Антенна Харченко: расчет и изготовление. Четырех-элементная рамочная антенна для DVB-T2 3 х элементная рамочная антенна
Одним из достаточно распространенных типов антенн являются рамочные антенны «тройной квадрат». Причем это относится не только к телевизионному приему, но к различным видам беспроводной связи — Wi-Fi, 3G и др.
Способствуют этому сравнительная простота изготовления (можно сделать из одного куска провода), компактность и при этом достаточно высокие технические характеристики.
Однако при всём этом абсолютное большинство и наших, и зарубежных производителей по каким-то причинам игнорируют производство рамочных антенн «тройной квадрат» или хотя бы «двойной квадрат».
Видимо, это связано с лишними затратами и сложностью при массовом производстве.
Поэтому и во времена СССР, и в нынешние времена данные антенны изготавливаются вручную преимущественно только самими людьми.
Единственный известный пример заводского изготовления наружной антенны ДМВ «тройной квадрат» — от старейшего :
Но при этом в Интернете не удалось найти какой-либо магазин, продававший бы данную наружную модель, возможно из-за высокой стоимости у производителя.
И когда рассматривал в Интернете фото различных вариантов «тройного квадрата», случайно наткнулся на одну из фотографий комнатной антенны «тройной квадрат» промышленного изготовления.
И как оказалось продается недалеко, поэтому сразу же была приобретена за 393 р.
Антенна «Сигнал 3.0» поставляется в небольшой красочной картонной коробке размером с книгу. Обтянута предохранительной пленкой:
На упаковке показана сама антенна в сборе и значки основных цифровых телевизионных стандартов.
И с обратной стороны — полностью аналогично (защитная пленка снята):
Конечно же сразу обращают на себя надписи: «КАЧЕСТВЕННАЯ КОМНАТНАЯ ДМВ АНТЕННА
» и «ТРОЙНОЙ КВАДРАТ СНОВА В РОССИИ!
».
Так же и по бокам — указаны основные преимущества и функции:
И здесь отмечу: — Схема CMT, специально для приема цифровых и/или HD-каналов.
Однако, к сожалению, так и не удалось понять, что означает аббревиатура СМТ (не уверен даже — латинскими или русскими). Возможно, CMT может означать Cellular Mobile Telephone, т.е. сотовый телефон, и речь идет о фильтрации помех от GSM (но это лишь предположение).
Открываем коробку и видим пакет с комплектующими:
Быстро собрать антенну поможет описание:
Рассмотрим составные части и начнем с основы — пластиковая подставка с квадратными отверстиями для фиксации центральной стойки. Размеры — 168 x 94 мм:
Пластиковая центральная стойка с кабелем и центральной рамкой — активным вибратором (сторона квадрата — 126 мм):
Задняя рамка — рефлектор (сторона квадрата — 154 мм) с нижней пластиковой распоркой:
Передняя рамка — директор (сторона квадрата — 108 мм) так же с пластиковой распоркой:
Исходя из этих размеров видно, что антенна рассчитывалась как обычно на середину диапазона ДМВ (приблизительно 38 канал).
Во всех рамках использована стальная нержавеющая проволока диаметром 4 мм.
И последняя деталь — верхняя пластиковая распорка для скрепления всех трёх рамок между собой:
Коаксиальный кабель имеет длину 1.43 м. Используется 50-омный RG174 COAXIAL CABLE:
что довольно странно, т.к. даже в описании отмечено: «хорошо согласуется с кабелем 75 Ом», но по непонятной причине использован кабель с волновым сопротивлением 50 Ом.
Попутно отмечу, что и некоторые известные отечественные производители также не брезгуют использовать более дешевый — 50-омный кабель: например, у Locus L 405.05 также использован RG 174/U.
Центральная пластиковая стойка является держателем для активного вибратора антенны и содержит пассивную плату согласования:
в виде эквивалента полуволновой кабельной петли на односторонней печатной плате:
электрическая схема соединений:
Используемая плата имеет достаточно большую металлизированную площадь (43 х 32 мм), что вообще в антеннах и, в частности, в рамочных не приветствуется: внутри и снаружи рамки должно быть минимум проводящих поверхностей, а иначе ухудшаются характеристики антенны.
Разберем и нижнюю пластиковую распорку у рефлектора — увидим сплошное сварное соединение рамки:
т.е. как обычно у пассивных элементов рамка замкнутая — закрытая.
А вот передняя рамка (директор) разомкнутая — открытая:
Здесь имеется разрыв — изолятор толщиной около 1 мм.
Причины такого крайне редко применяемого решения были видимо как-то связаны с согласованием или чем-то иным.
Наконец собираем всё вместе и получаем антенну «тройной квадрат»:
Измеренные габариты антенны — 168 х 157 x 228 мм.
Измеренная масса — около 300 г.
Вид сзади наглядно демонстрирует название «тройной квадрат»:
Спереди:
глядя с определенной точки, все три рамки практически сольются, спрятавшись за первой.
Сбоку:
Расстояние между задней рамкой и центральной — 78 мм, а между центральной и передней — 58 мм.
Интересно, отметить в описании, что «Тройной квадрат обладает малой парусностью» хотя для комнатной антенны этот показатель неактуален.
Еще раз напомню об оптимальном размещении любых комнатных антенн и особенно с пластиковыми окнами, а точнее — металло пластиковыми, т.к. рамы и створки содержат в себе металлический каркас, который препятствует прохождению сигнала.
Вообще, минимальная высота рамочной антенны должна быть не менее 0.1 λ, что для самого длинноволнового — 21 канала ДМВ составит 63 мм.
У «Сигнал 3.0» самая нижняя часть рефлектора имеет высоту — 67 мм, т.е. укладывается в минимум.
С глухой створкой — высоты антенны в принципе достаточно для приема:
А вот поворотная створка точно будет перекрывать обзор:
Поэтому в любом случае — желательно всё-таки поставить антенну на какую-нибудь подставку, к примеру, пустую пластиковую банку или пустую коробку:
Тем самым обеспечив бо
льший уровень принимаемого сигнала.
