Рис. 9.3.1.
Как показано в п. 7.5.5, непросто сделать двухэлементную антенну с пассивным элементом из вертикальных l/4 вибраторов. Для получения приемлемого F/B элементы приходится изгибать строго определенным образом и устанавливать их точные размеры (рис. 7.5.16, 7.5.17, 7.5.18).
При иных же конфигурациях и размерах элементов (включая простые вертикальные l/4 GP) при втором пассивном элементе получить не удается хорошее F/B (т.е. правильное токораспределение). Но именно для таких случаев и придумано активное питание.
Начнем с классической задачи фазированных антенн: имеются два l/4 GP, от которых надо получить хорошую ДН с высокими F/B и усилением. Итак, имеем два активно запитанных l/4 GP одинаковой высоты на некотором расстоянии друг от друга. А на каком расстоянии? В любительской литературе приводятся только два варианта: l/4 и l/8. И никаких иных. Почему? Дело в отсутствии автоматической оптимизации, в программах, использованных авторами этих вариантов. И как следствие, в вынужденном упрощенном токовом подходе к проектированию (см. п. 9.1.5). Ведь при расстояниях l/4 и l/8 оптимальные установки источников очевидны: равные токи и фазовые сдвиги –900 и –1350, соответственно.
Но не будем повторять этот путь, и задаваться вопросом: «А при каких расстояниях получаются простые, понятые без оптимизации, установки источников?» Изучим иной вопрос: при каком расстоянии антенная система имеет максимум усиления? Согласитесь, антенна нужна нам для максимального излучения (т.е. усиления), а не для красивых и понятных цифр в установках источников.
Проведем оптимизацию параметров второго источника по критерию максимальной и равной значимости Ga и F/B одновременно для всех расстояний от 0,1 до 0,3l . Для плоской средней земли результат показан на рис. 9.3.1. Из этого рисунка следует, что оптимальным является расстояние 0,175l , а хорошо описанные 0,125l и 0,25l , которые проигрывают оптимуму около 0,3 дБ.
Вывод: применение в однодиапазонной системе из двух GP расстояний l/4 и l/8 не вызвано никакой необходимостью (кроме упрощенного, без оптимизации, выбора источников) и ведет лишь к потере усиления.
Антенна с оптимальным расстоянием 0,175l показана в файлах …2GP_0.175.gaa, 2GP_0.175_line.gaa и на рис. 9.3.2. В качестве фазирующих линий использован кабель 50 Ом. Длины линий на рисунке – электрические. Правая линия 0,033 l перекрещена в точке питания.
Если необходимо переключение направлений ДН, то правая линия должна иметь длину 0,533l без перекрещивания, как показано в файле 2GP_0.175_line1.gaa. Конечно, дополнительный расход кабеля довольно велик, физическая длина полуволнового отрезка составит 0.5l ∙ 0,66 = 0,33l. Но не будем забывать, что при иных методах питания вместо этого кабеля потребовалось бы устройство на нескольких LC элементах. И они вряд ли обошлись бы дешевле, чем несколько десятков метров кабеля. Особенно если учесть, что LC элементы обязаны выдерживать значительную реактивную мощность.
Другим плюсом, антенны рис. 9.3.2 является то, что в точке соединения фазирующих кабелей получается почти чисто активный импеданс, близкий к 50 Ом, поэтому дополнительного СУ не требуется. Полоса антенны рис. 9.3.2 по уровню F/B > 12 дБ составляет 130 кГц в диапазоне 40 м. По КСВ полоса значительно шире, в тех же 130 кГц КСВ не превышает 1,3 на краях.
Изучим теперь, как влияет расстояние между элементами на основные параметры двух фазированных l/4 GP. Ограничимся пределами 0,1l … 0,3l , т.к. как при меньших и больших расстояниях заметно падает усиление (рис. 9.3.1).
Результаты сведены в таблицу 9.3.1. Все антенны в этой таблице имеют фазирующие линии 50 Ом. Для тех антенн, где физическая (с учетом коэффициента укорочения) длина одного из кабелей получается меньше половины расстояния между элементами, приведены файлы и линии для двух вариантов: обычного, и с переключением ДН (с большей длиной линии). Полосы BW указаны для диапазона 40 м, и по уровню F/B > 12 дБ (т.к. по полосы по КСВ намного больше и приводить их нет смысла).
