Антенна является самым эффективным и самым надежным усилителем принимаемых сигналов, поэтому вопросом о выборе антенны нужно заниматься с большой ответственностью.

Эта статья предназначена для радиолюбителей, начинающих интересоваться вопросами радиосвязи через ИСЗ, и должна познакомить их с основными особенностями антенн, применяющихся при связи с ИСЗ.

1. Первая особенность заключается в необходимости учитывать поляризацию излучаемых и принимаемых антенной радиоволн.

2. Вторая особенность – антенна должна быть постоянно ориентирована на спутник.

Немного о поляризации радиоволн

Среди радиолюбителей и в радиолюбительской литературе бытует довольно примитивное объяснение явления поляризации. Считается, что если прямолинейная антенна (длинный провод или диполь) расположена горизонтально, то такая антенна излучает и принимает радиоволны, имеющие горизонтальную поляризацию. Если прямолинейная антенна расположена вертикально (штыревая антенна), то такая антенна излучает и принимает радиоволны с вертикальной поляризацией. Хотя такое объяснение является довольно упрощенным, оно не противоречит волновой теории электромагнитных колебаний и имеет право на существование.

Установлено, что при приеме вертикально поляризованных сигналов на антенну с горизонтальной поляризацией происходит потеря по мощности на 3 децибела, что равносильно ухудшению приема в два раза по сравнению с приемом этого же сигнала на антенну с вертикальной поляризацией.

Каждый из ИСЗ, не имеющих системы стабилизации, в процессе полета по орбите вокруг Земли еще и вращается вокруг какой то своей оси. Поэтому установленная на ИСЗ антенна постоянно меняет свою ориентацию относительно поверхности Земли, в какой то период времени она располагается горизонтально поверхности, в другой период – вертикально. Считается, что в подобном случае, когда антенна непрерывно изменяет свою ориентацию по отношению к поверхности Земли, такая антенна излучает или принимает радиоволны с вращающейся (круговой) поляризацией. Существует левая и правая круговая поляризация.

Если вы не хотите иметь потерь мощности при приеме сигала, то для приема и излучения радиоволн с вращающейся поляризацией должны применять специальные антенны, допускающие эту самую круговую поляризацию.

В радиолюбительской практике имеются антенны, которые по своей конструкции предназначены для приема и излучения радиоволн с круговой поляризацией и антенны, которые специальными методами приспосабливаются для приема таких волн. К первому типу антенн относятся спиральные и параболические антенны. Эти антенны по своей конфигурации изначально предназначены для приема или излучения радиоволн с круговой поляризацией. В качестве специальных методов для искусственного создания круговой поляризации можно применить две одинаковые прямолинейные антенны (например, два одинаковых волновых канала), из которых одна устанавливается горизонтально, а вторая – вертикально, при этом антенны запитываются со сдвигом фазы на величину четверти длины волны.

Некоторые из конструкций антенн, удобных для работы с ИСЗ, будут описаны ниже.

Немного о направленности антенн

Естественно, что чем выше коэффициент усиления антенны, тем более мощный сигнал можно получить на выходе радиоприемника. Но следует учитывать, что пропорционально росту усиления антенны сужается передний лепесток диаграммы направленности антенны и сужается полоса излучаемых или принимаемых антенной частот. Если антенна имеет очень узкий передний лепесток, то такую антенну трудно точно ориентировать на ИСЗ и может получиться так, что весь выигрыш от увеличения усиления будет потерян за счет не точной ориентации антенны на спутник. Вывод можно сделать один – антенну с высоким усилением можно использовать только тогда, когда вы имеете специальное устройство для точной ориентации антенны на спутник.

Если вами принято решение об изготовлении многоэлементной антенны типа волновой канал, то следует принять во внимание тот факт, что большинство описанных в радиолюбительской литературе таких антенн рассчитаны на их применение в низкочастотной части заданного диапазона частот, а частоты аппаратов ИСЗ располагаются в высокочастотной части диапазона. Например, на диапазоне 432 МГц большинство любительских радиостанций работает в участке от 432 до 433 МГц, в то время как для ИСЗ предназначены частоты от 435 МГц и выше. Следовательно, нужно решить вопрос о необходимости корректировки размеров различных элементов антенны. При этом, чем больше расчетное усиление антенны, тем уже полоса принимаемых и излучаемых ею частот и тем серьезнее нужно подходить к проведению коррекции размеров. Иначе вместо ожидаемого улучшения параметром можно получить противоположный вариант.

Эффективность антенны и антенные усилители

Эффективность любой антенны находится в прямой зависимости от ее геометрических размеров. Но при больших размерах возникают вопросы механической прочности и жесткости конструкции. Тем не менее, повышение эффективности антенны – это единственный, не имеющий ограничений путь увеличения энергетического потенциала приемника и всей радиостанции.

Для более полного понимания процесса ниже приведу некоторое математическое обоснование. Достаточно подробно этот вопрос описан в [1].

Любую антенну можно представить в виде эквивалентной площадки, стоящей на пути распространения радиоволн. Следующая формула говорит о том, что чем больше геометрическая площадь антенны, тем больше коэффициент её усиления:

G = 4pS/l²,

где G – усиление антенны по отношению к изотропному излучателю; S – эквивалентная площадь, м²; l -- длина волны, м.

С точки зрения приведенной формулы и энергетики совершенно неважно, какую форму будет иметь эквивалентная площадка: будет ли она круглая, квадратная или будет иметь форму вытянутого прямоугольника. В любом случае при равной площади будет равный коэффициент усиления. В то же время форма эквивалентной площадки оказывает самое непосредственное влияние на диаграмму направленности этой антенны. Так, ширина главного лепестка диаграммы направленности может быть связана с линейными размерами площадки следующим приближенным выражением:

DQ »50l/l,

где DQ -- ширина главного лепестка по уровню – 3 дБ, град; l --длина волны, м; l – линейный размер эквивалентной площадки в плоскости измерения диаграммы направленности, м.

Эта же формула, переписанная в другом виде, позволяет по известной диаграмме направленности антенны оценить размеры эквивалентной площадки: l = 50l/DQ.

Пусть, например, испытания антенны диапазона 435 МГц показали, что ширина диаграммы направленности равна 25° в горизонтальной плоскости и 20° в вертикальной плоскости. Легко определить, что эквивалентная площадка будет иметь размер 1,4 м по горизонтали и 1,75 м по вертикали.

Для повышения коэффициента усиления антенной системы очень часто радиолюбители располагают несколько одинаковых антенн рядом друг с другом и подключают их к одному фидеру. Такие антенные системы называются антенными решетками и могут иметь очень большие величины коэффициентов усиления.

Для расчета антенной системы, состоящей из нескольких одинаковых простых антенн, как раз и предназначены расположенные выше формулы. Эти формулы и такие оценки очень удобны для представления процессов, если предполагается увеличивать коэффициент усиления за счет соединения нескольких антенн в антенную решетку. Так, для рассмотренного выше примера расстояние между соседними этажами решетки должно равняться 1,75 м, а между соседними рядами – 1,4 м. При меньших расстояниях эквивалентные площадки будут взаимно перекрываться и общий коэффициент усиления будет меньше суммы коэффициентов усиления всех антенн. При больших расстояниях появятся зазоры между отдельными площадками. В результате общее усиление возрастать не будет, зато будут неоправданно увеличиваться габариты антенны. При этом в главном лепестке диаграммы направленности появляются провалы, разбивающие его на несколько составляющих.

Итак, если вы решили для повышения коэффициента усиления создать антенную решетку из нескольких одинаковых простых антенн, то обязательно учтите необходимость правильного выбора расстояний между соседними простыми антеннами.

