3.7.2. Поворотные направленные антенны

Поворотная направленная антенна позволяет: максимум диаграммы направленности направлять на корреспондента, при необходимости ослаблять помеху, направив на нее один из глубоких минимумов диаграммы направленности.

Простыми в изготовлении, надежными в эксплуатации и позволяющими получить хорошие характеристики направленности являются антенны «волновой канал». Такая антенна представляет собой несущую траверсу, на которой укреплены полуволновые диполи (рис. 3.28). На один из них подается напряжение питания, а остальные являются пассивными элементами. Необходимое соотношение фаз токов в диполях волнового канала достигается подбором расстояний между элементами их длин. По расположению относительно активного элемента пассивные носят название рефлекторов и директоров. Рефлекторы располагаются за активным элементом, а директоры перед ним. Использование более чем одного рефлектора в радиолюбительской практике крайне редко, число директоров может быть достаточно велико.

Простота изготовления и высокая надежность антенн типа «волновой канал» обусловлены тем, что они могут быть выполнены в виде цельнометаллической конструкции — элементы крепятся к металлической траверсе точно по их центру, где напряжение равно нулю и никакой изоляции не требуется.

Питание активного элемента цельнометаллической антенны осуществляется с помощью у- или fi-согласователей, схемы и конструкция которых показаны на рис. 3.29 и 3.30. Эти устройства обеспечивают согласование симметричного диполя — активного элемента антенны— с несимметричным коаксиальным кабелем. [5-согласователь содержит только один подстроеч-ный конденсатор С1, который компенсирует индуктивное сопротивление петли питания диполя. Подбор величины связи осуществляется перемещением подвижной перемычки. Q-согласо-ватель имеет фиксированную длину петли связи с диполем, и связь регулируется конденсатором С2. Конденсатор С1, как и в -у-согласователе, компенсирует индуктивность петли связи.

Рекомендуемые данные для у- и Я-согласователей приведены в табл. 3.6, где указаны их характеристики для диапазонов 10, 15, 20, 30 и 40 м. Уже на диапазоне 40 м создать радиолюбителю достаточно надежную антенну «волновой канал» чрезвычайно трудно, а для более длинноволновых диапазонов — невозможно. Приведенные в табл. 3.6 диаметры труб активных элементов антенн «волновой канал» предполагают их изготовление из твердого алюминиевого сплава (например, Д16Т) при толщине стенок 1,5 .. 2 мм. Антенны для диапазонов 10 и 15 м можно выполнить из элементов одинакового диаметра. На более длинноволновых диапазонах целесообразно сделать элементы составными: на диапазоне 20 м из двух диаметров труб (32 в центре диполя, 26 мм на его концах), а на диапазонах 30 и 40 м целесообразно аналогично применить два-три диаметра труб для диполей.

Для предотвращения разрушения элементов антенн типа «волновой канал» из-за их вибраций под влиянием ветра внутрь труб следует свободно уложить пеньковую (очень шероховатую) веревку толщиной около 1/3 внутреннего диаметра самой тонкой из труб элемента антенны. Трение этой веревки о стенки труб антенны исключают возникновение «флаттера».

Простейшей антенной «волновой канал» является 2-элементиая. Лучшие результаты у такой антенны можно получить при использовании пассивного элемента, работающего в качестве директора (рис. 3.31). Рекомендуемые данные антенны (рис. 3.31) приведены в табл. 3.7. Толщина стенок траверсы 2 ... 2,5 мм.

Диаметр труб, из которых изготавливаются диполи, соответствуют диаметрам активного элемента, приведенным в табл. 3.6. Двухэлементная антенна «волновой канал», выполненная в соответствии с табл. 3.6 и 3.7, не требует регулировки размеров элементов и расстояния между ними. После установки антенны необходимо только отрегулировать у-или £2-согласо-ватель до получения минимума КСВ в кабеле (для питания антенны можно применить коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50, 75 или 100 Ом).

Рассмотренная антенна дает усиление около 5 дБ и обеспечивает отношение вперед-назад около 15 дБ и вперед-вбок около 30 дБ.

Значительно лучшие характеристики имеет 3-элементная антенна «волновой канал» (рис. 3.32). Следует отметить, что с увеличением числа элементов у антенн «волновой канал» дополнительный выигрыш в основной характеристике (усилении) растет достаточно заметно при переходе от двух элементов к трем, а уже появление четвертого и последующих элементов такого заметного увеличения не дают. Поэтому 3-элементная антенна «волновой канал» наиболее популярна у радиолюбителей-коротковолновиков.