Так же при приеме c любыми комнатными антеннами стоит обратить внимание на наличие на стеклах специального энергосберегающего покрытия на внутренней стороне стеклопакета (такие окна с улицы выглядят как зеркальные):
или энергосберегающей термопленки:
Причем зачастую еще и особо отмечается:
- исключают утечку информации по электромагнитным полям
- защита от энергии в радиочастотном диапазоне (микроволновое излучение)
Всё это достигается за счет наличия металлов, которые конечно препятствуют приему сигнала. И если со связью GSM сигнала еще хватает (вышки стоят чуть ли не на каждом высотном доме), то с телевизионным приемом, Wi-Fi, 3G могут возникать проблемы из-за ослабления сигнала.
Вот, к примеру, городской эфир принятый антенной «Сигнал 3.0» (напомню, что крайний справа синий столб — это как раз уровень сигнала GSM — у него с тонировкой точно проблем быть не должно):
Чем больше я познаю современную элементную базу, тем больше удивляюсь тому, как просто сейчас делать такие электронные устройства, о которых раньше можно было только мечтать. К примеру, антенный усилитель, о котором пойдет речь, имеет рабочий диапазон частот от 50 МГц до 4000 МГц. Да, почти 4 ГГц! Во времена моей молодости о таком можно было просто мечтать, а сейчас такой усилитель на одной крохотной микросхеме может собрать даже начинающий радиолюбитель. Причем не имеющий опыта работы со сверх высокочастотной схемотехникой.
Представленный ниже антенный усилитель необычайно прост в изготовлении. Имеет хороший коэффициент усиления, низкий уровень шума и низкий ток потребления. Плюс очень широкий диапазон работы. Да, ещё и миниатюрный размер, благодаря которому его можно встроить куда угодно.
Где можно применить универсальный антенный усилитель?
Да практически где угодно в широком диапазоне 50МГц – 4000МГц.- - Как усилитель сигналов телевизионной антенны для приема как цифровых, так и аналоговых каналов.
- - Как антенный усилитель для FM приемника.
- - др.
Характеристики антенного усилителя
- Рабочий диапазон: 50 МГц – 4000 МГц.
- Усиление: 22,8 дБ - 144 МГц, 20,5 дБ - 432 МГц, 12,1 дБ - 1296 МГц.
- Коэффициент шума: 0,6 дБ - 144 МГц, 0,65 дБ - 432 МГц, 0,8 дБ - 1296 МГц.
- Ток потребления порядка 25 мА.
Малошумящий усилитель отлично себя зарекомендовал. Низкий ток потребления вполне себя оправдывает.
Так же микросхема отлично выдерживает высокочастотные перегрузки без потери характеристик.
Изготовление антенного усилителя
Схема
В схеме используется микросхема фирмы RFMD SPF5043Z, которую можно купить на - .По сути вся схема - это микросхема усилитель и фильтр для ее питания.
Плата усилителя
Плату можно сделать из фольгированного текстолита, даже без травления, как это сделал я.
Берем двух сторонний фольгированный текстолит и выпиливаем прямоугольник размером примерно 15х20 мм.
Затем, перманентным маркером рисуем по линейке разводку.
А дальше хотите травите, а хотите вырезайте дорожки механически.
Далее все залуживаем паяльником и припаиваем SMD элементы типоразмера 0603. Нижнюю сторону платы фольги замыкаем на общий провод, тем самым экранируем подложку.
Настройка и испытание
Настойка не требуется, можно конечно замерить входное напряжение, которое должно быть в пределах 3,3 В и потребляемый ток примерно равен 25 мА. Так же если вы работаете в диапазоне выше 1 ГГц, то возможно, потребуется согласовать входной контур, уменьшением конденсатора до 9 пФ.Подключаем плату к антенне. Проверка показала хорошее усиление и низкий уровень шума.
Будет очень хорошо, если разместить плату в экранированном корпусе, типа такого.
Плату уже готового усилителя можно купить на , но стоит она же в разы дороже, чем микросхема отдельно. Так что лучше заморочиться как мне кажется.
Дополнение схемы
Для питание схемы требуется напряжение 3,3 В. Это не совсем удобно, к примеру, если использовать усилитель в автомобиле с напряжением бортовой сети 12 В.
Для этих целей можно ввести в схему стабилизатор.
Подключение усилителя к антенне
По расположению, усилитель следует располагать в непосредственной близости у антенны.Для защиты от статики и гроз желательно, чтобы антенна была бы замкнута по постоянному току, то есть нужно использовать петлевой или рамочный вибратор. Антенна типа « » будет отличным вариантом.
Эмил Тафро предложил конструкцию и испытал несколько типов антенн на основе прямоугольной проволочной рамки с соотношением сторон 1:3. Преимущество таких рамочных антенн в небольшой высоте подвеса при условии, что короткая сторона расположена вертикально. Так например, рамку для 40-метрового диапазона (рис.42) достаточно поднять на высоту около 10 метров, чтобы нижняя ее сторона была в 5 метрах от земли.
Запитывается рамка 50-омным коаксиальным кабелем. Для настройки рамки до КСВ 1:1 в заданном участке диапазона полезно включить в разрыв нижней стороны рамки короткозамкнутый шлейф (рис.43).
Можно изготовить двухдиапазонную антенну, например для 80 и 40 метров, разместив внутри рамки на 80 м антенну на 40 м (рис.44).
Для желающих получить более эффективную антенну, можно предложить дополнить активную рамку, например рефлектором (подобная конструкция для диапазона 40 метров показана на рис.45) или добавить еще один или несколько рамочных директоров.
Была построена 4-элементная рамочная антенна с соотношением сторон 1:3 для 40 метров и проведены ее испытания в сравнении с 3-х элементной полноразмерной Яги, размещенной на высоте 45 метров. Обе антенны имели фиксированное направление на США. Из 100 связей с американскими радиолюбителями 90 давали предпочтение по силе сигналов рамочной антенне и все 100 корреспондентов были лучше слышны на "рамки" чем на Яги. При этом диапазон 40 метров в направлении США "открывался" на 30...45 минут раньше и "закрывался" на такое же время позже при использовании 4-х элементной рамочной антенны. На рис.46 показана схема двухдиапазонной (40 и 80 метров) двойной рамочной антенны.
