а, выполненного из жёсткого металлического стержня (сплошного или состоящего из нескольких сочленяющихся звеньев) либо из большого числа металлических катушек, нанизанных на гибкий стальной трос (т. н. антенна Куликова). Реже применяются Ш. а. из профилированной металлической ленты, проволочных жгутов или металлизированных диэлектрических стержней. Диаграмма направленности излучения (приёма) Ш. а. в горизонтальной плоскости имеет форму круга (см. рис. 2 ), поэтому такая антенна особенно удобна при связи между наземными объектами с изменяющимся во времени взаимным расположением, например между передвижными радиостанциями (установленными в автомобилях, танках и т.п.).
Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .
Смотреть что такое "Штыревая антенна" в других словарях:
штыревая антенна - Вертикальная антенна в виде жесткого или гибкого металлического стержня. Излучение штыревой антенны максимально в плоскости, перпендикулярной ее оси, и отсутствует в направлении вдоль оси. [Л.М. Невдяев. Телекоммуникационные технологии. Англо… … Справочник технического переводчика
Несимметричный вибратор в виде жесткого металлического стержня. Используется для радиосвязи и радиовещания … Большой Энциклопедический словарь
Несимметричный вибратор в виде жёсткого металлического стержня. Используется для радиосвязи и радиовещания. * * * ШТЫРЕВАЯ АНТЕННА ШТЫРЕВАЯ АНТЕННА, несимметричный вибратор в виде жесткого металлического стержня. Используется для радиосвязи и… … Энциклопедический словарь
штыревая антенна - strypinė antena statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. flagpole antenna vok. Stabantenne, f rus. штыревая антенна, f pranc. antenne en tige, f … Automatikos terminų žodynas
Антенна в виде гибкого или жёсткого металлич. штыря, соединяемого короткой линией со входом радиоприёмника или радиопередатчика. Применяется на подвижных объектах (автомобилях, танках и т. п.) и др … Большой энциклопедический политехнический словарь
гибкая штыревая антенна - rimbinė antena statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. whip antenna vok. Peitschenantenne, f rus. гибкая штыревая антенна, f pranc. antenne fouet, f … Radioelektronikos terminų žodynas
Давайте начнём издалека. Как вообще можно увеличить дальность радиоуправления или видеотрансляции?
1. Изменить окуржающие условия. Не всё в наших силах, но всё же. Полёт в центре города очень отличается в плане помех от полёта в 10 км от города. Стоять лучше на пригорке крупной поляны, чем возле здания или леса. И т. д.
2. Выбрать погоду. Влажность и т. п. Например, для аппаратуры 5,8 ГГц облака - это очень белокрылые непрозрачные лошадки. Они с таким же успехом могли быть листами металла. Короче: если у вас 5,8 ГГц - летайте в безоблачную погоду или ниже облаков.
3. Увеличить мощность передатчика. Железно помогает, но есть свои проблемы:
- Замена со 100 мВт на 200мВт не даст увеличиния дальности в 2 раза. Всё очень нелинейно.
- Чем выше мощность передатчика тем печальнее ситуация для близлежащей аппаратуры. У вас рядом приёмник? Ему станет хуже! У вас 1,5 Ваттный видеопередатчик на борту? Сервомашинки начинают слушаться видео-передатчик, а не РУ-приёмник, к которому они подключены. Требуется разнос аппаратуры, экранирование и т. п. Масса увеличивается, дальность управления снижается и т. д. и т.п.
- Энергопотребление.
- Охлаждение.
- Ограничения законодательства.
4. И наконец самый сложный способ: подбор более выгодной антенны. Тут несколько направлений:
- Выбор направленой или всенаправленой антенны.
- Выбор конкретного типа антенны.
- Выбор способа её установки и механизации.
- Выбор коэффициента усиления.
Собственно, рассказать я бы хотел именно о выборе коэффициента усиления для всенаправленных штыревых антенн. Они чаще всего оказываются в руках граждан поскольку идут в комплектах с аппаратурой. Кроме того, они самые приемлимые по цене.
