Антенны с большим числом пассивных элементов широко применяются в диапазоне коротких волн в качестве направленных излучателей. Однако в диапазоне УКВ применение их в качестве приемных антенн радиовещательных станций УКВ, телевизионных антенн, а также в качестве антенн для радиолюбительских диапазонов еще шире. Такое предпочтение, оказываемое антеннам «волновой канал», связано с тем, что при незначительных конструктивных расходах и небольшой занимаемой площади эти антенны дают чрезвычайно большие коэффициенты усиления. Если, например, сравнивать антенну «волновой канал» и многовибраторную антенну с одинаковым числом элементов, то антенна «волновой канал» при меньших размерах и меньшем расходе конструктивных материалов дает больший коэффициент усиления (однако это лишь теоретически; практически же это превосходство невелико).
Длина и расстояние пассивных элементов от вибратора сильно влияют на входное сопротивление и коэффициент усиления антенны «волновой канал». Обычно рефлектор выбирается на 5% длиннее, чем-излучатель, а первый директор — на 5% короче. В случае, если антенна имеет несколько директоров, их длина уменьшается по мере удаления от вибратора; так, например, 1-й директор на 5% короче излучателя, 2-й — на 6%, 3-й — на 7% и т. д. У антенн «волновой канал», имеющих большое число директоров, их длину часто выбирают одинаковой.
В случае, если антенна состоит из вибратора и только одного рефлектора или директора, то определение получаемого коэффициента усиления и входного сопротивления антенны довольно просто (см. рис. 4-1 и 4-2). Но уже в случае трехэлементной антенны входное сопротивление и коэффициент усиления зависят от двух переменных — расстояния вибратор — директор и расстояния вибратор — рефлектор. При этом входное сопротивление антенны может уменьшится до 10 ом при оптимальном, с точки зрения получения максимального коэффициента усиления, расстоянии между элементами. Такое понижение входного сопротивления антенны крайне нежелательно, так как оно сопровождается уменьшением полосы пропускания антенн, увеличением тока, протекающего по элементам антенны (а следовательно, при недостаточно толстых и плохо проводящих проводниках и к увеличению потерь), и, кроме того, возникают дополнительные трудности согласования антенны с линией передачи. Поэтому обычно отказываются от достижения наибольшего коэффициента усиления в пользу получения достаточно большого входного сопротивления антенны.
Антенны «волновой канал» с большим числом элементов не могут иметь точно заранее рассчитанных электрических параметров, так как все элементы взаимно связаны и незначительное изменение длины или расстояния до хотя бы одного элемента меняет электрические свойства всей системы. Поэтому настройка антенны «волновой канал» всегда проводится методом «проб и ошибок» и при тщательном осуществлении, несмотря на значительные затраты времени, всегда приводит к желаемым результатам.
Для вибратора с подключенными к нему пассивными элементами справедливы следующие правила: а) длина пассивных элементов определяет реактивную составляющую их сопротивления и, следовательно, их действие или в качестве директора или в качестве рефлектора; б) чем меньше расстояния между вибратором и пассивными элементами, тем меньше входное сопротивление антенны, причем это явление сильнее выражено у директора; в) чем меньше расстояния между элементами антенны и чем больше пассивных элементов используется в антенне, тем уже ее полоса пропускания; г) при подключении дополнительных директоров увеличивается концентрация излучения в прямом направлении и, следовательно, увеличивается коэффициент усиления, а при подключении дополнительного рефлектора (помимо основного) выигрыша в коэффициенте усиления не получается; д) в диапазоне УКВ обычно длина рефлектора выбирается на 6% больше длины вибратора, а длина первого директора — на 5% короче длины вибратора; последующие директоры имеют длину на 1% меньше длины предыдущего директора; е) последовательное уменьшение длины директоров применяется для подавления нежелательных боковых лепестков диаграммы направленности. Преимущественно, однако, в антеннах «волновой канал» обычно выбирается одинаковая длина всех директоров (в случае, если их число достаточно велико), что несколько увеличивает полосу пропускания антенны, не уменьшая ее коэффициента усиления; ж) длина всей конструкции антенны «волновой канал» определяет коэффициент усиления, даваемый антенной. Коэффициент усиления при одинаковой длине антенны остается постоянным независимо от расстояния между отдельными директорами. Это утверждение верно только для расстояний между директорами, меньших чем 0,4λ, если же расстояние между директорами превосходит указанное расстояние, то коэффициент усиления антенны резко уменьшается. Уже начиная с расстояния 0,3λ коэффициент усиления начинает уменьшаться, но это уменьшение может быть скомпенсировано за счет включения первого директора на расстоянии 0,1λ от вибратора (так называемый стартовый элемент), благодаря чему связь между директорами и вибратором ослабляется незначительно. При расположении стартового элемента на расстоянии 0,1λ от вибратора расстояние между всеми прочими директорами выбирается обычно равным 0,33λ; з) наиболее оптимальным расстоянием между рефлектором и излучателем является расстояние, равное 0,25λ. При таком выборе расстояния требуется, однако, до подключения директоров отрегулировать длину рефлектора на максимальное показание измерителя напряженности поля в направлении прямого излучения; и) антенна «волновой канал» может быть настроена или на максимум излучения в прямом направлении, или на наибольшее ослабление излучения в обратном направлении. Следует учитывать, что эти две настройки не совпадают и настройка на максимальное ослабление в обратном направлении значительно критичнее.
