Трехэлементная антенна состоит из вибратора и двух пассивных элементов (рис. 5.92). Теория и практика показали, что наиболее выгодной оказывается антенна, у которой один пассивный элемент является рефлектором, а другой — директором. Характеристики трехэлементной антенны еще более сложным образом зависят от геометрических размеров антенны, в частности от размеров диполей и расстояния между ними. Это обстоятельство в определенной мере объясняет многообразие вариантов трехэлементной антенны, встречаемых на практике. Некоторые антенны конструируются на максимальное отношение F/B, другие — на максимальное усиление, третьи — на максимальную широкополосность, четвертые — на входное сопротивление 50 или 75 Ом и т. д.
Теоретически трехэлементная антенна, содержащая рефлектор — вибратор — директор (условное обозначение R—W—D), должна иметь усиление около 7 дБ. Измерения показали, что наибольшее усиление антенны достигается, если разместить рефлектор на расстоянии 0,15...0,25λ, от вибратора (оптимальное расстояние, по-видимому, равно 0,2λ), а настройку антенны производить изменением расстояния между директором и вибратором, а также изменением длины директора.
Зависимость изменения усиления антенны от длины директора приведена на рис. 5.93. Эта зависимость соответствует равенству расстояний директор — вибратор и рефлектор—вибратор (S = 0,2λ).
На рисунке приведены две кривые, соответствующие различным значениям отношения l/d. Из графиков видно, что если директор изготовлен из более толстой трубки, то он менее критичен в настройке. Кроме того, из графиков следует, что директор, изготовленный из менее толстой трубки, имеет то же значение усиления при несколько большей длине элемента.
График, приведенный на рис. 5.93б, свидетельствует о том, что изменение расстояния от директора до вибратора (при постоянном расстоянии рефлектор — вибратор S = 0,2λ) сравнительно слабо сказывается на усилении антенны.
Ранее было сказано, что изменение расстояния сильно влияет на входное сопротивление антенны. Поэтому, когда позволяет конструкция, нужно стремиться к большему расстоянию между рефлектором и директором (до 0,45λ). Если это требование выполнить затруднительно, длину антенны выбирают в пределах 0,25...0,30λ.
Из анализа характеристик следует, что выгоднее использовать рефлектор несколько длиннее оптимального значения, а директор — несколько короче. Такая антенна ценой очень незначительного уменьшения усиления приобретает свойство широкополосности.
Входное сопротивление трехэлементной антенны может меняться в очень широком диапазоне. Оно зависит как от расстояния между пассивными элементами, так и от их длины. Существуют общие принципы решения проблемы оптимизации входного сопротивления антенны и определения требуемых параметров пассивных элементов. Теория и практика выявили ряд закономерностей, облегчающих решение этой задачи. Перейдем к рассмотрению этих закономерностей.
Для антенны неизменной длины настройка на максимум усиления соответствует минимуму сопротивления. При изменении частоты входное сопротивление антенны, настроенной на максимум усиления на определенной частоте, увеличивается. Уменьшение длины антенны приводит к уменьшению ее входного сопротивления.
Заслуживает упоминания мало известная зависимость, согласно которой при сближении директора и вибратора и одновременном удалении рефлектора входное сопротивление антенны возрастает. Из графиков рис. 5.94а следует, что большое входное сопротивление достигается соответствующим подбором длины директора. Отметим, что при изменении частоты электрическая длина элементов меняется и поэтому нарушаются условия согласования.
Некоторые исследователи обратили внимание на тот факт, что небольшое изменение длины рефлектора, среднее значение которой соответствует наибольшему значению F/B, приводит к небольшому изменению входного сопротивления вибратора. Для рассматриваемого случая (рис. 5.94) длина рефлектора меняется от 0,51λ (при малых расстояниях R—W) до 0,525λ (при больших расстояниях R—W). При этом длина рефлектора выбирается из условия получения максимального отношения F/B для каждого значения расстояния от рефлектора и вибратора. Отметим, что в рассматриваемой ситуации расстояние R—D — величина постоянная и равная 0,3λ.
Короткая антенна, например антенна, для которой R—D = 0,1λ, обладает большим отношением F/B малым входным сопротивлением, малой широкополосностью.
Длинная антенна, т. е. антенна, для R—D ≥ 0,4λ, обладает меньшим отношением F/B, несколько меньшим усилением, большим входным сопротивлением и значительной широкополосностью (рис. 5.95).
Как следует из приведенных графиков, оптимальное значение R—D = 0,35λ. Небольшие отклонения этой длины от указанного значения не приводят к сильным изменениям усиления антенны.
Диаграммы направленности двух- и трехэлементной антенн имеют главные и боковые лепестки. Ориентация лепестков диаграммы направленности в большой степени зависит от высоты подвеса антенны над землей (рис. 5.96). Чем больше усиление антенны, тем уже основной лепесток диаграммы и тем ниже уровень заднего лепестка. Например, при достижении отношения F/B= 14 дБ уровень заднего лепестка в 5 раз ниже уровня главного лепестка диаграммы.
Изменение высоты подвеса антенны над землей приводит к изменению сопротивления излучения, однако этот эффект при увеличении усиления антенны проявляется в меньшей степени. Иллюстрацией к сказанному являются графики на рис. 5.97.
Основные размеры трехэлементной антенны можно определить, пользуясь графиками, приведенными на рис. 5.98, которые справедливы для отношения l/d=300. Отметим, что после изготовления антенны необходимо ввести незначительные поправки в ее размеры, что обусловлено или иным значением реализованного отношения F/B, или влиянием несущих конструкций антенны. Рекомендуем при конструировании и настройке антенны пользоваться следующим правилом: собственные резонансные частоты пассивных элементов антенны (рефлектора и директора) не должны лежать в рабочей полосе частот.
