Линейно расположенные вибраторы
Как указывалось выше, простой полуволновый вибратор обладает некоторой направленностью: максимум его излучения перпендикулярен к оси вибратора. В случае, когда несколько вибраторов располагаются в ряд и возбуждаются синфазно, то направление максимума излучения не изменяется, но значительно уменьшается ширина основного лепестка диаграммы направленности. Поэтому такая система имеет больший коэффициент усиления по сравнению с одиночным полуволновым вибратором (см. рис. 10-2).
Линейно расположенные вибраторы имеют следующие усиления по сравнению с одиночным полуволновым вибратором: два линейно расположенных полуволновых вибратора—1,8 дб, три — 3,4 дб,четыре — 4,6 дб, пять — 5,6 дб, шесть — 6,5 дб, семь — 7,3 дб и восемь линейно расположенных полуволновых вибраторов — 7,9 дб.
Некоторое увеличение коэффициента усиления может быть получено при увеличении расстояний между полуволновыми вибраторами до λ/4 — λ/2 (рис. 10-2, б), но в этом случае труднее обеспечить синфазное возбуждение всех вибраторов и поэтому такая возможность обычно не используется.
Коэффициент усиления увеличивается на 3 дб, когда на расстоянии λ/4 располагаются рефлекторы или рефлекторная решетка. При этом диаграмма направленности в горизонтальной плоскости преобразуется в одностороннюю диаграмму направленности.
Простейшей системой линейно расположенных вибраторов является вибратор, состоящий из двух полуволновых вибраторов, возбуждаемых синфазно (рис. 10-3, а). Его коэффициент усиления равен 1,8 дб.
Если питание такого волнового вибратора производится с конца, как у антенны «Цеппелин», то в этом случае оба полуволновых вибратора возбуждаются в противофазе (рис. 10-3, б). При этом коэффициент усиления уменьшается до 1,2 дб и диаграмма направленности расщепляется. Если же в разрыв, расположенный посередине волнового вибратора, включить четвертьволновый отрезок двухпроводной линии, то возбуждение полуволновых диполей снова будет в фазе (рис. 10-3, в).
Замкнутый отрезок двухпроводной линии поворачивает фазу на 180° и представляет собой параллельный резонансный контур, включенный между полуволновыми вибраторами. То же самое получается, если включить вместо четвертьволнового короткозамкнутого отрезка полуволновый разомкнутый отрезок двухпроводной линии или если заменить отрезки линий заградительным фильтром с большой добротностью, как уже описывалось при рассмотрении многодиапазонных антенн коротких волн. Однако наиболее часто используются короткозамкнутые четвертьволновые отрезки двухпроводных линий (рис. 10-4).
Линейно расположенные вибраторы могут быть расположены и вертикально, как показано на рис. 10-4, в. В этом случае поляризация поля и концентрация излучаемых электромагнитных волн происходят в вертикальной плоскости, а в горизонтальной плоскости диаграмма направленности имеет форму круга.
Горизонтальные вибраторы, расположенные в несколько этажей
Если расположить горизонтальные полуволновые вибраторы, возбуждаемые синфазно, друг над другом, то ширина диаграммы направленности такой системы в горизонтальной плоскости останется такой же, как и у одиночного полуволнового вибратора. Напротив, в вертикальной плоскости в этом случае электромагнитное излучение будет концентрироваться в узкий пучок. На рис. 10-5 изображены четыре полуволновых вибратора, расположенные друг над другом в вертикальной плоскости на расстоянии λ/2 друг от друга (возбуждение вибраторов синфазное) и приведена диаграмма направленности такой системы в вертикальной плоскости. Такое сочетание вибраторов называется многовибраторной антенной, иногда многовибраторной антенной решеткой с синфазным возбуждением.
Излучение электромагнитных волн происходит в обе стороны от плоскости антенны. Усиление антенны, обусловленное концентрацией излучения в вертикальной плоскости, зависит в первую очередь от числа «этажей» и от расстояния между вибраторами. Оптимальное расстояние между этажами равняется 0,65—0,75 λ. Однако расстояние, равное λ/2, с механической точки зрения имеет некоторые преимущества, и поэтому обычно это расстояние между вибраторами и выбирают. Ниже указаны коэффициенты усиления, получаемые при использовании антенных решеток, состоящих из горизонтальных синфазно возбуждаемых полуволновых вибраторов, расположенных в вертикальной плоскости друг над другом на расстоянии λ/2. Итак, два параллельных синфазно возбуждаемых полуволновых вибратора дают усиление 4 дб, три — 5,5 дб, четыре — 6,8 дб, пять — 7,8 дб, шесть — 8,5 дб, семь — 9,2 дб, восемь — 9,7 дб, девять — 10,2 дб,а десять параллельных синфазно возбуждаемых полуволновых вибраторов дают усиление 10,7 дб.
