Трехдиапазонная антенна, предложенная радиолюбителем G4ZU, с точки зрения конструкции, простоты настройки и получаемого усиления является, пожалуй, самым простым решением поставленной задачи.
Вибратор
В данной антенне используется способ возбуждения вибратора, который не свойственен прочим антеннам «волновой канал», — возбуждение вибратора по настроенной линии передачи. Чтобы понять принцип действия такой антенны, рассмотрим распределение тока по длине 20 м отрезка двухпроводной линии (см. рис. 7-1).
При длине волны 20 м на линии укладываются две полуволны, при длине волны 15 м на линии укладываются три полуволны, а при длине волны 10 м — четыре полуволны.
Небольшая неточность в размерах, необходимых для получения резонанса в линии, при различных длинах волн устраняется с помощью универсального устройства настройки. Если на верхнем конце линии отогнуть под прямым углом два отрезка линии одинаковой длины, то при этом резонансное распределение токов не изменится, но развернутые отрезки линии образуют симметричный вибратор, излучающий электромагнитные волны (рис. 7-2).
На рис. 7-1 и 7-2 распределение токов приведено несколько неточно: в нижнем конце линии никогда в действительности не имеет место узел тока, но настройка линии может быть проведена при помощи какого-либо устройства настройки линии, и поэтому в целях простоты изображения на рисунках допущена эта небольшая неточность. Из рис. 7-2 видно, что резонанс достигается во всех случаях, несмотря на то что сама развернутая часть линии не настроена на рабочую длину волны. Можно сказать, что часть вибратора «вставлена» в линию передачи. Естественно, при этом следует учитывать уменьшение излучаемой мощности.
На практике трубки, из которых изготовляется вибратор, выбираются равными от 365 до 385 см, и, следовательно, сам вибратор имеет размеры, соответствующие размерам вибратора, работающего на длине волны 15 м. Длина настроенной линии передачи составляет при этом около 16,5 м, и точная настройка в нижнем конце линии получается с помощью настраивающего устройства.
Линия передачи может иметь любое волновое сопротивление, но должна иметь незначительные потери, поэтому здесь используется двухпроводная линия с воздушной изоляцией. Следует учитывать коэффициент укорочения, который равен для двухпроводной линии с воздушной изоляцией 0,82, и, следовательно, длина линии с учетом коэффициента укорочения равна 13,5 м.
Переход от двухпроводной линии к вращающемуся вибратору обычно делают из короткого отрезка ленточного кабеля УКВ с волновым сопротивлением 300 ом. Различные коэффициенты укорочения (ленточный кабель — 0,98, двухпроводная линия с воздушной изоляцией — 0,82) приводят к соответственному изменению электрической длины линии, которое имеет небольшое значение и может быть скомпенсировано при помощи устройства настройки линии.
Зависимость от длины настроенной линии питания в значительной степени устраняется, когда нижний конец линии соединяется с выходным контуром передатчика с помощью симметричного П-образного контура. Этот низкочастотный фильтр служит не только для настройки линии, но и подавляет высшие гармоники рабочей волны.
На рис. 7-3 показан питаемый элемент антенны с его механическим креплением и линией передачи.
При использовании симметричного П-образиого контура длина линии может выбираться произвольно в зависимости от местных условий. Если же устройство настройки имеет вид, изображенный на 7-2, то длина линии должна быть 16 м.
Рефлектор
Рефлектор антенны G4ZU изображен на рис. 7-4, а.Чтобы понять принцип его действия, остановимся немного на теории двухпроводных линий и прямолинейных проводников.
Прямолинейный проводник имеет распределенные по длине индуктивность и емкость, и так как он открыт на концах, то может рассматриваться, как открытый колебательный контур, в случае, если длина проводника равняется λ/2, или кратному числу полуволн.
Незамкнутая двухпроводная линия представляет собой емкость, хотя имеет и некоторую индуктивность. Замкнутая двухпроводная линия представляет собой индуктивность и имеет небольшую емкостную составляющую. Таким образом, незамкнутая двухпроводная линия может быть заменена емкостью, а замкнутая двухпроводная линия — индуктивностью. Эти соображения справедливы в том случае, если длина линий меньше λ/4. В случае резонансной длины линий и при длинах, больших резонансной, указанное выше соотношение меняется на обратное.
В точках XX прямой проводник разрывается (рис. 7-4, а), и к этим точкам подключаются замкнутая двухпроводная линия (индуктивность) и незамкнутая двухпроводная линия (емкость). Так как в точке подключения обе линии соединяются параллельно, то они вместе образуют параллельный колебательный контур.
Соединение колебательных цепей, показанное на рис. 7-4, б, в радиотехнике носит название «многодиапазонного контура». Эта схема имеет резонанс на двух различных частотах. Свойство такой цепи и, следовательно, рефлектора может быть подтверждено измерениями с помощью гетеродинного измерителя резонанса.
При определенных значениях индуктивности замкнутой линии и емкости незамкнутой линии и определенной длине проводников можно получить резонанс на двух заранее заданных частотах.
В приведенном случае рефлектор настраивается на частоты 14 и 21 Мгц. Для этой цели резонансная частота рефлектора должна быть на 5% ниже, чем соответствующая резонансная частота вибратора, и в данном случае первый резонанс рефлектора, измеренный с помощью гетеродинного измерителя резонанса, должен наступать при частоте 13,5 Мгц, а второй — при частоте 20,3 Мгц. Приведенные размеры позволяют довольно точно добиться таких резонансных частот, но все равно требуется подстройка резонансных частот с помощью гетеродинного измерителя резонанса. В диапазоне 10 м описанный рефлектор не работает, но все же его можно рассматривать как пассивный элемент, оказывающий небольшое воздействие на диаграмму направленности.
Директор
Директор имеет такой же внешний вид, как и рефлектор, но его размеры значительно меньше (рис. 7-5).
Эквивалентная схема, приведенная на рис. 7-4, б, справедлива также и для директора. Директор по принципу действия ничем не отличается от рефлектора и работает в качестве пассивного элемента только в диапазонах 21 и 28 Мгц. Резонансная частота, следовательно, должна быть на 4% больше соответствующей резонансной частоты вибратора и должна равняться соответственно 22,15 и 29,90 Мгц.
В диапазоне 14 Мгц такой директор не работает.
Таким образом, антенна G4ZU только в диапазоне 21 Мгц представляет трехэлементную антенну; в диапазоне 14 Мгц работают только два элемента (вибратор и рефлектор), а в диапазоне 28 Мгц можно рассчитывать, что антенна работает почти как трехэлементная антенна «волновой канал».
На рис. 7-6 изображена антенна G4ZU полностью.
В данной конструкции поперечные несущие трубки монтируются на расстоянии 12 см друг от друга и служат одновременно для образования замкнутых отрезков двухпроводных линий для рефлектора и директора. Питаемый элемент изолируется от несущих трубок, как показано на рис. 7-3, а рефлектор и директор непосредственно связаны с несущими трубками. Разумеется, можно использовать деревянную несущую конструкцию, и в этом случае двухпроводные линии изготовляются из трубок, крепящихся на деревянной конструкции. Незамкнутые линии могут либо свободно висеть вниз, либо их можно поместить внутрь полых трубок, где они будут предохранены от воздействия метеорологических условий. Естественно, что настройка в этом случае должна проводиться, когда линии уже находятся внутри трубок.