Простейшим примером такой системы является антенна, состоящая из набора полуволновых диполей, расположенных в одной плоскости. Антенну такого типа описал в 1926 г. С. Уда (Япония) и популяризировал его коллега X. Яги. Поэтому ее и называют антенной Уда — Яги или антенной Яги.
В диполе, находящемся в электромагнитном поле, индуцируется ток, амплитуда которого зависит от электрической длины диполя. Часть энергии, излученной одним диполем и перехваченной другим диполем, не имеющим потерь, вновь переизлучается. Таким образом, результирующее поле состоит из поля прямого излучения и поля переизлучения.
Если диполь нагружен на сопротивление R0, равное сопротивлению излучения, то половина энергии передается в нагрузку, а половина излучается. Такой диполь называют вибратором. Любой диполь имеет собственное сопротивление потерь. Поэтому мощность, как передаваемая в нагрузку, так и переизлучаемая, меньше половины мощности, перехваченной диполем.
Основные принципы построения пассивных элементов целесообразно рассмотреть с позиции приема электромагнитной волны. Предположим, что электромагнитная волна, возбужденная отдаленным источником (рис. 5.84), достигает сначала пассивного диполя и индуцирует в нем ток. Волна, вызвавшая появление тока в пассивном диполе, распространяется дальше и, достигнув вибратора, также наводит в нем ток. Ток, наведенный в вибраторе, будет протекать через сопротивление нагрузки. Ток, который протекает в пассивном элементе, создает собственное поле, называемое вторичным (рис. 5.84б). Вторичное поле распространяется точно так же, как поле излучения обычного диполя. Это поле также достигает вибратора, размещенного на расстоянии S от пассивного элемента, и так же, как и первичное поле, наводит в нем ток.
Если оба поля приходят к вибратору в фазе, то наведенные ими токи складываются алгебраически, что эквивалентно увеличению усиления принятого сигнала.
Если вторичное поле имеет сдвиг по фазе на угол φ относительно первичного поля, то и токи, наведенные этими полями, также будут иметь между собой фазовый сдвиг φ. Следовательно, оба тока складываются геометрически. В этом случае усиление будет меньше, чем в случае, когда фазы токов совпадали между собой.
Таким образом, усиление зависит от фазовых соотношений между токами, которые, в свою очередь, определяются как длиной элементов, так и их взаимным расположением. Чем ближе к вибратору находится пассивный элемент, тем сильнее его влияние на результирующее поле и наведенный в вибраторе ток. Однако существует граничное расстояние, при переходе через которое сближение пассивного элемента и вибратора приводит к падению усиления, что иллюстрируется графиком на рис. 5.85. Из этого графика следует, что дополнительное усиление антенны, состоящей из вибратора и пассивного элемента, длина которого подобрана так, чтобы первичное и вторичное ноля совпадали по фазе, зависит от расстояния между элементами. Теоретически дополнительное усиление может достигать 6 дБ, но из-за наличия потерь практически удается получить несколько меньший выигрыш в усилении.
В рассмотренном случае дополнительное усиление антенны было получено за счет размещения пассивного элемента, называемого директором, перед вибратором относительно источника излучения Если же теперь пассивный элемент (директор) будет находиться за вибратором, то результирующее поле в месте расположения вибратора уменьшится, что эквивалентно падению усиления антенны. Диаграммы, приведенные на рис. 2.52, иллюстрируют однонаправленность характеристики излучения такой антенной системы Эффективность подавления излучения в обратном направлении характеризуется параметром F/B.
Теперь рассмотрим возможность повышения усиления антенны при расположении пассивного элемента (рефлектора) за вибратором относительно источника излучения (рис. 5.86а и б). Электромагнитная волна после прохождения «через» вибратор достигает рефлектора и наводит в нем ток. Этот ток наводит вторичное поле. Если определенным образом подобрать длину рефлектора, то можно добиться совпадения фаз токов, наведенных в вибраторе как прямой, так и вторичной волнами. Отметим, что в данном случае в направлении от вибратора к рефлектору оба поля будут взаимно компенсировать друг друга.
Так как длина директора несколько меньше половины длины волны, то его можно рассматривать как емкостный контур, в котором ток опережает напряжение. Рефлектор же несколько длиннее половины длины волны и поэтому его можно рассматривать как индуктивный контур, в котором ток отстает от напряжения.
