Вертикальная направленная антенна

© Владимир Поляков (RA3AAE) г. Москва
    KB ЖУРНАЛ N 5, 1998г.

Задача создания направленной антенны с вертикальной поляризацией не так проста, как представляется на первый взгляд. Казалось бы, повернул элементы обычного бима (волнового канала) вертикально, и все в порядке, но возникает вопрос крепления такой антенны к мачте. На УКВ можно вынести несущую траверсу вбок от мачты, в направлении излучения, но подобная антенна оказывается несбалансированной механически и требует для своего крепления очень толстой и прочной мачты. Пропадают главные достоинства вертикальных антенн — малые размеры по горизонтали, легкость и простота установки. Но об этом несколько позже, а сначала надо остановиться на выбранной концепции вертикальной направленной антенны. Желание сконструировать простую и легкую антенну заставило обратиться к конструкции ZL-бима, содержащего всего два элемента с активным питанием и имеющего очень малые размеры в длину порядка L/8... L/10. В то же время коэффициент направленного действия (КНД) этой антенны довольно значителен и эквивалентен, как указывают в литературе, КНД трехэлементного бима с пассивными элементами. Та же самая идея используется и в "швейцарском квадрате", тоже отличающимся очень хорошими параметрами и еще большим КНД. Поэтому принцип действия этих антенн заслуживает внимательного анализа, что мы сейчас давайте и проделаем.

Возьмем два гипотетических точечных излучателя S1 и S2, расположенных на расстоянии d, как показано на рис. 1 сверху. Мощность передатчика пусть делится между излучателями поровну, поэтому и амплитуды полей, создаваемых излучателями, будут одинаковыми. А вот фазы возбуждения излучателей должны быть разными, чтобы получить направленное излучение. Для начала рассмотрим простейший случай, когда d = V4, а питание излучателей осуществляется в квадратуре, т.е. сдвиг фазы подаваемых на них колебаний составляет 90° . На векторной диаграмме (в среднем ряду, в середине) колебания излучателей изображены векторами s1 и s2. Угол ф соответствует дополнительному до 180° фазовому сдвигу колебаний. Условимся также, фазовый набег (отставание фазы) при распространении волны на какое-то расстояние учитывать вращением вектора по часовой стрелке на соответствующий угол. Так, например, волна, прошедшая путь в четверть волны, приобретет фазовый набег 90°. Рассмотрим излучение системы вправо, причем фазы волн будем измерять непосредственно около излучателя S2 (при дальнейшем распространении направо обе волны от двух излучателей приобретут одинаковый набег фазы, и фазовое соотношение между их колебаниями не изменится). Соответствующая векторная диаграмма показана в среднем ряду справа. Колебание s2 не изменится, а колебание s1 приобретет фазовый набег 90° пройдя путь L/4. В результате волны окажутся противофазными и излучения в эту сторону не будет. При распространении волн в левую сторону от излучателей вектор s1 останется в прежнем положении, а вектор s2 повернется на 90° по часовой стрелке, поскольку волна от излучателя s2 пройдет путь L/4. Векторная диаграмма колебаний около излучателя s1 показана на рис.1 в среднем ряду слева. Видно, что волны от излучателей S1 и S2 складываются в фазе и суммарное колебание приобретает удвоенную амплитуду.

Точно таким же образом можно найти поле излучения и в других направлениях. Для более образного представления можно считать, что на рис.1 сверху показан вид в плане на две штыревые антенны S1 и S2. Такая система из двух штырей будет обладать диаграммой направленности, близкой к кардиоиде. Максимум излучения будет направлен влево, а нуль излучения — вправо. В боковых направлениях (вверх и вниз на рисунке) система тоже будет излучать, и довольно значительно, поскольку в этих направлениях будут складываться две квадратурные волны. Несколько повысить остроту диаграммы направленности можно, располагая излучатели S1 и S2 ближе друг к другу, например, на расстоянии L/8. Векторные диаграммы для этого случая показаны в нижнем ряду на рис. 1. Исходя из того, что излучение вправо, как и прежде, должно отсутствовать, определяем сдвиг фазы колебаний излучателей. Он должен составлять Зп/4 или 135°, как показано на векторной диаграмме в центре нижнего ряда. Тогда при излучении вправо вектор колебаний s1 повернется на угол п/4 или 45° , и окажется в противофазе с вектором s2 (смотри векторную диаграмму в нижнем ряду справа). При излучении же в левую сторону вектора s1 и s2 уже не будут синфазными, а окажутся в квадратуре, и результирующая амплитуда поля уже не удвоится, как в предыдущем случае, а будет всего в 1,41 раз больше поля каждого из излучателей (векторная диаграмма слева). Излучение вбок тоже будет меньше, так как в этих направлениях складываются близкие к противофазным поля. Расстояние между излучателями можно сделать и еще меньше, но для получения однонаправленного излучения угол , дополняющий сдвиг фаз в излучателях до противофазного, должен удовлетворять условию: ф = 2пd/L, т.е. также должен уменьшаться.