Поскольку расстояние между рамками выбрано оптимальным для 80 метров и равно 10,6 м, для 40 метров это много, и пришлось принимать дополнительные меры по согласованию активной вамки 40-метрового диапазона с 50-омным кабелем путем включения между точками питания рамки и 50-омным фидером четвертьволнового отрезка 75-ом-ного кабеля (его физическая длина с учетом коэффициента укорочения равна 7 метров). В табл.1 даны размеры двухэлементных антенн для пяти диапазонов.
Таблица 1
|
Диапазон, МГц |
Активная рамка |
Рефлектор |
Расстояние между рамками, м |
||
|
Короткая сторона, м |
Длинная сторона, м |
Короткая сторона, м |
Длинная сторона, м |
||
Рамочные антенны
Обычный петлевой вибратор может быть трансформирован в квадратную рамку, периметр которой примерно равен длине волны (рис. 1).
Рис. 1 Трансформация петлевого вибратора в квадратную рамку.
Антенны такого типа называются петлевыми или рамочными. Для приема телевизионных программ чаще всего используются двухэлементные и трехэлементные рамочные антенны, которые иначе называют “двойной квадрат” и “тройной квадрат”. Эти антенны отличаются простотой конструкции, довольно высоким усилением и узкой полосой пропускания.
Узкополосные антенны по сравнению с широкополосными обеспечивают частотную избирательность. Благодаря этому на вход телевизионного приемника не могут проникать мешающие сигналы от других телевизионных передатчиков, работающих на близких по частоте каналах. Это особенно важно в условиях слабого сигнала. Часто возникает необходимость приема слабого сигнала от удаленного передатчика при наличии близко расположенного мощного передатчика другого канала. При таких условиях частотной избирательности телевизионного приемника может не хватить. Кроме того, интенсивный мешающий сигнал, поступая на первый каскад приемника (или антенного усилителя), приводит к перекрестной модуляции полезного сигнала мешающим сигналом. В последующих каскадах избавиться от этого уже невозможно. Поэтому в таких случаях следует применять узкополосные антенны.
Двухэлементная рамочная антенна изображена на рис. 2. Рамки антенны имеют квадратную форму, а по углам могут иметь закругления произвольного радиуса, не превышающего примерно 1/10 стороны квадрата. Рамки выполняют из металлической трубки диаметром 10 -20 мм для антенн 1-5-го каналов или 8-15 мм для антенн 6-12-го каналов. Металл может быть любым, но предпочтительнее медь, латунь иди алюминий.
Рис. 2. Двухэлементная рамочная антенна.
Для дециметрового диапазона рамки выполняют из медного или латунного прутка диаметром 3-6 мм. Верхняя стрела соединяет середины обеих рамок, а нижняя изолирована от вибраторной рамки и крепится к пластине, изготовленной из текстолита или органического стекла. К этой же пластине крепятся концы вибраторной рамки винтами с гайками, для чего концы ее можно расплющить. Стрелы могут быть изготовлены из металла или изоляционного материала. В последнем случае специально соединять между собой рамки нет необходимости. Мачта должна быть деревянной, по крайней мере ее верхняя часть. Металлическая часть мачты должна заканчиваться на 1,5 м ниже антенны. Рамки антенны располагают друг относительно друга так, чтобы их геометрические центры находились на горизонтальной прямой, направленной на передатчик.
Кабель подключается к концам вибраторной рамки с помощью четвертьволнового короткозамкнутого симметрирующего шлейфа, который изготавливается из того же кабеля. Шлейф и кабель должны подходить к антенне вертикально снизу, расстояние между ними должно быть постоянным по всей длине шлейфа, для чего можно использовать распорки из текстолита. Можно также закрепить кабель и шлейф на изоляционной пластине, к которой крепятся нижняя стрела и концы вибраторной рамки. При этом в пластине сверлят небольшие отверстия, а кабель и шлейф привязывают к ней капроновой леской. Использовать металлические элементы крепления нежелательно.
Для
обеспечения жесткости можно
выполнить шлейф из двух
металлических трубок,
соединенных верхними концами с
концами вибраторной рамки. В
этом случае кабель пропускают
внутри правой трубки снизу
вверх, оплетку кабеля
припаивают к правому, а
центральную жилу к левому
концам вибраторной рамки.
Трубки шлейфа в нижней части
замыкаются перемычкой,
перемещением которой можно
подстроить антенну на максимум
принимаемого сигнала.
Размеры двухэлементных
рамочных антенн, рекомендуемые
для метровых телевизионных
каналов, приведены в таблице 1.
Таблица 1. Размеры двухэлементных рамочных антенн метровых волн, мм
Номера каналов |
||||||||||||
1450 |
1220 |
|||||||||||
1630 |
1370 |
1050 |
||||||||||
1500 |
1260 |
В = 0,26L, Р = 0,31L , А = 0,18L , где L - средняя длина волны принимаемого частотного канала, которая приведена . Длина шлейфа для этой антенны берется из таблицы 1 (параметр Ш).
Размеры двухэлементных рамочных антенн для дециметровых волн приведены в таблице 2. Поскольку в этом диапазоне полоса пропускания антенны охватывает сразу несколько частотных каналов, размеры даются не для одного канала, а для группы соседних частотных каналов.
Рамочная антенна “двойной квадрат” по сравнению с двухэлементной антенной типа “волновой канал” имеет большее усиление (примерно на 1,5 дБ). Сказанное относится к антеннам, имеющим одинаковую длину. Усиление антенны во многом определяется расстоянием между элементами антенны. Оптимальные с этой точки зрения расстояния находятся в пределах 0,12....0,15L .
