В главе 8 мы говорили о главном недостатке укороченных направленных антенн с пассивными элементами – узкой полосе. Процитирую важный фрагмент п. 8.1.1: "… правильное распределение тока по элементам обеспечивается за счет сдвига фазы на ФЧХ пассивного элемента, который можно рассматривать как колебательный контур. А у короткого элемента добротность выше чем, у полноразмерного. Тем выше, чем сильнее укорочение. Значит …, и фазовый сдвиг изменяется резче при изменении частоты. Поэтому в укороченной направленной антенне с пассивными правильное распределение тока «рассыпается» при намного меньшей расстройке, чем в полноразмерной."
А в начале главы 9 как одно из достоинств активного питания упоминалась широкая полоса. Еще одна цитата (да простят меня ревнители традиционного изложения со ссылками, но не верю, что, разбираясь, в сложном материале, читатель каждый абзац будет листать много страниц назад и искать в большом параграфе нужный абзац). Итак: "… активное питание позволяет улучшить устойчивость параметров антенны … к изменению частоты. Причина …: в антенне с пассивными элементами при расстройке элемента меняется связь между элементами, и поэтому правильное распределение токов быстро искажается. При активном же питании токораспределение дополнительно удерживается за счет питающих линий, менее подверженных внешним влияниям."
Суммируя вышесказанное легко понять: укороченные направленные антенны с активным питанием более широкополосны, чем с пассивными элементами. Причем выигрыш активного питания по широкополосности тем больше, чем сильнее укорочена антенна.
Распределение тока по элементам антенне с активным питанием определяется двумя процессами:
Связью по полю, за счет взаимно наведенных токов. Точно так же, как и в обычной антенне с пассивными элементами.
Распределением в линиях системы питания.
Связь по полю с укорочением элементов делается менее стабильной и уменьшается по величине. Ведь расстояния между элементами при укорочении меняются мало, размеры элементов уменьшаются сильно. Просто уменьшается площадь для взаимодействия токов в пространстве. Если дойти до логического завершения этой мысли и использовать крохотные элементы 1…2%l (это, кстати, не теоретические упражнения, а практически случай приемной антенны, см. п. 9.6.4), то понятно, что в силу ничтожности их размеров связь между ними по полю будет блика к нулю.
А вот распределение в системе питания можно сделать относительно стабильным. Причем эта стабильность зависит в первую очередь от импеданса элементов и его устойчивости в полосе. Если же входной импеданс близок к активному и совсем не зависит от частоты (и снова, это не пустое теоретизирование, а случай приемной антенны с элементами в виде нагруженных рамок, см. пп. 4.5.4 и. 9.6.4), то распределение в линиях питания от размера элемента вовсе не зависит. И токораспределение через линии питания (а, следовательно, и F/B антенны) будет очень стабильно в широкой полосе.
Напротив, если линии системы питания подключить напрямую к коротким элементам, Rэ которых мало, а – jXэ велико, система питания сама по себе станет очень узкополосной. Большая jXэ короткого элемента приведет к высокому КСВ в линиях системы питания. А это, кроме возрастания потерь, эквивалентно возрастанию нагруженной добротности линии, повышению крутизны ее АЧХ и ФЧХ. Следовательно, требуемые амплитудно-фазовые соотношения будут выполняться в значительно более узкой полосе. И такая антенна получается даже более узкополосной, чем ее аналог с пассивными элементами.
Чтобы избежать этого безобразия, необходимо устранить его причину: большую реактивность –jXэ входного импеданса. Для этого в элемент или включают катушку (укорочение индуктивностью), или дотягивают jXэ до нуля емкостными нагрузками (укорочение емкостью), или гнут полноразмерный элемент (укорочение изгибом и изломом), или комбинируют эти методы. При этом распределение через линии питания становится относительно стабильным, и полоса антенны получается больше, чем у ее аналога с пассивными элементами.
Выводы:
Преимущества активного питания по полосе на укороченных элементах реализуется только в случае, если | jXэ| < Rэ. Иначе из-за высокого КСВ в линиях системы питания она становится чрезмерно узкополосной. Нельзя сделать хорошую укороченную направленную антенну, не компенсировав предварительно (любым способом) реактивность ее элементов.
