Завдання створення спрямованої антени з вертикальною поляризацією не так проста, як здається на перший погляд. Здавалося б, повернув елементи звичайного біма (хвильового каналу) вертикально, і все в порядку, але виникає питання кріплення такої антени до щогли. На УКХ можна винести несучу траверсу вбік від щогли, в напрямку випромінювання, але подібна антена виявляється незбалансованої механічно і вимагає для свого кріплення дуже товстої і міцної щогли. Зникають головні переваги вертикальних антен - малі розміри по горизонталі, легкість і простота установки.
Але про це дещо пізніше, а спочатку треба зупинитися на обраній концепції вертикальної спрямованої антени. Бажання сконструювати просту і легку антену змусило звернутися до конструкції ZL-біма, що містить всього два елементи з активним харчуванням і має дуже малі розміри у довжину близько L/8... L/10. У той же час коефіцієнт спрямованої дії (КНД) цієї антени досить значний і еквівалентний, як зазначають в літературі, КНД трехэлементного біма з пасивними елементами. Та ж сама ідея використовується і в "швейцарському квадраті", теж відрізняється дуже хорошими параметрами і ще більшим КНД. Тому принцип дії цих антен заслуговує уважного аналізу, що ми зараз давайте і зробимо.
Візьмемо два гіпотетичних точкових випромінювача S1 і S2, розташованих на відстані d, як показано на рис. 1 зверху. Потужність передавача нехай ділиться між випромінювачами порівну, тому й амплітуди полів, створюваних випромінювачами, будуть однаковими. А ось фази збудження випромінювачів повинні бути різними, щоб отримати направлене випромінювання. Для початку розглянемо найпростіший випадок, коли d = V4, а харчування випромінювачів здійснюється в квадратурі, тобто зсув фази подаються на них коливань становить 90°. На векторній діаграмі (в середньому ряду, у середині) коливання випромінювачів зображені векторами s1 і s2. Кут ф відповідає додатковому до 180° фазовому зсуву коливань. Домовимося також, фазовий набіг (відставання фази) при поширенні хвилі на якусь відстань враховувати обертанням вектора за годинниковою стрілкою на відповідний кут. Так, наприклад, хвиля, що пройшла шлях в чверть хвилі, придбає фазовий набіг 90°.
Розглянемо випромінювання системи вправо, причому фази хвиль будемо вимірювати безпосередньо біля випромінювача S2 (при подальшому поширенні направо обидві хвилі від двох випромінювачів придбають однаковий набіг фази, і фазове співвідношення між їх коливаннями не зміниться). Відповідна векторна діаграма показана в середньому ряду праворуч. Коливання s2 не зміниться, а коливання s1 придбає фазовий набіг 90° пройшовши шлях L/4. В результаті хвилі виявляться протифазними і випромінювання в цю сторону не буде. При поширенні хвиль в ліву сторону від випромінювачів вектор s1 залишиться в попередньому положенні, а вектор s2 повернеться на 90° за годинниковою стрілкою, оскільки хвиля від випромінювача s2 пройде шлях L/4. Векторна діаграма коливань близько випромінювача s1 показана на рис.1 в середньому ряду зліва. Видно, що хвилі від випромінювачів S1 і S2 складаються в фазі і сумарне коливання набуває подвійну амплітуду.
Точно таким же чином можна знайти поле випромінювання та в інших напрямках. Для більш образного уявлення можна вважати, що на рис.1 зверху показаний вигляд у плані на дві штирьові антени S1 і S2. Така система з двох штирів буде володіти діаграмою спрямованості, близькою до кардиоиде. Максимум випромінювання спрямований вліво, а нуль випромінювання - вправо. В бічних напрямках (вгору і вниз на малюнку) система теж буде випромінювати, і досить значно, оскільки в цих напрямках будуть складатися дві квадратурні хвилі. Кілька підвищити гостроту діаграми спрямованості можна, маючи випромінювачі S1 і S2 ближче один до одного, наприклад, на відстані L/8. Векторні діаграми для цього випадку показані в нижньому ряду на рис. 1.
Виходячи з того, що випромінювання вправо, як і раніше, має бути відсутнім, визначаємо зсув фази коливань випромінювачів. Він повинен становити Зп/4 або 135°, як показано на векторній діаграмі у центрі нижнього ряду. Тоді при випромінюванні вправо вектор коливань s1 повернеться на кут п/4 або 45° , і виявиться в протифазі з вектором s2 (дивись векторну діаграму в нижньому ряду праворуч). При випромінюванні ж у ліву сторону вектора s1 і s2 вже не будуть синфазними, а опиняться в квадратурі, і результуюча амплітуда поля вже не подвоїться, як у попередньому випадку, а буде лише в 1,41 разів більше поля кожного з випромінювачів (векторна діаграма зліва). Випромінювання вбік теж буде менше, так як в цих напрямках складаються близькі до противофазным поля. Відстань між випромінювачами можна зробити і ще менше, але для одержання односпрямованої випромінювання кут , що доповнює зсув фаз у випромінювачах до протифазного, повинен задовольняти умові: ф = 2пd/L, тобто також має зменшуватися.