Необходимо иметь в виду, что приближение пассивного элемента к активному изменяет сопротивление излучения последнего Rизл и, следовательно, его входное сопротивление RA. Влияние сближения диполей на входное сопротивление показано на рис. 5.87. Отметим, что приведенные данные соответствуют оптимальной длине пассивного элемента. Одновременное использование двух пассивных элементов — и директора, и рефлектора — в еще большей степени скажется на изменении входного сопротивления вибратора.
Сопротивление потерь вибратора Rпот, который выполнен в виде тонкого провода, в диапазоне достаточно длинных волн (более 40 м) может составлять несколько Ом, что уже сравнимо с сопротивлением Rизл. Так, например, при S = 0,1λ Rизл составляет примерно 14 Ом. Поэтому КПД такой антенны не очень велик. Для его повышения следует использовать провода с большим сечением. Для диапазонов 20; 15 и 10 м с этой целью с успехом используют алюминиевые трубки диаметром 20...50 мм. Диполи, выполненные из таких трубок, можно крепить к несущим конструкциям в их центре, что позволяет избежать применения концевых изоляторов, которые приводят к дополнительным потерям и должны сохранять работоспособность при достаточно высоком уровне напряжения на сравнительно высоких частотах.
Взаимное влияние элементов приводит к изменению не только сопротивления излучения, но и резонансной частоты.
Если вибратор, длина которого выбрана так, чтобы он находился в резонансе, приблизить к директору, длина которого несколько меньше λ/2, то получим эффект укорочения вибратора. В этом случае, чтобы восстановить резонанс, следует несколько удлинить вибратор. Противоположный эффект наблюдается при приближении к вибратору рефлектора, длина которого превышает λ/2. В этом случае для получения резонанса следует несколько укоротить вибратор.
Влияние изменения расстояния между элементами на усиление антенны, ее характеристики направленности и сопротивление излучения рассмотрим на относительно простом примере, когда пассивный элемент имеет ту же длину, что и вибратор. Выводы, вытекающие из данного рассмотрения, пригодны и для анализа более сложной антенны.
На рис. 5.88а приведены графики изменения дополнительного усиления по направлениям А и В при изменении расстояния между активным и пассивным элементами. Эти данные приведены для случая, когда длины обоих элементов одинаковы, а сами элементы не имеют потерь. Из графика, соответствующего направлению А, видно, что наибольшее усиление достигается, когда расстояние между вибратором и директором S = 0,1λ. Дополнительный выигрыш в усилении составляет около 5,8 дБ. При увеличении расстояния между вибратором и директором дополнительное усиление падает, а потом становится отрицательным, что свидетельствует об уменьшении усиления антенны по сравнению с усилением одиночного вибратора.
Если пассивный элемент рассматривать как рефлектор (направление В), то при малых расстояниях между элементами (S < 0,1λ) дополнительное усиление падает, при больших расстояниях (S > 0,1λ) увеличивается. Чтобы избежать падения усиления при больших значениях расстояния S, необходимо пассивный элемент, выступающий в роли директора, несколько укоротить, а пассивный элемент, выступающий в роли рефлектора, удлинить.
Отметим, что увеличение расстояния S между элементами антенны приводит к росту сопротивления излучения Rизл, что, в свою очередь, обусловливает рост КПД антенны.
Необходимую длину директора и рефлектора при заданном расстоянии между данным пассивным элементом и вибратором можно определить, пользуясь графиками, приведенными на рис. 5.88б и в. Эти графики соответствуют двухэлементной антенне, реализующей наибольшее усиление.
Отметим, что длины пассивных элементов можно выбирать с позиций оптимизации по другим параметрам антенны, например с целью получения максимального отношения F/B, требуемого усиления в основном и противоположном направлениях или достижения большей широкополосности антенны. Как правило, конструируют антенну, в которой достигается компромисс между этими достаточно противоречивыми требованиями.
Из графиков на рис. 5.88а следует, что при расстоянии S = 0,14λ и одинаковой длине вибратора и пассивного элемента антенна является двунаправленной, но имеет повышенное значение усиления (около 4 дБ). Уменьшая расстояние S до 0,1λ, получаем в одном направлении (A) выигрыш в усилении, а отношение F/B в этом случае составляет 5 дБ. При дальнейшем уменьшении расстояния S до 0,05λ усиление в направлении А уменьшается и составляет только 2 дБ, зато существенно падает усиление антенны в направлении В. В этом случае отношение F/B = 19 дБ.