Таблица 2. Размеры двухэлементных рамочных антенн дециметровых волн, мм
| Каналы | В | Р | А | Ш |
| 21- 26 | 158 | 170 | 91 | 152 |
| 27-32 | 144 | 155 | 83 | 139 |
| 33-40 | 131 | 141 | 75 | 126 |
| 41-49 | 117 | 126 | 68 | 113 |
| 50-60 | 105 | 113 | 60 | 101 |
Конструкция трехэлементной рамочной антенны “тройной квадрат” изображена на рис. 3.
Рис. 3. Антенна “тройной квадрат”.
Антенна содержит три квадратные рамки, причем рамки директора и рефлектора являются замкнутыми, а рамка вибратора в точках а - а" разомкнута. Рамки расположены симметрично, так что их центры находятся на горизонтальной прямой, направленной на телецентр, и крепятся к двум стрелам в серединах горизонтальных сторон. Верхняя стрела выполнена из того же материала, что и рамки. Практика показала, что антенна работает лучше, если нижняя стрела выполнена из изоляционного материала (например, из текстолитового прутка). Верхняя стрела припаивается к рамкам, а нижняя может крепиться к рамкам с помощью заливки точек соединения эпоксидной смолой. Антенна крепится к мачте из изоляционного материала. Как и в случае “двойного квадрата”, для симметрирования используется четвертьволновый короткозамкнутый шлейф, выполненный из отрезка того же кабеля.
Существует также простая конструкция трехэлементной рамочной антенны дециметрового диапазона из одного куска толстого провода, изображенная на рис. 4.
В точках А, Б и В провода необходимо спаять. Вместо шлейфа, выполненного из куска коаксиального кабеля, используется четвертьволновый короткозамкнутый мостик той же длины, что и шлейф. Расстояние между проводами мостика остается прежним - 30 мм. Конструкция такой антенны оказывается достаточно жесткой и необходимость в нижней стреле отпадает. Кабель подвязывают к правому проводу мостика с
Рис. 4. Вариант антенны “тройной квадрат”.
наружной стороны. При подходе кабеля к вибраторной рамке оплетка его припаивается к точке а, центральная жила - к точке б. Левый провод мостика закрепляется на мачте. Необходимо лишь обратить внимание на то, чтобы в пространстве между проводами мостика не располагались ни кабель, ни мачта. С описанием конструкции трехэлементной антенны из одного куска провода можно также познакомиться , с конструкцией шестиэлементной - .
Входное сопротивление антенны, как и ее усиление, также определяется расстоянием между элементами антенны. На рис.5 приведены зависимости усиления и входного сопротивления от расстояния между ее элементами.
Например, при расстоянии между рефлектором и вибратором 0,11L получаем, что входное сопротивление антенны равно 65 Ом, а усиление
Рис. 1.5. Зависимости усиления и входного сопротивления рамочных антенн от расстояния между элементами (верхний рисунок: 1 - “тройной квадрат”, 2 - “двойной квадрат”; нижний рисунок: 1 - одиночная антенна типа “квадрат”, 2 - “двойной квадрат”, 3 - расстояние S = 0,11L соответствует максимальному усилению).
по сравнению с полуволновым диполем равно 5,5 дБ (для “двойного квадрата”) и 6,6 дБ (для “тройного квадрата”). Следует заметить, что приводимые в популярной литературе значения коэффициента усиления рамочных антенн сильно завышены и достигают 14 дБ.
Двухэлементная и трехэлементная рамочные антенны имеют довольно узкий главный лепесток диаграммы направленности и поэтому должны тщательно ориентироваться.
Настройка антенны производится путем изменения длины шлейфа, подключенного к рефлектору. Наиболее оптимальная длина рефлектора на 4% больше длины вибратора.
При расчете антенны типа “тройной квадрат” можно пользоваться следующими формулами: В = 0,255L ; Р = 0,261L ; Д = 0,247L , где L - длина волны. Оптимальное расстояние между элементами А = 0,11....0,15L .
Исследования показали, что переход от двухэлементной антенны типа “квадрат”, содержащей вибратор и рефлектор, к трехэлементной антенне приводит к выигрышу в усилении на 1,7 дБ. Аналогичная процедура для антенны типа “волновой канал” дает выигрыш 2,7 дБ. Следует также отметить, что антенна “тройной квадрат” имеет более узкую полосу рабочих частот, чем антенна “двойной квадрат”. Размеры антенн типа “тройной квадрат” для диапазонов метровых и дециметровых волн приведены в таблицах 3 и 4.
Рамки и верхнюю стрелу антенны метровых волн для достаточной прочности выполняют из трубки диаметром 10... 15 мм, а расстояние между концами вибраторной рамки увеличивают до 50 мм.
Таблица 3. Размеры трехэлементных рамочных антенн метровых волн, мм
Номера каналов |
||||||||||||
1255 |
1060 |
|||||||||||
1485 |
1260 |
|||||||||||
1810 |
1530 |
1190 |
1080 |
|||||||||
22. Размеры и исполнение многоэлементных рамочных антенн.
При изготовлении многоэлементных антенн следует стремиться к возможной оптимизации их параметров. Для двухэлементной антенны коэффициент усиления и КНД зависят как от расстояния между рефлектором и активным элементом, так и от размеров рефлектора. Как проверено на практике, оптимальный рефлектор для двухэлементной антенны должен быть на 5-6% длиннее ее активного элемента. Рефлектор можно выполнить сразу длиннее, а можно выполнить его и подстроечным (рис.78).
Первоначально рефлектор и вибратор выполняют одинаковых размеров, затем изменением длины рефлектора путем перемещения перемычки, настраивают антенну по максимальному усилению или по максимальному ослаблению заднего лепестка – эти настройки несколько не совпадают.
Усиление антенны в большой мере зависит от расстояния между рефлектором и вибратором (рис.79). Как видно из этого графика, приведенного во многих источниках (л.22.1, л.22.2), оптимальное усиление двухэлементной антенны будет при расстоянии вибратор-рефлектор 0,175l . Но антенна будет эффективно работать и при расстоянии, равном от 0,05 до 0,25 длины волны.
