В последние годы при экспериментировании с различными конструкциями антенн «волновой канал» было установлено, что антенны, имеющие большую протяженность несущей траверсы, могут давать очень большие коэффициенты усиления. Так, например, тринадцатиэлементная антенна «волновой канал» для частоты 145 Мгц при распределении ее элементов по длине 7 м несущей траверсы (приблизительно 3,5λ) имеет коэффициент усиления несколько больше 16 дб.Такое большое усиление может быть получено также при использовании многовибраторных антенн или антенн «волновой канал», расположенных в несколько этажей, но при этом их конструкция и схема питания значительно сложнее. Поэтому для получения большого усиления (почти в 40 раз по мощности) в последнее время радиолюбители все чаще используют антенны «волновой канал» с большим числом элементов.
Большой коэффициент усиления антенны «волновой канал» с большим числом элементов достигается за счет значительного уменьшения полосы пропускания антенны; это одновременно означает, что размеры антенны очень критичны.
Для лучшего понимания свойств антенны «волновой канал» с большим числом элементов ее параметры подробно описываются ниже.
Полоса пропускания
В случае если антенна «волновой канал» с большим числом элементов настроена на частоту 145 Мгц и КСВ в линии передачи равен 1, то при возбуждении антенны на частоте 144 Мгц КСВ в линии передачи будет равен 1,7. Если же антенна будет возбуждаться на частоте 146 Мгц, то КСВ будет равен 2,5. Сказанное означает, что свойства антенны при частотах выше резонансной ухудшаются быстрее, чем при частотах ниже резонансной. Этот факт разъясняется графиком, приведенным на рис. 10-33.
Таким образом, резонансная частота антенны находится не как обычно посередине рабочего диапазона частот, а ближе к высокочастотному концу диапазона. Для антенны «волновой канал» с большим числом элементов, предназначенной для работы в диапазоне 144—146 Мгц, при допустимых величинах КСВ резонансную частоту надо выбирать равной (учитывая график на рис. 10-33) 145,5 Мгц. Естественно, что в этом случае каждый раз следует обдумать, не лучше ли настроить антенну на рабочую частоту передатчика при соответственном ухудшении КСВ при приеме в высокочастотном конце диапазона. Из графика рис. 10-34 можно найти полосу пропускания антенны в процентах от резонансной частоты в зависимости от длины несущей траверсы антенны.
В антеннах «волновой канал» с большим числом элементов элементы обычно изготовляются из проводников, имеющих минимальный, с точки зрения прочности конструкции, диаметр. Чем больше диаметр элементов антенны, тем меньше получаемое усиление. Тонкий проводник вследствие небольшой поверхности обладает небольшой емкостью, но одновременно имеет большую индуктивность и, следовательно, имеет большое отношение L/C (см. рис. 1-6, а и 1-6, б). Поэтому такой элемент сравним с узкополосным резонансным колебательным контуром. Элемент, имеющий больший диаметр проводника, соответственно имеет меньшее отношение L/C и, следовательно, обладает менее ярко выраженными резонансными свойствами, что в данном случае эквивалентно уменьшению усиления антенны. Для уменьшения потерь за счет поверхностного эффекта поверхность тонких проводников должна обладать хорошей проводимостью. Если диаметр элемента равен 3 мм (наиболее подходящий диаметр для диапазона 2 м), то элемент может быть выполнен из медных или алюминиевых трубок, если же используется меньший диаметр проводников, то их поверхность должна быть посеребрена (например, если используются велосипедные спицы в качестве элементов антенны).
Для уменьшения потерь желательно, чтобы толщина серебряного покрытия была по возможности больше. При покрытии элементов серебром отпадает необходимость в дополнительной защите поверхности элементов от воздействия погоды, в то время как поверхности алюминиевых или медных элементов следует покрывать защитным лаком. Для этой цели используется бесцветный лак с хорошими изоляционными свойствами и небольшой диэлектрической постоянной.
Коэффициент усиления антенны
Коэффициент усиления антенны «волновой канал» в первую очередь зависит от длины несущей траверсы. Как уже упоминалось выше, это большое усиление достигается за счет значительного сужения полосы пропускания антенны. Число элементов и их взаимные расстояния также влияют на коэффициент усиления, но имеют второстепенное значение. По кривой рис. 10-35 можно определить коэффициент усиления антенны в децибелах в зависимости от длины несущей траверсы антенны.
