10-3. Многовибраторные антенны

Самая простая многовибраторная антенна состоит из двух полуволновых вибраторов, расположенных по одной линии, и двух полуволновых вибраторов, расположенных над ними на расстоянии λ/2 (см. рис. 10-13).

Рис. 10-13. Четырехэлементная антенна.

Эта антенна представляет собой не что иное, как Н-образную антенну, описанную в разделе «Коротковолновые антенны». Два параллельных диполя, расположенных друг над другом на расстоянии λ/2, дают коэффициент усиления, равный 4 дб. Кроме того, следует учитывать, что в каждом «этаже» имеется по два линейно расположенных полуволновых вибратора, возбуждаемых синфазно, и вследствие этого происходит дополнительное увеличение коэффициента усиления на 1,8 дб. Общий коэффициент усиления антенны равен 4 + 1,8 = 5,8 дб (см. табл. 10-1).

Число колинеариых полуволновых вибраторов в одной плоскости

Таблица 10-1. Определение коэффициента усиления многовибраторной антенны
Число параллельных вибраторов (этажей) Число колинеариых полуволновых вибраторов в одной плоскости
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 1,0 1,8 3,4 4,6 5,6 6,5 7,3 7,9 8,3 8,6
2 4,0 5,8 7,4 8,6 9,6 10,5 11,3 11,9 12,3 12,6
3 5,5 7,3 8,9 10,1 11,1 12,0 12,8 13,4 13,8 14,1
4 6,8 8,6 10,2 11,4 12,4 13,3 14,1 14,7 15,1 15,4
5 7,8 9,6 11,2 12,4 13,4 14,3 15,1 15,7 16,1 16,4
6 8,5 10,3 11,9 13,1 14,1 15,0 15,8 16,4 16,8 17,1
7 9,2 11,0 12,6 13,8 14,8 15,7 16,5 17,1 17,4 17,7
8 9,7 11,5 13,1 14,3 15,3 16,2 17,0 17,6 18,0 18,3
9 10,2 12,0 13,6 14,8 15,8 16,7 17,5 18,1 18,5 18,8
10 10,7 12,5 14,1 15,3 16,3 17,2 18,0 18,6 19,0 19,3
11 11,1 12,9 14,5 15,7 16,7 17,6 18,4 19,0 19,4 19,7
12 11,5 13,3 14,9 16,1 17,1 18,0 18,8 19,4 19,8 20,1

Два полуволновых вибратора, расположенных линейно, образуют волновый вибратор, электрические параметры которого отличаются от параметров полуволнового вибратора. Волновый вибратор питается в точке максимума напряжения и, следовательно, его входное сопротивление имеет большое значение и зависит от отношения λ/d (см. рис. 1-18). Коэффициент укорочения такого вибратора также зависит от λ/d и может быть найден по рис. 1-18. Кроме того, входное сопротивление волнового вибратора зависит от ширины разрыва между его половинами и от взаимного расстояния между этажами антенны. Поэтому значение входного сопротивления волнового вибратора, полученное расчетным методом, только приблизительно соответствует действительному значению входного сопротивления. Большое входное сопротивление волнового вибратора упрощает задачу согласования многовибраторной антенны с линией передачи, так как параллельное соединение волновых вибраторов дает значение общего входного сопротивления антенны, позволяющее непосредственное подключение линии передачи к антенне. К недостаткам конструкции многовибраторной антенны следует отнести требование хорошей изоляции волновых вибраторов вблизи точки питания (максимум напряжения). Поэтому следует избегать крепления вибраторов вблизи точки питания к несущей конструкции, так как даже хорошие изоляторы при сырой погоде дают значительные потери. Минимумы напряжения в волновом вибраторе находятся приблизительно на расстоянии λ/4 от его концов, и поэтому желательно крепить вибратор к несущей конструкции именно в этих точках. Однако распределение напряжения по длине волнового вибратора значительно более неравномерное по сравнению с распределением напряжения по длине полуволнового вибратора, и поэтому даже в точках, где теоретически должны быть узлы напряжения, имеется все же некоторое напряжение. Поэтому не рекомендуется применять полностью металлическую конструкцию антенны, и в точках крепления следует использовать изоляторы (вполне подходящими изоляторами могут служить изоляторы из пропитанной древесины).