Рекомендуемые размеры 3-элементных антенн «волновой канал» приведены в табл. 3.8.

Для придания прочности траверсе она растягивается через подпорку над активным элементом (рис. 3.32). Высота подпорки 0,5 ...1 м. Растяжка разбивается на три — четыре изолированных отрезка. Как и 2-элементная, 3-элементная антенна «волновой канал», выполненная точно по рекомендуемым размерам, требует после установки только регулировки согласования.

Полноразмерный 3-элементный волновой канал (с размерами в соответствии с табл. 3.8) имеет усиление до 8 дБ, отношение вперед-назад — до 25 дБ, вперед-вбок — около 40 дБ.

Еще более высокие характеристики имеют антенны «волновой канал» с большим числом элементов. Хорошо зарекомендовавшие себя на практике 4-и 5-элементные антенны этого тина для диапазона 20 м имеют размеры:

Большой интерес представляет изготовление на одной траверсе антенн «волновой канал» на несколько диапазонов. Пример такой антенны показан на рис. 3.33. На антенне «волновой канал» на диапазоне 20 м, выполненной точно по табл. 3.8, дополнительно установлены антенны на диапазоны 10 и 15 м. Для этого в точке крепления директора установлена подпорка высотой 1260 мм, в точке крепления активного элемента — высотой 1340 мм, а в точке крепления рефлектора — высотой 1420 мм. Над активным элементом натянут диполь длиной 2X2,5 м (центр его соединен с распоркой, а концы отсечены изоляторами). Он является рефлектором антенны на диапазон 10 м и директором антенны на 15 м. Активный элемент антенны диапазона 10 м растянут над директором и имеет длину 2-2,13 м. Активный элемент диапазона 15 м растянут над рефлектором и имеет длину 2x3 м. Питание активных элементов 10 и 15 м диапазона выполнено простым подключением коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом (основная антенна на 20 м питается по отдельному кабелю через Й-согласователь). При указанных размерах антенны КСВ в кабелях питания атенны диапазона 10 м не более 1,25 в полосе 28 000—28 700 кГц и возрастает до 1,8 на частоте 29 700 кГц. В кабеле питания антенны диапазона 15 м КСВ может быть до 1,35. Направление излучения антенн диапазонов 10 и 15 м совпадает с направлением излучения основной антенны. Отношение вперед-назад около 10 дБ, вперед-вбок - около 30 дБ. В описанной конструкции введение антенн 10 и 15 м диапазона не ухудшает электрических характеристик основной антенны и одновременно улучшает ее механическую прочность.

Устанавливать на одну траверсу антенны диапазонов 20 и 10 м нельзя, так как элементы антенны диапазона 20 м, резонируют и на диапазоне 10 м. А вот совместить таким образом антенны на диапазоны 10 и 15 или на 15 и 20 м можно. На рис. 3.34 приведена антенна, совмещающая 5-элементный волновой канал на диапазон 20 м с 4-элементным волновым каналом на диапазон 15 м Считая от левого (по рис. 3.34) конца антенны, элементы имеют следующие размеры: 3-й директор на 20 м — 9,46 м, 2-й директор на 15 м - 6,31 м, 2-й директор на 20 м — 9,55 м, 1-й директор на 15 м — 6,51 м активный элемент на 15 м — 6,76 м, 1-й директор на 20 м — 9,73 м, рефлектор на 15 м—7,11 м, активный элемент на 20 м — 10,2 м, рефлектор на 20 м - 10,84 м. Расстояние между элементами, начиная с 3-го директора на 20 м: 2,57; 1,29; 1,31; 1,7; 0,65; 1,45; 1,6 и 3,66 м.

На рис. 3.35 приведена антенна, совмещающая 4-элементный волновой канал на диапазон 15 м и 3-элементный — на 10 м. Считая от левого (по рис. 3.35) конца антенны, элементы имеют следующие размеры: 2-й директор на 15 м — 6,46 м, 2-й директор на Юм — 4,88 м, 1-й директор на 15 м — 6,57 м, активный элемент на 10 м — 5,12 м, активный элемент на 15 м — 6,9 м, рефлектор на 10 м — 5,19 м и рефлектор на 15 м — 7,38 м. Расстояние между элементами, считая от 2-го директора на 15 м: 0,95; 0,95; 0,56; 0,915; 1,03 и 1,03 м.

Как и обычные горизонтальные диполи, антенны «волновой канал» для работы с дальними корреспондентами должны быть подняты на достаточно большую высоту - минимальное расстояние от антенны до проводящей поверхности (крыши, земли) 0,5 к, но действительно хорошие результаты получаются при увеличении высоты до к.

