Якщо судити по іноземній радіоаматорський літературі, скелетно-щілинна антена користується популярністю на частотах вище 20 МГц. В опублікованій статті зроблена спроба відповісти на питання - наскільки заявлений в літературі її коефіцієнт спрямованого дії відповідає дійсності.
У книгах по УКХ антен неодноразово описувалася так звана скелетно-щілинна антена, причому всі без винятку публікації повідомляли про її досить високих параметрах, великому коефіцієнті направленої дії (КНД), широкій смузі частот і зручність настройки. Ідея антени запропонована Дж. Рамсеем ще в 1949 р. [1], її конструкція показана на рис.1, запозичене з [2]. Активний елемент антени являє собою три паралельних півхвильових диполя, розташованих у три поверхи один над одним. Для зменшення габаритів антени кінці верхнього і нижнього диполів зігнуті під прямим кутом у напрямку до середнього диполю і з'єднані з ним. Від нього ж вони й порушуються.
Середній диполь зроблений розрізним і з'єднаний з согласующей четвертьволновой двопровідної лінією, одночасно служить для кріплення рефлектора. Рефлектор виконаний як у хвильового каналу у вигляді одиночного вібратора, електрична довжина якого дещо більше напівхвилі. Розміри антени в довжинах хвиль і значення коефіцієнта укорочення k, що залежить від діаметра провідників (трубок) d, наведені на рис. 1. Переміщаючи точку харчування XX вздовж двопровідної лінії, можна змінювати вхідний опір антени від нульового (близько рефлектора) до приблизно 400 Ом (в точці YY близько активного елемента).
Розподіл струму в активному елементі показано на рис. 2. Видно, що пучности (максимуми) струму розташовані якраз посередині горизонтальних частин елемента, утворюючи триповерхову синфазную систему. У вертикальних частинах активного елемента струми невеликі і спрямовані назустріч один одному. Крім того, тут знаходяться чотири вузли струму, тому випромінювання вертикальних частин в дальній зоні відсутня. Нагадаємо, що в далекій зоні практично повністю формується діаграма спрямованості антени. Відстань до дальньої зони становить кілька довжин хвиль. Воно тим більше, чим більше КНД антени.
Активний елемент скелетно-щілинної антени можна також розглядати як два квадрата, об'єднаних однією стороною і точками харчування. Однак порівняно з двома повнорозмірними квадратами периметр активного елемента скелетно-щілинний антени виходить трохи менше, ймовірно через укорачивающего дії ємності між вертикальними провідниками елемента. Схожу антену запропонував К. Харченко [3], але в ній два квадрата живляться з кутів і суміщені точками харчування.
У простий скелетно-щілинної антени недостатньо ефективний рефлектор. Усунути цей недолік можна, виконавши рефлектор точно так само, як і активний елемент (у вигляді такої ж триповерхової конструкції вібраторів). Двопровідні лінії тепер вже не можна розмістити між елементами, але ніхто не заважає провести їх в площині кожного елемента до точки з нульовим потенціалом в середині нижнього горизонтального вібратора.
Те, що виходить після такої модифікації, зображено на рис. 3. Розміри самих елементів залишаються колишніми, а відстань між активним елементом і рефлектором зменшується до 0,18. У цієї антени є і ще одна перевага. Переміщаючи по двопровідними лініями закорачивающие перемички, елементи вдається підлаштовувати її на потрібну частоту, а пересуваючи перемичку рефлектора, легко настроїти антену на максимальний КНД або ставлення випромінювання вперед-назад.