Коэффициент усиления многовибраторных антенн

Усиление сложной антенны складывается из усилений, даваемых линейно расположенными вибраторами, и усиления, получаемого за счет расположения вибраторов друг над другом в виде «этажей». Теоретически рассчитанный таким образом коэффициент усиления любой многовибраторной антенны может быть определен с помощью табл. 10-1. Приведенные значения коэффициентов усиления относятся к расстоянию между этажами, равному λ/2, при очень небольшом расстоянии между вибраторами, расположенными в одном ряду (ширина разрывов соответствует приблизительно диаметру проводов вибраторов). Коэффициент усиления приведен в децибелах по отношению к коэффициенту усиления, даваемого одиночным полуволновым вибратором. Необходимо только знать число «этажей» и число полуволновых вибраторов, расположенных линейно в ряд.

Например, 5 волновых вибраторов на расстоянии λ/2 друг от друга образуют многовибраторную антенну, состоящую из 5 «этажей» (вертикальный ряд) по два полуволновых вибратора в каждом (горизонтальный ряд), и на пересечении этой строки и колонки получаем искомый коэффициент усиления многовибраторной антенны — 9,6 дб.

Многовибраторные антенны излучают в оба направления, перпендикулярных к плоскости антенны. Располагая на некотором расстоянии от вибраторов рефлекторы, диаграмма направленности может быть сделана односторонней, и при этом коэффициент усиления увеличивается в среднем на 3 дб.

Питание многовибраторных антенн

Сведения, приведенные выше относительно питания расположенных друг над другом горизонтальных полуволновых вибраторов, относятся также и к питанию многовибраторных антенн. При этом следует, однако, учитывать, что входное сопротивление волновых вибраторов высокоомно и, таким образом, в этом случае соотношения сопротивлений меняются на обратные.

Разъясним эти положения на примере. На рис. 10-14 показана многовибраторная антенна, состоящая из 4 этажей по 2 полуволновых вибратора в каждом этаже, возбуждаемых синфазно. Диаметр проводников, из которых изготовлены элементы антенны, равен 20 мм,рабочая длина волны — 207 см. Отсюда отношение (длина волны/диа-метр проводника) равно 2 070 : 20 ≈ 100. По рис. 1-18 в этом случае входное сопротивление каждого вибратора равно приблизительно 900 ом и коэффициент укорочения равен приблизительно 0,87. При этом имеем геометрическую длину волнового вибратора 207 · 0,87 = = 180 см.

Рис. 10-14. Многовибраторная антенна с питанием через нижний вибратор.

Так как каждый вибратор имеет входное сопротивление около 900 ом, а всего их 4 и соединены они параллельно, то в точке Х4 входное сопротивление всей антенны равно 225 ом,так же как и в точках Х3, Х2 и Х1. Таким образом, во всех этих точках можно непосредственно подключить ленточный кабель УКВ с волновым сопротивлением 240 ом и при этом коэффициент стоячей волны не будет чрезвычайно большим.

Если же в качестве линии передачи используется коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 60 ом, то в этом случае следует применить полуволновую петлю, изображенную на рис. 1-57, которая, трансформируя сопротивление в отношении 1 : 4, одновременно осуществляя симметрирование коаксиального кабеля. Если же в точке питания антенны входное сопротивление имеет значение, не позволяющее непосредственного подключения линии питания, то в этом случае следует использовать соответствующие согласующие схемы. При этом особенно желательно, чтобы все вибраторы возбуждались по возможности син-фазно, так как в противном случае, как уже упоминалось выше, диаграмма направленности антенны начинает «косить» вверх, что уменьшает полосу пропускания антенны. На рис. 10-15 изображена многовибраторная антенна с центральным питанием, которая свободна от указанных недостатков.

Рис. 10-15. Многовибраторная антенна с центральным питанием.

Центральное питание обеспечивает более «чистую» диаграмму направленности при одновременном увеличении полосы пропускания антенны. Неперекрещенная соединительная линия между вторым и третьим этажами представляет собой параллельное соединение двух четвертьволновых трансформаторов. Расчет размеров соединительной линии между точками А и В проводится аналогично, как и для антенны, изображенной на рис. 10-10, а именно: $$Z_{тр}=\sqrt{Z_{A}\cdot{2Z}},$$ где Zтр — волновое сопротивление четвертьволновых трансформаторов;

ZA — входное сопротивление антенны;

Z — волновое сопротивление линии питания.

