Глава четвертая. Полуволновый вертикальный вибратор с пассивными элементами

Полуволновый вертикальный вибратор может быть преобразован в двухэлементную направленную антенну путем подключения к нему на расстоянии приблизительно λ/4 рефлектора. Рефлектор — это проводник, длина которого на 5% больше, чем длина вибратора, и который не связан ни с передатчиком, ни с вибратором. Такие элементы антенны называются пассивными. Впервые антенны, использующие несколько пассивных элементов, были описаны в 1926 г. японцами X. Яги и С. Уда и получили распространение под названием антенн «Уда—Яги» (антенны «волновой канал»). Пассивные элементы, имеющие длину, большую чем вибратор, действуют как рефлекторы, так как ток в них опережает по фазе ток в активном вибраторе; пассивные элементы вибратора действуют как директоры, так как ток в них отстает по фазе от тока в активном вибраторе.

Коэффициент усиления антенны в направлении основного излучения зависит от расстояния между вибратором и вторичным элементом (пассивные элементы часто называются вторичными). Из кривых рис. 4-1 видно, каким образом влияет расстояние между элементами антенны на коэффициент усиления.

Рис. 4-1. Максимальное получаемое усиление по мощности при использовании рефлектора или директора в зависимости от расстояния до вибратора.

Входное сопротивление антенны при подключении пассивных элементов значительно уменьшается. Так, например, при включении на расстоянии 0,12λ от полуволнового вибратора директора сопротивление излучения полуволнового вибратора уменьшается до 15 ом.Из графиков (рис. 4-2) могут быть найдены входные сопротивления прямого полуволнового вибратора, используемого в сочетании с рефлектором или директором, в зависимости от расстояния между вибратором и пассивными элементами.

На практике расстояние между вибратором и рефлектором обычно выбирают равным 0,1λ — 0,25λ, а расстояние между директором и вибратором — от 0,10λ до 0,15λ. Хотя двухэлементные антенны обычно состоят из вибратора и рефлектора, иногда используются двухэлементные антенны, состоящие из вибратора и директора. Из рис. 4-1 видно, что с помощью антенны, состоящей из вибратора и директора, может быть достигнуто усиление даже большее, чем при использовании комбинации вибратор — рефлектор, но на практике эта разница обычно не играет большой роли и поэтому в среднем считается, что двухэлементные антенны имеют коэффициент усиления 5 дб.

В случае двухэлементной антенны коэффициент усиления и входное сопротивление могут быть легко определены по приведенным графикам. Более сложным становится определение тех же величин в случае, когда полуволновый вибратор используется совместно с рефлектором и директором. Предполагая, что расстояние между вибратором и рефлектором 0,20λ, по графику рис. 4-3 можно определить коэффициент усиления трехэлементной антенны в зависимости от расстояния между вибратором и директором.

Рис. 4-2. Сопротивление в точках питания полуволнового вибратора с рефлектором или директором в зависимости от расстояния до вибратора.

Резонансная длина вибратора и оптимальные размеры пассивных элементов также зависят от их взаимного расположения. Если предположить, что антенна смонтирована на достаточно большой высоте и таким образом можно пренебречь влиянием земли, то в этом случае оптимальные размеры вибратора и пассивных элементов могут определяться соответственно из рис. 4-4, 4-5 и 4-6. Из рисунков следует, что при небольших расстояниях между элементами их линейные размеры увеличиваются по сравнению с тем, когда расстояния между элементами антенны больше. Рекомендуется во всех случаях, когда это возможно, располагать рефлектор на расстоянии 0,22λ от вибратора, а директор — на расстоянии от 0,15 до 0,25 λ от вибратора. При этом коэффициент усиления приблизительно равен 7 дб, а входное сопротивление имеет относительно большое значение — 40 ом, что облег чает согласование антенны с линией питания. Антенная система с относительно большими расстояниями между вибратором и пассивными элементами несколько менее критична к настройке и имеет относительно широкую полосу пропускания.

Рис. 4-3. Коэффициент усиления трехэлементной антенны при фиксированном расстоянии между рефлектором и вибратором  0,2λ в зависимости от расстояния от директора до вибратора. Рис. 4-4. Длина вибратора трехэлементной антенны «волновой канал» в зависимости от расстояния от вибратора до директора и от вибратора до рефлектора. Рис. 4-5. Длина рефлектора в зависимости от расстояния между рефлектором и вибратором. Рис. 4-6. Длина директора в зависимости от расстояния между директором и вибратором.