Рис. 9.6.11.
Из окончания предыдущего параграфа следует, что приемную антенну с переключаемой диаграммой направленности надо строить из элементов, имеющих центральную симметрию в конструкции и ДН. Этому требованию удовлетворяет короткий вертикал: он выглядит и принимает одинаково со всех сторон.
Но Za такого вертикала никуда не годится: Ra – десятые доли ома, jXa – несколько килом. Фактически, по импедансу очень короткий вертикал ведет себя как конденсатор небольшой (несколько десятков пикофарад) емкости. Естественно, подключать к такому Za фазирующие линии нельзя. Высокий КСВ в них и огромная реактивность Xa приведут к полной неработоспособности антенны.
Поэтому неудобоваримый импеданс короткого вертикала надо преобразовать в стабильное, активное и частотно независимое сопротивление 50 Ом. В данном случае из-за большого отношения Xa/Ra пассивными СУ (раздел 3.5) достичь этого принципиально невозможно.
Но у нас антенна приемная. С малым сигналом. Его все равно придется усиливать. Вот и поставим усилитель прямо на антенну.
Нам надо, чтобы почти все принятое антенной напряжение, достигло бы входа усилителя. Для этого модуль входного импеданса усилителя |Zвх| должен как минимум в 10 раз превышать |Xa| антенны. Тогда коэффициент передачи делителя |Zвх| / (|Zвх| + |Xa|) получается близким к 1 и почти не зависящим от частоты. Значит, если прямо к короткому вертикалу мы подключим усилитель с |Zвх| > 30 кОм, то на выходе усилителя будет почти все принятое антенной напряжение. Используем апериодический усилитель с его выходным сопротивлением 50 Ом.
С точки зрения фазирующих линий такая система (короткий GP c высокоомным широкополосным усилителем) эквивалентна широкополосному элементу с сопротивлением 50 Ом. А это как раз та антенна, которая нам требуется для переключаемых приемных решеток.
Мы не рассматривали такую антенну в разделе 4.5. И не зря. Одиночный короткий GP никогда не применяется как приемная антенна. Это бессмысленно из-за низкого RDF и круговой азимутальной ДН.
Но как элемент сложной активной решетки, с переключаемой диаграммой направленности короткий GP c резистором в точке питания применяется с успехом. Обычно для диапазонов 160 и 80 м короткий элемент-GP имеет высоту 4….6 м. При меньшей высоте растет |Xa| и затенение антенны местными предметами, при большей увеличиваются конструктивные сложности. Проще всего использовать пластиковое удилище с проводом вдоль него. Любопытная особенность: фаза напряжения в элементе не зависит от его высоты, т.к. входное напряжение определятся не высотой элемента, а входным импедансом усилителя.
Радиалы не обязательны, но желательны. Из-за высоких |Xa| и |Zвх|, включенных последовательно, сопротивление заземления без заметного ухудшения может достигать сотен ом. Достаточно простого заземления и\или 3 … 4 сильно укороченных (такой же длины, как и вертикал) противовесов.
Обозначим требования к усилителю:
Принципиальных схем усилителей приводить не буду (это не тема данной книги, да и так уже проблема с ее объемом). Замечу только, что указанным требованиям соответствуют обычные истоковые повторители на полевых транзисторах и\или стандартные микросхемы буферных повторителей в типовом включении. Например, я использую буферные повторители MAX4201 и MAX4178 (низкие шумы, высокая линейность, простейшая конструкция) в типовой ) схеме, лишь добавляя для защиты входа последовательный резистор 200 Ом и разделительный конденсатор, пару диодов (на питание) и на выход развязывающий трансформатор 1:1 на выходе. Выбор именно этих микросхем был достаточно случаен. Они просто нашлись под руками. Вы же можете использовать любой из многих десятков буферных усилителей повторителей, выпускаемых в широкой номенклатуре многими фирмами. Или самостоятельно собрать истоковый повторитель на дискретных элементах.
В общем, наш один элемент должен выглядеть примерно так, как показано на рис. 9.6.11 (цепи развязки условно не показаны). Из таких элементов мы и будем собирать приемные решетки с переключаемой ДН.
К сожалению, GAL-ANA включение в модель усилителей-повторителей не поддерживает (во всяком случае, на время написания этих строк). Поэтому мы будем моделировать такие решетки без линий, устанавливая требуемую фазу только источниками напряжения. Конечно, расчетный импеданс элементов модели будет крайне далек от реального выходного сопротивления повторителей (50 Ом). И расчетное Ga будет не учитывать усиление по мощности в повторителях. Но вид ДН и величины фазовых сдвигов будут корректными.
Квадратная решетка с переключением на 4 направления показана на рис 9.6.12 и в файлах …4short RX-160m.gaa и …4short RX-80m.gaa (одна и та же антенна, но установлены разные фазовые сдвиги, соответствующие оптимумам ДН по диапазонам).
RDF антенны достигает 11,2 дБ, что соответствует АБ длиной 200 м в диапазоне 1,8 МГц (см. рис. 4.5.3). Параметры переключения хорошие: AН = 00 а DG = – 1,7 дБ, BMIN = – 19 дБ. И все это достигнуто на квадратном участке земли размерами всего 18,4 х 18,4 м (т.е. с диагоналями по 26 м).
Платой за все эти преимущества является сложная система питания и переключения.