Так же как и в случае линейно расположенных вибраторов, использование рефлекторов дает увеличение коэффициента усиления на 3 дб. Если расстояние между вибраторами и рефлекторами равняется 0,25 λ, то сопротивление излучения вибраторов в этом случае не меняется. Использование вместо рефлекторов рефлекторной решетки дает увеличение коэффициента усиления, равное 7 дб.
Синфазное возбуждение параллельных вибраторов
Незамкнутая двухпроводная линия длиной λ/2 трансформирует сопротивления в соотношении 1 : 1, но при этом поворачивает фазу прилегаемого к ней напряжения на 180°. Если соединить два параллельных полуволновых вибратора с помощью поволновой двухпроводной линии, то в этом случае вибраторы будут возбуждаться в противофазе (см. положение стрелок, показывающих направления тока на рис. 10-6, а). Так как требуется возбуждать вибраторы в фазе, то полуволновую соединительную линию следует перекрестить (рис. 10-6, б).
Если для связи между полуволновыми вибраторами используется отрезок двухпроводной линии длиной λ (рис. 10-7), то в этом случае перекрещивания не требуется, так как эта линия преобразует сопротивление в соотношении 1 : 1 и, кроме того, не сдвигает фазы приложенного к ней напряжения (вернее, сдвигает на 360°).
В случае использования волновой линии, связывающей вибраторы, расстояние между ними должно быть оптимальным, т. е. составлять 0,65—0,75 λ. На практике это осуществляется или за счет укладывания соединительной линии, как показано на рис. 10-8, а, или же выбирается соединительная линия с коэффициентом укорочения, равным 0,65—0,75. Геометрическая длина линии связи равна в последнем случае 0,65—0,75 λ, т. е. расстоянию между вибраторами, а электрическая длина линии (с учетом коэффициента укорочения) равна λ.
Питание и синфазное возбуждение вибраторов с помощью повод-новых перекрещенных соединительных линий в случае больших антенных решеток применяется наиболее часто, а согласование всего антенного комплекса с линией передачи производится при помощи соответствующей трансформирующей схемы, подключаемой к нижнему этажу антенной решетки. На рис. 10-9 в качестве примера показана антенная решетка, состоящая из четырех полуволновых вибраторов, расположенных на расстоянии λ/2, с линией питания, подключенной к нижнему этажу.
Так как входное сопротивление полуволнового вибратора в диапазоне УКВ в среднем можно считать равным 60 ом, то, следовательно, параллельное соединение четырех полуволновых вибраторов будет иметь входное сопротивление, равное 15 ом. Это входное сопротивление может быть согласовано с линией передачи, имеющей волновое сопротивление 240 ом, с помощью четвертьволнового согласующего шлейфа. Если в качестве линии передачи используется кабель с волновым сопротивлением 240 ом и коэффициентом укорочения 0,8, то размеры согласующего четвертьволнового шлейфа могут быть получены с помощью графиков рис. 1-46. На расстоянии X — 0,04 λ от точек питания антенны подключается незамкнутый отрезок ленточного кабеля длиной 0,21 λ. Так как линия передачи и согласующая схема изготовляются из одного и того же кабеля, то в обоих случаях следует учитывать коэффициент укорочения, равный 0,8. Если рабочая волна имеет длину, равную 207 см, то в этом случае для приведенного выше примера размеры согласующего устройства следующие: длина незамкнутого отрезка кабеля 207 · 0,21 = 43,47 см, а с учетом коэффициента укорочения, равного 0,8, геометрическая длина отрезка равна 43,47 · 0,8 = 35 см; расстояние X = 207 · 0.04 = 8,28 и с учетом коэффициента укорочения геометрическая длина этого отрезка равна 8,28 · 0,8= 6,6 см.
Рассмотренный способ питания антенной решетки имеет тот недостаток, что самый верхний вибратор возбуждается слабее, чем самый нижний вибратор, так как по мере распространения волны по линии часть энергии теряется на излучение. Вследствие сказанного возникает небольшой сдвиг фаз в распределениях токов и напряжений в различных вибраторах, что приводит в большинстве случаев к увеличению вертикального угла излучения и, кроме того, антенна в этом случае имеет чрезвычайно узкую полосу пропускания.