Взаимные расстояния между пассивными элементами и их линейные размеры
Наилучшие результаты достигаются, когда первый директор располагается относительно близко к вибратору. Для всех следующих директоров, вплоть до пятого, расстояние постепенно увеличивается, а для последующих директоров оптимальное расстояние составляет 0,39λ. Ниже приведены оптимальные расстояния между первыми пятью директорами (λ): вибратор — 1-й директор 0,08; 1-й директор — 2-й директор 0,09; 2-й — 3-й — 0,09; 3-й — 4-й — 0,20; 4-й — 5-й — 0,39. Расстояния между всеми следующими директорами равно 0,39λ.
Расстояние между рефлектором и вибратором некритично и обычно выбирается равным 0,15—0,25λ. Оно в незначительной степени влияет на входное сопротивление антенны и на длину самого рефлектора.
Длина рефлектора выбирается обычно несколько больше половины длины волны, и затем, осторожно уменьшая его длину, добиваются максимального подавления обратного излучения. Обратное ослабление на резонансной частоте достигает 30—40 дб. Следует отметить, что практика показала, что для получения максимального коэффициента усиления антенны следует выбирать одинаковые длины директоров при приведенных выше расстояниях между ними. Если же длины директоров постепенно уменьшаются (что характерно для обычных антенн «волновой канал»), то в этом случае коэффициент усиления несколько уменьшается, но одновременно увеличиваются обратное ослабление и полоса пропускания антенной системы. Уменьшение длин последующих директоров на 3% от длины волны дает относительно большую полосу пропускания антенны при уменьшении коэффициента усиления. Можно пойти на компромисс и укорачивать длины директоров на 1,5% длины волны. Если же предполагать, что все директоры имеют одинаковую длину, то длина директоров в зависимости от отношения λ/d и числа директоров может быть определена из кривых рис. 10-36. Указанные размеры справедливы только в том случае, когда директоры изолированы от несу щей траверсы. В случае, если директоры механически связаны с несущей траверсой, их следует удлинить приблизительно на 2/3 диаметра траверсы.
Длина вибратора выбирается такой же, как и у вибратора обычной антенны «волновой канал», однако линейные размеры его в данном случае более критичны к изменениям вследствие узкополосности антенной системы. Поэтому при расчете длины вибратора рекомендуется учитывать влияние отношения λ/d (см. рис. 1-7) и, кроме того, в случае цельнометаллической конструкции удлинять размеры вибратора на 2/3 диаметра несущей траверсы.
Входное сопротивление
Входное сопротивление антенны «волновой канал» с прямолинейным вибратором и большим числом пассивных элементов обычно лежит между 5 и 20 ом. Эта величина зависит в основном от расстояний между вибратором и первыми директорами и вибратором и рефлектором. Чем дальше располагаются директоры от излучающего элемента, тем меньше их влияние на входное сопротивление антенны. Начиная с шестого директора, можно подключать большое число дополнительных директоров без дальнейшего уменьшения входного сопротивления антенной системы. Для облегчения согласования антенны с линией передачи часто излучатель изготовляют в виде шлейфового вибратора, имеющего различные диаметры верхнего и нижнего проводников (см. рис. 1-15). К сожалению, с помощью шлейфового вибратора нельзя осуществлять дополнительное согласование антенны с линией, и поэтому для получения точного согласования часто приходится использовать дополнительно подключаемый согласующий четвертьволновый шлейф.
Более рационально использовать прямолинейный вибратор с Т-образной согласующей схемой для согласования с линией передачи.
В случае, если антенна питается при помощи несимметричного коаксиального кабеля, применяется γ-образная согласующая схема.
В обоих случаях можно получить небольшое значение КСВ в линии, изменяя положение точек подсоединения согласующего устройства к вибратору.
Описываемую антенну рекомендуется изготовлять цельнометаллической. В качестве несущей траверсы антенны можно использовать дюралевую трубку диаметром от 20 до 40 мм или тонкостенную стальную трубку, покрытую антикоррозийным составом. Элементы антенны, изготовленные из твердой меди, следует припаять к несущей траверсе. Ниже приводится несколько практических примеров конструкции антенны «волновой канал» с большим числом элементов.
Девятиэлементная антенна «волновой канал»
Антенна, показанная на рис. 10-37, рассчитана на диапазон 2 м, имеет длину, равную 2λ, и дает коэффициент усиления 13,6 дб. Резонансная частота антенны равна 145 Мгц, и, следовательно, антенна наиболее эффективно работает в низкочастотной части диапазона. Ширина диаграммы направленностй В горизонтальной плоскости примерно равна 25°, величина обратного ослабления 20 дб.