Входное сопротивление в точках А и В равняется 450 ом (2 волновых вибратора с входным сопротивлением 900 ом, соединенных параллельно). Если система должна быть согласована с линией передачи, имеющей волновое сопротивление 240 ом, то $$Z_{тр}=\sqrt{450\cdot{480}}\approx{465} ом.$$

Выполнение такого четвертьволнового трансформатора затруднительно, так как для получения такого волнового сопротивления расстояние между трубками трансформатора должно быть слишком большим и поэтому разрывы между половинами вибраторов следовало бы значительно увеличить, что недопустимо. Поэтому соединительную линию между точками А и В изготовляют исходя из чисто механических соображений, а получаемое в результате входное сопротивление многовибраторной антенны согласуют с линией питания с помощью четвертьволнового согласующего шлейфа. Например, если линия А—В изготовляется из трубок диаметром 20 мм с расстоянием между центрами трубок, равным 40 мм, то по графику рис. 1-24 волновое сопротивление такой линии равно 160 ом: $$160=\sqrt{450X};$$

Таким образом, четвертьволновый трансформатор трансформирует входное сопротивление группы вибраторов в сопротивление 57 ом в точках XX. Так как антенна состоит из двух групп вибраторов, соединенных параллельно, то, таким образом, в точках XX общее входное сопротивление антенны 28 ом. Это сопротивление может быть согласовано с любой линией передачи с помощью незамкнутого четвертьволнового согласующего шлейфа.

Очень практичным способом питания является схема питания, изображенная на рис. 10-16.

Рис. 10-16. Многовибраторная антенна с линией передачи, имеющей широкую полосу пропускания.

В этом случае полностью отказываются от применения четвертьволновых трансформаторов; вместо них между точками XX—А и XX—В включаются полуволновые отрезки линий, которые трансформируют сопротивление в отношении 1:1. Входное сопротивление в точках А и В равно 450 ом; как и в предыдущем случае, два сопротивления по 450 ом в точках XX соединены параллельно и, следовательно, общее сопротивление в этих точках 225 ом. Следовательно, к точкам XX можно присоединить кабель с волновым сопротивлением 240 ом; коэффициент стоячей волны при этом редко будет превосходить 1,5. Из расположения стрелок, указывающих направление токов, видно, что в данном случае нет необходимости в перекрещивании соединительных линий. Волновое сопротивление соединительных линий также не имеет принципиального значения, так как они представляют собой настроенные линии связи. Соединительные линии могут быть изготовлены из двухпроводных линий с воздушной изоляцией или из ленточного кабеля УКВ. Следует только обращать внимание на то, чтобы их электрическая длина была λ/2, т. е. следует принимать во внимание коэффициент укорочения (коэффициент укорочения для двухпроводной линии с воздушной изоляцией равен 0,975, для ленточного кабеля УКВ с волновым сопротивлением 240 ом — 0,80).

Если в точках XX сопротивление не позволяет непосредственно подключить линию передачи, то в этом случае согласование может быть проведено с помощью четвертьволнового согласующего трансформатора или с помощью четвертьволнового согласующего шлейфа. Наиболее оптимальной схемой питания является схема, изображенная на рис. 10-17, так как в этом случае все вибраторы возбуждаются синфазно и полностью симметрично. Диаграмма направленности в этом случае особенно правильная, и, кроме того, достигается широкая полоса пропускания антенны. Большая по лоса пропускания антенны одновременно означает, что ее размеры некритичны.

Такой вид питания позволяет также увеличить расстояние между этажами до 0,7 λ, что приводит к дополнительному увеличению коэффициента усиления. Размеры полуволновых линий связи, приведенные на рис. 10-16, справедливы и в этом случае. Благодаря параллельному соединению линий в точках С1, С2 и XX общее входное сопротивление в точках XX — 225 ом.

Рис. 10-17. Полностью симметричная многовибраторная антенна с широкополосной линией передачи.

В случае, если многовибраторная антенна имеет нечетное число «этажей» (3; 5 и т. д.), то используется схема питания, изображенная на рис. 10-18.

В случае, если в точке питания сопротивление имеет неудобное значение с точки зрения непосредственного подключения линии передачи, то согласование осуществляется с помощью четвертьволнового трансформатора или с помощью четвертьволнового согласующего шлейфа. В данной схеме питания возбуждение всех вибраторов происходит несинфазно, и поэтому, особенно у антенны, имеющей 5 «этажей», происходит искажение диаграммы направленности.

Рис. 10-18. Питание многовибраторных антенн при нечетном числе параллельных вибраторов.