Перед дальнейшим объяснением мне нужно понимание трёх вопросов. Постараюсь объясить так, чтобы любой понял.
1. Антенны существуют для радиосвязи. Таких понятий как, антенна для приёма или для передачи - нет. Антенна с одинаковым успехом будет приёмной и передающей. На практике, для конкретных условий, выгодней на передачу поставить такую-то антенну, а на приём другую, но это совсем другая история. Ниже расскажу.
2. Диаграмма направленности антенны - это область в пространстве, в которую уходит сигнал от антенны. Дальше этой области сигнал слишком слаб, чтобы его можно было использовать. Если антенна установлена на на приёмнике - значит область из которой антенна может принимать сигнал. Дальше этой области не примет. Форма этой области бывает очень разной: шары, лепестки, торы, конусы и т. п. Суть в том, что если в пространстве пересеклись диаграммы направлености приёмной и передающей антенны - связь будет. А если не пересеклись - связи не будет.
3. Коэффициент усиления антенны. Очень примитивно - это во сколько раз сильнее антенна излучает/принимает сигнал при прочих равных.
Я, как и многие, считал, что жизнь устроена просто. При прочих равных однотипная антенна на 5dbi лучше чем на 2 dbi. А на 8 dbi ещё лучше! Это ужасно, но это не так. Так получилось, что про этот аспект мне некому было рассказать, и я стал страдать гигантоманией. У меня было 12 dbi на передатчике и 5 dbi на приёмнике. Антенны по длине почти как на мегагерцовой аппаратуре! Но я человек простой: мощности двигателя самолёта хватит чтобы тащить такие вещи? Значит - не проблема.
В теории антенна с 0 dbi даёт диаграмму направленности по типу шара. Размер шара (при отсутствии внешних раздражителей, а ещё лучше в открытом космосе) будет зависить только от мощности передатчика или чувствительности приёмника (смотря, на приём или на передачу работает антенна).
Антенна с коэффициентом усиления в 1 dbi даст при прочих равных шар покрупнее, но он будет немного уже не идеальный шар, а такой... приплюснутый сверху и снизу.
Чем большй коэффициент усиления антенны вы будете использовать, тем больше будет радиус шара, но тем более он будет сплюснут по вертикали. В итоге вы получите этакий блин огромного радиуса, но малой толщины.
Вот диаграмма направлености вертикально установленой на земле антенны с 12dbi. Вид сбоку.
Т. е. антенна, говоря по честному, уже перестанет быть всенаправленной. Например к антенне c 8dbi производетель пишет :
Угол направления по горизонтали = 360 градусов.
Угол направления по вертикали = 15 градусов.
Если вы держите штырь отвесно возле земли (1 м над поверхностью), то из 15 градусов 7,5 уходят под землю. Остальные 7,5 - в вашем полном распоряжении. Вы даже можете целиться боком антенны в самолёт.
Для сравнения маленькая таблица штыревых антенн на 2,4 ГГц по данным нескольких производителей.
КУ вертикальный угол
5 dbi 32-40 градусов
8 dbi 13-30 градусов
12 dbi 6-12 градусов
Напрашиваются выводы:
1. На самом самолёте все приёмные/передающие антенны, если они штыревые, должны быть с минимально разумным коэффициентом усиления. Полагаю, что разумно - это 1-2,5 dbi. Это связано с невозможностью сохранения постоянными крена и тангажа самолёта.
2. На земле антенны с высоким коэффициентом усиления будут очень мешать высоким полётам и проходом над собой. Однако, далеко и невысоко - хорошо. Например, описаный выше угол в 7,5 градусов на расстоянии в 1,5 км предполагает нахождение самолёта не выше 100 м.
3. Тыканье концом антенны в самолёт тем хуже даст эффект, чем выше коэффициент усиления этой антенны.
4. При выборе штыря есть смысл учитывать ещё одну характеристику: вертикальный угол направленности. Для равных по КУ антенн он может различаться.
