Согласно рис. 5.61б наибольшее значение усиления коллинеарных антенн достигается при расстоянии между диполями S = (0,3...0,5)λ.
Усиление антенны при изменении числа используемых полуволновых коллинеарных диполей можно определить из табл. 5.8.
| Число диполей, n | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Усиление, дБ | 0 | 1,8 | 3,2 | 4,5 | 5,4 | 6,2 | 6,9 | 7,5 |
Главный лепесток диаграммы имеет форму диска, лежащего в плоскости, перпендикулярной оси антенны (экваториальной плоскости). Чем больше излучающих элементов содержит антенна, тем уже главный лепесток диаграммы. При n > 2 в диаграмме появляются небольшие боковые лепестки. В экваториальной плоскости диаграмма имеет форму круга, которая не зависит от числа элементов излучения. Если такую антенну установить вертикально, то она будет иметь всенаправленное излучение в горизонтальной плоскости. Если не учитывать влияния земли, то основной лепесток диаграммы такой антенны ориентирован под углом θ = 0° в угломестной плоскости. Учет влияния земли можно оценить с помощью графиков, приведенных на рис. 2.47. В данном случае следует считать, что за высоту подвеса антенны над землей принимается половина высоты вертикальной коллинеарной антенны. Для горизонтально расположенной коллинеарной антенны вертикальное сечение ее диаграммы будет таким же, как для полуволнового горизонтального диполя (см. рис. 2.71).
Простейшей коллинеарной антенной является антенна Франклина (рис. 5.62), состоящая из двух полуволновых вибраторов.
Входное сопротивление антенны зависит от отношения d/λ, где d — диаметр провода антенны, а также от высоты подвеса антенны над землей. Входное сопротивление составляет от 1000 до 3000 Ом. Следовательно, антенна должна быть возбуждена с помощью резонансной линии, трансформирующей сопротивление на меньшее, например на 300 Ом.
Добавляя к концам диполя полуволновые отрезки, возбуждаемые через четвертьволновые замкнутые отрезки, получим антенну с большим усилением (рис. 5.62в, г). Если из коллинеарной антенны исключить шлейфы, изменяющие фазу на 180°, а концы вибраторов соединить между собой, та мы получим антенну типа LW.
Для трехэлементной коллинеарной антенны существуют два способа питания: напряжением (см. рис. 5.62в) и током (см. рис. 5.62г). Главный лепесток трехэлементной антенны значительно уже, чем у полуволновой антенны (рис. 5.62д). Еще более узкий лепесток имеет четырехэлементная антенна. Дальнейшее увеличение длины антенны дает меньший прирост усиления.
В антеннах с питанием напряжением (рис. 5.62в, е) входное сопротивление при увеличении числа вибраторов уменьшается с 3000 до 1000 Ом. При питании током (см. рис. 5.62г) для трехэлементной антенны входное сопротивление составляет 300 Ом. Это позволяет использовать симметричную линию питания.
Длина вибраторов l = 0,485λ, а длина шлейфов, выполненных в виде симметричной воздушной линии, lS = 0,242λ. Если шлейфы выполнить из двухпроводной линии в ленточном диэлектрике, то их длина lS = 0,205λ. Если же в качестве шлейфа использовать отрезок коаксиального кабеля, то его длина lS = 0,165λ.
Размещение вибраторов на расстоянии 0,25λ друг от друга несколько увеличивает усиление антенны. Этот эффект достигается путем отгибания половинок шлейфа в разные стороны, что позволяет расположить вибраторы на нужном расстоянии. Токи в обоих отрезках длиной λ/8 противоположны токам в полуволновых диполях, а их амплитуда мала. Такая антенна имеющая длину 5λ/4, называется вытянутой антенной Цеппелина и имеет усиление около 3 дБ, что соответствует усилению трехэлементной коллинеарной антенны. Используя этот принцип, можно построить четырехэлементную антенну, имеющую усиление около 7 дБ (рис. 5.63в). В этой антенне два средних вибратора удлинены (фазовая длина составляет 280°), а крайние удлинены с одной стороны (фазовая длина составляет 230°). Это дает возможность получить расстояние S большее, чем 0,25λ.
Для лучшего согласования с линией питания следует найти соответствующую точку на замкнутой части шлейфа. Питание в эту антенну можно также подавать через замкнутую часть бокового шлейфа.
Устанавливая вертикально коллинеарную антенну, получаем антенну с круговой в горизонтальной плоскости диаграммой направленности, которая имеет большое значение усиления (рис. 5.64).
Выполнение четвертьволновых шлейфов из коаксиального кабеля позволяет получить более компактную конструкцию. Если вибраторы выполнить из полых трубок, то коаксиальные шлейфы можно разместить во внутренней полости вибраторов.