Необходимость очень высоко поднимать поворотную направленную антенну отпадает при выполнении ее элементов в виде замкнутых контуров, образующих двухэтажные антенны с хорошей диаграммой направленности в вертикальной плоскости. Простейшая из таких антенн — квадрат (рис. 3.36). Оптимальная высота подъема ее центра над проводящей поверхностью 0,5 к.

Антенна типа «квадрат» представляет собой два полуволновых диполя, части которых, каждая длиной 0,25 X, расположены горизонтально, а оставшиеся части отогнуты под прямым углом и соединены между собой, обеспечивая фазирование диполей для максимального излучения вдоль горизонта. В горизонтальной плоскости «квадрат» имеет такую же характеристику, как и обычный диполь; вдоль плоскости «квадрат» излучения отсутствует, перпендикулярно его плоскости оно максимально и одинаково в обоих направлениях. При показанном на рис. 3.36 питании «квадрата» он изучает электромагнитные волны с горизонтальной поляризацией. Иногда используют «квадраты» с питанием посередине вертикальной части (конструктивно это менее удобно). Такая антенна будет иметь вертикальную поляризацию.

Одноэлементные антенны типа «квадрат» иногда применяются радиолюбителями в качестве эффективных антенн на длинноволновые диапазоны. На диапазонах 10, 15 и 20 м широко используются многоэлементные «квадраты», имеющие однонаправленную диаграмму в горизонтальной плоскости. Очень хорошие результаты достигаются уже при применении только двух квадратов — радиолюбители называют такую антенну «двойной квадрат» (рис. 3.37),— ее можно выполнить и для диапазона 30 м. Квадраты антенн, представленные на рис. 3.37, и 3.36, отличаются разворотом рамки на 45°. Это никак не отражается на характеристиках антенны.

«Двойной квадрат» имеет наилучшие характеристики при использовании второго элемента в качестве рефлектора. Элементы «двойного квадрата» выполняют из медного (можно изолированного, что улучшит его стойкость к воздействию атмосферы) провода диаметром 2,5 ... ... 3 мм. Распорки элементов должны быть выполнены из изоляционного материала. Для этого радиолюбители с успехом используют бамбуковые палки, сосновые шесты. Можно выполнить распорки и из металлических труб, разбив горизонтальные распорки изоляторами на 4—5 равных частей. У всех металлических распорок на концах должны быть установлены изоляторы.

Питание активного элемента двойного квадрата производится коаксиальным кабелям с волновым сопротивлением 75 Ом. Кабель необходимо разместить в вертикальной плоскости, проходящей через ось антенны.

Оба элемента двойного квадрата (рис. 3.37) имеют одинаковые размеры. Для того, чтобы второй элемент работал рефлектором, он удлинен отрезком двухпроводной линии регулируемой длины.

Рекомендуемые размеры антенн «двойной квадрат» приведены в табл. 3.9.

Для настройки антенны «двойной квадрат» ее необходимо развернуть рефлектором на мощный источник сигнала с горизонтальной поляризацией (например, на антенну ближайшей любительской радиостанции). К выходу кабеля подключают приемник, имеющий S-метр, который настраивают на частоту контрольного сигнала. Перемычку регулировочной линии перемещают до достижения минимума показаний S-метра.

После настройки рефлектора целесообразно проверить КСВ в фидере. Он должен иметь минимум (обычно при значении КСВ не более 1,5) на центральной частоте рабочего диапазона. Если минимум КСВ смещен, необходимо изменить общую длину активного элемента. После этого необходимо снова уточнить настройку рефлектора. Хорошо отрегулированная антенна «двойной квадрат», центр которой поднят над проводящей поверхностью не менее чем на 0,5 А,, имеет усиление при проведении дальних связей до 10 дБ (т. е. лучше, чем трехэлементный волновой канал), ослабление излучения назад 15 ... 20 дБ, вбок 30 ...40 дБ. Еще более высокие характеристики имеют трехэлементные квадраты. Выбор размеров и регулировка таких антенн дело очень сложное — настройка пассивных элементов влияет на активный элемент и друг на друга.

 

Можно уверенно рекомендовать для повторения тройной квадрат для диапазона 20 м (рис. 3.38), отработанный и длительное время с успехом эксплуатировавшийся известным советским коротковолновиком А. Ф. Камалягиным (UA4IF).