КВ антенны
Ю. Прозоровский
РАДИО N 10 1962, c.23-24
Одним из основных способов снижения помех телевизионному приему со стороны любительских передатчиков является применение передающих антенн с вертикальной поляризацией. Наиболее распространена среди коротковолновиков четвертьволновая вертикальная антенна ("Ground plane"). Эта антенна состоит из вертикального штыря, длина которого обычно несколько меньше четверти длины рабочей волны, излучаемой передатчиком, и противовеса. Он выполняется из нескольких горизонтально расположенных четвертьволновых лучей, соединенных с оболочкой коаксиального кабеля, по которому от передатчика подается высокочастотная энергия.
Сопротивление излучения такой четвертьволновой антенны равно 28-32 ом (в зависимости от внешнего диаметра металлических трубок, из которых она построена). Поэтому соединение антенны с 50- или 75-омным коаксиальным кабелем приведет к появлению в нем стоячих волн и к потере энергии. Для согласования вертикального штыря с кабелем необходимо использовать дополнительные элементы - катушки индуктивности, конденсаторы или отрезки кабеля с определенными параметрами.
Ниже описывается упрощенный метод расчета антенны "Ground plane" с горизонтальным противовесом и согласующим отрезком кабеля. Антенны, построенные по этому расчету, хорошо работают на одном любительском диапазоне (например, 14 Мгц) и, вместе с тем, вполне удовлетворительно излучают и на двух соседних диапазонах (21 и 7 Мгц).
Расчет будем приводить на числовом примере для диапазона 14 Мгц. Соединение штыря с питающим его кабелем и согласующим отрезком кабеля и обозначения их размеров показаны на рис. 1.
Для расчета необходимо знать диаметр металлических трубок или провода, из которых будут выполнены штырь антенны и лучи противовеса. Допустим, что мы собираемся применить для изготовления антенны трубки с внешним диаметром 30 мм,
а противовес будем делать из провода диаметром 2 мм. Определяем коэффициент М, характеризующий отношение длины удаленного от земли полуволнового диполя к диаметру антенны. Применяем формулу:
M=150000/(f(Мгц)D(мм))
Здесь: f - средняя частота диапазона,
D - диаметр трубок. При f=14,2 Мгц и D=30 мм получаем:
M=150000/(14,2*30)=352
По коэффициенту М определяем, пользуясь графиком (рис. 2), сопротивление излучения четвертьволновой антенны Rизл (для резонансной частоты): Rизл=30,8 ом.
Puc.2
Теперь следует вычислить истинное сопротивление излучения Ry укороченной антенны, которую мы будем строить; оно из-за влияния земли и противовеса отличается от Rизл и равно:
Ry=Rизл-Z/4Rизл
Здесь Z - волновое сопротивление коаксиального кабеля, из которого выполнен фидер. В нашем примере возьмем его равным 75 ом. Тогда:
Ry=30,8-75/4*30,8=30,2 Ом.
Для вычисления длины вертикального штыря L нужно по графику рис. 3 определить еще два вспомогательных коэффициента: Кс, характеризующий изменение сопротивления антенны при изменении ее длины, и Кз, учитывающий влияние противовеса и земной поверхности. Получаем: Kc=535, Kз=0,97.
Puc.3
График для определения коэффициента К может быть использован лишь при изменении длины антенны не более чем на 10%. Если антенна длиннее резонансной, то ее полное сопротивление носит индуктивный характер, если короче - емкостный.
Длина штыря (в мм) определяется по формуле:
У нас;
Для определения длины лучей противовеса Lnp, выполненных из провода диаметром 2 мм, вычисляем М:
M=150000/14,2*2=5280 и по графику рис. 3 находим Ky=0,978. Тогда
Укороченная антенна имеет, кроме активного, также реактивное сопротивление емкостного характера. Для его компенсации параллельно антенне присоединен закороченный на конце отрезок кабеля; длина его выбирается такой, чтобы его реактивное сопротивление имело индуктивный характер необходимой величины. Определяем это индуктивное сопротивление:
Xc=Z/S=75/1,22=61,5 Ом
Пользуясь логарифмической линейкой или таблицей тангенсов, находим угол а, тангенс которого численно равен отношению полученного значения Xc к волновому сопротивлению Zc кабеля, из которого будет выполнен согласующий отрезок. При Zc=75 ом:
Xc/Z=61,5/75=0,82 и a=39,4°
Длина закороченного отрезка равна:
Lc=(833ab)/f, мм
В этой формуле b - коэффициент, характеризующий скорость распространения энергии по кабелю. Для распространенных кабелей со сплошным заполнением (РК-1, РК-3) b=0,67.