Диаметр пассивных элементов должен быть не больше 6 мм.На рис. 10-37 изображена также Т-образная схема согласования, позволяющая согласовать антенну с линией передачи, имеющей волновое сопротивление 240 ом. В точки питания XX можно также подключить полуволновую петлю из коаксиального кабеля для согласования антенны с несимметричным коаксиальным кабелем, волновое сопротивление которого 60 ом (эта же схема осуществляет дополнительно и симметрирование коаксиального кабеля). Для получения точного согласования в незначительных пределах меняют расстояния между первыми директорами антенны. Расстояние между первыми директорами и вибратором — наиболее критичный размер антенны.
Десятиэлементная антенна «волновой канал» с большой длиной несущей траверсы
Данная антенна имеет несколько уменьшенные расстояния между элементами по сравнению с антенной, рассмотренной выше, и поэтому имеет несколько меньшую длину. Эта антенна может рассматриваться как переходная от антенн «волновой канал» к антеннам «волновой канал» с большой длиной несущей траверсы. Длина антенны равна 1,6λ, а коэффициент усиления 12,5 дб.
Приведенные размеры справедливы в том случае, когда в качестве несущей траверсы используется металлическая трубка диаметром 20 мм. Эта антенна, так же как и девятиэлементная антенна «волновой канал», может согласоваться с линией передачи с помощью Т-образной схемы согласования. На рис. 10-38, однако, изображен шлейфовый вибратор с различными диаметрами проводников, повышающий входное сопротивление антенны в достаточной степени, чтобы можно было непосредственно подключать к антенне лиции передачи с волновым сопротивлением 240 ом. Точное согласование достигается путем перемещения первых директоров антенны.
Антенна «волновой канал» с длиной 3,5λ позволяет получать коэффициент усиления около 16 дб, что соответствует 40-кратному усилению по мощности при одинаковых линейных размерах всех директоров. Размеры этой антенны приведены ниже.
Тринадцатиэлементная антенна с большой длиной несущей траверсы и одинаковыми директорами
Длина антенны 3,5λ, директоры имеют одинаковые размеры, а коэффициент усиления равен 16 дб. Для резонансных частот 144, 145 и 146 Мгц длины рефлекторов соответственно равны 1 041, 1 035 и 1 027 мм, длины директоров (одинаковы для всех) — 935, 927, 919 мм. Диаметр всех пассивных элементов ≤ 3 мм. Несущая траверса антенны — трубка диаметром 32 мм, длина ее 7,20 м. Вид излучателя: шлейфовый вибратор с различными диаметрами проводников (см. конструкцию десятиэлементной антенны на рис. 10-38). Размеры шлейфового вибратора: толстый проводник — диаметр 12 мм, длина 978 мм; тонкий проводник — диаметр 3 мм, расстояние между обоими элементами 25 мм. Расстояния между пассивными элементами: вибратор — рефлектор — 483 мм; вибратор — 1-й директор — 178 мм; 1-й директор — 2-й директор — 190 мм; 2-й — 3-й — 190 мм; 3-й — 4-й — 406 мм; 4-й — 5-й — 813 мм; расстояния между всеми остальными директорами равно 813 мм.
Сопротивление в точке питания приблизительно 240 ом. Точное согласование антенны с линией передачи производится с помощью изменения расстояний между первыми директорами и вибратором. Излучатель может быть изготовлен также в виде прямолинейного вибратора длиной 990 мм с Т-образной схемой согласования.
Тринадцатиэлементная антенна «волновой канал» с большой длиной несущей траверсы и постепенно уменьшающимися длинами директоров
Длина антенны 3,5λ, резонансная частота 145,5 Мгц, коэффициент усиления 16 дб.
Диаметр несущего элемента антенны длиной 7,2 м равен 35 мм,излучатель — прямолинейный вибратор с Т-образной схемой согласования. Антенна может работать в диапазоне 144—146 Мгц с допустимыми значениями КСВ. Получение минимального значения КСВ достигается путем регулировки размеров Т-образной схемы согласования.
Длины элементов (в мм): рефлектор — 1044,5; вибратор — 993,0; 1-й директор — 950,0; 2-й — 946,0; 3-й — 943,0; 4-й — 936,5; 5-й — 930,5; 6-й — 924,0; 7-й — 918,0; 8-й — 911,0; 9-й — 905,0; 10-й — 898,5; 11-й — 892,0.