Не следует думать, что эффективность "короткой" антенны с малым d и почти противофазными излучателями меньше, чем эффективность "полноразмерной" с расстоянием d = L/4. Если потерями в элементах можно пренебречь, то вся мощность, подводимая к антенной системе, должна излучаться, и поля обеих антенн должны быть одинаковыми (пренебрегая небольшой разницей в диаграммах направленности). Но токи в элементах "короткой" антенны для создания того же поля получаются большими, и если учитывать потери в элементах, то они также возрастают из-за больших токов. Противофазные токи в элементах "короткой" антенны подобны противофазным токам в катушке и конденсаторе параллельного колебательного контура, амплитуда которых пропорциональна добротности. Точно также при укорочении расстояния между вибраторами и при приближении токов в них к противофазным возрастает эквивалентная добротность антенной системы, и соответственно уменьшается полоса ее рабочих частот. Такова плата за уменьшение размеров. Но при расстоянии между вибраторами L/8...L/10 возрастание потерь в элементах и эквивалентной добротности не превосходит 1,4...2 раза и вполне окупается сокращением габаритов антенны, что и подтверждено многолетней практикой конструирования ZL-бимов.

Одна из самых простых конструкций ZL-бима показана на рис.2. Он содержит два разрезных полуволновых вибратора (часто используют и петлевые вибраторы), соединенных воздушной линией с перекрещивающимися проводами. Поскольку коэффициент укорочения волны в воздушной линии близок к единице, то при питании системы в точках «Х-Х» сдвиг фаз колебаний в вибраторах как раз соответствует вышеприведенной формуле. Более точная фазировка элементов достигается изменением (подбором) их длины. При этом изменяется резонансная частота элемента и, так же как у любого колебательного контура в соответствии с его фазочастотной характеристикой, фаза колебаний в нем. Собственно говоря, питание можно подвести даже к середине линии, а фазировку элементов осуществить именно таким способом: один элемент немного укоротить, а другой немного удлинить. Расстройка элементов получается очень небольшой, так как необходимый фазовый сдвиг в каждом элементе составляет всего ф/2. Диаграмма направленности ZL-бима в горизонтальной плоскости (по азимуту) заметно сужается еще и потому, что сами вибраторы вбок не излучают. В вертикальной плоскости диаграмма получается несколько шире. Эта антенна очень хороша как малогабаритная направленная антенна с горизонтальной поляризацией. По многочисленным данным из литературы ее КНД достигает 4 дБ относительно диполя или 6 дБ относительно изотропного (всенаправленного) излучателя. По очевидным конструктивным соображениям расположить вибраторы ZL-бима вертикально не очень просто, кроме того, возникают проблемы с проводкой линии питания. Ввиду этих трудностей мысли автора обратились к более подходящим вертикальным излучателям, которые можно было бы расположить на небольшом расстоянии друг от друга, в соответствии с идеологией ZL-бима. Одним из таких излучателей является J-антенна, два варианта которой, отличающиеся только способом согласования с фидером, показаны на рис.3.

J-антенна представляет собой полуволновый вертикальный вибратор, питаемый с нижнего конца. На конце сопротивление вибратора очень высокое и достигает нескольких килоом, в полном соответствии с законом Ома — ведь ток здесь мал, а напряжение велико. Для его согласования с низким сопротивлением кабеля служит четвертьволновая двухпроводная линия. В первом варианте (слева на рис.3) ее волновое сопротивление должно равняться среднему геометрическому между сопротивлениями вибратора и кабеля, т.е. что-нибудь в районе 300...600 Ом. Точного согласования можно добиться, изменяя волновое сопротивление линии (практически — расстояние между проводниками). Это не совсем удобно, поэтому второй вариант J-антенны (справа на рис.3) во многих отношениях лучше. Здесь проводники четвертьволновой линии просто замкнуты на нижнем конце, и эту точку с нулевым потенциалом можно заземлить проводом любой длины, соединить с любой "массой", например, крышей дома или автомобиля, что удобно конструктивно, но можно и вообще никуда не присоединять. Питание к линии подводится автотрансформаторно, в точках «X—X», расположенных на некоторой высоте над короткозамкнутым концом линии. С любым кабелем антенна легко согласуется простым передвижением точек питания «X—X». Волновое сопротивление двухпроводной линии в этом варианте особого значения не имеет.