На практике двухэлементной антенне расстояние S обычно выбирается равным 0,1λ, а длину пассивного элемента подбирают так, чтобы максимально подавить прием антенны с заднего направления. Отметим, что КПД такой антенны в значительной степени определяется толщиной используемых диполей.
Если же отношение F/B не является самым важным параметром разрабатываемой антенны, то расстояние S выбирают в пределах 0,15...0,25λ. Максимизация усиления антенны в этом случае достигается подбором длины пассивного элемента. Такой подход к выбору параметров антенны продиктован следующими соображениями: при достаточно большом расстоянии между активным и пассивным элементами входное сопротивление антенны достаточно велико, что приводит к росту КПД разрабатываемой антенны. Надо иметь в виду, что увеличение расстояния между элементами антенны приводит к увеличению ее габаритных размеров. Так, например, для диапазона 40 м, для которого длина элементов составляет около 20 м, расстояние S, при котором реализуется максимальное значение КПД, равно 10 м, тогда как расстояние S, которое соответствует отношению F/B = 19 дБ, равняется лишь 2 м. Поэтому изготовить антенну с большим отношением F/B легче, чем антенну с меньшими потерями. Следует еще отметить, что подбор длины пассивного элемента для регулировки отношения F/B очень легко осуществляется на практике, так как зависимость отношения F/B от длины пассивного элемента имеет ярко выраженный резонансный характер.
Схема двухэлементной антенны, выполненной в виде вибратора и директора, дает несколько лучшие результаты, чем схема антенны с пассивным элементом в виде рефлектора. Поэтому на практике первая из схем получила большее распространение Настройка директора на максимум усиления позволяет получить в этой антенне усиление около 5 дБ по сравнению с полуволновым диполем, а отношение F/B составляет только 5,5 дБ. Незначительное укорочение директора приводит к незначительному падению усиления (до 4 дБ), а отношение F/B увеличивается до 17 дБ. В этой антенне подбором расстояния S можно получить или максимальное значение усиления, или максимальное отношение F/B (рис. 5.89).
Диаграмма направленности двухэлементной антенны достаточно существенно зависит от расстояния S и длины пассивного элемента, что иллюстрируется графиками, приведенными на рис. 5.90. Эти диаграммы сняты радиолюбителем с позывными W3GAU как для горизонтальной, так и для вертикальной плоскостей. В частности, из приведенных диаграмм (рис. 5.90а) видно, что при увеличении длины пассивного элемента направление максимального излучения антенны может измениться на противоположное (кривые А и D).
Широкополосность антенн типа Уда—Яги может быть рассмотрена с самых различных позиций, например с точки зрения:
- полосы частот, в которой усиление будет больше некоторого условного уровня;
- полосы частот, в которой отношение F/B будет не ниже некоторого заданного уровня;
- полосы частот, в которой коэффициент стоячей волны в питающем тракте будет не больше заданного значения.
Последний критерий достаточно часто используют при определении широкополосности антенны. График изменения входного сопротивления при изменении частоты для некоторой антенны приведен на рис. 5.91. Надо сказать, что широкополосность антенны, задаваемая уровнем коэффициента стоячей волны, зависит от добротности антенны Q. Добротность антенны, у которой расстояние между элементами мало, велика, и поэтому ширина рабочей полосы, в которой уровень коэффициента стоячей волны сравнительно невысок, весьма мала. Так, например, для двухэлементной антенны, расстояние между элементами которой S = 0,075λ, ширина рабочей полосы на уровне КстU < 3 составляет только 3%. Отметим, что в данном случае во всем диапазоне отношение F/B не хуже, чем 10 дБ. При увеличении расстояния S до 0,25λ добротность антенны уменьшается, ширина полосы увеличивается, а отношение F/B уменьшается (см. рис. 5.89).
Двухэлементная антенна с пассивным элементом в виде рефлектора обладает несколько иными свойствами. Наибольшее отношение F/B = 16 дБ достигается при S = 0,2λ. Одновременно в данном случае входное сопротивление возрастает до 72 Ом, а добротность антенны Q равна 4,7. Эти данные относятся к антенне, элементы которой характеризуются отношением l/d = 300. Уменьшая это отношение, например, за счет увеличения диаметра диполей, можно еще несколько снизить добротность антенны и тем самым увеличить ее широкополосность.