Расстояния между элементами (мм): вибратор — рефлектор — 508; вибратор — 1-й директор — 178; 1-й директор — 2-й директор — 190; 2-й директор — 3-й директор — 191; 3-й директор — 4-й директор — 406 мм; 4-й директор — 5-й директор — 813 мм; расстояние между всеми прочими директорами 813 мм.
Антенна для диапазона 2 м имеет длину почти 10 м и коэффициент усиления, равный приблизительно 17,5 дб (56-кратное усиление по мощности). Размеры этой антенны приведены ниже.
Пятнадцатиэлементная антенна для диапазона 2 м
Длина антенны 4,5λ, коэффициент усиления 17,5 дб. Длины элементов (мм):рефлектор — 1029,0; 1-й директор — 940,0 мм; 2-й — 936,5 мм; 3-й — 924,0 мм; 4-й — 917,5 мм; 5-й — 911,0 мм; 6-й — 905,0 мм;7-й — 898,5 мм; 8-й — 892,0 мм; 9-й — 886,0 мм; 10-й — 880,0 мм;11-й — 873,0 мм; 12-й — 867,0 мм и 13-й директор — 854,0; вид излучателя — шлейфовый вибратор с различными диаметрами проводников. Размеры вибратора; проводник с большим диаметром — диаметр 12 мм, длина 984 мм; тонкий проводник, разорванный посередине, имеет диаметр 3 мм, расстояние между элементами 25 мм. Расстояния между элементами (мм): вибратор — рефлектор — 438; вибратор — 1-й директор — 178; 1-й директор — 2-й директор — 292; 2-й — 3-й — 560; 3-й — 4-й — 813; расстояния между всеми остальными директорами 813 мм. Диаметр проводов всех пассивных элементов — не больше 3 мм.Несущая траверса антенны: металлическая трубка диаметром 38— 40 мм, длиной 9,75 м.
Точное согласование может быть достигнуто за счет перемещения первых директоров относительно вибратора.
Двадцатичетырехэлементная антенна «волновой канал» подвесной конструкции (DJ4OB)
Конструкция такой антенны, имеющей длину 16 м, и коэффициент усиления больше чем 17 дб была предложена радиолюбителем DJ4OB. Элементы антенны крепятся, как показано на рис. 10-39, на двух перлоновых канатиках диаметром 1,5 мм, имеющих длину 16 м каждый и расположенных на расстоянии 400 мм друг от друга. Перлоновые канатики крепятся к деревянным планкам, которые подвешиваются на несущих мачтах.
Все директоры и рефлектор антенны изготовляются из легких металлических трубок или прутков диаметром 3 мм и крепятся к канатикам с помощью коротких отрезков провода или перлоновыми нитками. Можно также просверлить в трубках отверстия диаметром 1,8 мм в соответствующих местах и продеть через них перлоновые канатики.
Излучатель представляет собой шлейфовый вибратор с толстым непрерывным проводником диаметром 8 мм и длиной 998 мм (медная или алюминиевая трубка). На расстоянии 60 мм от него располагается нижний тонкий, разорванный посередине элемент шлейфового вибратора, изготовленный из проводника диаметром 2 мм. Сопротивление такого шлейфового диполя в 6,3 раза больше, чем входное сопротивление полуволнового вибратора (см. рис. 1-15) и равно 240 ом. Следовательно, в случае использования полуволнового вибратора входное сопротивление антенны будет 38 ом.
Все прочие размеры конструкции антенны могут быть определены из рис. 10-39. Антенна крепится между двумя мачтами, причем мачта, расположенная в направлении основного излучения, должна по возможности быть изготовлена из дерева. Если местные условия не позволяют укрепить такую антенну, то можно удалить несколько директоров, незначительно уменьшая тем самым коэффициент усиления антенны. При этом входное сопротивление антенны обычно увеличивается также незначительно и требуется только небольшое изменение расстояния между директорами.
Такая антенна с увеличенной длиной антенного полотна в основном применима в качестве антенны с большим коэффициентом усиления для проведения связей в диапазоне 2 м только в одном направлении. Она обладает очень узкой полосой пропускания и острой диаграммой направленности.
Различные расстояния между элементами антенны были определены радиолюбителем DJ4OВ в ходе длительного эксперимента, целью которого было получение максимального излучения в основном направлении. При конструировании антенны рекомендуется несколько изменять расстояния между элементами, одновременно осуществляя контроль по индикатору напряженности поля.