Теперь следует несколько слов сказать еще об одном факторе, от которого зависит эффективности антенны. Нужно знать, что в общем случае коэффициент усиления является произведением коэффициента направленного действия антенны (к.н.д.) и её коэффициента полезного действия (к.п.д.):

G = Kh,

где K – к.н.д. антенны; h -- к.п.д. антенны. Это значит, что недостаточно сделать антенну большой площади, надо еще суметь всю энергию, падающую на данную площадь, с минимальными потерями доставить к потребителю данной энергии, т. е. к входу приемника. При создании любых антенн следует помнить о «принципе взаимности», который говорит об эквивалентности параметров антенны в режиме приема и передачи. Принцип взаимности можно сформулировать следующим образом: «диаграмма направленности или к.н.д. антенны не зависят от того, используется эта антенна для приема или для передачи».

Излучение электромагнитной энергии связано с протеканием высокочастотного тока по элементам антенны, поэтому потери в самой антенне определяются омическими потерями в металлических элементах. Большое влияние на коэффициент полезного действия антенно-фидерного тракта оказывают потери в кабельных линиях, которые надо обязательно учитывать при оценке энергетического потенциала как отдельного радиоприемника, так и радиостанции в целом, т.е. при работе как на прием, так и на передачу .

Следует помнить, что с ростом частоты потери в подводящем кабеле сильно возрастают. Так, например, 20-метровый отрезок кабеля типа РК-75-4-11 ослабляет проходящий по нему сигнал на частоте 144 МГц в 2,1 раза (3,2 дБ), на частоте 432 МГц – в 3,4 раза (5,4 дБ), а на частоте 1296 МГц – в 13 раз (11,2 дБ). Видно, что на высокочастотных диапазонах потери возрастают до недопустимых значений. К тому же здесь приведены данные для идеального случая, когда отсутствуют отражения на концах линии, т.е. для случая, когда входное сопротивление антенны равно волновому сопротивлению кабеля. Если же сопротивление нагрузки (антенны) отличается от волнового сопротивления кабеля, то часть энергии отражается от конца кабеля в месте его соединения с антенной и движется в обратном направлении.

Видно, что потери в фидере оказывают существенное влияние на потенциальные возможности как приемника, так и всей радиостанции. В результате могут быть сведены на нет усилия, затраченные на изготовление большой и сложной антенны. И если в режиме передачи еще можно как-то компенсировать потери в фидере за счет увеличения мощности, то в режиме приема потери носят необратимый характер. Разрешить данную проблему помогают антенные усилители, расположенные в непосредственной близости от антенны. Особенно оправдано применение антенных усилителей при связях с ИСЗ, когда для приема и передачи используются различные антенны и частоты.

Вопрос о необходимости применения такого усилителя надо решать в каждом конкретном случае, сравнивая внешние шумы антенны и внутренние шумы приемника. Для того, чтобы решить вопрос о необходимости применения антенного усилителя для обеспечения нормального режима работы входной цепи приемника, вместо антенны надо для сравнения подключать резистор, сопротивление которого равно волновому сопротивлению фидера. Если даже в самые благоприятные ночные часы шумы антенны заметно (в 2 раза и более) превышают шумы резистора, применять антенный усилитель не следует. Более того, лишний каскад усиления сделает приемник более уязвимым по отношению к помехам от близких радиостанций.

Схемы антенных усилителей можно позаимствовать из схем конвертеров соответствующих диапазонов, описания которых были приведены в предыдущей статье.

На рис. 6.1 представлена принципиальная электрическая схема антенного усилителя для диапазона 145 МГц. Усилитель должен быть смонтирован в запаянном металлическом кожухе и расположен в непосредственной близости от клемм подключения антенны.

Рис. 6.1. Схема антенного усилителя 145 МГц

От УВЧ описанного в предыдущей статье конвертера на 145 МГц схема этого усилителя отличается наличием диода VD1 и высокочастотного дросселя Др.1. Диод служит для предотвращения пробоя транзистора наводками от работающего передатчика, а через дроссель подается питание на транзистор. Организация подачи питания на транзистор может быть выполнена непосредственно по кабелю, соединяющему антенну с приемником. При этом на входе приемника следует дополнительно разместить цепочку, состоящую из конденсатора С4 и ВЧ дросселя Др.2, которая показана на схеме справа. Подведенное через дроссель Др.2 напряжение поступает через кабель на транзистор усилителя и обеспечивает нормальную работу антенного усилителя.

Точно по такому же принципу можно изготовить антенный усилитель и для других диапазонов. При этом ВЧ дроссели должны изготавливаться из куска провода длиной (0,2 … 0,1)l. Провод нужной длины наматывается на оправку удобного диаметра (2,5 … 4мм) плотно, виток к витку, а затем получившаяся катушка снимается с оправки и растягивается таким образом, чтобы между витками были зазоры по 1 … 2 мм.

При настройке антенного усилителя следует обязательно проверить, не создает ли диод VD1 излишнего шума. Если шум при подключении диода усиливается, то диод следует убрать и пытать обходиться без него. В С. Г. Жутяев в [2] советует применить схему антенного усилителя, выполненного на мощном многоэмиттерном транзисторе типа КТ911А или КТ610А. При этом необходимость в защитном диоде пропадает. Один из вариантов схемы такого антенного усилителя приведен на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Схема антенного усилителя на мощном транзисторе

Катушка L1 для диапазона 145 МГц содержит два витка посеребренного провода диаметром 1,0 мм. Диаметр оправки -–10 мм. Настойку усилителя надо начинать с установки режима транзистора по постоянному току. Подбором резистора R1 надо добиться, чтобы коллекторный ток транзистора составил 15—25 мА. Далее антенный усилитель через отрезок кабеля нужной длины надо подключить к входу приемника и настроить с помощью конденсаторов C1,C2 на наилучшее значение коэффициента шума.

Этот антенный усилитель имеет следующие характеристики: коэффициент усиления около 20 дБ, коэффициент шума 1,5—1,8. Для предотвращения выхода из строя последующих каскадов усиления желательно в режиме передачи снимать напряжение питания с транзистора VT1, а еще лучше соединять провод питания антенного усилителя с землей.

Антенный усилитель для диапазона 1296 МГц описан в журнале «Радио» №8 за 2002 год. Статья называется «Антенный усилитель диапазона 1296 МГц».

Специальные антенны

На протяжении многих лет наибольшей популярностью среди радиолюбителей пользуются антенны типа «волновой канал», которые также известны под название «директорные антенны» и «антенны Уда-Яги». Эти антенны, относящиеся к классу антенн с осевым излучением, имеют наилучшее отношение усиления к массе и к тому же очень просты по конструкции.

Описания таких антенн широко распространены и, по моему мнению, имеются у каждого радиолюбителя. Поэтому в этой статье я приведу описания только специальных антенн, наиболее удобных для связи с ИСЗ.

Спиральная антенна

Спиральная антенна образована проводником, расположенным в пространстве по цилиндрической винтовой линии с шагом s и числом витков n. Эти антенны являются широкополосными, их частотный диапазон (для цилиндрических спиралей) может достигать 30% средней частоты. Входное сопротивление спиральных антенн высоко (120 – 150 Ом), и для их питания следует применять широкополосные согласующие устройства или несимметричные фидеры с большим волновым сопротивлением.

Спиральные антенны имеют излучение с вращающейся поляризацией, что особенно важно при использовании такой антенны для радиосвязи с ИСЗ. Вращающаяся поляризация более выражена у многовитковых антенн.

Конструктивно спиральные антенны могут иметь цилиндрическую или коническую форму, иметь равный или изменяющийся шаг между витками, а также могут быть различными и другие параметры. В радиолюбительской практике наибольшее применение получили цилиндрические спиральные антенны с постоянным шагом.

Схематическое изображение цилиндрической спиральной антенны представлено на рис. 6.3.

Рис. 6.3. Схема спиральной антенны

Антенна используется в режиме излучения вдоль оси спирали от точки питания к свободному концу, что имеет место при числе витков n>3, длине каждого витка 1,3>L/l>0,75 и угле подъема спирали 12°<a<16°. При этих условиях вдоль антенны устанавливается бегущая волна.