Следовательно,
Lc=(833*38,4*0,67)/114,2=154,9 мм
Описанный выше расчет учитывает, что лучи противовеса расположены горизонтально; однако и при наклонном их расположении (под углом 30-40° к земле) рассогласование бывает незначительным.
Коэффициент стоячей волны (КСВ) в фидере можно измерить, собрав несложный указатель КСВ мостового типа, схема которого показана на рис. 4. Здесь сопротивления R1, R2, R3 и сопротивление излучения антенны образуют мост. В одну из его диагоналей подается энергия высокой частоты от передатчика (разъем Пер). Во второй диагонали включен диод Д1 типа Д2Е.
Рис.4
Сопротивление R4 служит для уменьшения выходного сопротивления источника энергии (передатчика). Дроссель (Др1) замыкает цепь постоянной слагающей выпрямленного тока; он необходим в том случае, если цепь антенны не имеет гальванической проводимости.
При балансе моста стрелка прибора не отклоняется. Рассогласование антенны и кабеля вызывает появление стоячих воли, что отмечается отклонением стрелки. Порядок измерения КСВ следующий:
1. Настраивают передатчик с антенной при полной излучаемой мощности.
2. Уменьшают мощность до нуля, запирая, например, одну из ламп предварительных каскадов отрицательным смещением, и отсоединяют антенну.
3. Соединяют отрезком кабеля вход передатчика и разъем Пер. на указателе ксв.
4. Постепенно, очень плавно, чтобы не сжечь сопротивление R4, увеличивают мощность энергии, подаваемой в указатель ксв, до тех пор, пока стрелка прибора не отклонится до конца шкалы.
5. Для проверки баланса моста временно присоединяют к разъему Ант сопротивление 75 ом; стрелка миллиамперметра должна при этом стать на нуль.
6. Включив к разъему Ант. коаксиальный кабель, питающий антенну, отмечают по шкале ток и определяют ксв по кривой, изображенной на рис. 5.
Puc.5
Если фидер антенны не вносит существенных потерь, например он выполнен из кабеля РК-1 или РК-3 и имеет длину не более 15-20 м, то ксв 2 и даже 2,5 вполне допустим. Общие потери (сумма потерь в фидере и потерь за счет рассогласования) в этом случае не превысят 0,5 дб. Такое уменьшение мощности на приемной станции на слух отмечено не будет. Заметное падение громкости приема (на 1-2 балла) может наблюдаться лишь при ксв порядка 5-8.
В том случае, если построенная антенна обладает чрезмерным ксв или ее размеры выбраны большими или меньшими, чем следует, необходимо, пользуясь указателем ксв, настроить антенну опытным путем. Антенна большей, чем нужно, длины может быть электрически укорочена конденсатором, включенным последовательно с вертикальной частью (рис. 6,а). Слишком короткую антенну можно электрически удлинить, добавив к ней индуктивность (рис. 6,б). В этом случае настройку антенны ведут попеременно, подбирая положение обоих щипков на катушке. Здесь часть катушки между щипками 1 и 2 используется для удлинения вертикальной части антенны, а нижняя часть (2-3) заменяет согласующий закороченный отрезок кабеля (рис. 1).
Puc.6
В заключение отметим, что на антенне описанного типа накапливаются заряды статического электричества, особенно при близкой грозе. Поэтому рекомендуется применять антенны с закороченными отрезками кабеля (рис. 1) или шунтирующей кабель индуктивностью (рис. 6 б) и надежно заземлять оболочку кабеля.
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться . |
Диаграммы направленности антенны «Т-образная»
в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Вертикальная плоскость Горизонтальная плоскость
Размещение Т-образной антенны на местности.