Это дает возможность создания таких антенн, как G4ZU и других, укороченных и удлиненных направленных рамочных антенн. Это может быть очень удобно при недостатке места, при размещении рамок вибратора и рефлектора на уже установленных мачтах или каких-либо других опорах.
Отношение излучения вперед/назад двухэлементной антенны может составлять по теории не менее 26 дБ, хотя на практике эта величина бывает ниже и обычно достигает около 24 дБ для квадратов, выполненных на каркасе из изоляционного материала, и может быть не лучше 20-22 дБ для антенны, в конструкции которой задействованы металлические несущие элементы. Металл внутри рамок поглощает и переотражает электромагнитную энергию, что ухудшает характеристики антенны.
К ухудшению характеристик рамочных антенн ведет размещение нескольких антенн на одной траверсе. А если еще используется питание всех рамок через один кабель, то добиться отношения излучения вперед/назад лучше 20 дБ вряд ли удастся. Здесь можно попытаться использовать поляризационное разделение внутренних рамок (л.22.1), но в этом случае коаксиальный кабель, идущий от неиспользуемой в данный момент рамки, необходимо нагружать на какую-либо переменную реактивность – катушку или конденсатор или их систему, и согласовывать эту антенну по минимуму влияния на рабочую.
Как было сказано выше, добавление лишнего директора повышает коэффициент усиления двухэлементной антенны примерно на 2 дБ, а 3-х и более элементной антенны примерно на 1 дБ. График расстояния оптимального расположения директора относительно рефлектора почти совпадает с графиком, приведенным на рис.79, с той лишь разницей, что максимум усиления будет на расстоянии, равном 0,2 длины волны. Периметр директора трехэлементной антенны должен быть на 2,5-3 % длиннее; для четырех и более элементной антенны рефлектор длиннее на 2,5-3 %, а директоры короче на 2 % активной рамки.
Таблицы оптимальных размеров рамочных многоэлементных антенн приведены на рис.81. Конечно, можно жестко не придерживаться расстояния между вибраторами, имея в виду рис.79, следует также помнить, что лучше всего выполнять пассивные элементы антенны подстроечными. Это дает возможность точно настроить антенну по максимуму коэффициента усиления в реальных условиях.
Иногда используют упрощенные пассивные элементы, выполненные в виде диполей (рис.80).
Рамка при использовании таких диполей будет иметь меньшее усиление и больший уровень заднего излучения, чем при использовании пассивных рамочных элементов. Следует правильно размещать пассивные диполи для реальной рамочной антенны, имеющей преобладающую вертикальную или горизонтальную поляризацию. В общем случае, при питании перпендикулярно горизонтальной стороне поляризация будет горизонтальной, при питании перпендикулярно вертикальной стороне поляризация будет вертикальной. Следует также учитывать, что было сказано выше о поляризации рамок с низким подвесом. Размеры диполей для рефлектора и директоров должны быть вдвое меньше периметра соответствующей пассивной рамки. Желательно также и для диполей предусмотреть возможность регулировки их размеров.
Возможно использование и других резонансных элементов в качестве пассивных элементов (рис.80).
23. Многоэлементные рамочные антенны с открытыми рамками.
Все, что касается закрытых рамочных многоэлементных антенн относительно размеров их пассивных элементов и расстояния между ними, верно и для открытых рамочных антенн.
Для получения размеров открытой рамочной антенны необходимо все размеры пассивных и активных элементов умножить на два. Входное сопротивление такой антенны также будет достаточно велико, и для ее питания и симметрирования необходимо использовать все методы, описанные для согласования выше.
Усиление открытой рамочной антенны будет выше закрытой примерно на 2-3 дБ. При использовании для ее питания двухпроводной линии и согласующего устройства, такую антенну можно согласовать в более широком диапазоне частот, чем закрытую рамочную антенну.
Но в то же время такая антенна требует большего расхода материалов по сравнению с закрытой рамочной антенной и больше места для её установки.
24. Двухэлементная антенна G4ZU.
Эта антенна (л. 24. 1. рис.82) имеет ещё одно название - “птичья клетка”, за её внешний вид. Но по позывному впервые предложившего её радиолюбителя, её также называют “квадратная антенна G4ZU”.
Как видно из рисунка, здесь центры рефлектора и излучателя находятся на очень близком расстояние друг от друга – на практике получается 50-20 см, в зависимости от диапазона. За счёт этого неоптимального расположения такая антенна имеет реальный коэффициент усиления – около 6-7 дБ, и ослабление заднего лепестка около 20 дБ.
Для этой антенны требуется всего лишь одна мачта, более того, верхние части антенны (на рис.82 обозначены “О”) имеют нулевой потенциал и, следовательно, могут быть заземлены, что ещё более упрощает конструкцию антенны. При проектировании G4ZU на НЧ диапазоны мачта делается немного выше квадратов и используется для крепления оттяжек (рис. 83). Часто внутри квадратов на НЧ диапазоны помещают квадраты и для ВЧ диапазонов. Можно использовать для этих целей не только квадраты, но и другие рамки: UA1ZAS (л. 24.2) рекомендует использовать дельты для построения G4ZU. Периметр рамок должен соответствовать указанному ранее для двухэлементных антенн. Желательна возможность подстройки рефлектора. Поскольку средняя точка G4ZU заземлена, изменять направление излучения системы можно коммутацией шлейфа и подключения настроечной линией рефлектора (л. 24.3).
Схема такой антенны показана на рис.84. С помощью реле к одной рамке подключают кабель питания, а к другой – удлиняющую линию, и можно менять направление излучения антенны на 360° фиксированно через 90° . Эта антенна должна находиться по возможности в свободном от посторонних предметов пространстве, чтобы исключить их влияние на работу антенны, которое будет проявляться в ее рассимметрировании, и, следовательно, длина настроечного шлейфа будет неоптимальной для каждой из ее сторон излучения.
