Четырехэлементная двухэтажная антенна. Рассматриваемая антенна собственно не представляет собой многовибраторной антенны, а является всего лишь двумя вибраторами с рефлекторами, расположенными друг над другом, на расстоянии λ/2. Антенна концентрирует излучение в вертикальной и горизонтальной плоскостях и имеет значительное ослабление в обратном направлении. Теоретический коэффициент усиления равен приблизительно 9 дб. Однако в практической работе с такой антенной в диапазоне 2 м измеренное усиление антенны равнялось 10 дб.
Эскиз конструкции такой антенны с необходимыми размерами приведен на рис. 10-22.
Рефлекторы несколько длиннее, чем расчетные $\left(\frac{158000}{f[Мгц]}\right)$, расстояние между рефлекторами и вибраторами 0,15λ для достижения наибольшего коэффициента усиления. Вследствие этого входное сопротивление каждого «этажа» приблизительно 25 ом. Исходя из удобства конструкции, возбуждаемые элементы не разрываются посередине, а крепятся к металлической несущей конструкции (так же, как и рефлекторы). Т-образные цепи подбираются с таким расчетом, чтобы их входное сопротивление было 200 ом. Соединительная линия, изготовленная из двух параллельных металлических трубок, представляет собой два четвертьволновых трансформатора, которые параллельно соединяются в точках XX. Для предыдущего примера их размеры выбираются такими, чтобы трансформировать сопротивление 200 ом в сопротивление 480 ом (удвоенное сопротивление в точках XX), и волновое сопротивление четвертьволнового трансформатора вычисляется по известной формуле: $$Z_{тр}=\sqrt{200\cdot{480}}=310 ом$$
В эталонной антенне трансформаторы были изготовлены из легких металлических трубок диаметром 12 мм и расстояние между центрами трубок равнялось 80 мм. Если для конструкции используются металлические трубки, имеющие размеры, отличные от приведенных выше, то в этом случае расстояние между центрами трубок, необходимое для обеспечения волнового сопротивления 310 ом,определяется по графику на рис. 1-24. Так как сопротивление в точках XX 240 ом, то антенна может непосредственно питаться по ленточному кабелю УКВ. В качестве линии передачи может быть применен и коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 60 ом,если ои подсоединяется к точкам XX через λ/2 петлю, которая одновременно трансформирует сопротивление и симметрирует коаксиальный кабель (см. рис. 1-57). Изображение этой простой, но очень эффективной антенны в горизонтальном и вертикальном положении, а также ее диаграммы направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях приведены на рис. 10-23.
Двенадцатиэлементная многовибраторная антенна
Такая антенна состоит из трех волновых вибраторов с рефлекторами, расположенными на расстоянии λ/2 друг над другом. При оптимальном расстоянии между рефлекторами и вибраторами 0,15λ коэффициент усиления антенны — 11 дб. Концентрация излучения в основном происходит в вертикальной плоскости при относительно узком основном лепестке диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. Эта антенна особенно широко распространена, так как ее входное сопротивление 240 ом, что позволяет питать ее непосредственно по ленточному кабелю с таким же волновым сопротивлением. На рис. 10-24 приведен эскиз антенны с необходимыми размерами для диапазона 2 м (в скобках указаны размеры для диапазона 70 см).
Такая многовибраторная антенна при центральном питании имеет полосу пропускания 15 Мгц, что превосходит полосу любительского диапазона (2 Мгц) во много раз. Соединительные линии между этажами, представляющие собой настроенные линии с электрической длиной, равной λ/2, перекрещиваются, поэтому волновое сопротивление этих линий может выбираться в широких пределах, но диаметр проводников этих линий не должен быть слишком малым, так как в линиях имеются стоячие волны. Приведенные диаметры элементов антенны желательно сохранить без изменений, так как входное сопротивление и длина элементов в большой мере зависят от отношения λ/d. Обычно в случае, когда КСВ равняется приблизительно 1,5, дополнительной регулировкой расстояния между рефлекторами и вибраторами или просто подключением соответствующего четвертьволнового шлейфа добиваются КСВ = 1. Элементы антенны обычно изготовляются из алюминиевых прутьев или из легких металлических трубок. При этом линии связи также рекомендуется изготовлять из алюминиевых проводников диаметром 3—6мм,так как применение медных проводов привело бы к увеличению коррозии в точках контактов между соединительными линиями и элементами антенны. Иногда и элементы и соединительные линии изготовляются из меди. Во всех случаях рефлекторы изготовляются из алюминиевых трубок.
Для рассматриваемой антенны в качестве несущей конструкции очень часто используют деревянные каркасы из хорошо выдержанной древесины, пропитанной льняной олифой (см. рис. 10-25).