Для получения излучения в одном направлении применяют дисковый рефлектор квадратной или круглой формы, имеющий поперечное сечение 2R = (0,6 -- 1,0)l. Рефлектор может быть сплошным, сетчатым или сделан из радиальных стержней, или в форме «паутины». При этом наибольший размер ячейки в сетчатом рефлекторе не должен превышать 0,1l. При угле подъема спирали a = 14°, s/l = 0,24 и n = 6 антенна имеет оптимальные параметры. Расстояние начала спирали от экрана выбирают равным 0,13l.

Для приема излучения с линейной поляризацией можно применять антенну, состоящую из двух близко расположенных спиралей с параллельными осями, намотанных в противоположные стороны. Если эти спирали расположить в горизонтальной плоскости, то возможен прием волн с горизонтальной поляризацией, а при вертикальном расположении – с вертикальной поляризацией. Антенна из двух параллельно расположенных спиралей дает возможность при соединении спиралей параллельно получать входное сопротивление R_ВХ = (65--80) Ом, что удобно при питании ее обычным коаксиальным кабелем без согласующих устройств. Если одиночная спиральная антенна используется для приема радиоволн с горизонтальной или вертикальной поляризацией, то при расчете к.н.д. следует из полученного значения к.н.д. вычесть 3 дБ.

Спиральная антенна имеет меньшие размеры, чем антенна «волновой канал», и способна работать в значительно большей полосе частот.

Расчет параметров спиральной антенны можно проводить по следующим эмпирическим формулам:

Входное сопротивление спиральной антенны, Ом:

R_вх = 140L/l;

К.н.д. антенны:

G » 15(L/l)²*n*s/l;

Ширина диаграммы направленности на уровне половинной мощности (на уровне 3 дБ), град.:

DQ_0,5» 52/(L/l)*Ö`n`*`s`/`l ;

здесь s/l -- шаг спирали, отнесенной к длине волны; l/l -- относительная длина спирали; L/l -- относительная длина одного витка; n – количество витков спирали.

Длина спирали связана с ее шагом и числом витков:

n*S/l = l/l.

При необходимости можно определить расположение «нулей» диаграммы направленности по формуле:

DQ₀ = 2,2DQ_0,5.

В литературе [6] приведены следующие величины коэффициентов усиления цилиндрических спиральных антенн в зависимости от числа витков:

3 витка – 10,1дБ; 4 витка – 11,3; 5 – 12,3; 6 – 13,1; 7 – 13,8; 8 – 14,4; 9 – 14,9; 10 – 15,3дБ.

Примеры спиральных антенн.

1. Спиральная антенна для диапазона l = 70см имеет шаг s = 15,4см, число витков n = 7 и длину витка L = 54,5см (диаметр спирали D = 16,7см). Таким образом, отношение L/l = 0,78, s/l = 0,22. По номограмме l/l = 1,54 (т.е. l = 108 см). R_вх= 109 Ом, G = 11,4 дБ, DQ_0,5= 53,8^° (можно вычислить расположение нулей DQ₀= 120°), R_вх= 109 Ом.

2. Одна из описываемых в любительской литературе спиральная антенна для диапазона l = 200см имеет шаг s = 50см, число витков n = 3 и длину витка L = 204см (диаметр спирали D = 65см) , расстояние от начала витка до рефлектора равно 41см. Дисковый рефлектор выполнен из металлического листа и имеет диаметр 120см. Антенна выполнена из металлической трубки диаметром 6мм.

Спиральная антенна для 1296 МГц

В [6] и [7] описана спиральная антенна на 1295 МГц, предложенная U18AAD и U18ABW. Она имеет четыре спирали, установленные на общем щите-рефлекторе. Поляризация поля круговая. Такая антенна достаточно широкополосная и может применяться в диапазоне 1215—1300 МГц.

Поскольку описание антенны приводилось во многих источниках, в данной статье ограничусь только перечислением некоторых основных размеров антенны.

Диаметр витков спирали выбран (с учетом коэффициента укорочения) 0,31 l. Угол подъема спирали 14°, что соответствует расстоянию между витками 0,24 l; при этом антенна имеет оптимальные электрические параметры.

Каждая из спиралей состоит из семи витков, выполнена из посеребренного медного провода диаметром 3,5 мм. Диаметр намотки 71,3 мм, намотка всех четырех спиралей в одну сторону. Щит-рефлектор имеет размеры 600 х 600мм и изготовлен из твердого дюралюминия толщиной 2 мм.

Следует отметить, что антенна остронаправленная в обеих плоскостях и требует при установлении связи с ИСЗ вращения как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях.

Зеркально-параболическая антенна

Зеркально-параболическая антенна состоит из отражающего металлического зеркала в форме параболоида вращения и излучателя, помещенного в его фокусе. Антенны этого типа относятся к классу синфазных; в любой точке воображаемой плоскости раскрыва зеркала электромагнитное поле синфазно. Синфазность поля определяется свойствами параболы: сумма расстояния от фокуса до любой точки параболы и от этой точки до плоскости раскрыва всегда постоянна. Поступающий на зеркало антенны пучок электромагнитных колебаний за счет отражения от поверхности зеркала, имеющего форму параболоида вращения, концентрируется в точке фокуса. Схематически этот процесс изображен на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Схема концентрации сигнала в фокусе зеркала

Схема зеркально – параболической антенны изображена на рис. 6.5.

Рис. 6.5. Схема параболической антенны

Чтобы построить параболическое зеркало, необходимо изготовить шаблон соответствующих размеров, связанных уравнением параболы

y²= 4Fx

(в прямоугольных координатах)

или

r = 2F/(1+cosj)

(в полярных координатах), где F – фокусное расстояние.

Глубина зеркала H (расстояние от его вершины до плоскости раскрыва), диаметр зеркала D и его фокусное расстояние F связаны следующей зависимостью:

H = D²/16F.

При конструировании зеркально-параболических антенн важное значение имеет еще один параметр – угловая апертура Ф – угол, под которым виден раскрыв зеркала из его фокуса. Знание этого угла необходимо для правильного расположения облучателя и выбора его диаграммы направленности. Если главный лепесток диаграммы направленности облучателя меньше угловой апертуры Ф, то поверхность зеркала облучается не полностью, мал коэффициент использования поверхности (к.и.п.) Q и при одинаковых условиях антенна имеет меньший к.н.д. (G). Если ширина главного лепестка диаграммы направленности облучателя больше Ф, то часть энергии проходя мимо зеркала и к.п.д. антенны падает. Кроме того, у антенны появляются сильные боковые лепестки. Обычно стремятся делать облучатель таким, чтобы на края раскрыва (на края зеркала) попадало 0,1 мощности, идущей в главном направлении.

Угловая апертура Ф связана с фокусным расстоянием и диаметром зеркала на основании предыдущей формулы следующим образом:

tg (Ф₀ /2)= (D/2F)/(1--D²/16F²).

Пример 1. Параболическое зеркало должно иметь диаметр раскрыва D = 110 см и фокусное расстояние F = 40 см. Глубина параболоида H = 19 см. При этом угловая апертура Ф = 138°.

При построении шаблона параболоида следует задавать значения x и определять по формуле соответствующие им значения y, а затем по полученным точкам строить параболу. Если используются полярные координаты, то по значениям угла f находят соответствующие им значения r. Если параболоид выполнен на проволочном каркасе, то по значениям x и y определяют размеры и форму радиальных парабол и круговых поясов (т.е., кроме x и y, задают также D). Каркас обтягивают хорошо пропаянной сеткой из медной проволоки.

Коэффициент направленного действия G зеркально-параболических антенн прямо пропорционален площади раскрыва S, коэффициенту использования поверхности Q и обратно пропорционален квадрату длины волны l. Чем уже диаграмма направленности облучателя, помещенного в фокусе зеркала, тем большее значение G у зеркально-параболической антенны. При этом уровень боковых лепестков уменьшается. Так, например, если в качестве облучателя использован полуволновой вибратор с рефлектором, то к. н. д. G будет меньше, а уровень боковых лепествов выше, чем при использоваии в качестве облучателя более направленных антенн (типа «волновой канал», спиральных и др.).