Ниже описываются конструкции антенн «волновой канал», наиболее часто применяемых в практике. При добросовестном изготовлении этих антенн в соответствии с приведенными ниже размерами и указаниями они обычно хорошо работают без особой дополнительной настройки.
Трехэлементная антенна «волновой канал»
Самая простая антенна «волновой канал» в цельнометаллическом исполнении показана на рис. 10-29, она имеет входное сопротивление 240 ом и дает усиление 6—7 дб.
Приведенные размеры соответствуют любительскому диапазону 2 м. Однако размеры антенны (мм) могут быть пересчитаны для любого диапазона УКВ по следующим приближенным формулам;
длина рефлектора $\frac{149400}{f[Мгц]}$;
расстояние вибратор — рефлектор $\frac{62500}{f[Мгц]}$;
длина вибратора $\frac{142000}{f[Мгц]}$;
расстояние вибратор — директор $\frac{55000}{f[Мгц]}$;
длина директора $\frac{135000}{f[Мгц]}$;
длина Т-образной схемы согласования $\frac{68900}{f[Мгц]}$.
Эталонная антенна имеет элементы диаметром 12 мм (некритичный размер). Размеры элементов приведены для случая, когда антенна крепится на металлической траверсе диаметром 20 мм. В случае, если используются элементы антенны очень большого диаметра или несущая конструкция деревянная, все элементы антенны следует немного укоротить. В случае же, если в качестве несущей траверсы используется металлическая труба большого диаметра, следует незначительно увеличить длину элементов антенны. Однако, вообще говоря, рассматриваемая антенна достаточно широкополосная для того, чтобы в приведенных выше случаях можно было обходиться и без корректировки приведенных размеров антенны.
На рис. 10-29, б показано согласование несимметричного коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 60 ом с рассматриваемой антенной. Длина полуволновой петли равна λ/2×k (коэффициент укорочения) и составляет 680 мм.
На рис. 10-30 изображена смонтированная антенна и приведена ее диаграмма направленности.
Девятиэлементная антенна «волновой канал». Такая антенна уже является антенной с большим коэффициентом усиления, достигающим значения 10—11 дб, и антенной, имеющей узкую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. Полоса пропускания антенны достаточно большая и позволяет работать в диапазоне 144—146 Мгц без заметного уменьшения мощности. На рис. 10-31 изображена схема антенны с размерами для диапазона 2 м.
Эта антенна также может быть сконструирована для любого другого диапазона, если рассчитать ее элементы (мм) по формулам:
длина рефлектора $\frac{152500}{f[Мгц]}$;
длина вибратора $\frac{141600}{f[Мгц]}$;
1-й директор $\frac{132100}{f[Мгц]}$;
2-й директор $\frac{130700}{f[Мгц]}$
3-й директор $\frac{128500}{f[Мгц]}$
4-й директор $\frac{126300}{f[Мгц]}$
5-й директор $\frac{124200}{f[Мгц]}$
6-й директор $\frac{122000}{f[Мгц]}$
7-й директор $\frac{120500}{f[Мгц]}$
расстояние вибратор — рефлектор $\frac{75000}{f[Мгц]}$;
расстояние вибратор — директор и директор — директор $\frac{30000}{f[Мгц]}$;
внутренний размер Т-образной схемы согласования $\frac{1200}{f[Мгц]}$;
Ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости равна приблизительно 40° (см. рис. 10-32).
Существует много вариантов Исполнения многоэлементной антенны «волновой канал», отличающихся друг от друга числом элементов, видом или способом питания излучателя и т. п. Точное согласование антенны с линией передачи определяется всегда экспериментально. Очень часто в качестве излучателя используют шлейфовый вибратор, так как в этом случае увеличивается входное сопротивление антенны и несколько увеличивается полоса пропускания. В приведенных выше конструкциях такие вибраторы не использовались, исходя из чисто механических соображений, поскольку шлейфовый вибратор не позволяет осуществлять дополнительную регулировку, а размеры Т-образной схемы согласования могут изменяться в широких пределах. Входное сопротивление антенны, равное 240 ом, имеет то преимущество, что в этом случае линию питания, изготовленную из ленточного кабеля УКВ с волновым сопротивлением, равным 240 ом, можно непосредственно подключать к точкам питания.
Кроме того, в этом случае при помощи полуволновой петли можно согласовать и симметрично подключить к антенне несимметричный коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 60 ом.