Дальнейший ход мысли был таков: если уж две J-антенны в направленной системе будут расположены рядом, то нельзя ли использовать для их питания и согласования одну общую двухпроводную линию? Ведь напряжения на проводниках открытого конца линии противофазны, что как раз и требуется для питания двух близко расположенных вибраторов! Ну а необходимый сдвиг фаз колебаний в вибраторах +ф/2 и -ф/2 можно получить изменением их длины — укорочением одного и удлинением другого. Остается решить, как соединить концы полуволновых вибраторов, разнесенных на L/8, с концами двухпроводной линии, расположенными рядом. Это оказалось несложно — ведь на концах вибраторов ток мал, они почти не излучают, поэтому ничего страшного не будет, если концы вибраторов изогнуть навстречу друг другу и напрямую соединить с концами линии. Все получалось невероятно просто, настолько, что возникли сомнения — а заработает ли? Необходим был эксперимент.

Сказано — сделано, антенна на частоту 430 МГц (длина волны 70 см) была согнута из цельного отрезка медной проволоки диаметром 1,7 мм. Ее эскиз с размерами, уточненными в процессе экспериментов, показан на рис.4 б).

Кабель питания с волновым сопротивлением 50 Ом присоединялся так, как показано на рис.4 в). Контакты в точках питания «X—X» полезно сделать подвижными, чтобы подобрать положение этих точек по минимуму КСВ. К сожалению, КСВ было померить нечем, и положение точек питания было подобрано по максимуму поля антенны в главном направлении. Индикатор поля использовался самодельный, состоящий из дипольной антенны, диодного детектора и измерительной головки на 50 мкА. Источником сигнала служил измерительный генератор с выходным сопротивлением 50 Ом и аттенюатором с шагом 1 дБ. Первоначально антенна закреплялась в настольных тисочках за нижнее основание двухпроводной линии, потом была сделана примитивная поворотная подставка. Хотя измерения проводились в необорудованном помещении и не претендуют на высокую точность, антенна полностью оправдала ожидания!

Во-первых, антенна работала, и давала однонаправленное излучение в сторону короткого вибратора. Во-вторых, при сравнении с полуволновым диполем, расположенным в том же месте и питаемым тем же кабелем, аттенюатор генератора приходилось вводить на 4 дБ, чтобы получить тот же сигнал на индикаторе поля. Это позволяет оценить КНД антенны такой же цифрой. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости (плоскости вибраторов) показана на рис.4 а, и в общем-то, полностью соответствует аналогичным диаграммам двухэлементных бимов. В горизонтальной плоскости диаграмма такая же, но несколько шире. Любопытно, что подстройкой длины элементов можно добиться полного отсутствия заднего лепестка (во всяком случае, индикатор поля его не обнаруживал), но при этом КНД получался несколько, на доли децибела, меньше, чем при настройке антенны на максимум КНД. В заключение приведем некоторые практические соображения по конструктивному выполнению предложенной антенны. Для увеличения механической прочности можно установить изолятор на концах двухпроводной линии, в области ее изгиба и перехода в проводники вибратора. Изолятор должен быть хорошего качества, поскольку здесь находится пучность напряжения. Сами изгибы не обязательно делать под прямым углом, "плечи" антенны могут быть и наклонными. Более того, автору представляется, что положение "плеч" не особенно критично — они могут располагаться и немного выше, и немного ниже. Гораздо важнее соблюсти полную длину проводников от нижнего основания двухпроводной линии до верхнего конца вибратора. Она должна быть около 0,73L. для короткого вибратора (директора) и около 0,77L для длинного (рефлектора). С ростом диаметра проводников (трубок), из которых изготовлена антенна, длина их несколько уменьшается. Коэффициент укорочения "толстых" вибраторов можно найти в литературе по антеннам. Заметим также, что нет никакой необходимости изготавливать вибраторы и двухпроводную линию из трубок одного диаметра. Антенна получится прочнее и будет лучше противостоять ветровым нагрузкам, если двухпроводную линию выполнить из трубок большего диаметра, а вибраторы сделать относительно тонкими. Для удобства подстройки вибраторы полезно оснастить "стеньгами" на верхнем конце, телескопически вдвигаемыми в основную трубку, поскольку укорочение вибраторов кусачками, как это делал автор, чревато необратимыми последствиями — удлинить после этого вибратор можно только с помощью паяльника.