Для определения к. н. д. зеркально-параболической антенны служит формула:

G = 4pQ(S/l²).

При этом для антенны с круглым раскрывом

S = pD²/4.

Эти формулы дают возможность по заданным значениям D (или S) и l определять к.н.д. G для различных значений к.и.п. Q (т.е. для различных распределений высокочастотных токов в раскрыве), что, как уже говорилось, зависит от типа облучателя.

Практически трудно получить Q > (0,6—0,7). Для облучателя в форме полуволнового вибратора с рефлектором максимальное значение Q» 0,56.

Пример 2. Для антенны D = 110см на волне l = 24см при расчетах по формулам имеем к.н.д. G = 20,5 дБ. При этом согласно отношению D/l = 4,6 ширина диаграммы направленности на уровне 3 дБ Dq_0,5» 20^°^.

Параболоцилиндрическая антенна

Предлагаю вам для рассмотрения и использования разработанную мною конструкцию параболоцилиндрической зеркальной УКВ антенны. Принцип работы этой антенны аналогичен принципу описанной выше зеркально – параболической антенны. Антенна состоит из отражающего зеркального рефлектора и коллинеарного облучателя, размещенного на линии фокуса. Разница заключается в конструкции отражающего зеркала – рефлектора. Такое сложное название – «параболоцилиндрическая» применено потому, что зеркало рефлектора выполнено в виде части цилиндра, у которого поперечное сечение имеет форму параболы, а не форму части окружности (дуги), как у обычного цилиндра. Такая конструкция рефлектора позволяет при очень узкой диаграмме направленности в вертикальной плоскости иметь довольно широкую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. Подобная форма переднего лепестка диаграммы направленности антенны очень удобна для радиостанций, не имеющих устройств точной ориентации антенны на ИСЗ.

Еще одно достоинство этой конструкции заключено в возможности реализовать работу антенны на нескольких частотах за счет одновременного применения нескольких облучателей. Других подобных конструкций мною нигде в литературе не встречалось, поэтому данную конструкцию для упрощения можно назвать «антенна RA3XB».

Схема антенны приведена на рис. 6.6.

Рис. 6.6. Схема антенны RA3XB

Конструктивно антенна выполнена в виде деревянного (или пластмассового) каркаса, состоящего из рамки А, двух стоек В и пластины для крепления облучателей С. К рамке А крепятся специальные скобы Е. Эти скобы выполнены из стальной проволоки, изогнутой точно по рассчитанной форме параболы, количество скоб может быть любое, но не менее трех. Концы скоб имеют нарезанную резьбу, которая служит для крепления скоб Е к раме А. В рамке А для крепления скоб Е сверлятся специальные отверстия. Вариант крепления показан внизу, в центре. Для крепления каждого конца скобы используются по две гайки (деталь 1) и две шайбы (деталь 2). Диаметр проволоки для изготовления скоб следует выбирать в зависимости от габаритных размеров антенны, но не менее 4мм. При применении проволоки малого диаметра следует увеличить количество задействованных скоб.

К скобам Е и рамке А крепится зеркало рефлектора D. Крепление рефлектора к скобам может быть выполнено обычными скобочками из более тонкой проволоки, а к рамке А – шурупами. Рефлектор должен изготавливаться из металлического листа (лучший вариант – алюминиевый лист) или пластмассового листа (жесткий линолиум), отражающая поверхность которого должна быть оклеена алюминиевой фольгой. В самом крайнем случае для временного варианта можно применить картон. При этом отражающая поверхность листа должна быть оклеена алюминиевой фольгой, а противоположная сторона картонного листа для защиты от влаги должна быть оклеена полиэтиленовой пленкой.

Мною специально не приводятся какие-то геометрические размеры конструкции. Дело в том, что все размеры зависят от выбора изготовителем размеров F и D, а все остальные размеры получаются в результате расчета. Для одного из вариантов можно взять эти размеры из конструкции описанной выше зеркально – параболической антенны (F = 400мм, D = 1100мм).

Горизонтальный размер l зависит от размера выбранного облучателя. Если в описанной выше зеркально – параболической антенне вся энергия принимаемых сигналов концентрируется в одной точке фокуса, то в данной конструкции антенны вся энергия концентрируется в линии фокуса. Поэтому самым удобным для применения может быть облучатель, составленный из нескольких колинеарных диполей, т.е. диполей, расположенных на одной линии и соединенных друг с другом через согласующие устройства. Схема самого простого из таких облучателей приведена на рис. 6.7.

Рис. 6.7. Схема простого облучателя из двух коллинеарных диполей

Подобные конструкции часто используются радиолюбителями в виде вертикальных антенн с круговой диаграммой направленности на диапазоне 144 МГц. Такая антенна очень хорошо согласуется с кабелем и исключительно удобна для проведения местных радиосвязей. Антенна может быть изготовлена из медного провода диаметром 2 … 3мм. Коаксиальный кабель подключается непосредственно к точкам X и X1, при этом к точке X подсоединяется оплетка кабеля, а к точке X1 – центральная жила. При желании можно выполнить более точную настройку антенны путем перемещения точек подключения кабеля вниз или вверх (по схеме) при одновременном контроле излучаемой мощности или коэффициента стоячей волны. Диполи антенны самого низкочастотного диапазона должны располагаться относительно рефлектора таким образом, чтобы между боковой кромкой рефлектора и проекциями на рефлектор концевых точек диполей оставалось пространство не менее l/10. Следовательно, горизонтальный габаритный размер l должен быть равен сумме длин диполей плюс 2l/10.

Если этот размер окажется слишком большим, то можно взять другую конструкцию облучателя, у которой каждый диполь имеет длину (l/2)*K, но при этом связаны они между собой четвертьволновыми трансформаторами. Такая схема компоновки колинеарной антенны является классической.

На рис. 6.8 представлена схема классического варианта колинеарной антенны, которую можно применить в качестве облучателя антенны RA3XB на любых УКВ диапазонах.

Рис. 6.8. Антенна из коллинеарных диполей

Так что выбор конструкции облучателя обширный, также возможны самые различные варианты совмещений и размещений. Поэтому и габаритный размер по горизонтали может иметь любое удобное для вас значение.

Для размещения облучателя в конструкции антенны RA3XB специально предназначена планка С, расположенная точно в линии фокуса. Изготовленный из медного провода облучатель крепится к планке С в нескольких местах капроновыми нитками или изолентой. На планке С можно расположить сразу несколько облучателей для работы в различных диапазонах. Например, сверху планки С располагается облучатель диапазона 435 МГц, а снизу – облучатели диапазона 1296 МГц и диапазона 2400 МГц.

При расчетах длин диполей облучателя следует учитывать величину укорочения длины диполя в зависимости от диаметра проводника, из которого предполагается изготавливать этот диполь. На УКВ диапазонах принято проводить расчет длины диполя с учетом коэффициента укорочения К, который находится в определенной зависимости от отношения l/d. В табл. 1 приведены величины коэффициента укорочения К для некоторых величин отношений l/d. Промежуточные значения К можно назначить примерно, исходя от размеров двух ближайших значений.

Таблица1. Коэффициенты укорочения диполя

l/d	30	40	50	60	80	100	200	300	400	900	2000	5000
K	0,85	0,87	0,88	0,89	0,90	0,907	0,93	0,94	0,95	0,96	0,97	0,98

При изготовлении каркаса антенны следует обратить внимание на создание достаточной жесткости стоек В. Для этого можно будет установить дополнительные укосины, показанные на схеме антенны штриховыми линиями. На стойках В можно будет также разместить коробки с антенными усилителями.

Коэффициент направленного действия антенны рассчитывается по формуле:

G = 4pS/l², где S – площадь раскрыва антенны, S = dl; l – длина волны. При расчетах длина волны и геометрические размеры должны быть в одних единицах измерения. Обычно используются сантиметры.