Во-первых, в этой (и всех последующих решетках этого параграфа) требуются поистине чрезвычайные меры по устранению паразитных сигналов. Максимум ДН антенны соответствует сигналам на 20 …30 дБ меньшим, чем у полноразмерной антенны. А боковое и заднее направления подавлены еще на 20 дБ. Следовательно, паразитный сигнал с уровнем на 50 (!) дБ ниже, чем у полноразмерной антенны в данном случае ощутимо подпортит ДН нашей решетки.
Прежде всего, надо бороться с паразитными сигналами, принимаемыми проводами управления и питания, а также оплетками коаксиальных кабелей. Причем ослаблять их надо на те же 50 дБ, т.е. очень сильно. Поэтому, все провода питания, включая корпусной провод с обеих сторон (и у элемента, и у блока фазирования-переключения) подключаются к элементу через большие, 1…3 мГн, дроссели, обладающие импедансом несколько десятков килом на рабочей частоте. Оплетка коаксиального кабеля не используется как нулевой провод блока питания. Она полностью отвязана от корпуса: как у элемента, так и у блока фазирования-переключения через развязывающие трансформаторы 1:1 со связью между обмотками только через магнитный поток.
Во-вторых, решетка должна быть отнесена подальше от переизлучающего металла (см. п 4.5.5), в первую очередь – от передающей антенны (которую обязательно надо дополнительно расстраивать в режиме приема).
В блоке фазирования-переключения, к которому идут все четыре кабеля равной длины от элементов, обеспечивается переключение, требуемый сдвиг фаз и суммирование.
Схема этого блока довольно сложна, рассматривать ее тут не буду, а то мы совсем удалимся от темы антенн. Отмечу только, что фазовый сдвиг – 1050 делается просто как дополнительный отрезок коаксиального кабеля соответствующей длины. А сдвиг +1050 выполняется исходя из того, что для синусоиды +1050 это то же самое, что 1050 – 3600 = –2550 (все процессы в периодическом колебании повторяются через 3600, поэтому к любой фазе можно прибавлять или вычитать 3600 без изменения работы). А уже –2550 легко выполнить как –1800 + (–750), т.е. как инвертирующий трансформатор 1: 1, дающий –1800, и дополнительный кабель длиной –750 после него. Подробное описание схемы и конструкции аналогичного блока дано в [5].
Компенсацией за множество трудностей с блоком фазирования–переключения, является относительная свобода в размерах решетки рис. 9.6.12. Сторона квадрата, по углам которого стоят элементы, может лежать в пределах 0,12…0,25l (конечно, с соответствующей коррекцией фазовых сдвигов). Высота самих элементов, как уже было отмечено выше, не очень критична. Во всяком случае, не требуется коррекция фазовых сдвигов при изменении высоты элементов. Хотя из соображений меньшей чувствительности к паразитным сигналам от соединительных проводов и переизлучения окружающего металла ее лучше выбирать побольше.
Более сложная восьмиугольная решетка с переключением на 8 направлений показана на рис. 9.6.13 и в файлах …8gp80_30.gaa и …8gp160_30.gaa (одна и та же антенна, но установлены разные фазовые сдвиги, соответствующие оптимумам ДН по диапазонам).
RDF антенны достигает 12,3 дБ на 1,8 МГц что соответствует АБ длиной 270 м (см. рис. 4.5.3). В диапазоне 3,6 МГц RDF повышается до 13,4 дБ, что соответствует АБ длиной 4,5l.
Параметры переключения хороши в обоих диапазонах. На 160 м AН = 00 а DG = – 1,1 дБ, BMIN = – 26 дБ. На 80 м AН = 00 а DG = – 1,9 дБ, BMIN = – 23 дБ. И все это достигнуто на круглом участке земли диаметром всего 30 м.
Если нет даже 30 м, то в файлах …8gp80_20.gaa и …8gp160_20.gaa (одна и та же антенна, но установлены разные фазовые сдвиги по диапазонам) приведена аналогичная антенна, умещающаяся в круг диаметром 20 м. Конечно, это привело к некоторому ухудшению характеристик. RDF антенны достигает 11,6 дБ на 1,8 МГц что соответствует АБ длиной 210 м (см. рис. 4.5.3). В диапазоне 3,6 МГц RDF повышается до 12,8 дБ, что соответствует АБ длиной 3,5l. Параметры такой антенн на 160 м AН = 00 а DG = – 1 дБ, BMI = – 26 дБ. На 80 м AН = 00 а DG = – 1,5 дБ, BMIN = – 21 дБ.
Если ж место имеется, то на участке диаметром 60 м можно выполнить восьмиугольную приемную решетку на 1,8 МГц (для диапазона 3,6 МГц диаметр 60 м уже чрезмерно велик). Такая решетка показана в файле …8gp160_60.gaa. Ее параметры на 1,8 МГц соответствуют антенне рис. 9.6.13 в диапазоне 3,6 МГц: RDF = 13,4 дБ, AН = 00 а DG = – 1,9 дБ, BMIN = – 23 дБ. Именно такую антенну подробно (с блоком фазирования-переключения) описал Lee Strahan, K7TJR в работе [5].
Все описанные выше для квадратной решетки проблемы с подавлением паразитных сигналов остаются актуальными и для всех восьмиугольных решеток. Они даже становятся еще более острыми, т.к. с ростом RDF антенны возрастают требования по подавлению нежелательных сигналов. Точнее говоря, оставшиеся неподавленными паразитные сигналы ограничивают максимально достижимый на практике RDF. По данным [5] даже после принятия всех мыслимых мер по подавлению паразитных сигналов они ограничивают реальный RDF всей конструкции до 12,5 … 13 дБ (естественно, если антенна сама по себе имеет расчетный RDF выше этой цифры).