Т-образная антенна обеспечивает работу р/ст земной волной. Она образуется из антенны "симметричный диполь" путем переключении в антенном блоке. Диаграмма направленности в обеих плоскостях. Антенну следует ориентировать на корреспондента по линии, направленной вдоль полотна антенны. Рекомендуется использовать антенну при работе в диапазоне частот от I до 3 МГц.
Диаграммы направленности антенны «Штыревая»
в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Вертикальная плоскость
Горизонтальная плоскость
Антенна "бегущей волны" (АБВ) является антенной направленного действия. Она представляет собой длинный провод из медного канатика длиной 150 м, подвешенный на высоте 2,8 м и нагруженный на дальнем конце (считая от р/ст) на активное сопротивление К - 400 Ом равное волновому сопротивлению провода антенны.
Такой подбор сопротивления обеспечивает работу провода в режиме бегущей волны. Эта особенность рассматриваемой антенны и определила ее название. Наличие нагрузочного сопротивления делает антенну остронаправленной, уничтожая в диаграмме задний лепесток.
Как видно, максимум диаграммы направленности АБВ направлен в сторону нагрузочного сопротивления. АБВ применяется в качестве приемной антенны как для связи поверхностными, так и для связи пространственными волнами в условиях сильных помех. При приеме пространственных волн антенна будет иметь достаточную эффективность лишь для дальних трасс свыше 500 км.
Штыревая антенна
Штыревая антенна - антенна кругового действия для ближних связей поверхностными волнами. Она не обладает направленными свойствами в горизонтальной плоскости и может быть использована во всем диапазоне частот. Преимущество радиосвязи поверхностной волной, в том, что она не зависит от времени суток и солнечной деятельности, но несколькоменяется из-за сезонного хода параметров почв.
Для передачи и приема конструктивно одинаковы. Полотно антенны состоит из двух плеч длиной 20 м и фидера длиной 8,1 м изготовлено из антенного медного канатика сечением 1,5 мм. Полотно подвешивается на трех мачтах высотой 8,5 м, изготовленных дюралюминия диаметром 32 мм из трех колен. Крайние мачты имеют блоки для спуска и подъема полотна антенны. Средняя мачта является опорной для полотна антенны и для подвеса фидера. Фидер антенны должен обязательно крепиться на средней мачте» чтобы не оттягивать полотно антенны вниз и тем самым давать возможность средней части полотна (цепочке) свободно скользить по верхушке средней мачты для установления одинаковых процессов плеч. В этом случае натяжка фидера будет передаваться средней мачте, что приведет к разгрузке от механических усилий крайних мачт. Каждая мачта имеет два яруса оттяжек (по три оттяжки в ярусе), изготовленных из шнура, пропитанного антисептическим составом. Всего в комплекте антенного устройства шесть мачт. Для развертывания двух антенн необходима площадь 60x60 м.
При работе дуплексом при небольшом разносе волн приема и передачи (100-150 кГц) необходимо антенну располагать перпендикулярно друг другу, чтобы уменьшить наводки передающей антенны на приемную. Питание приемника производится через в/ч кабель РК-1, длиной не менее 30 м, который с одной стороны соединен с согласующим тр-ром. с другой - с несимметричным входом приемника.
При достаточном разносе волн приема и передачи (от 250 кГц и выше) антенны можно располагать параллельно друг другу; на расстоянии друг от друга 12 метров.
Порядок развертывания
I. Достать рогульку, на которой намотана горизонтальная и вертикальная часть антенны» От места расположения изоляторов для подключения антенны отсчитать восемь шагов (5 м).
В случае установки приемного диполя расстояние от антенны до р/ст определяется длиной РК-1, соединяющего антенный ввод р/ст и вынесенный приемный антенный тр-р, который укрепляется перед установкой средней мачты в верхней части нижнего колена.
Штепселя
на концах фидера вставляются в гнезда
антенного трансформатора и контрятся
на них. Один конец кабеля включается в
фишку на антенном тр-ре, другой - в фишку
антенны ввод. Полотно приемной антенны
располагается перпендикулярно передающей.