Активный элемент и директор антенны UA41F не имели peг улировочных элементов, так как их длина была тщательно подобрана: общая длина активного элемента 21, 48 м, директора — 20,8 м. Рефлектор имел общую длину 22,2 м и подстраивался двухпроводной линией длиной 0,4 м. Питание активного элемента кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом.

Показанная на рис. 3.38 высота антенны над крышей меньше 0,5 к Но это конструктивный размер, так как антенна была установлена над крышей из непроводящего материала.

Антенны с элементами типа «квадрат» можно сделать многодиапазонными. Так как элементы одного назначения разных диапазонов легко при этом расположить в разных плоскостях, влияние антенн одного диапазона на другой оказывается значительно меньшим, чем у антенн «волновой канал» с расположением всех элементов на общей траверсе. Удобная конструкция антенны «двойной квадрат» на диапазоны 10,15 и 20 м приведена на рис. 3.39.

Каждая из антенн (рис. 3.29) имеет размеры, соответствующие табл. 3.9. Все активные элементы питаются отдельными коаксиальными кабелями, каждый рефлектор настраивается своей регулировочной линией. Конструктивно 3-диапазонная антенна «двойной квадрат» выполнена на восьми изоляционных распорках, скрепленных в центре на жестком металлическом креплении. Такая антенна оказывается достаточно прочной при дополнительной ее растяжке между концами распорок изоляционным шнуром (или проводом, разбитым через 1 м изоляторами).

Антенны из элементов типа «квадрат» получили свое развитие в антеннах из элементов измененной формы. Элементы такой антенны можно выполнить в виде треугольников. Хотя при равной общей длине проводника элемента площадь квадрата больше, чем у треугольника, эффективность антенн, выполненных из треугольных элементов, практически такая же, как и у выполненных из квадратных. Антенна «двойной треугольник» изображена на рис. 3.40. Ее достоинство в том, что она полностью выполнена из труб и проводов без применения изоляционных несущих материалов. Оба элемента антенны рис. 3.40 представляют собой равносторонние треугольники. Верхние горизонтальные стороны этих треугольников изготовлены из провода диаметром 3 ... 5 мм, остальные — из труб, жестко укрепленных на концах металлической траверсы. Диаметры труб элементов и траверсы такие же, как рекомендованные для двухэлементной антенны «волновой канал». Данные -у-согласователей должны соответствовать табл. 3.6. Рекомендуемые размеры антенны «двойной треугольник» приведены в табл. 3.10.

В отличие от антенны «двойной квадрат», «двойной треугольник» (рис. 3.40) не имеет элемента настройки рефлектора и отношение усиления вперед-назад определяется только точностью выполнения размеров элементов антенны.

Y-согласователь регулируется по минимуму КСВ на середине рабочего диапазона частот. Для питания антенны «двойной треугольник» с "у-согласователем можно использовать коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50, 75 или 100 Ом.

Еще одна модификация антенны «двойной квадрат» с исключением изоляционных распорок — антенна «птичья клетка». Во всех известных пособиях но антеннам для радиолюбителей размеры этой антенны приведены ошибочно; из-за сильного влияния элементов антенны друг на друга (участки с максимальными токами активного элемента и директора расположены в непосредственной близости) для нормальной работы общая длина рамок должна быть существенно больше величины X, которая указывается в описаниях этой антенны.

На рис. 3.41 приведена конструкция антенны «птичья клетка» для диапазона 20 м. Антенна выполнена из вертикальной трубы диаметром 80 мм и высотой 12,2 м. Сверху этой трубы и на высоте 7 м над основанием с помощью текстолитовых стержней укреплены по четыре дюралевые трубки диаметром 20 мм. Длина изолирующих отрезков текстолита по 40 мм. В плане между трубами диаметром 20 мм углы равны 90°. Концы этих труб соединены медными проводами диаметром 3 мм. Наверху трубы, отходящие от вертикальной трубы, соединены попарно перемычками так, что образуются два рамочных элемента, согнутых под углом 90°. Горизонтальные трубки поддерживаются сверху растяжками. Один из этих элементов питается снизу коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 50 Ом, а другой настраивается как директор с помощью конденсатора с максимальной емкостью 250 пФ.

При точной настройке директора отношение усиления вперед-назад достигает 25 дБ. Антенна «птичья клетка», выполненная в соответствии с рис. 3.41, имеет более узкую диаграмму в горизонтальной плоскости, чем антенна «двойной квадрат». Но, в отличие от последней, имеет два паразитных лепестка в заднем направлении, расположенных симметрично между направлениями «назад» и «вбок». Ослабление усиления в этих лепестках по сравнению с усилением вперед — около 7 дБ