Для такої двоелементної антени, описаною в [2 4], повідомляється про надзвичайно високому КНД у 14...16 дБ! Якщо б друга з названих книг була не серйозним виданням, тоді ще можна було махнути рукою і не приймати цієї цифри всерйоз. Але ця книга в цілому дуже хороша і майже не містить помилок. Її автор, звичайно, не міг випробувати всі безліч наведених у ній конструкцій. Отже, якщо це помилка, то вона з'явилася раніше, в якихось інших виданнях, і знайти першоджерело тепер важко. Цілком зрозуміло, що синфазного система вібраторів повинна давати більший КНД, ніж одиночний вібратор, але питання наскільки? Хоча в [2] на с. 100 і стверджується, що антена "...фактично є шестиэлементной триповерхової синфазних", але ж вібратори виявляються досить близько один до одного, і до того ж вкорочені. Це неминуче повинно знизити ефективність. Таким чином, виявилося питань більше, ніж відповідей. До того ж знайомі авторові радіоаматори зібралися будувати саме таку антену на діапазон 10 метрів і вже готові були витратитися на матеріал, а він нині недешевий!
Щоб отримати ясну і чітку відповідь на питання про КНД, був проведений експеримент в діапазоні 432 МГц. Елементи були зігнуті у відповідності з рис. 3 з відрізків емальованого мідного дроту діаметром 1,5 мм, з'єднання пропаяні, а провідники ліній у місцях установки замикаючих перемичок і приєднання кабелю зачищені від ізоляції. Вся конструкція була зібрана на дерев'яному каркасі з сухих тонких рейок. Кабель живлення проходив від точок харчування вздовж того провідника двопровідної лінії, з яким з'єднувалася оплетка, вертикально вниз і підключався безпосередньо до виходу генератора стандартних сигналів. Індикатором поля служив напівхвильовий диполь з детектором і микроамперметром. Він розташовувався на штативі на відстані декількох метрів від антени. Антена також закріплювалася на примітивному поворотному штативі, який дозволяв змінювати її орієнтацію.
Налаштувалася антена досить легко і швидко, просто по максимуму випромінювання у головному напрямку. При зазначених розмірах на частоті 432 МГц відстані замикаючих перемичок від підстави двопровідних ліній для налаштованої антени вийшли такими: у рефлектора - 43 мм, у активного елемента - 28 мм. Відстань до точки підключення 50-омного кабелю було 70 мм.
При настроюванні на максимум КНД виявляється невеликий задній пелюсток. Підстроївши рефлектор, його можна придушити практично повністю. Випромінювання вбік, вгору і вниз відсутнє.
КНД, точніше виграш антени, дорівнює добутку КНД і ККД, визначався наступним чином: на індикаторі відзначався рівень сигналу, створюваний антеною в головному напрямку, потім замість антени до живлячої кабелю під'єднувався напівхвильовий диполь, розташований в тій же точці простору. Рівень сигналу від генератора підвищувався настільки, щоб отримати на індикаторі ті ж самі свідчення. Відлічена за аттенюатору генератора зміна рівня сигналу чисельно дорівнює виграшу антени відносно полуволнового диполя. Для даної антени він виявився рівним 7 dBd. Відносно ізотропного (всеспрямованого) випромінювача він буде на 2,15 dB більше і складе близько 9,2 dBi.
Зверніть увагу на літери d і i в позначенні децибел в літературі з антенам так прийнято вказувати, щодо якого випромінювача виміряний КНД. Ширина діаграми спрямованості по половинній потужності склала в горизонтальній площині (по азимуту) близько 60°, а у вертикальній площині (за куті місця), близько 90°. Маючи ці дані, КНД можна розрахувати і ще одним способом: тілесний кут, в який випромінює антена, дорівнює добутку лінійних кутів, що відповідають ширині діаграми і виражених в радіанах. Отримуємо значення близько 1,5 стерадиана. У той же час изотропная антена випромінює в тілесний кут 4π, або 12,6 стерадиана. КНД за визначенням є відношення цих тілесних кутів і становить 12,6/1,5 = 8,4 або 9,2 dBi.
Отримавши настільки гарний збіг значень КНД, визначених двома методами, автор вирішив, що вимірювати більше вже нічого й з легким розчаруванням зайвий раз переконався, що чудес в антенній техніці не буває. Тим не менш антена працює дуже добре і при невеликих габаритах (330x120x120 мм в діапазоні 432 МГц) забезпечує досить пристойний виграш.
Література
Автор: Володимир Поляков (RA3AAE)