Однією з причин, що визначили помітне зростання активності радянських коротковолновиков і їх успіхи в міжнародних змаганнях, є широке поширення направлених антен. Найбільш популярними в нашій країні стали "квадрати" з двома, трьома і більш елементами формування діаграми спрямованості. Про цих антенах і піде мова в статті. Основна мета, яку переслідують автори, - дати рекомендації коротковолновику у виборі та налаштування антен, узагальнивши досвід радянських і зарубіжних коротковолновиков.
Порівняння "квадратів" і "хвильових каналів"
Широке поширення "квадратів" призвело до необхідності порівняти їх характеристики з параметрами іншою популярною у радіоаматорів антени - "хвильового каналу".
У таблиці наведено результати вимірювань характеристик деяких антен "квадрат" і "хвильовий канал", запозичені із журналу "QST", 1968, №5. З неї випливає. що параметри обох антен приблизно однакові, якщо порівнювати "хвильові канали", мають на один елемент більше, ніж "квадрати". При однаковому числі елементів "квадрат" матиме посилення приблизно на 2 дБ більше. За нашими даними цю цифру можна збільшити, принаймні, до 2,5 дБ, якщо вибрати оптимальними відстані між елементами.
Параметри антени Квадрат Хвильовий канал
Кількість елементів
2
4
6
3
5
7
Щодо посилення
ізотропного випромінювача, дБ
8.2
11,5
13,4
8.8
12
13,3
Ширина діаграми спрямованості
за рівнем половинної потужності, град.
60
50
39
61
47
40
Щоб зрозуміти фізичну причину такої суттєвої різниці, розглянемо напрямки струмів (на рис. 1) в рамці - елементі "квадрата" і в полуволновом диполе елементі "хвильового каналу".
З рис. 1 слід, що у формуванні діаграми "квадрата" беруть участь тільки струми, що протікають у горизонтальних частинах рамки, оскільки поля від струмів, що протікають у вертикальних частинах взаємно компенсуються. Тому рамка еквівалентна системі з двох синфазно порушуваних вкорочених вібраторів, рознесених по висоті на відстань L/4. Відомо, що діаграма спрямованості у вертикальній площині такої системи порівняно з діаграмою одиночного диполя має менший кут і, отже, її посилення виявляється вище. Кількісно виграш в посиленні залежності від параметрів і висоти підйому обох елементів може становити від 2,2 до 3,1 дБ. Цей виграш можна визначити за формулою, справедливою з достатньою точністю для KB діапазонів:
A=40000/ФгФв де А - коефіцієнт посилення, Фг і Фв-ширина діаграми спрямованості в горизонтальній і вертикальній площинах відповідно.
Підставивши у формулу середні значення Фг=180° і Фв=135°для диполя, Фг=170° і Фв=80° рамки, отримаємо, що посилення диполя дорівнює 1,64 рази або 2,15 дБ (по потужності), посилення рамки - 2,94 рази або 4,68 дБ. Таким чином, середній виграш в посиленні становить 2,53 дБ. Ця цифра реальна і підтверджується на практиці.
Подібний же виграш досягається і при розташуванні рамки кутом вниз, що використовується в багатьох конструкціях. Цей варіант відрізняється від розібраного вище лише тим, що в ньому діаграму спрямованості формують горизонтальні складові струмів, що протікають у всіх чотирьох сторонах рамки, а поля від вертикальних складових компенсуються.
Можна відзначити ще одну особливість "квадрата". Так як рамка довжиною L утворює симетричний замкнутий контур, вплив землі і навколишніх предметів, що погіршує характеристики антен, виявляється меншим.
Вибір оптимальної конструкції Під оптимальними ми розуміємо такі конструктивні дані антени, при яких забезпечується максимальне відношення випромінювань вперед/назад при досить високому посилення. Ввести це визначення представляється необхідним через існування двох методів налаштування спрямованих антен - на максимальне посилення і на максимальне відношення випромінювань вперед/назад. Ці максимуми не збігаються, причому, як показує практика, програш щодо випромінювань вперед/назад при налаштуванні за першою методикою виявляється більшим, ніж програш у посиленні у другому випадку.
У процесі проектування антени радіоаматор повинен визначити кількість елементів, відстань між ними, їх розміри. Для вирішення першої задачі звернемося до рис. 2.
На ньому показано залежність посилення антени А й ставлення випромінювань вперед/назад від числа n елементів. Графіки побудовані за результатами вимірювань (збігається з розрахунковими даними) на антенах "квадрат" з оптимальними характеристиками для діапазону 14 МГц. Як неважко помітити, приріст обох параметрів по мірі збільшення числа елементів сповільнюється, причому це стає особливо відчутним при n>3. Враховуючи труднощі, пов'язані з виготовленням і з налаштуванням багатоелементних антен, автори вважають, що в більшості випадків доцільно обмежити число елементів трьома. На думку ж деяких закордонних радіоаматорів конструктивно більш зручна чотирьохелементна антена зважаючи симетричного (відносно вертикальної осі, що проходить через центр маси) розташування елементів. Остаточне вирішення питання ми надаємо читачам.