По мере укорочения элементов, в общем токораспределении антенны возрастает доля системы питания. А распределение за счет связи по полю становится все более нестабильным и малым и его доля влияния на общее токораспределение в антенне уменьшается. При очень коротких элементах со стабильным Rэ (например, флаги, антенны Бевереджа, и т п.) токораспределение в антенне совсем не зависит от связи по полю.
Из сказанного выше понятно, почему сильно укороченные многоэлементные направленные антенны (например, приемные, с низким усилением, но хорошей диаграммой направленности, т.е. с высоким RDF) делают только c активным питанием элементов. Просто с пассивными элементами такую антенну не сделаешь из-за очень малой и крайне узкополосной связи по полю.
Впрочем, и при относительно небольшом укорочении (для передающих антенн) активное питание имеет смысл. Да, мы ничего не приобретем в усилении, но зато выиграем в полосе. А оплачено это будет увеличением трудностей проектирования, и небольшим конструктивным усложнением антенны.
Перед тем, как двинуться дальше, хотел бы разделаться с предрассудком, встречающимся у радиолюбителей. Звучит он так: "Дескать, активное питание повышает усиление, особенно в укороченных антеннах".
На самом же деле активное питание само по себе не добавляет ни капли усиления (может даже снизить, за счет потерь в линиях фазирования). Оно лишь позволяет добиться оптимального токораспределения в элементах. Если геометрия антенны такова, что оптимальное токораспределение достигается только за счет связи по полю (т.е. при пассивных элементах), то введение в такую антенну активного питания не даст никакого эффекта. Мы это видели, например, в п. 9.4.2: обычный двойной квадрат ничего не выигрывает от активного питания второго элемента.
Смысл применения активного питания появляется лишь тогда, когда только за счет связи по полю невозможно обеспечить оптимальное токораспределение (прежде всего, хорошую ДН и высокое F/B) и его стабильность в полосе (т.е. широкополосность). А это бывает лишь при неоптимальной геометрии антенны. Когда что-то заставляет нас располагать элементы не так как надо для оптимального токораспределения, а так как получается из иных обстоятельств.
А это как раз случай укороченных антенн: мы бы и рады нормальные элементы поставить, да места нет. Мы вынуждены приспосабливаться к имеющемуся пространству. Понятно, что в этом случае об оптимальности геометрии можно забыть. И вот тут активное питание оказывается палочкой-выручалочкой. Системой питания элементов мы дотягиваем токораспределение до оптимального (т.е. до получения хорошего F/B).
Но, поскольку усиление в первую очередь зависит от размеров элементов и расстояний между ними, то при равных размерах укороченная направленная антенна с пассивными элементами имеет точно такое же усиление, как и с активными. Поэтому все графики главы 8 о связи Ga и коэффициента укорочения КУ, остаются в целом справедливыми и для активного питания.
Подытожим, что дает активное питание элементов в укороченных направленных антеннах по сравнению с такими же антеннами с пассивными элементами:
1. Расширение полосы. Выигрыш тем больше, чем ниже КУ. При малых КУ можно реализовать только активное питание.
2. Возможность достигнуть высокое F/B при вынужденно неоптимальных форме элементов и расстоянии между ними. Даже при такой геометрии, когда антенна с пассивными элементами не будет иметь ничего похожего на направленную ДН.
3. Из предыдущего пункта следует, что можно увеличить расстояние между элементами, до оптимального по Ga. Укороченная антенна с пассивными элементами при этом потеряет в F/B. Напротив, активное питание вернет F/B на место и в этом случае. Получается, вроде бы активное питание увеличило усиление. Но это на поверхностный взгляд. На самом же деле усиление увеличило не активное питание, а возрастание расстояния между элементами. А активное питание лишь позволяет получить при этом хорошее F/B, что было недостижимо при пассивных элементах.
4. Существенно возрастают трудности проектирования. Как, впрочем, для любой антенны с активным питанием (пп. 9.1.1 – 9.1.3).
5. Конструктивно антенна становится сложнее. Хотя и ненамного.