Проведем прикидочные расчеты величин к.н.д. антенны для различных диапазонов – диапазона 435 МГц (длина волны – 69см), диапазона 1296 МГц (длина волны – 24см) и диапазона 2400 МГц (длина волны 12см). Расчет проводим для величины площади раскрыва S = dl = 110*140 = 15400см² , 4pS = 193424см² . Данные расчета приведены в таб. 2.

Таблица 2. Результаты расчета для d = 110см

l, см	l², см²	G	G, дБ
690	4761	40,6	16
24	576	335,8	22
12	144	1343,2	30

Увеличивая размер раскрыва антенны d до величины 150см, можно значительно увеличить к.н.д. Результаты расчета к.н.д. антенны RA3XB при величине d = 150см приведены в таб. 3. Площадь S = dl = 150*140 = 21000см² , 4pS = 263760см² .

Таблица 3. Результаты расчета для d = 150см

l, см	l², см²	G	G, дБ
690	4761	55,4	19
24	576	457,9	25
12	144	1831,6	32

Выполненный расчет показывает, что даже небольшое увеличение раскрыва антенны значительно увеличивает направленные свойства, а значит и коэффициент усиления антенны.

Огромное преимущество этой антенны по сравнению с антенными решетками в том, что антенну RA3XB не нужно настраивать. Те, кто пытался получить хорошие результаты при настройке длинных директорных антенн или антенных решеток, оценят такое преимущество.

Прикидочными расчетами получено, что угол диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости на 435 МГц будет порядка 18 градусов, а угол в горизонтальной плоскости – порядка 45 градусов. Это говорит о том, что антенну можно использовать как стационарную для проведения связей через ИСЗ на многих из орбит. На более высокочастотных диапазонах угол в вертикальной плоскости будет значительно меньше, а угол в горизонтальной плоскости тоже уменьшится, но на меньшую величину.

Недостаток антенны заключается в её значительной парусности. Но если учесть возможности довольно простыми средствами достигнуть огромных величин коэффициента усиления, которые не могут быть достигнуты многими из обычных средств, то стоит задуматься об изготовлении этой антенны.

Если при изготовлении антенны точно соблюдены все расчетные данные, то никакой дальнейшей настройки не требуется.

Антенна не прошла достаточных испытаний, поэтому автору будут интересны любые данные об использовании антенны.

Изготовление антенны следует начать с построения линии параболы, по форме которой затем нужно будет изгибать проволочные скобы Е. Эта работа должна быть выполнена с возможно большой точностью. На листе миллиметровки (бумаги с миллиметровой разметкой) размером 2000 х 500мм следует сначала начертить осевые линии x и y. Ось x должна проходить посередине длиной стороны листа миллиметровки (поперек листа), а ось y должна располагаться у левой кромки листа. Для примера смотрите схему на рис. 6.5.

Решаем задачу построения параболы, имеющей расстояние фокуса f = 550мм и размер раскрыва отражающего зеркала d = 1500мм. Пересечение осевых линий x и y дает точку начала отсчета – точку 0 (ноль). Затем на оси x от точки 0 откладываем первое значение x = 2мм. Подставляем эту величину в формулу y² = 4fx и вычисляем сначала y² = 4 * 550 * 2 = 4400, затем извлекаем из полученного значения квадратный корень, тем самым вычисляем значение y. Полученное значение y откладываем вдоль оси y сначала в зоне положительных величин (выше оси x), затем в зоне отрицательных величин (ниже оси x). Таким образом мы имеем уже три точки необходимой параболы. Затем назначаем величину x = 5мм и по формулам определяем соответствующее значение величины y. Ставим на бумаге еще две точки, относящиеся к нашей параболе. Точно таким же образом определяем величины y, соответствующие значениям x = 10, 20, 30, 50, 100, 200 и 300мм. Откладываем полученные величины по обе стороны оси x и получаем полный профиль необходимой параболы.

Все расчетные величины для этого примера приведены в табл. 4.

Таблица 4. Расчетные величины параболы

X	2	5	10	20	30	50	100	200	300
Y²	4400	11000	22000	44000	66000	110000	220000	440000	660000
Y	66	105	148	210	257	332	469	663	812

Если теперь соединить все полученные точки, то получим кривую линию, которая называется параболой и форме которой должны точно соответствовать формы изгиба всех скоб Е. Раскрыв рефлектора должен ограничиваться размером 750мм выше оси x и размером –750мм, т.е. ниже оси x. В итоге величина раскрыва рефлектора будет соответственно d = 1500мм.

Следующим этапом следует назначить габариты рамки А и размеры прочих составных частей. Не вздумайте устанавливать облучатели чуть ближе иди чуть дальше от рефлектора! Антенна работать не будет, если облучатели установлены не на линии фокуса! Проверьте размер f от рефлектора до облучателя после сборки всей конструкции еще раз.

Еще один вариант конструкции этой антенны

На рисунке рис. 6.9 схематически изображен еще один вариант изготовления «антенны RA3XB».

Рис. 6.9. Второй вариант изготовления рефлектора

В этом варианте в качестве элемента, задающего форму параболы, используется деревянная доска. Если ширины одной доски недостаточно, то можно сделать составной щит из нескольких узких досок.

q На доске описанным выше способом вычерчивается контур параболы. Это изображено на поз. 1.

q Ножовкой вырезается нужная часть доски, при этом следует оставлять припуск, величиной не менее 1 миллиметра для дальнейшей, более точной обработки контура параболы. Таким путем изготавливается два абсолютно одинаковых элемента, изображенные на поз. 2.

q К этим двум элементам мелкими шурупами крепится рефлектор, получается своеобразное «корыто», к которому затем крепятся держатели облучателя.

q В заключении вся эта конструкция крепится к жесткой несущей рамке.

q Все тонкости настройки смотрите выше, в описании предыдущей конструкции.

«Антенна RA3XB» не требует большой высоты подъема, может устанавливаться на небольшой подставке, или крепиться к стенке какого-либо строения.

Антенна представляет собой НАИЛУЧШИЙ вариант

q для приема телевидения от удаленного телецентра,

q для работы с удаленным ретранслятором,

q для работы с некоторыми из спутников.

Программа antenna1

Разработанная мною компьютерная программа antenna1 предназначена для расчета параметров параболоцилиндрической антенны RA3XB.

После запуска в программу вводится размер предполагаемого раскрыва зеркального рефлектора в миллиметрах, ширина рефлектора и рабочая частота в МГц. После нажатия на кнопку «Выполнить расчет» программа выдает следующие данные:

q коэффициент направленного действия антенны для заданной частоты;

q величина фокусного расстояния;

q координаты точек контура параболы.

Программа располагается в Интернете на Web-узле автора по адресу: http://r3xb.nm.ru/

Антенна ЗИГЗАГ

Для связи с МКС на диапазоне 146 МГц очень удобной может быть антенна ЗИГЗАГ, разработанная К.П.Харченко и описанная в [19]. Эта антенна очень хорошо согласуется с обычным телевизионным коаксиальным кабелем (75 Ом), что очень важно для начинающих радиолюбителей при приеме слабых сигналов. Далее описывается расчет собственно полотна антенны, затем описывается вариант антенны с дополнительным рефлектором. Но кроме этого, к антенне можно добавить два этажа из волновых вибраторов с самым разным числом директоров. Мною испытывались несколько разных вариантов этой антенны и все они работали очень хорошо.

Выполнение полотна зигзагообразной антенны

Далее в этом разделе будет рассказано о том, как нужно конструировать самому зигзагобразную антенну, чтобы она удовлетворяла всем вашим потребностям. Если у вас нет желания вникать в тонкости создания антенны, то изготавливайте активную рамку антенны из сплошного куска провода диаметром 4 … 5 мм по рис. 6.10. При этом все углы должны составлять 90 градусов, длина стороны квадрата должна быть равна четверти длины волны рабочего диапазона. Далее делайте рефлектор, располагайте его на расстоянии 0,2 от длины волны от активной рамки (полотна), на и все будет ОК.

