Конструкций многоэтажных антенн «волновой канал» можно предложить множество с различным числом элементов в каждом этаже, различным числом самих этажей, отдельных антенн «волновой канал» или с разными расстояниями между этажами.
Расстояние между этажами обычно равно, так же как и у многовибраторных антенн, приблизительно 0,5λ. Максимальное же усиление достигается при расстояниях между этажами, 0,6—0,7λ. Замечания, сделанные по поводу способов питания горизонтально расположенных друг над другом прямолинейных полуволновых вибраторов, в полной мере относятся и к питанию многоэтажных антенн «волновой канал». Отличие заключается в том, что в случае многоэтажной антенны «волновой канал» входное сопротивление каждого этажа чиже, чем в случае простых полуволновых вибраторов, что следует учитывать при согласовании. В каждой плоскости излучатель выполняется или в виде прямого вибратора с Т-образной схемой согласования, или в виде шлейфового вибратора, что позволяет в полной мере использовать преимущества металлической конструкции антенны.
Обе конструкции вибратора имеют и свои достоинства и недостатки. Например, Т-образная схема имеет то достоинство, что позволяет достигать точного согласования с кабелем питания путем изменения положения зажимов, но в то же время имеет недостаток, заключающийся в том, что в этом случае вибратор нагружается индуктивной составляющей полного сопротивления Т-образной схемы. Этот недостаток может быть частично устранен включением в схему конденсатора, но в диапазоне УКВ из-за конструктивных трудностей такой способ обычно неприменим. С другой стороны, шлейфовый вибратор, обладая лучшими электрическими характеристиками, не позволяет проводить дополнительную регулировку входного сопротивления. Этот недостаток вполне устраним тем, что вся антенная система может быть согласована с линией питания с помощью соответствующей согласующей или трансформирующей схемы.
Так как создание собственной конструкции многоэтажной антенны «волновой канал» требует много времени и не всегда приводит к желаемым результатам, то при конструировании таких антенн рекомендуется следовать уже проверенным и отработанным конструкциям, описанным ниже.
Двухэтажная восьмиэлементная антенна «волновой канал» DL3FM
Эта конструкция антенны была предложена радиолюбителем DL3FM (рис. 10-41). При расстоянии между элементами каждой отдельной антенны «волновой канал» 0,25λ входное сопротивление каждой антенны составляет приблизительно 10—15 ом. При использовании шлейфового вибратора с проводниками разного диаметра (см. рис. 10-41) входное сопротивление каждого этажа увеличивается в 9 раз и входное сопротивление оказывается равным 110 ом. Обе антенны «волновой канал» соединяются между собой линией связи, электрическая длина которой равна λ/2 и которая, как уже упоминалось выше, может рассматриваться как параллельное соединение двух четвертьволновых трансформаторов. Так как входное сопротивление каждой антенны 110 ом, а сопротивление линии питания выбирается 240 ом, то волновое сопротивление соединительной линии должно равняться $$Z=\sqrt{110\cdot{480}}\approx{230}ом.$$
Из рис. 1-24 видно, что двухпроводная линия имеет волновое сопротивление, равное 230 ом, при отношении расстояния между проводниками к диаметру проводников, равном 3,5 : 1 (изоляция между проводниками воздушная). Если соединительную линию изготовлять из алюминиевого провода диаметром 6 мм, то расстояние между центрами проводников должно равняться соответственно 21 мм, а при диаметре проводника 10 мм — 35 мм. Для обеспечения хорошего согласования следует точно соблюдать указанные соотношения между размерами соединительной линии Пассивные элементы антенны могут изготовляться из трубок диаметром от 15 до 25 мм, причем с увеличением диаметра увеличивается полоса пропускания антенны. Однако в любом случае при указанных размерах антенна работает без заметного уменьшения коэффициента усиления во всем диапазоне 2 м.В направлении основного излучения коэффициент усиления антенны равен 12 дб.
Двухэтажная двенадцатиэлементная антенна «волновой канал» (по 6 элементов в каждом этаже)
Двухэтажная антенна «волновой канал» предложена радиолюбителем OH3EW и имеет оригинальную схему питания (рис 10-42). Принцип работы этого устройства заслуживает особого рассмотрения.
На рис. 10-43 отдельно изображен питаемый элемент антенны (прямоугольник с периметром 3 048 мм). Данная конструкция предназначена для работы в диапазоне 2 м, и, таким образом, общая длина питаемого элемента соответствует 1,5λ, или каждая половина прямоугольника имеет длину 0,75λ. При этих данных синфазное возбуждение обеих плоскостей невозможно. Однако, учитывая длину Y-образной линии (рис. 10-43, б), каждый проводник которой имеет длину 285 мм, и рассматривая верхнюю и нижнюю части прямоугольника в отдельности, видим, что каждый из них совместно с общей для верхней и нижней частей Y-образной линией образует квадрат, имеющий общую длину 1λ.
На рис. 10-43, в показаны в виде стрелочек направления тока в проводниках питаемого элемента антенны. Из рисунка видно, что все горизонтальные проводники питаемого элемента возбуждаются синфазно. Таким образом, питаемый элемент излучает в трех плоскостях (Y-образная линия также излучает). Расстояние между этажами несколько превосходит λ/2 (1 144 мм) при длине несущих траверс антенны по 1λ (2 100 мм). Размеры элементов антенны и расстояния между ними нанесены на рис. 10-42, а размеры питаемого элемента совместно с размерами Y-образной линии изображены на рис. 10-43.
