем) можно допустить и загрязнение поверхности и произвольное положение кабеля (там на поверхности внешней поверхности оплётки тока уже нет).
Кроме приведенных в этом разделе антенн с излучением синфазного тока в коаксиале, бывают антенны с полезным излучением синфазного тока двухпроводной линии (например, J-антенна). Но о них в главе 4.