Не слід думати, що ефективність "короткій" антени з малим d і майже протифазними випромінювачами менше, ніж ефективність "повнорозмірною" з відстанню d = L/4. Якщо втратами в елементах можна знехтувати, то вся потужність, що підводиться до антеною системі, повинно променіти, і поля обох антен повинні бути однаковими (нехтуючи невеликою різницею у діаграмі спрямованості). Але струми в елементах "короткій" антени для створення того ж поля виходять великими, і якщо враховувати втрати в елементах, то вони також зростають за великих струмів.
Протифазні струми в елементах "короткій" антени подібні противофазным струмів в котушці і конденсаторі паралельного коливального контуру, амплітуда яких пропорційна добротності. Точно також при вкороченні відстані між вібраторами і при наближенні струмів в них до противофазным зростає еквівалентна добротність антеною системи, і відповідно зменшується смуга її робочих частот. Така плата за зменшення розмірів. Але при відстані між вібраторами L/8...L/10 зростання втрат в елементах та еквівалентної добротності не перевершує 1,4...2 рази і цілком окупається скороченням габаритів антени, що і підтверджено багаторічною практикою конструювання ZL-бімів.
Одна з найпростіших конструкцій ZL-біма показана на рис.2. Він містить два розрізних півхвильових вібратора (часто використовують і петльові вібратори), сполучених повітряною лінією з перехресними проводами. Оскільки коефіцієнт укорочення хвилі в повітряної лінії близький до одиниці, то при живленні системи в точках "Х-Х" зсув фаз коливань у вібраторах як раз відповідає вищенаведеною формулою. Більш точна фазування елементів досягається зміною (підбором) їх довжини. При цьому змінюється резонансна частота елемента і, так само як у будь-якого коливального контуру відповідно до його фазочастотною характеристикою, фаза коливань в ньому.
Власне кажучи, харчування можна підвести навіть до середини лінії, а фазування елементів здійснити саме таким способом: один елемент трохи скоротити, а інший трохи подовжити. Розлад елементів виходить дуже невеликий, так як необхідний фазовий зсув в кожному елементі становить усього ф/2. Діаграма спрямованості ZL-біма в горизонтальній площині (по азимуту) помітно звужується ще й тому, що самі вібратори вбік не випромінюють. У вертикальній площині діаграма виходить дещо ширше. Ця антена дуже хороша як малогабаритна спрямована антена з горизонтальною поляризацією. За численними даними літератури її КНД сягає 4 дБ щодо диполя або 6 дБ відносно ізотропного (всеспрямованого) випромінювача.
За очевидним конструктивним міркувань розташувати вібратори ZL-біма вертикально не дуже просто, крім того, виникають проблеми з проведенням лінії живлення. Зважаючи на ці труднощі думки автора звернулися до більш підходящим вертикальним випромінювачів, які можна було б розташувати на невеликій відстані один від одного, у відповідності з ідеологією ZL-біма. Одним з таких випромінювачів є J-антена, два варіанти якої відрізняються тільки способом узгодження з фідером, показані на рис.3.
J-антена являє собою напівхвильовий вертикальний вібратор, що живиться з нижнього кінця. На кінці опір вібратора дуже висока і досягає декількох килоом, в повній відповідності з законом Ома - адже струм тут малий, а напруга велика. Для його узгодження з низьким опором кабелю служить четвертьволновая двопровідна лінія. У першому варіанті (зліва на рис.3) її хвильовий опір має дорівнювати середньому геометричному між опорами вібратора і кабелю, тобто що-небудь в районі 300...600 Ом.
Точного узгодження можна досягти, змінюючи хвильовий опір лінії (практично - відстань між провідниками). Це не зовсім зручно, тому другий варіант J-антени (праворуч на рис.3) у багатьох відносинах краще. Тут провідники четвертьволновой лінії просто замкнуті на нижньому кінці, і цю точку з нульовим потенціалом можна заземлити проводом будь-якої довжини, з'єднати з будь-якою "масою", наприклад, дахом будинку або автомобіля, що зручно конструктивно, але можна і взагалі нікуди не приєднувати. Живлення підводиться до лінії автотрансформаторно, в точках "X-X", розташованих на деякій висоті над короткозамкненим кінцем лінії. З будь-яким кабелем антена легко узгоджується простим пересуванням точок харчування "X-X". Хвильовий опір двопровідної лінії в цьому варіанті особливого значення не має.