Табл. 9.3.1 Зависимость параметров двух фазированных l/4 GP от расстояния между элементами.
| Расстояние, l | Имена файлов моделей | Длина1 1-й линии , l |
Длина1 2-й линии, l |
Za, Ом | Ga3, dBi | BW4, кГц |
| 0,1l | …2GP_0.1_line.gaa | 0,437 | х2 0,077 | 63 – j7 | 2,3 | 80 |
| 0,125l | …2GP_0.125_line.gaa | 0,426 | х2 0,061 | 55 – j3 | 2,8 | 95 |
| …2GP_0.125_line1.gaa | 0,426 | 0,561 | 90 | |||
| 0,15l | …2GP_0.15_line.gaa | 0,412 | х2 0,047 | 50 + j0 | 3 | 120 |
| …2GP_0.15_line1.gaa | 0,412 | 0,547 | 110 | |||
| 0,175l | …2GP_0.175_line.gaa | 0,393 | х2 0,033 | 47 + j4 | 3,1 | 130 |
| …2GP_0.175_line1.gaa | 0,393 | 0,533 | 115 | |||
| 0,2l | …2GP_0.2_line.gaa | 0,370 | х2 0,020 | 44 + j6 | 3 | 200 |
| …2GP_0.2_line1.gaa | 0,370 | 0,520 | 180 | |||
| 0,25l | …2GP_0.25_line.gaa | 0,333 | 0,490 | 39 + j7 | 2,8 | 230 |
| 0,3l | …2GP_0.3_line.gaa | 0,290 | 0,460 | 36 + j8 | 2,3 | 300 |
Примечания:
1. Длины линий – электрические.
2. Знак «х» означает, что линия перекрещена.
3. Усиление над плоской средней землей.
4. Диапазон 7 МГц. По уровню F/B > 12 дБ.
Если приходится удлинять короткую линию на полволны, несколько падает полоса (последний столбец в табл. 9.3.1), из-за того, что фазовый набег на более длинном кабеле быстрее меняется с частотой.
Таблица 9.2.1 показывает, что оптимальные со всех точек зрения, включая согласование, пределы расстояний составляют 0,15… 0,2l. Только если требуется широкая полоса, может иметь смысл увеличить расстояние до l/4.
Параметры переключения (что это такое, см. п. 7.4.1) антенн табл. 9.3.1 типичны для двух элементов: AН = 680 а DG = BMIN = – 5 дБ.
Схема переключения направлений проста. От обоих элементов до коммутатора идут основные линии одинаковой длины (равной меньшей из рассчитанных). А отрезок, с длиной равной разности большей и меньшей линий, включается последовательно с одной из основных.
Пример для антенны …2GP_0.2_line1.gaa с расстоянием 0,2l показана на рис. 9.3.3 (на этом рисунке через знак дроби указаны и электрическая, и физическая длина кабелей). Из табл. 9.3.1 определяем, что меньшая линия должна иметь электрическую длину 0,37l. Доводим до коммутатора два таких кабеля (их физическая длина, с учетом коэффициента укорочения 0,66 составит 0,37l∙ 0,66 = 0,244l). Вторая линия должна быть 0,52l. Но 0,37l мы уже имеем, поэтому, чтобы получить требуемую длину, включаем последовательно отрезок с электрической длиной 0,52l – 0,37l = 0,15l (физическая длина 0,1l).
Схема, показанная на рис 9.3.3, универсальна для большинства двухэлементных антенн, питаемых методом K3LC. Ограничение этой схемы лишь одно: т.к. коммутируются только центральные жилы (а оплетки соединены постоянно), то она пригодна лишь для не перекрещенных коаксиальных кабелей.
Если же в качестве фазирующих применяются двухпроводные линии, или перекрещенные коаксиальные кабели, то необходимо переключать оба провода у каждой из линий. Схема такого коммутатора аналогична рис. 9.3.2, но удвоена, т.е. потребуется реле не с двумя, а с четырьмя группами контактов на переключение.
Хочу отметить, что хотя мы до сих пор в качестве элемента рассматривали резонансные l/4 GP, нет никакой необходимости использовать именно их. Элементы-вертикалы могут быть как короче, так и длиннее l/4. Правильно спроектированная система питания все равно позволит получить хорошую ДН. Однако импеданс в точке соединения фазирующих кабелей получится при этом скорее всего не столь удобный, как в табл. 9.2.1 и потребуется дополнительное СУ. Кроме того, при значительных реактивностях jXэ элементов может оказаться выгоднее применить для фазирования высокоомные линии.
Существует теоретическая возможность при любом межэлементном расстоянии так подобрать размеры элементов и фазирующих линий, что в точке соединения получится 50 Ом. Однако общее решение такой задачи выходит далеко за рамки этой книги.