Шестнадцатиэлементная многовибраторная антенна
Если к трем этажам двенадцатиэлементной антенны добавить еще один этаж, то мы получим шестнадцатиэлементную антенну (рис. 10-26). Такая антенна при неизменной ширине диаграммы направленности в горизонтальной плоскости имеет еще более узкую диаграмму направленности в вертикальной плоскости с вертикальным углом возвышения порядка 4°.
Линия связи между вторым и третьим этажами А — В не перекрещивается и образует уже известное нам параллельное соединение двух четвертьволновых трансформаторов. Размеры этой линии критичны, так как в точках XX она осуществляет согласование системы излучателей и линии передачи. Если сопротивление в точках XX составляет, как обычно, 240 ом, то линия связи А — В должна быть изготовлена из проводников или трубок с отношением диаметра проводника к расстоянию между проводниками, равном 1 : 18 (при диаметре проводника 3 мм расстояние между проводниками будет 54 мм).В случае, если питание антенны осуществляется с помощью коаксиального кабеля, то это отношение должно равняться 1 : 3. Например, если линия связи, как и сами элементы, изготовлена из 10-мм проводника, то расстояние между центрами проводников соединительной линии должно быть 3 мм. Для симметрирования коаксиального кабеля к точкам XX подключают симметрирующие устройства (см. рис. 1-52—1-56). Кабель и симметрирующая цепь должны быть по возможности расположены перпендикулярно к плоскости антенны, таким образом, чтобы как можно меньше влиять на линию связи А — В. Теоретический коэффициент усиления такой антенны равен 11,6 дб. Так как расстояние между рефлекторами и вибраторами выбрано оптимальным, то можно рассчитывать на еще большее усиление антенны. Указания относительно конструкции, сделанные по отношению к двенадцатиэлементной антенне, справедливы и по отношению к шестнадцатиэлементной антенне (рис. 10-27).
В рассмотренных выше конструкциях антенн расстояние между этажами равнялось λ/2. Это требование было необходимым, так как линии связи между этажами имели фиксированную длину, равную также λ/2. Однако наибольшее усиление многовибраторная антенна имеет в том случае, когда расстояние между параллельными полуволновыми и волновыми вибраторами равно 0,65λ. Это оптимальное расстояние изменяется с увеличением числа этажей следующим образом: 2 этажа — 0,65λ; 3 этажа — 0,75λ; 4 этажа — 0,80λ; 5 этажей — 0,83λ; 6 этажей — 0,88λ; 8 этажей — 0,90λ.
При этом речь идет о приближенном значении расстояний между этажами. Оптимальные расстояния между этажами могут быть подобраны, когда линии связи между ними имеют электрическую длину, равную 1λ. Так как расстояние между этажами меньше 1λ, то соединительная линия между ними может быть расположена двумя способами, показанными на рис. 10-28.
Вариант А крепления соединительной линии имеет то преимущество по сравнению с вариантом Б, что в первом случае двухпроводная линия передачи крепится в точках, отстоящих от места её подсоединения к элементам антенны на λ/4, т. е. в точках минимума напряжения. Во втором случае соединительная линия крепится к несущей конструкции в точке λ/2, т. е. в точке максимума напряжения, и поэтому качество изоляторов должно быть очень высоким. Следует также учитывать коэффициент укорочения волновой линии, который для двухпроводной линии с воздушной изоляцией равен 0,975, а у линии, изготовленной из металлических трубок, — 0,950. В случае, если применяется ленточный кабель УКВ или экранированная двухпроводная линия, то коэффициент укорочения имеет порядок (0,66—0,82), что позволяет располагать соединительные линии непосредственно между этажами без дополнительных креплений. В противоположность полуволновым соединительным линиям соединительные линии длиной 1λ не надо перекрещивать для обеспечения синфазного возбуждения элементов многовибраторной антенны.
При расположении полуволновых вибраторов друг над другом и оптимальном расстоянии между ними входное сопротивление вибратора достигает своего минимального значения. Для волновых вибраторов соотношение изменяется на обратное: при оптимальном расстоянии между этажами наблюдается увеличение входного сопротивления.
Влияние рефлекторов на сопротивление волновых вибраторов в точках питания трудно предсказуемо, так как оно сильно зависит от расстояния от рефлекторов до вибраторов и от их длины. Поэтому входное сопротивление волнового вибратора, определяемое с помощью кривых рис. 1-18, принимается нами только как приблизительное. Дополнительная корректировка входного сопротивления многовибраторной антенны осуществляется не за счет изменения размеров вибраторов и рефлекторов антенны, так как известно, что эти антенны довольно широкополосные, а за счет подключения к точкам питания антенны согласующего устройства, позволяющего получить значение КСВ, близкое к 1.