Для тех, кто хочет вникнуть в тонкости создания этой антенны, предлагается следующий материал. Автор называл эту антенну как З-антенна. Не будем огорчать его и продолжим эту традицию.

З-антенна (рис. 6.10) удобна тем, что ее конструкция сравнительно проста и отклонения в ту или иную сторону от номинальных размеров, неизбежные при изготовлении антенны, практически не сказываются на ее параметрах. Эта широкополосность очень удобна для начинающих укавистов.

Рис. 6.10. Конструкция варианта зигзагообразной антенны

Для изготовления антенны нужно взять деревянный брусок 1, который служит одновременно ее центральной стройкой и мачтой. К бруску под углом 90^° крепятся две рейки 2, которые вместе с ним образуют каркас антенны. Посередине между рейками устанавливается плата 3, состоящая из двух металлических зажимов, собранных на диэлектрической прокладке. На бруске сверху, снизу и на концах реек закрепляют изоляторы 4. В качестве последних можно воспользоваться роликовыми изоляторами от осветительной сети или уголками из прочной пластмассы(стеклотекстолита). На изоляторах и плате 3 натягивают полотно антенны 5, которое может выполняться из выполняется из проволоки или антенного канатика. Проводники полотна антенны припаиваются к зажимам питания 3 в точках X1 и X2. Но перед этим к проводникам полотна антенны в точках X1 и X2 припаиваются выводы кабеля питания. При этом к точке X2 припаивается оплетка кабеля, к точке X1 припаивается центральная жила. Сам кабель питания 6 подвязывают к центральной стройке и по одному из внутренних проводников полотна антенны прокладывают к точкам питания X1 и X2. Размеры деталей, не указанные на рис. 6.10, можно выбирать произвольно.

Рис. 6.11. К оценке характеристик варианта зигзагообразной антенны

Для оценки и сравнения антенн различных типов и конструкций особенно важны данные, характеризующиеся их электрическими свойствами. На рис. 6.11 кривой 1 показана зависимость КБВ от отношения l/l в 75-омном фидере для З-антенны, изображенной на рис. 6.10, а кривой 2 –аналогичная зависимость для значений ее КНД. Как видно с ростом отношения l/l КНД З-антенны вначале увеличивается, достигает некоторого максимума и затем уменьшается. Начальный рост КНД объясняется увеличением (в длинах волн) размеров полотна З-антенны, а спад – после прохождения оптимального соотношения l/l --расфазировкой ее элементов. С помощью графика, изображенного на рис. 6.11, можно построить антенну, имеющую максимально возможный КНД для заданного типа полотна антенны. При этом ее диапазонность будет снижена. При построении антенны представляют интерес также и данные, показывающие тенденцию изменения характеристик антенны в зависимости от конструктивного изменения ее элементов и допускающие количественные оценки. На основании этих данных радиолюбитель может сознательно варьировать имеющимися у него материалами и средствами для построения антенны.

Рис. 6.12. Зависимость активной составляющей входного сопротивления З-антенны от l/l для различных диаметров проводников ее полотна

Так, например, зависимости рис. 6.12 показывают изменение активной составляющей входного сопротивления З-антенны в диапазоне волн, выполненной из проводников различного диаметра при угле при угле изгиба 90^°. Эти графики необходимы для определения возможности согласования З-антенны с фидером в заданном диапазоне частот.

Входное сопротивление З-антенны в диапазоне частот в значительной степени зависит от поперечных размеров проводников, из которых выполнено ее полотно.

Чем толще проводники, тем меньше входное сопротивление в области резонанса и лучше согласование с фидером. Следует учитывать, что кривая 1 построена для зависимости l/r = 34, кривая 2 – для зависимости l/r = 63, а кривая 3 – для зависимости l/r = 150. Смысл величин r смотрите на рис. 6.13. Максимум КНД (см. рис. 6.11 и рис. 6.12) находится в области резонанса. Поэтому при выполнении З-антенны с l/l » 0,375 (наиболее эффективной антенны) следует особо позаботиться о ее согласовании с фидером. С удалением от резонансной частоты разница в значениях R_Aдля различных отношений l/r быстро уменьшается и в пределах отношения l/l = 0,2¸0,32 диаметр проводника практически не сказывается на активной составляющей входного сопротивления З-антенны. Это обстоятельство позволяет при проектировании облегчить конструкцию З-антенны для работы на определенной частоте. Полотно З-антенны можно выполнить из проводников самого различного профиля: трубок, пластин, уголков и т. п.

Проводники, из которых изготавливается рамка активного вибратора (полотно антенны) могут изготавливаться или из трубки (провода) определенного радиуса величиной 2r_экв, или из нескольких тонких проводников, расположенных по окружности с диаметром, равным 2r. На рис. 6.13 показаны зависимости между этими двумя величинами, по которым можно определить размеры или количество тонких проводников, из которых можно создать пучок, эквивалентный диаметру трубки, и наоборот.

Рис. 6.13. Зависимости между радиусом и радиусом эквивалентным

Следует уделить особое внимание гидроизоляции кабеля питания в месте его разделки. Дело в том, что при плохой гидроизоляции по экранной оплетке кабеля влага постепенно добирается до вашей квартиры и кабель очень скоро выходит из строя. В крайнем случае место разреза внешней оболочки нужно надежно обмотать текстильной изоляционной лентой. Толстым слоем.

Для уменьшения веса и парусности сплошной проводник целесообразно заменить эквивалентным ему по электрическим параметрам проводником, выполненным из ряда параллельных проводов (см. рис. 6.13).

Увеличение эффективности зигзагообразной антенны

Для увеличения направленности антенны, состоящей из зигзагообразного полотна, применяют плоский экран-рефлектор. В его задачу входит отражение части высокочастотной энергии, падающей на экран, в сторону полотна антенны. В плоскости последнего фаза высокочастотного поля, отраженного от рефлектора, должна быть близка к фазе поля, создаваемого самим полотном. В этом случае происходит требуемое сложение полей, и экран примерно удваивает первоначальный коэффициент усиления антенны. Фаза отраженного поля зависит от формы и размеров экрана, а также от расстояния S между ним и полотном антенны. Как правило, размеры экрана достаточно велики, и фаза отраженного поля зависит главным образом от последнего фактора. На практике редко выполняют рефлектор в виде сплошного металлического листа. Чаще он представляет собой ряд проводников, расположенных в одной плоскости параллельно вектору поля E.

Длина проводников определяется максимальной длиной волны рабочего диапазона и размерами активного полотна антенны. Последнее не должно выступать за пределы экрана. В плоскости E размер рефлектора обязательно должен быть несколько больше половины максимальной длины волны. Чем толще проводники, из которых выполнен рефлектор, и чем ближе они расположены друг к другу, тем меньшую часть падающей на него энергии пропускает рефлектор в заднее полупространство. Однако по конструктивным соображениям экран не следует делать слишком плотным. Практически достаточно, чтобы расстояние между проводниками диаметром 2-3 мм не превышало 0,05¸0,1 от минимальной волны рабочего диапазона. Можно пренебречь влиянием элементов (из металла или диэлектрика) на работу рефлектора, если они расположены в плоскости самого рефлектора или за ним. Проводники, образующие экран, можно соединить между собой при необходимости в любом месте. В частности, их можно приваривать или припаивать к металлической раме. Во избежания дополнительных помех не следует допускать, чтобы проводники (полотна антенны или рефлектора) под действием ветра терлись, либо касались друг друга. Один из возможных вариантов антенны с рефлектором показан на рис. 6.14.

