Останнім часом зріс інтерес до рамкових антен. Якщо раніше подібні антени використовувалися порівняно рідко, то зараз їх застосовують в якості антен мобільних систем зв'язку, систем охоронної сигналізації і т. п.
Основною перевагою подібних антен є значно менший вплив середовища на параметри рамкової антени, що в ряді випадків є визначальним при виборі антени. Однак використовувати подібні антени з розмірами, порівняними з довжиною хвилі L, в діапазоні KB досить важко. Тому представляє певний інтерес використання рамкових антен з периметром S, меншим довжини хвилі L. Подібні антени можна використовувати і як додаткові, примирившись з їх однобічною спрямованістю, та встановлювати їх у вікнах, лоджіях, балконах, а також у складі складних спрямованих антен в низькочастотних КВ діапазонах. Основним елементом таких антен є рамка з периметром S, меншим довжини хвилі. Для розміщення на вікнах, балконах найбільш зручною формою рамки є прямокутна. Розглянемо таку рамку з периметром S, рівним довжині хвилі L, розташовану у вертикальній площині[I].
При харчуванні подібної антени з боку вертикальних елементів обидва ці елемента порушуються синфазно, і на них розташовуються пучности струму і вузли напруги. Горизонтальні елементи з пучностями напруги, в свою чергу, порушуються проти-фазну. Вертикальні елементи можна представити у вигляді двох паралельно розташованих вібраторів з вигнутими кінцями, розміщених на відстані L/4 і порушуваних в однаковій фазі. Внаслідок додавання полів цих вібраторів, порушуваних синфазно, максимальна напруженість поля в горизонтальній площині виявляється в напрямках осі рамки, розташованої перпендикулярно площині рамкової антени.
Така картина розподілу струмів і напруг уздовж рамки, розглянута для випадку S=L, зберігається і при деякому зменшенні S порівняно з L. При подальшому зменшенні розмірів рамкової антени змінюється розподіл струму по периметру рамки, і при значному скороченні розмірів у порівнянні з L (S/L<0,25) замість вузлів і пучностей струму виникає однорідний розподіл струму (струм майже не змінюється уздовж рамки). Струм в цьому випадку в кожен момент часу тече в одну сторону, отже, синфазен, і тому випромінювання будь-яких протилежно розташованих елементів рамки складається в просторі в протифазі, приводячи, на відміну від стандартної рамки, до мінімальної напруженості в напрямку осі рамки. Таким чином, подібна рамка по своїм випромінюючим властивостями виявляється аналогічної звичайної котушці індуктивності, змусити випромінювати яку можна лише значно підвищивши її добротність Q і збільшивши струм.
Однак ККД подібної випромінюючої антени буде дуже малий із-за низького опору випромінювання R-изл, а отже, мала і випромінювана антеною потужність Ризл [2]. Тому більш доцільним є використання антен з коефіцієнтом укорочення 0,25<К<1 (K=S/L), які, незважаючи на зменшення ККД у порівнянні з повнорозмірною рамкою, непогано випромінюють і мають максимум випромінювання в напрямку осі рамки. Одним із способів зниження резонансної частоти рамкової антени є включення ємності в точки антени .володіють максимальним противофазным напругою [З]. У цьому випадку можливе значне зниження резонансної частоти. У той же час, подібне зниження частоти рамки, що дозволяє використовувати її на більш низьких частотах, призводить до зменшення відношення S до L, а отже - до значного зменшення опору випромінювання Ризл, що визначається [4] співвідношенням Кізла=197(S/L)4. В цьому разі безпосереднє включення кабелю в рамку для її живлення, як це часто робиться при використанні повнорозмірних рамок, неможливо. Для узгодження рамки з кабелем при малому Кізла використовується у - або O-узгодження [1,3]. Схема рамкової антени з укорачивающей ємністю і у-узгодженням наведена на рис.1.
У розглянутому варіанті порушення вертикальних елементів точки на серединах горизонтальних елементів А і В мають мінімальним противофазным напругою. Це також означає, що опір між зазначеними точками виявляється досить значною (порядку декількох килоом).
Живлення антени можна здійснити включенням в ці точки резонансного контуру, також володіє великим опором на резонансній частоті. У цьому випадку узгодження антени з фідером здійснюється підбором коефіцієнта трансформації при підключенні кабелю до частини витків резонансного контуру. Крім автотрансформаторним, можлива трансформаторна зв'язок кабелю і контуру за допомогою котушки зв'язку. Поряд з можливістю порушення і узгодження, включення контуру в точки А і В дозволяє також знизити власну резонансну частоту рамкової антени за рахунок ємності, що входить до складу паралельного резонансного контуру. При цьому значення ємності резонансного контуру налаштованої антени виявляється дещо більше, ніж у випадку одиночного контуру, налаштованого на ту ж частоту. Схема антени з резонансним контуром наведена на рис.2.