На принципе питания через симметричное гамма-согласование основана конструкция антенны HB9CV (л.24.1). В ней заземлены уже все точки, имеющие минимум напряжения (рис.85). Эту антенну часто выполняют с уменьшенным расстоянием между вибраторами (рис.86). Коэффициент усиления такой антенны еще меньше, чем G4ZU, и составляет 5-6 дБ. Размеры рефлектора и излучателя соответствуют указанным для многоэлементных антенн, хотя лучше сделать рефлектор с возможностью подстройки его длины.
Антенну G4ZU лучше всего питать 75-омным кабелем (хотя, с некоторым ухудшением ее работы, подойдет и 50-омный), приняв самые серьезные меры по его симметрированию. Можно питать и через симметричное гамма согласование, описанное здесь ранее. Размещать антенну следует как можно выше над землей.
25. Расположение рамочных антенн относительно других предметов.
Рамочные антенны излучают как вертикально, так и горизонтально поляризованную волну. В зависимости от того, какая из них преобладает, выбирают место установки антенны. Крайне важно, чтобы в лепестке диаграммы направленности антенны не было предметов, реагирующих на преобладающую поляризованную составляющую ЭМВ, излучаемую антенной, или чтобы эти предметы находились на расстоянии не менее двух длин волны или, в крайнем случае, на расстоянии, равном половине периметра антенны. Посторонние предметы, переизлучая ЭМВ энергию, могут серьезно исказить диаграмму направленности антенны, вызвав провал в ее лепестке излучения. Особенно это касается многоэлементных антенн с узкой диаграммой направленности. В провале диаграммы направленности рамочной антенны посторонние проводящие предметы могут находиться на расстоянии не менее четверти длины волны работы антенны. В принципе возможно размещение внутри рамки какой-либо малогабаритной антенны – магнитной рамки или штыря, хотя это и несколько ухудшит параметры обоих антенн. Для растяжек рамочных антенн желательно использовать неметаллические оттяжки – синтетическую негниющую веревку, толстую рыболовную леску. Металлические оттяжки могут стать причиной TVI при плохой фильтрации сигнала передатчика и вообще при больших уровнях сигнала, подводимого к антенне.
Рамочные антенны менее капризны в установке, чем дипольные антенны, и допускают свою установку в таких условиях – малая высота подвеса и большая насыщенность мешающими предметами территории их установки – когда установка диполя неэффективна. Это происходит потому, что дипольная антенна разомкнута, и даже небольшое количество проводящих предметов может изменить емкость концов диполя, и, следовательно, изменить его резонансную частоту. Рамочная антенна замкнута, разомкнутая же рамочная антенна является “квазизамкнутой” – т.е. ведет себя как закрытая рамка по отношению к различным дестабилизирующим предметам. Это позволяет подходить к размещению рамочных антенн менее строго, чем в случае дипольных и штыревых антенн.
26. Влияние атмосферных воздействий на рамочную антенну.
Рамочные антенны, особенно открытые, являются одними из самых опасных антенн с точки зрения статического электричества. Вследствие своих значительных линейных размеров и обычно более высокого расположения относительно других антенн, они являются целью для удара молнии и собирателем статического электричества. Это особенно заметно в предгрозовой и грозовой период, а также в сухую зимнюю погоду. Антенна при работе на прием дает много QRM. Если же антенну изолировать от электротехнической “земли”, т.е. вынуть кабель из разъема, то статический заряд, накопленный антенной, выразится в искрах, и довольно значительных, проскакивающих между оплеткой коаксиала и “землей”. Чтобы этого не происходило, необходимо заземлять оплетку коаксиала, и лучше, если это будет сделано на крыше. На крыше оплетку коаксиала следует заземлять через резистор 10-100 кОм мощностью 2 Вт либо через ВЧ-дроссель. Это предотвратит дополнительное рассимметрирование антенны. Хорошим методом защиты антенны от статики является заземление точки полотна нулевого потенциала на мачте размещения антенны. Безопасными антенными являются антенны типа G4ZU, полотно которых заземлено на мачте.
Особое внимание следует обратить на установку разомкнутых рамочных антенн. Для этого необходимо ознакомиться с л.26.1. Открытый незаземленный ус рамки может явиться причиной выхода из строя выходных транзисторов передатчика. Накопленный заряд (он накапливается в погонной емкости коаксиала) может разрушить верхний изолятор, если оплетка кабеля не будет заземлена. Иногда возникает периодический пробой этого изолятора, который может выражаться в сильных QRM приему, и даже может стать причиной TVI.
ЛИТЕРАТУРА.
Беньковский З., Липинский Э.: Любительские антенны коротких и ультракоротких волн. М., Радио и связь,1983.
В.Швыдкий (UH8CT): Антенна радиостанции UK8HAA; Радио № 7, 1972.
Г.Болотов, С.Жемайтис: Многодиапазонный вариант рамочной антенны; Радио № 2, 1989 г.
К.Сепп, А.Снесарев: КВ антенны “квадрат”; Радио № 6, 7, 1978 г.
J.L. Dietrich WAORDX: Loops and dipoles; A Comparative analisis QST, sept. 1985.
Рамка с 50-омным питанием; КВ-журнал № 1, 1992.
Г.З.Айзенберг и др.: Коротковолновые антенны. М.; Радио и связь, 1985.
И. Подгорный (UC2AGL): Антенный тюнер; Радиолюбитель № 1, 1991.
Г.И. Атабеков: Линейные электрические цепи., М., Энергия, 1978.
Ротхаммель К.: Антенны.; М.; Энергия, 1978.
Антенна “Мини квадрат”; (“За рубежом”, QST № 8, 1973), Радио № 10, 1973.
А. Голицин (UA9UR): Антенна для низкочастотных диапазонов; Радио № 2, 1973.
С. Бунимович: Малогабаритная квадратная антенна; Радио № 4, 1968.
Квадрат на 14 МГц; (“За рубежом”, RADCOM № 10, 1976), Радио № 4, 1977.
Е.Барановский, Э.Тумаркин: Диапазонная рамочная антенна; Радио № 6, 1969.