Рис. 6.14. К пояснению конструкции З-антенны с экраном

Полотно антенны может состоять из трубок, толстого провода или из плоских проводников-планок. Такая конструкция может быть выполнена полностью из металла. В местах соединений элементы антенны должны иметь между собой электрический контакт. Описываются хорошие результаты у подобной антенны, рефлектор которой выполнен из металлической сетки.

Следует иметь в виду, что с обратной стороны рефлектора может быть расположено еще одно активно полотно антенны, рассчитанное для работы в таком же или более высокочастотном диапазоне. В этом случае габариты экрана определяются максимальной длиной волны рабочего диапазона антенн, а его плотность (расстояния между проводами рефлектора) – минимальной длиной волны. Если поляризации антенн, расположенных по разные стороны экрана, не совпадают, например, взаимно перпендикулярны, то для второй антенны необходимо изготовить свой рефлектор, провода которого могут располагаться в плоскости первого (пересекать или накладываться на его проводники) и должны быть параллельны вектору поля E второй антенны. В случае касания проводов рефлекторов их целесообразно в этих точках перепаять друг с другом.

Непосредственный практический интерес представляют вопросы согласования с питающим фидером З-антенны с экраном.

Рис. 6.15. Зависимость КБВ З-антенны от l/l для разных диаметров проводников ее полотна

На значение КБВ в тракте с волновым сопротивлением 75 ом в значительной степени влияют как ширина планки d_пл (или радиус провода r), так и расстояние S, на которое полотно антенны удалено от экрана.

На рис. 6.15 приведены зависимости КБВ от l/l для З-антенны при S = 0,16l_макс и различными размерами d_пл. Первая кривая приведена для d_пл= 0,003l_макс. С увеличением ширины планки КБВ заметно возрастает, однако по конструктивным соображениям затруднительно применять планки шириной большей, чем d_пл= (0,16¸0,17) l. Максимум КВБ имеет место при l/l » 0,25 и почти не зависит от ширины планки. Для получения приемлемого согласования З-антенны с фидером в широком диапазоне частот полотно антенны следует располагать от экрана на расстоянии S³ 0,18 l_макс. Однако размер S влияет и на направленные свойства антенны. С его увеличением КНД антенны снижается и сужается диапазон частот, в пределах которого направленные свойства З-антенны не претерпевают заметных изменений. Таким образом, с точки зрения улучшения последних, размер S желательно уменьшать, а с точки зрения согласования – увеличивать.

Еще один вариант увеличения эффективности

Смысл этого варианта заключается в том, что к полотну З-антенны можно добавить элементы антенны «волновой канал» - директоры и рефлекторы. Один из таких вариантов показан на рис. 6.16.

Рис. 6.16. Вариант З-антенны

В литературе описывается подобный вариант антенны. При этом усиление G = 9 дБ, ширина горизонтального лепестка диаграммы направленности составляет 60 градусов, а вертикального – 50.

Способы уменьшения размеров антенны

Этот небольшой раздел относится к любым конструкциям антенн, особенно дипольных.

Следует знать, что расширение рабочего диапазона частот антенны связано с нежелательным увеличением диаметра ее проводов. На практике нередко заменяют цилиндрические проводники со сплошной поверхностью пластинами или рядом более тонких проводников, расположенных в одной плоскости, либо по цилиндрической поверхности. На рис. 6.13 показаны геометрические соотношения, позволяющие конструировать цилиндрические проводники с меньшей парусностью, волновое сопротивление которых равно волновому сопротивлению цилиндрического проводника со сплошной поверхностью. С помощью графика, изображенного на рис. 6.17, можно построить плоский проводник, эквивалентный цилиндрическому в отношении волнового сопротивления, при равном числе n образующих проводов. При необходимости можно заменить сплошной трубчатый проводник радиуса r сплошной пластиной, ширина которой L = 4r, если r <<l.

Рис. 6.17. Зависимость между диаметром трубки и ленточным проводником

При этом имеется возможность сократить примерно вдвое вес и парусность вибратора как объемного, так и плоскостного типов за счет существенного (примерно на порядок) уменьшения поперечных размеров их конечных участков.

Настройка УКВ антенн

Настройка антенн должна обеспечить наиболее эффективное излучение ВЧ энергии в пространство на данной рабочей частоте.

В процессе настройки необходимо:

q установить диапазон рабочих частот Df;

q оценить величину входных сопротивлений излучающей системы Z_а;

q определить степень симметричности антенны;

q измерить диаграмму направленности и т. д.

Для решения этих задач следует определить коэффициент укорочения ВЧ линии или кабеля и градуировку детекторов в некоторых индикаторах и т. д.

Очень сложная задача настройки антенны облегчается тем, что для многих величин достаточно знать лишь их относительное значение. Очень ценным является и то, что большинство ВЧ цепей являются резонансными или их можно сделать таковыми.

Для настройки антенн необходим ряд простых измерительных приборов и устройств: ГИР, мощный экранированный генератор на рабочей частоте, индикаторы поля и т. д. Кроме того, настройку необходимо вести в свободном пространстве для исключения влияния посторонних предметов на диаграмму направленности антенны.

Все вопросы настройки рассматриваются применительно к диапазону 144 Мгц. На рис. 6.18 изображены два варианта полуволнового вибратора.

Рис. 6.18. Схема полуволнового вибратора

Резонансную частоту полуволновых вибраторов можно определить по ГИРу. Для этого точки А и В замыкают накоротко толстым проводником и к этому месту подносят ГИР. Индуктивно связывать ГИР и антенну надо именно здесь, так как в точках А и В у вибратора l/2 возникает пучность тока и связь получается более сильная. На резонансной частоте антенны показания ГИРа резко уменьшаются. Иногда мощность ГИРа может оказаться недостаточной и точность измерения получится приближенной, так как при таком измерении антенна по необходимости бывает близко расположена и к окружающим предметам, и к самому оператору.

Настройка многоэлементных антенн «волновой канал»

Использование многовибраторных антенн типа «волновой канал» требует или полного и точного повторения описанного авторского варианта, или дополнительной проверки и подгонки согласования и усиления. Есть несколько признаков правильной работы направленной антенны:

n диаграмма направленности симметрична относительно механической оси и имеет слабо выраженные боковые лепестки (-- 10—20 дБ) и незначительное обратное излучение (--10—20 дБ);

n КСВ в линии питания меньше 2;

n Коэффициент усиления обеспечивается работой всех пассивных элементов.

Основательную проверку параметров новой антенны следует делать на открытом пространстве, так как измерения могут исказить отражения от разных объектов.

Антенну лучше испытывать в качестве приемной, установив ее на расстоянии 10 – 15l от отдельной передающей антенны. Высота обеих антенн должна быть не мене 2 м на диапазоне 432 Мгц и 3 м на 144 Мгц. Мощность передатчика должна быть не менее 3 … 5 вт, так как начальное испытание антенн при малом количестве элементов становится затруднительным.

В качестве индикатора в приемной антенне можно применять кристаллический диод типа Д-2, ДК-И1 или типа ДГ-С2 с микроамперметром ИП1 до 100—200 мка. Включение измерительной цепи показано на рис. 6.19. Она не должна вносить расстройку в систему самого вибратора. Диод D1 крепится кратчайшим путем, дроссели Др₁_,Др₂ имеют диаметр 3 мм, длина намотки 12 мм проводом ПЭШО 0,1.

Рис. 6.19. Схема измерительной цепи

При измерении следует помнить, что характеристика диода нелинейна: малые значения показаний прибора, например от 0 до 40 делений стоградусной шкалы, оказываются заниженными.

Обычно детекторы перед измерением градуируют.

На рис. 6.20 показана схема установки антенны при измерениях.

Рис. 6.20. Схема установки антенны

Для проверки всей измерительной цепи передающую антенну подносят на такое расстояние, чтобы показания прибора равнялись 30—40 делениям. Частоту генератора f₀ изменяют на ±Df до краев рабочего диапазона и на нескольких частотах записывают показания прибора ИП1.