Подальший хід думки був такий: якщо вже дві J-спрямованої антени в системі будуть розташовані поряд, то не можна використовувати для їх живлення та узгодження одну загальну двопровідну лінію? Адже напруги на провідниках відкритого кінця лінії противофазны, що як раз і потрібна для живлення двох близько розташованих вібраторів! Ну а необхідний зсув фаз коливань у вібраторах +f/2 і -ф/2 можна отримати зміною їх довжини укороченням одного і подовженням іншого. Залишається вирішити, як з'єднати кінці півхвильових вібраторів, рознесених на L/8, з кінцями двопровідної лінії, розташованими поруч. Це виявилося нескладно - адже на кінцях вібраторів струм малий, вони майже не випромінюють, тому нічого страшного не буде, якщо кінці вібраторів зігнути назустріч один одному і безпосередньо з'єднати з кінцями лінії. Все виходило неймовірно просто, настільки, що виникли сумніви - а чи запрацює? Необхідний був експеримент.
Сказано - зроблено, антена на частоту 430 МГц (довжина хвилі 70 см) була зігнута з цільного відрізка мідного дроту діаметром 1,7 мм. Її ескіз з розмірами, уточненими в процесі експериментів, показаний на рис.4 б).
Кабель живлення з хвильовим опором 50 Ом приєднувався так, як показано на рис.4 в). Контакти в точках живлення "X-X" корисно зробити рухливими, щоб підібрати положення цих точок по мінімуму КСВ. На жаль, КСХ було поміряти нічим, і положення точок харчування було підібрано по максимуму поля антени в головному напрямку. Індикатор поля використовувався саморобний, що складається з дипольної антени, діодного детектора та вимірювальної головки на 50 мкА. Джерелом сигналу служив вимірювальний генератор з вихідним опором 50 Ом і атенюатором з кроком 1 дБ. Спочатку антена закріплювалася в настільних тисочках за нижня основа двопровідної лінії, потім була зроблена примітивна поворотна підставка. Хоча виміри проводилися в необладнаному приміщенні і не претендують на високу точність, антена повністю виправдала очікування!
По-перше, антена працювала, та давала односпрямоване випромінювання у бік короткого вібратора. По-друге, при порівнянні з полуволновым диполем, розташованим в тому же місці і живиться тим же кабелем, аттенюатор генератора доводилося вводити на 4 дБ, щоб отримати той же сигнал на індикаторі поля. Це дозволяє оцінити КНД антени такою ж цифрою. Діаграма спрямованості у вертикальній площині (площині вібраторів) показана на рис.4 а, загалом, повністю відповідає аналогічним діаграм двохелементних бімів. У горизонтальній площині діаграма така ж, але дещо ширше. Цікаво, що підстроюванням довжини елементів можна добитися повної відсутності заднього пелюстки (у всякому разі, індикатор поля його не виявляв), але при цьому КНД виходив кілька, на частки децибела, менше, ніж при налаштуванні антени на максимум КНД. На закінчення наведемо деякі практичні міркування по конструктивному виконанню запропонованої антени.
Для збільшення механічної міцності можна встановити ізолятор на кінцях двопровідної лінії, в області її вигину і переходу в провідники вібратора. Ізолятор повинен бути хорошої якості, оскільки тут знаходиться пучність напруги. Самі вигини не обов'язково робити під прямим кутом, "плечі" антени можуть бути і похилими. Більш того, автору видається, що положення "плечей" не особливо критично - вони можуть розташовуватися і трохи вище і трохи нижче. Набагато важливіше зберегти повну довжину провідників від нижньої основи двопровідної лінії до верхнього кінця вібратора. Вона повинна бути близько 0,73 L. для короткого вібратора (директора) і близько 0,77 L для довгого (рефлектора). З ростом діаметра провідників (трубок), з яких виготовлена антена, довжина їх дещо зменшується. Коефіцієнт укорочення "товстих" вібраторів можна знайти в літературі з антен. Зауважимо також, що немає ніякої необхідності виготовляти вібратори і двопровідну лінію з трубок одного діаметра. Антена вийде міцніше і краще протистояти вітровим навантаженням, якщо двопровідну лінію виконати з трубок великого діаметра, а вібратори зробити відносно тонкими. Для зручності налаштування вібратори корисно оснастити "стеньгами" на верхньому кінці, телескопічно вдвигаемыми в основну трубку, оскільки вкорочення вібраторів кусачками, як це робив автор, загрожує незворотними наслідками - подовжити після цього вібратор можна тільки за допомогою паяльника.
Автор: Володимир Поляков (RA3AAE), р. Москва; Публікація: Н. Большаков, rf.atnn.ru