Пассивные элементы изготовляются из алюминиевых прутиков диаметром 5 мм, а питаемый элемент с Y-образной линией питания — из материала диаметром 8 мм. В предложенной конструкции несущие траверсы были изготовлены из U-образной алюминиевой шины размерами 20×20×2 мм. Приведенные выше размеры конструктивных элементов некритичны; могут допускаться отклонения от них до ±20%.
Входное сопротивление в точке питания равняется 70 ом. В случае использования кабеля с волновым сопротивлением 60 ом рассогласование не превосходит допустимого. В случае использования в качестве линии питания коаксиального кабеля необходимо обязательно применять симметрирующую схему. Коэффициент усиления антенны — приблизительно 13 дб.
Двухэтажная антенна «волновой канал» с девятью элементами в каждом этаже
Девятиэлементная антенна, изображенная на рис. 10-31, может быть легко превращена в двухэтажную антенну присоединением второй такой же антенны. Размеры антенны остаются теми же, кроме несколько измененных размеров Т-образной схемы согласования, и поэтому на рис. 10-44 изображены только оба вибратора вместе с трансформирующими схемами.
Приведенные размеры соединительной линии должны быть точно выдержаны, при этом в точках XX результирующее входное сопротивление равно 240 ом и вся система может быть непосредственно подключена к ленточному кабелю с волновым сопротивлением 240 ом.При питании антенны по коаксиальному кабелю 60 ом согласование может быть получено с помощью полуволновой петли, как показано на рис. 1-57. Если для изготовления соединительной линии используются трубки других диаметров, следует особенно обратить внимание на то, чтобы отношение расстояния между проводниками к диаметру самих проводников равнялось 3:1, так как от него зависит волновое сопротивление соединительной линии. Расстояние между зажимами Т-образной схемы согласования во всех случаях должно быть 347 мм. На рис. 10-45 дан общий вид антенны в смонтированном состоянии.
Диаграмма направленности рассматриваемой антенны показана на рис. 10-46. Коэффициент усиления в направлении основного излучения равен 13дб.
Четырехэтажная антенна «волновой канал» с четырьмя элементами в каждой плоскости
Две антенные системы из 4 элементов, расположенных над 4 элементами, при расположении в вертикальном направлении друг над другом представляют собой антенную систему, имеющую отличные электрические параметры в диапазоне 2 м и дающую хорошие результаты при проведении дальних связей. Общий вертикальный размер антенной системы равен 3,35 м. Размеры, приведенные при описании антенны «4 элемента над 4 элементами» остаются без изменений, а сами эти антенные системы располагаются на расстоянии λ/2 друг от друга. На рис. 10-47, а изображены только вибраторы такой антенной системы, а на рис. 10-47, б дан общий вид антенной системы сбоку.
Так как в точках XX, как верхних, так и нижних этажей входное сопротивление равно 240 ом, то эти точки могут быть соединены отрезком линии, имеющей волновое сопротивление 240 ом любой длины. Точно в центре этой линии связи находятся общие точки питания всей антенной системы ZZ. Так как в точках ZZ параллельно соединяются верхняя и нижняя половины антенной системы, то входное сопротивление в них 120 ом. Следовательно, вся антенная система в целом может питаться по симметричной линии с волновым сопротивлением 120 ом. Но так как обычно такие линии редко бывают в распоряжении радиолюбителей, то входное сопротивление 120 ом в точках ZZ снова трансформируют в сопротивление, равное 240 ом,с помощью четвертьволнового трансформатора и подключают непосредственно к ленточному кабелю с волновым сопротивлением 240 ом или с помощью полуволновой петли описанным уже выше образом — к 60-омному коаксиальному кабелю. Волновое сопротивление четвертьволнового трансформатора, подключаемого к точкам ZZ, должно быть $\sqrt{120\cdot{240}}\approx{170} ом$, что соответствует, как видно из рис. 1-24, отношению расстояния между проводниками к диаметру проводников 2,2 : 1. Геометрическая длина такого четвертьволнового трансформатора должна равняться λ/2·0,98, что на частоте 145 Мгц соответствует приблизительно 510 мм. Конструктивно трансформатор обычно изготовляется из проводников соответствующего диаметра, укрепленных на полосе гетинакса, имеющей достаточную ширину.
Другой способ питания антенны реализуется следующим образом. Линии l1 и l2 в этом случае выбираются длиной, равной нечетному числу четвертей рабочей длины волн, т. е. 1/4λ, 3/4λ, 5/4λ и т. д. Из практических соображений обычно выбирают длину, равную 0,75λ. При этом линии l1 и l2 трансформируют подключенные к ним сопротивления таким же образом, что и четвертьволновые трансформаторы. Следовательно, входное сопротивление в точках ZZ зависит от волнового сопротивления этих линий. Имея в виду, что в точках ZZ необходимо иметь входное сопротивление, равное 240 ом,и что в этих точках обе соединительные линии соединяются параллельно, их волновое сопротивление может быть определено из известной формулы $Z=\sqrt{240\cdot{480}}\approx{340} ом$. Следовательно, волновое сопротивление линий l1 и l2 должно равняться 340 ом. Из графика рис. 1-24 видно, что отношение расстояния между проводниками к диаметру проводников для сопротивления 340 ом равно 8,5 : 1. Такую линию довольно просто изготовить. При рабочей частоте 145 Мгц (0,75λ = 155,3 см) длины линий l1 и l2 с учетом коэффициента укорочения равны l1 = l2 = 155,3 · 0,97 = 150,64 ≈ 151 см. На рис. 10-48 изображена четырехэтажная антенна «волновой канал» с пятью элементами в каждой плоскости, сконструированная DL6MH.