Большие многовибраторные антенны следует разделять на небольшие группы, как показано на рис. 10-19, причем в схеме питания рис. 10-19 должны соблюдаться следующие условия: отдельные группы должны быть совершенно идентичными в механическом и электрическом отношениях, и, таким образом, в точках А, В, С и D входные сопротивления должны быть одинаковыми; линии связи А — XX, ВXX, СXX и DXX должны иметь длину, кратную λ/2 (учитывать коэффициент укорочения!) и быть одинаковыми; так как указанные линии связи не перекрещиваются, то следует следить за тем, чтобы в точках XX (как показано на рис. 10-19) между собой связывались только одинаковые половины вибраторов.

Рис. 10-19. Симметричная схема питания сложной многовибраторной антенны с настроенными соединительными линиями.

При изображенном соединении групп сопротивление в точках XX составляет 1/4 входного сопротивления отдельной группы. В случае, если входное сопротивление в точках А, В, С и D, например, 240 ом,то в точках питания XX сопротивление уже 60 ом. При этом вся система может питаться по коаксиальному кабелю, подключенному к точкам питания совместно с симметрирующим устройством. Разумеется, в случае необходимости к точкам XX может быть подключена соответствующая согласующая схема для согласования многовибраторной антенны с линией передачи.

Линии связи АXX, ВXX, СXX и DXX имеют электрическую длину, кратную λ/2 (2λ/2, 3λ/2 и т. д.; длина, равная λ/2, не используется, так как она слишком мала). Линии связи представляют собой настроенные линии, поэтому их волновое сопротивление не играет существенной роли.

При соблюдении указанных выше правил таким же образом можно осуществлять питание значительно больших по своим размерам и числу элементов многовибраторных антенн. Однако можно предложить и другой вариант питания многовибраторной антенны по согласованным линиям передачи, как показано на рис. 10-20.

Расположение отдельных групп вибраторов такое же, как и в схеме на рис. 10-19. Согласованные соединительные линии Z1,

Рис. 10-20. Схема питания сложной многовибраторной антенны с согласованными линиями передачи.

Z2, Z3 и Z4 могут иметь любую длину, однако длина всех линий должна быть одинаковой. Кроме того, должны выполняться следующие требования: отдельные группы вибраторов должны быть совершенно одинаковыми по механическим и электрическим параметрам, и, следовательно, в точках подключения к ним соединительных линий А, В, С и D входные сопротивления групп должны быть равными; волновое сопротивление линий связи Z1, Z2, Z3 и Z4 должно в точности соответствовать входным сопротивлениям в точках А, В, С и D или должно быть согласовано с ними с помощью соответствующих согласующих устройств; соединительные линии не перекрещиваются, и поэтому следует обратить особое внимание на то, чтобы в точках XX (как показано на рис. 10-20) соединялись между собой только одноименные половины вибраторов.

Так как в точках XX параллельно соединяются четыре одинаковые симметричные линии, то входное сопротивление всей системы в этих точках составляет 1/4 волнового сопротивления используемых соединительных линий.

Если, например, отдельные группы в точках А, В, С и D имеют входные сопротивления каждое по 240 ом и к ним подсоединены линии Z1, Z2, Z3 и Z4 любой длины с волновым сопротивлением 240 ом, то в точках XX общее входное сопротивление системы будет 60 ом.Такое входное сопротивление допускает непосредственное подключение к многовибраторной антенне 60-омного коаксиального кабеля с симметрирующим устройством. Входное сопротивление антенной системы можно также трансформировать к любой величине с помощью четвертьволнового трансформатора. Например, если для питания антенны также используется линия с волновым сопротивлением 240 ом, то для того, чтобы согласовать входное сопротивление антенны, равное 60 ом, с такой линией необходимо между точками XX и линией питания включить четвертьволновый трансформатор с волновым сопротивлением $$Z_{тр}=\sqrt{60\cdot{240}}=120 ом.$$

На практике для этого обычно используют экранированную, симметричную двухпроводную линию с волновым сопротивлением Z = 120 ом. Учитывая величину коэффициента укорочения, геометрическая длина согласующего трансформатора должна быть λ/4 · 0,65.

Используя комбинации описанных выше методов питания многовибраторных антенн с использованием настроенных соединительных линий, согласованных соединительных линий и четвертьволновых трансформаторов, можно осуществлять синфазное и симметричное питание больших многовибраторных антенн.