Антенна на 180-250 МГц; (“За рубежом”, Radioamateur № 12, 1959), Радио № 3, 1960.
К.Харченко: Проводники с укорочением в антеннах; Радио № 8, 1979.
К.Харченко: За зоной уверенного приема. Зигзагообразные антенны. Радио № 3, 1961. Телевизионные антенны; Радио № 4, 1961. Двойные зигзагообразные антенны; Радио № 8,1961.
К.Каллемаа (UR2BU): Ультракоротковолновые антенны; Радио № 8,1973.
К. Харченко: Еще раз о зигзагообразных антеннах; Радио № 11, 1962.
К Харченко: Высокоэффективные антенны на 430 МГц; Радио № 4, 1966.
К. Харченко: Широкополосная телевизионная антенна; Радио № 10, 1967.
Ю. Кондратьев: Антенна двойной треугольник; Радио № 2, 1974.
А. Новиков (UA0CAS), А. Бабин (UA0LAQ): Антенна с переключаемой диаграммой направленности; Радио № 6, 1974.
Глава 4. Ромбические антенны
Ромбическая антенна является дальнейшим развитием антенны Бевереджа. Читатель, внимательно прочитавший главу о них, понимает, что антенне Бевереджа присущи свои недостатки. Это – малый КПД, сильное влияние земли. Всё это устранено в ромбической антенне. Ромбическая антенна, как и антенна Бевереджа является антенной бегущей волны. В дальнейшем будем ее называть “Р.А”.
1. Переход от антенны Бевереджа к Р.А.
Относительно высокие характеристики антенны Бевереджа (или антенны бегущей волны-АБВ) при минимальных затратах на ее изготовление, послужили причиной попыток ее использования и в УКВ - диапазоне. Но УКВ антенны должны быть приподняты над землей для повышения дальности связи.
Простое поднятие АБВ над землей приводит к тому, что провод, который ранее был “земляным”, тоже начинает излучать (рис.1). КПД антенны в таком случае должен увеличиться примерно вдвое.
Приподняв антенну Бевереджа над землей, мы получили разные высоты под проводниками h 1 и h 2 . Такое расположение дает нам рассимметрирование антенны и искажение ее диаграммы направленности. Очевидный путь исправления такого положения – параллельное расположение проводников относительно земли (рис.2).
Чем выше над землей будет поднята антенна, тем меньше будет влияние земли на работу антенны. На практике доказано, что высота подвеса около длины волны уже почти полностью исключает влияние земли. Значит, подняв антенну, мы еще более увеличим ее КПД. Но то, что возможно на УКВ, в диапазоне КВ и СВ не всегда возможно, поэтому в этих диапазонах волн Р.А. подвешивается на той высоте, которую можно реально обеспечить для эффективной работы антенной системы.
Очевидно, что, выполнив антенну точно по рис.2, мы получим точки перегиба, где будет резко меняться волновое сопротивление антенны. Это может вызвать повышенный КСВ.
Но для увеличения интенсивности излучения ЭМВ необходимо увеличивать расстояние d между проводами полотна антенны. Из этого логически вытекает построение ромбической антенны как показано на рис.3. Это антенна, поднятая над землей на значительную высоту и образующая ромб. Она имеет коэффициент усиления и КПД гораздо выше антенны Бевереджа.
Исходя из реальных условий, которые обычно существуют при установке радиолюбительских антенн, ниже рассмотрим два варианта выполнения ромбических антенн – оптимальный и неоптимальный.
2. Неоптимальная ромбическая антенна.
Неоптимальная ромбическая антенна – это антенна, сторона ромба которой меньше половины длины волны и высота подвеса меньше четверти длины волны.
Скорее всего, именно такую антенну Вы сможете использовать на 160 и 80 метров. Входное сопротивление такой антенны все равно будет равно примерно 600 Ом. Неоптимальность ее заключается в том, что она будет иметь КПД около 10-20%, т.е. почти 80% мощности передатчика будет рассеиваться на нагрузочном резисторе. Угол излучения ЭМВ в вертикальной плоскости будет более 45° . В то же время эта антенна будет иметь подавление заднего лепестка не менее 10 децибел. Являясь неоптимальной, Р.А. на 160 и 80 метров эта антенна работает все равно эффективнее подвешенных на такой же высоте диполей, которые и необходимо настраивать и низких штырей, имеющих КПД в этих диапазонах на порядок ниже, чем Р.А.
Поэтому, если Вы имеете достаточное количество провода и подходящие точки опоры, то можно смело ставить Р.А. (рис.5), которая не нуждается в настройке и работает во всех любительских диапазонах. При переходе к верхним диапазонам неоптимальная антенна станет оптимальной.
3. Оптимальная Р.А.
Приведу данные расчета оптимальной Р.А. (1).
В такой антенне высота подвеса равна длине волны, сторона L равна 4 длинам волн, а угол b равен 120° (рис.3). Антенна с этими данными имеет подавление заднего лепестка не менее 20 децибел, угол излучения к горизонту в вертикальной плоскости не более 15° . Рекомендуемое сопротивление нагрузки составляет около 400 Ом. КПД такой антенны может достигать 90 %. При переходе к меньшим длинам волн характеристики антенны почти не меняются.
Понятно, что антенна для десятиметрового диапазона со стороной L длиной 40 метров и высотой подвеса равной высоте пятиэтажного дома 20 метров будет неоптимальной на 160 и 80 метров, но иметь уже очень хорошие параметры на 40- и 20-метровом диапазоне и превос-ходные параметры на остальных верхних диапазонах.
4. КПД, мощность.
На рис.4 показан рассчитанный мной КПД для ромбической антенны, приведенной на рис.3.