Определяют частоту f_макс, на которой показания ИП1 оказываются наибольшими; она не должна быть выше 0,5—0,6 Мгц от значения f₀. Проверяют влияние рефлектора Р, установленного на расчетном расстоянии, а также ближе и дальше него. Показание прибора должно увеличиться на 50—70%. В каждом положении Р снова проверяют частоту f_макс, дающую наибольшие отклонения стрелки прибора. Влияние рефлектора критично лишь в том случае, если он слишком короткий для частоты f₀.

Активный вибратор А и рефлектор Р устанавливают на таком расстоянии, чтобы показания ИП1 было наибольшим при f₀. Обычно это равно 0,15l и выше и в процессе дальнейшей настройки не меняется.

Передающую антенну относят на такое расстояние, чтобы стрелка ИП1 упала до показаний а = 10—16 делений, и снимают (или поворачивают на 90°) рефлектор. Показания прибора а должны составлять несколько делений, удобных для отсчета, а расстояние Д до антенны передатчика должно быть не менее Д = 7—10L₀, где L₀ –общая длина будущей антенны. Если Д<7L₀, то надо повысить или чувствительность индикатора, или мощность передатчика.

После такой предварительной подготовки можно проверить работу всей системы антенны путем последовательного добавления пассивных элементов. Для этого записывают показания прибора а на частоте f₀ от одного вибратора А, устанавливают рефлектор и записывают а₂, Далее устанавливают на свои места (по описанию антенны) последовательно директоры Д₁, Д₂, Д₃ и записывают а₃, а₄, а₅. Все эти показания прибора должны быть возрастающими, т.е. а₂> а₁, а₃> а₂ и т. п. Допустим, а₁= 5°, а₂=10°, а₃= 18°, а₄= 27°, а₅ = 36°. Отсчитывают для а₁—а₅ действительные значения b₁--b₅ тока через индикатор ИП1. Так как они приведены к одному масштабу, то по ним можно правильно судить об усилении, даваемом каждым элементом.

На рис. 6.21 эти значения показаны графически в виде кривой В. Точка 1 соответствует току в одном только вибраторе А, точки 2, 3 и т. д. показывают приращение тока в вибраторе от действия рефлектора, а затем и директоров Д₁, Д₂ и т. д.

Рис. 6.21. Характеристика антенны

Из кривой на рис. 6.21 видно, что влияние первых близких к активному вибратору элементов больше, чем удаленных.

При неправильно подобранных длинах элементов и расстояний между ними у коротких антенн зависимость усиления от числа элементов обычно идет не плавно, а с изломом или даже провалом. Добавление элемента не дает усиления. Такое явление встречается чаще при установке второго или третьего директора и ликвидируется изменением расстояния или длины ближайшего директора или обоих вместе. Иногда подобное явление может появиться и за счет наложения прямой и отраженной волны от антенны передатчика в месте приема. Распознать эти явления можно незначительным приближением или удалением одной из антенн на l/2—³/₄l.

Для измерения диаграммы направленности антенну вращают плавно по азимуту и через каждые 5—10% делают отсчет а прибора. Значение а пересчитывают по заранее рассчитанной градуировочной кривой используемого измерительного диода (т.е. на действительные значения) и по ним уже строят диаграмму. При этом диаграмма получается шире, чем была бы при построении диаграммы только по значениям а.

Узкие диаграммы направленности удобнее строить в прямоугольных координатах. По горизонтальной оси откладывают градусы вправо и влево от главного направления, которому соответствует координата 0°. По вертикали откладывают значения показаний прибора приемного вибратора. Итак, мы получаем растянутую по углам (по горизонтали) кривую с отчетливо видными деталями, например боковыми излучениями или углами нулевого излучения и т. д. Если у главного лепестка провести прямую на высоте 0,707 от наибольшей высоты диаграммы, то расстояние между точками пересечения этой прямой с полученной диаграммой (по шкале углов) даст нам ширину главного лепестка антенны I_н в градусах.

Настройка длинных антенн «волновой канал»

Настройка этих антенн сложнее не только из-за большего числа элементов, но и из-за необходимости испытывать их или в рабочем положении, или в большом свободном от препятствий пространстве. Для повторения какой-либо антенны «волновой канал» необходимо выдержать не механическую, а электрическую длину или настройку директоров. Всякие изменения, вносимые по необходимости в повторяемую конструкцию антенны, могут изменить настройку директоров и резко ухудшить ее свойства. Поэтому изготовление длинных антенн для спутниковой связи нужно выполнять с исключительной осторожностью.

Надежным способом проверки длинных антенн является снятие полной диаграммы ее направленности и оценка по величине бокового излучения свойств антенны.

Если настройка директоров не изменилась в повторенной конструкции, то число боковых лепестков будет не более двух-трех, а их величина в диаграмме не больше чем на 10—12 дБ под уровнем главного лепестка диаграммы. Такая диаграмма показана на рис. 6.22.

Рис. 6.22. Диаграмма хорошей антенны

Случайные удлинения директоров за счет уменьшения диаметров, изменения крепления и т. д. вызывают понижение усиления в главном лепестке и увеличение его в боковых направлениях (рис. 6.23).

Рис. 6.23. У антенны удлинены директоры

Значительная расстройка элементов или их удлинение полностью нарушает диаграмму (рис. 6.24).

Рис. 6.24. Все элементы значительно расстроены

Диаграммы на рис. 6.22, 6.23 и 6.24 показывают простой и надежный способ проверки длинных антенн. Частоту колебаний, подводимых к антенне, постепенно повышают и в пределах поворота от 0 до 180° всякий раз отмечают значения и характер максимумов боковых лепестков. Та частота f_m, при которой впервые резко повышается амплитуда какого-либо бокового лепестка по сравнению с главным лепестком, ограничивает верхний рабочий предел частот антенны. Наивыгоднейшая рабочая частота f₀ антенны будет несколько ниже f_m.

Если частота f₀ лежит в невыгодном участке или на краю диапазонов 144—146 или 430—435 Мгц, то всю систему директоров длинной антенны надо укоротить, если f_m> f₀, или удлинить, если f_m< f₀. О том, насколько надо изменить длину элементов, можно судить по результатам анализа диаграмм. Практически увеличение длины директора в длинном «волновом канале» на один процент, т. е. на 1 см для 145 Мгц и 0,35 см для 435 Мгц, имеет существенное значение для работы антенны на УКВ.

Можно сказать, что снятие частотной характеристики и одновременно диаграммы направленности является самым показательным и наиболее доступным испытанием всех антенн «волновой канал».

Контроль согласования антенн

От степени согласования входного сопротивления Z_a любой антенны с волновым сопротивлением r питающей ВЧ линии (кабеля) зависит действительный уровень излученной и используемой ВЧ мощности передатчика.

Оценивать согласование можно путем сопоставления значения тока I_Aв линии питания, нагруженной антенной, с током I_S, который должен быть в согласованной линии. Если ток I_A = I_S, то к антенне подводится вся мощность за вычетом потерь в кабеле.

Для оценки необходимо знать действительную ВЧ мощность, которую может отдать выходной каскад. Ее можно измерить резонансным индикатором мощности (РИМ), например, методом сравнения яркости свечения лампочек, питаемых ВЧ током, и постоянным током от вспомогательной цепи. Точность такого измерения мощности – порядка 10%. Поскольку такой прибор имеется не у каждого радиолюбителя, то обычно для ориентировочного определения излучаемой мощности приходится использовать обычную лампочку накаливания. В этом случае очень важно, чтобы величина сопротивления этой лампочки хотя бы приблизительно равнялась волновому сопротивлению примененного антенного фидера. Можно использовать формулу закона Ома

R = V² / P, где R – определяемое сопротивление, V – рабочее напряжение лампочки, P – мощность лампочки.

Оценку согласования можно сделать по величине изменений показаний ВЧ индикатора напряжения или тока, включаемого в разных местах линий питания.

Непрерывный контроль согласования в настоящее время делают с помощью рефлекторметров или КСВ-метров различных конструкций.