Для перевірки ефективності узгодження і укорочення антен за допомогою резонансної контуру виготовлені дві прямокутні рамкові антени з периметрами S=5,6 м і S=12,8 м. Обидві антени були виконані з мідного дроту діаметром 2 мм і встановлені у віконному отворі і на балконі дев'ятиповерхового будинку. Антени налаштовувалися і узгоджувалися з кабелем з опором 50 Ом двома способами: укорачивающим конденсатором с у-узгодженням і з допомогою резонансного контуру. Розрахункові резонансні частоти цих рамок - 53 і 23 МГц, а експериментальні - 38 і 21,2 МГц відповідно. Зсув резонансної частоти в порівнянні з розрахунковим значенням пояснюється значною ємністю між елементами рамки і металевими елементами: арматурою, сливами, огорожею балкона і т. д.
Експериментальне визначення резонансної частоти рамок здійснювалося генератором Г4-18 і індикатором поля (для роботи на частотах вище 35 МГц паралельно виходу генератора 0,1... 1 включається діод, і налаштування антени здійснюється за допомогою 2-ї гармоніки частоти сигналу). Резонансний контур 1-й антени складається з котушки індуктивності діаметром 35 мм, містить 5 витків дроту d=2 мм (довжина намотування -20 мм), і змінного конденсатора 12...495 пф. Трансформаторна зв'язок здійснювалася котушкою зв'язку, що складається з 1 витка, а на частоті 14 МГц - з 2-х витків, розташованих на поверхні котушки резонансного контуру. Компенсація індуктивності котушки зв'язку здійснюється ємністю С2. Резонансний контур, що включається в другу антену, складався з котушки індуктивності діаметром 35 мм, містить 29 витків дроту d=l мм (довжина намотки - 65 мм) і конденсатора. Котушка зв'язку мала 3 витка дроту d=l мм. Резонансні частоти антени, розміри і параметри елементів наведено в таблиці.
З укорачивающей ємністю (рис.1)
З резонансним контуром (рис.2)
Частота настройки Р, МГц
Укорач. ємність С1, пФ
Довжина шлейфу 11,
CM
Компен. ємність С2, пФ
КСВ
>Ємність контуру С1, пф
Ємність ланцюга зв'язку С2, пф
КСВ
а=1,4 м; b=1,4 м; S=5,6 м; fтеор=53 МГц; fрез=38 МГц
29
б
31
20
1,05
38
22
1,06
21,2
12
38
50
1,3
80
48
1.3
14,2
30
45
85
1,5
116
100
1,5
а=5 м; b=l,4 м; S=12,8 м; fтеор=23 МГц; fрез=21,,2 МГц
21,2*
1.1
14,2
12
48
50
1,2
25
50
1,2
7,05
50
70
80
1,4
100
100
1,5
* -На частоті 21,2 МГц рамка харчувалася кабелем, безпосередньо включеним у середину вертикального елемента.
Встановлено, що при використанні обох систем налаштування та узгодження досягається порівняно низьке значення КСВ (приблизно однакове для різних способів узгодження), однак процес узгодження та налаштування сильно розрізняється. При використанні укорачивающей ємності і у-узгодження цей процес виглядає досить складно і складається з декількох етапів: налаштування рамки на необхідну резонансну частоту, а потім - послідовної зміни довжини шлейфу, відстані, на якій він розташований, і ємності, що компенсує індуктивності шлейфу, супроводжуваного налаштуванням резонансної частоти і контролем КСВ. Такий процес узгодження та налаштування викликає значні труднощі, особливо при відсутності достатнього досвіду.
Узгодження з допомогою резонансного контуру значно простіше: антена настроюється зміною ємності резонансного контуру, а потім зміною коефіцієнта трансформації встановлюється мінімальне значення КСВ (іноді потрібно включення ємності С2, компенсуючої індуктивність L2.) Слід зазначити, що незважаючи на те, що на низкочасчотных діапазонах досяжний значно менший КСВ, ефективність антени як випромінюючої системи визначається в першу чергу ККД.
Якщо у більшості повнорозмірних антен цей параметр, що визначає
Р изл Rизл
n=--------- - -----------------
Рподв Rизл+Rпотерь
близький до 1, то у вкорочених антен, що мають опір випромінювання Rизл, порівнянне з Rвтр ККД виявляється значно зменшеним. Тому завжди потрібно пам'ятати, що сильно укорочені антени замість випромінювання перетворюють підводиться енергію в теплову. Незалежно від способу узгодження і налаштування, укорочені антени виявляються узкополосными і вимагають коригування при зміні частоти. І якщо для антени з у-узгодженням і укорачивающей ємністю процес перебудови вимагає повторення практично всіх перерахованих етапів при зміні частоти, то для антени з резонансним контуром процес налаштування зводиться до невеликої зміни ємності резонансного контуру. Це робить такі антени дуже зручні, особливо при доступності елемента настройки.
Література
1. Ротхаммель К. Антени. - М: Енергія, 1969
2. Гречихін А. Електрично малі антени: можливості і помилки/ /Радіо. - 1992. - № 11. - С. 8 -10.
3. Беньковський 3., Липиньский Е. Аматорські антени коротких і ультракоротких хвиль. - М: Радіо і зв'язок, 1983.
4. Мейнке X., Гундлах Ф. Радіотехнічний довідник. Т. 1. М-Л, ДЕІ, 1960.
Автори: М. Анісімов (UA3POC), М. Анісімов (UA3PML), р. Тула; Публікація: М. Большаков, rf.atnn.ru