Для вибору оптимальних відстаней між елементами розглянемо залежність посилення А від відстані S, вираженої в частках довжини хвилі L (рис. 3). На графіку чорним кольором показано залежність посилення від відстані выбратор - рефлектор двухэлементного "квадрата". В заштрихованої області, що відповідає максимуму посилення (S=0,175-0,225 L), воно практично не змінюється, тому в даному випадку вибір відстані в зазначених межах некритичний.
Для антен з числом елементів більше двох завдання ускладнюється через введення додаткових незалежних змінних величин (для трехэлементной антени - двох, для четырехэлементной - трьох і т. д.). Тому доцільно задатися одним з відстаней (наприклад, між вібратором і рефлектором) і вибрати оптимальними інші відстані. Так, якщо взяти для трехэлементной антени відстань вібратор - рефлектор рівним 0,2 L, можна визначити оптимальну відстань вібратор - директор, користуючись кривої, показаної на рис. 3. Очевидно, найбільше посилення цей "квадрат" буде мати при відстані вібратор - директор, рівному 0,175 L, і в цьому випадку при зміні відстаней від 0,14 до 0,21 L уси-лення практично залишається постійним, хоча, як і слід було очікувати, через зменшення широко полосная антени залежність посилення від S стає крутіше.
Для ілюстрації сказаного можна навести кілька перетворений для "квадратів" на 14 МГц графік з того ж журналу "QST". На основі дослідження великої кількості антен була визначена залежність посилення від довжини траверси L для кріплення елементів (рис. 4). Заштриховані області на графіку - практично можливі межі зміни довжини траверси для антени з даним числом елементів. З графіка випливає, що антени з укороченою траверсою поступаються в посиленні (двох - і трьохелементні - приблизно на 2 дБ) антен, що мають відстані між елементами близько 0,2 L.
Довжина рамки вібратора lв може бути підрахована за формулою:
де Ky -коефіцієнт подовження, залежить від числа елементів і відношення довжини рамки до діаметру дроту; Lр-довжина хвилі, на яку розраховується антена.
Для визначення довжини вібратора двухэлементного "квадрата" коефіцієнт подовження приймають рівною 1,01, при трьох і більше елементах він дорівнює 1,015-1,02.
Довжину рефлектора двухэлементного "квадрата" вибирають на 5-6% більше довжини вібратора. Для трехэлементного "квадрата" довжина рефлектора повинна бути на 3-4% більше, директора - на 2,5-3% менше довжини вібратора; для четырехэлементного "квадрата" довжина рефлектора повинна бути на 2,5-3% більше, довжини директорів - на 2% менше.
Практично рефлектор і директор виготовляють трохи коротше, ніж визначено розрахунком, щоб з допомогою короткозамкнених шлейфів можна було їх налаштувати.
Многоднапазонные системи
Все сказане раніше відносилося до однодиапазонным "квадратах". На практиці ж часто доводиться вдаватися до створення багатодіапазонної системи. Треба відзначити, правда, що будь-яке поєднання у вертикальній площині елементів, налаштованих на різні частоти, особливо кратні двом (тобто 14 та 28, 7 і 14'МГц тощо), призводить до погіршення основних характеристик антени. Наведемо два приклади. Двухэлементный "квадрат" на 14, 21 і 28 МГц з рамками в різних площинах (так звана конструкція "їжак") має посилення до 9 дБ і ставлення випромінювань вперед/назад - до 24 дБ; ті ж характеристики аналогічного "квадрата", виконаного на траверсі, не перевищують 8 і 22 дБ відповідно. Трьохелементний "квадрат" на два діапазону (14 і 21 МГц) з рознесеними рефлекторами забезпечує посилення до 13 дБ і ставлення випромінювань вперед/назад - до 30 дБ; у трехэлементного трехдиапазонного "квадрата" (додано діапазон 28 МГц і рамки розташовані одна усередині іншої) ці характеристики погіршуються відповідно до 11,5 і 27 дБ.
Для зменшення впливу елементів, розташованих в одній площині і працюють на кратних частотах, можна, відповідним чином підключивши фідер, застосувати їх поляризаційну розв'язку (горизонтальну поляризацію для одного і вертикальну - для іншого діапазонів).
Визначена розрахунковим шляхом розв'язка елементів діапазонів 14-28 МГц у трехэлементном "квадраті" досягає 20 дБ.
Для отримання найкращих характеристик багатодіапазонної системи бажано зберегти оптимальні відстані між елементами для кожного діапазону. Однак тут із-за конструктивних труднощів радіоаматори часто змушені йти на компроміс. Одним з прикладів такого компромісу для трехэлементного "квадрата" на 14, 21 і 28 МГц може бути досягнення близьких до оптимальних характеристик на перших двох діапазонах і гірших - на третьому. На наш погляд, таке рішення цілком виправдане через особливості проходження і різній завантаженості цих діапазонів. Залежно від конкретних вимог до антени радіоаматор може обрати інший варіант.
Література
Публікація: www.cxem.net