Поскольку в Р.А. существует режим бегущей волны и, вследствие этого, возможно ее оптимальное согласование с кабелем, она может выдержать большие мощности, подводимые к ней. Например, при выполнении такой антенны из провода диаметром 4-6 мм, она может выдержать мощность, подводимую к ней в 600-800 киловатт. Необходимо лишь так выбрать нагрузку, чтобы она выдержала мощность, рассеиваемую на ней. Для повышения КПД Р.А. Б.В. Брауде предложил ромбическую антенну с плавной трансформацией сопротивления. Формула для КПД АБВ (см. раздел “Антенна Бевереджа”), верна и для Р.А. Из нее видно, что еще один путь к повышению КПД антенны- это уменьшение сопротивления нагрузки. Но для подавления заднего лепестка необходимо согласование волнового сопротивления Р.А. с нагрузочным, а при больших расстояниях между проводами полотна волновое сопротивление равно около 600 Ом. В антенне Б.В. Брауде волновое сопротивление плавно трансформируется от высокого значения к низкому (рис.6).
Благодаря этому на конце нагрузки волновое сопротивление получается низким, уменьшается и среднее сопротивление антенны. Уменьшение сопротивления антенны, кроме увеличения ее КПД, позволяет также увеличить и КПД согласующих устройств. Недостатком такой антенны является то, что ее можно использовать только для работы в одном направлении.
Рекомендации по выбору и размещению нагрузки приведены в главе, посвященной антенне Бевереджа. Но в антенне Бевереджа нагрузка легко доступна, а в Р.А. она может быть труднодоступной при расположении ее прямо у полотна антенны. Для обеспечения доступа нагрузка и трансформатор подключаются к Р.А. через двухпроводную открытую линию (рис.7). Это необходимо потому, что в Р.А. возможно повреждение, как нагрузки, так и трансформатора и при прямом ударе молнии в антенну и при чрезмерной мощности, подводимой к Р.А. на ее неоптимальных частотах.
5. Диаграммы направленности Р.А.
Упрощенный график диаграммы направленностей в вертикальной плоскости для Р.А., показанной на рис.3, приведен на рис.8. Подробные графики диаграммы направленности для различных типов Р.А. приведены в Л.1.
В Р.А. с длиной L более 4 длин волн, на которых она работает, будут присутствовать боковые лепестки большой интенсивности (рис.9). Если радиолюбители могут с ними примириться, то для профессиональной связи они могут быть “лишними”.
Для борьбы с ними применяется двойная ромбическая антенна, предложенная Г.Айзенбергом. Такая антенна состоит из двух ромбических антенн, смещенных примерно на 0,25 L в горизонтальной плоскости относительно малой оси ромба и на 0,1 L в вертикальной плоскости (рис.10). При таком выполнении Р.А. боковые лепестки одной антенны попадают в минимум другой. При этом задние лепестки вычитающие, а передние складывающие. В результате этого уровень задних лепестков снижается, а передних возрастает. КПД двойной антенны несколько выше, чем одиночной.
В любительских условиях, двойную Р.А. выполнять нецелесообразно. Для переключения диаграммы направленности “вперед-назад” можно использовать способы, приведенные в главе об антенне Бевереджа.
6. Суррогатные ромбические антенны.
Если невозможно использовать ромб, поднятый на одинаковую высоту, для полотна Р.А., то можно использовать и суррогатные Р.А. Необходимо лишь, чтобы минимальная высота подвеса сторон Р.А. была не менее одного метра, на концах питания и нагрузки антенна “сходилась”, а в середине расширялась. Тупой угол b (рис.3) не должен превышать 120°. Примеры суррогатных антенн приведены на рис.11.
Антенны на рис.11а даже иногда используются и в профессиональной связи. Конечно, КПД и диаграмма направленности суррогатных Р.А. будут хуже, чем КПД и диаграмма направленности классической Р.А. Но, если невозможно установить нормальную Р.А., можно вполне обойтись и суррогатной.
7. Грозозащита Р.А.
Ромбические антенны вследствие своих значительных размеров и большой высоты подвеса сильно подвержены статическому электричеству и прямому попаданию молнии в полотно антенны. При использовании коаксиала для питания РА через трансформатор, накопленный антенной статический заряд может прожечь трансформатор и повредить радиоаппаратуру. Для снятия статического заряда используются обычные меры – заземление полотна антенны через резистор сопротивлением 10-50 КОм и мощностью свыше 5 Ватт на надежную электротехническую “землю”. При прямом попадании молнии такой резистор может сгореть. Для защиты резистора от перенапряжения в антенне используют разрядники (рис.12).
Простейший самодельный разрядник – это подстроечный конденсатор марки КПВ с немного введенными внутрь пластинами и зазором между ними около 0,5-1мм. Его необходимо защищать от влаги.
8. Влияние на работу Р.А. посторонних предметов.
Если посторонние предметы находятся на расстоянии более метра от полотна Р.А., можно не обращать на них внимание. Они исказят Д.Н. антенны, но на ее входное сопротивление, а значит, на согласование с линией питания повлияют мало.
Проблема в том, что сама Р.А. излучает интенсивную ЭМВ, имеющую как вертикальную, так и горизонтальную составляющую.
Между проводами полотна антенны существует сильное электромагнитное поле. Вследствие этого ромбическая антенна наведет значительные токи в вертикальных и горизонтальных проводах, расположенных внутри нее и на большом удалении от нее. Это может стать причиной TVI и радиопомех. Избавиться от них практически невозможно. Посторонняя антенна, находящаяся внутри полотна Р.А. будет работать плохо. Это относится ко всем типам антенн – и к штыревым, и к дипольным, и к рамочным. Лишь в одном случае можно не обращать внимание на внешнюю Р.А. – если расстояние от внутренней антенны до полотна Р.А. не менее длины волны, на которой работает внутренняя антенна. Можно попытаться уменьшить влияние внешней Р.А. на внутреннюю антенну путем подключения к фидеру питания Р.А. емкости, индуктивности и комбинации того и другого, так как это рекомендовалось в главе, посвященной магнитным антеннам.
РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКИЕ КОНСТРУКЦИИ Указатель описаний
Библиографический указательВы хотите собрать радиоприемник или несложный телевизор. Ваш друг, опытный радиолюбитель, интересуется электромузыкальными инструментами. А Ваш сын увлекается радиоспортом и ему нужна схема радиоприемника для «охоты на лис».