Эти недостатки в питании антенной решетки можно устранить, если питать систему вибраторов посередине, как показано на рис. 10-10.
Как видно из этого рисунка, соединительная линия между вторым и третьим этажами не перекрещивается и все же возбуждение диполей происходит в фазе. Это происходит потому, что в данном случае полуволновая линия с подсоединенной к ее середине линией питания представляет собой параллельное соединение двух четвертьволновых трансформаторов (XX — А и XX — В). Таким образом, четвертьволновый отрезок линии, включенный между точками питания антенны и точками присоединения линии питания, представляет собой четвертьволновый трансформатор, волновое сопротивление которого определяется в зависимости от необходимого коэффициента трансформации сопротивления. Таким образом, антенная система делится на две равные группы, каждая из которых состоит из двух параллельных вибраторов, и каждая группа согласуется с линией питания с помощью четвертьволнового трансформатора. Так как входное сопротивление каждого вибратора равно по 60 ом, а в каждой группе имеется по два вибратора, то входное сопротивление группы равно 30 ом (в точках питания А и В). Это сопротивление нужно трансформировать в сопротивление, равное по величине волновому сопротивлению линии передачи. Так как при этом в точке питания всей антенной системы соединены параллельно два четвертьволновых трансформатора, то при вычислении необходимого волнового сопротивления четвертьволнового трансформатора следует подставлять в формулу удвоенное волновое сопротивление линии передачи. Так, например, если в качестве линии передачи используется ленточный кабель УКВ с волновым сопротивлением 240 ом, то в формулу для вычисления необходимого волнового сопротивления четвертьволнового трансформатора следует подставлять значение 480 ом: $$Z_{тр}=\sqrt{Z_{A}\cdot{2Z}},$$ где Zтр — волновое сопротивление четвертьволнового трансформатора;
ZA — входное сопротивление группы вибраторов;
Z — волновое сопротивление линии передачи. Следовательно для приведенного выше примера: $$Z_{тр}=\sqrt{30\cdot{480}}=\sqrt{14400}=120 ом.$$ По графикам рис. 1-24 выбираются размеры четвертьволновой линии с волновым сопротивлением, равным 120 ом.
В случае, если в точках XX антенна подключена к настроенной линии, то волновое сопротивление отрезков линий XX — А и XX — В не имеет значения и эти линии могут быть изготовлены исходя из чисто механических соображений.
В случае, если число этажей нечетное (3, 5 и т. д. параллельных вибраторов), центральное питание антенной решетки осуществляется еще проще, как показано на рис.10-11.
Низкое входное сопротивление антенны согласуется с волновым сопротивлением линии передачи любой длины с помощью соответствующей трансформирующей схемы (в схеме на рис. 10-11 входное сопротивление равно 60 : 3 = 20 ом). Так как возбуждаемый вибратор разорван посередине, то в этом случае нельзя использовать полностью металлическую конструкцию антенны. Поэтому такую антенную систему обычно крепят на деревянной несущей конструкции на изоляторах, расположенных по возможности ближе к точке питания (минимум напряжения). Длина вибраторов с достаточной точностью может быть рассчитана по формуле $$l[м]=\frac{141}{f[Мгц]}.$$
Точное значение геометрической длины вибратора получается, когда учитывается коэффициент укорочения диполя в зависимости от соотношения длины волны и диаметра проводника вибратора (см. график на рис. 1-7). Следует отметить, что в общую длину вибратора входит и длина разрыва между его половинами. В диапазоне УКВ этот разрыв имеет ширину, равную 1—2 см.
На рис. 10-12 изображен возможный вариант конструкции, использующей только металлические элементы. В этой конструкции полуволновые элементы не разрываются посередине, а крепятся с помощью Т-образных схем, которые позволяют подобрать входное сопротивление вибратора равным величине, удобной для дальнейшего согласования. В этом случае полуволновый вибратор может крепиться посередине к металлической несущей конструкций (минимум напряжения).
Такой способ крепления антенны обычно применяется в заводских антеннах, так как для радиолюбителя довольно трудно определить необходимые размеры Т-образного согласующего устройства, которые обычно определяются в ходе длительного эмпирического подбора.
На практике почти всегда используют сужение диаграммы направленности в вертикальной плоскости за счет расположения полуволновых вибраторов друг над другом и сужение в горизонтальной плоскости за счет линейного расположения полуволновых вибраторов. Такие антенны называются многовибраторными антеннами.