2. Размотать горизонтальную часть антенны так, чтобы на месте установки средней мачты (против изоляторов).От концов растянутого полотна отсчитать по два шага и здесь установить крайние мачты.
3. К месту установки каждой мачты принести
Колена мачт - 3 шт.
Основание мачты -1 шт.
Колья для крепления оттяжек - 3 шт.
Оттяжки нижнего яруса - 3 шт.
Верхушку крайней мачты с оттяжками и подъемным фалом.
Съемную рогульку для крепления подъемного фала.
4. К месту установки средней мачты принести то же, за. исключением верхушки крайней мачты с оттяжками без подъемного фала и не требуется съемная рогулька.
5. Собрать мачты в следующем порядке: на основание мачты надеть первое колено, на него - второе, на второе колено надеть кольцо с нижним ярусом оттяжек, после чего на второе колено надеть третье колено; в третье колено вставить верхушку мачты; на нижнем колене мачты укрепить рогульку для крепления подъемного фала.
6. От места установки крайних мачт отсчитать шесть шагов (4-4,5 м) по направлению от Средней мачты, и в этих местах забить колья для крепления оттяжек. Остальные два кола забить также на расстоянии шести шагов от мачты так, чтобы оттяжки были расположены под углом 120°.
7. Поднять мачты одновременно или порознь. Мачту можно поднимать двум радистам: один держит мачту в вертикальном положении, а второй закрепляет оттяжки на кольях и регулирует их натяжение.
Перед подъемом необходимо разобрать оттяжки
Перед подъемом средней мачты передающей антенны необходимо соединить фидер антенны с горизонтальной частью при помощи зажимов и продеть цепочку, находящуюся в середине горизонтальной части, в спираль на верхушке средней мачты.
8. После подъема мачты концы диполя прикрепить крючками к подъемным фалам и натянуть. Концы подъемных фал закрепить на рогульках.
9. Последний изолятор фидера антенны закрепить в поворотном кронштейне, укрепленном на кузове автомобиля, вблизи от антенных вводов. Концы фидера подключить к антенным вводам.
1. Определение и понятия
Несимметричными (штыревыми) называют антенны, расположенные непосредственно у земли (или металлического экрана) перпендикулярно (реже наклонно) к ее поверхности.
Сопротивление излучения несимметричного вибратора в два раза меньше, чем у эквивалентного симметричного вибратора, поскольку при одинаковых токах первый излучает в два раза меньшую мощность (нет излучения в нижнее полупространство) .
Входное сопротивление несимметричного вибратора в два раза меньше, чем у эквивалентного симметричного вибратора, поскольку при одинаковах токах питания у первого напряжение питания в два раза меньше (рис. 1).
Коэффициент направленного действия несимметричного вибратора в два раза больше, чем у эквивалентного симметричного вибратора, поскольку при однаковой мощности излучения первый обеспечивает в два раза большую угловую плотность мощности, так как вся его мощность излучается в одно полупространство (рис. 2).
Все сказанное справедливо для идеального несимметричного вибратора, то есть когда земля представляет собой идеальный проводник. Если же земля обладает плохими проводящими свойствами, поле излучения вибратора меняется. Кроме того, это приводит к уменьшению амплитуды тока в вибраторе и, следовательно, к повышению его сопротивления и уменьшению излучаемой мощности. Почва является диэлектриком с большой диэлектрической проницаемостью (равной почти 80), что приводит к изменению электрической длины мнимого диполя, а также длины пути токов смещения. Результат - полное искажение диаграммы направленности (поднятие лепестков вверх и исчезновение излучения под малыми углами к горизонту) и увеличение сопротивления штыря.
По этой причине практически не используют почву в качестве "земли", а используют искусственную землю.
2. Земля штыревой антенны
Теоретические расчеты показывают, что наибольшие потери имеют место в зоне с радиусом 0,35 длины волны, поэтому в этой зоне желательно провести "металлизацию" земли: соединить радиальные провода между собой перемычками (рис. 3). Очень хорошо, если эта металлизация будет проведена на всем расстоянии противовесов.
Противовесы следует изолировать от земли. Если они будут лежать на земле, то от влаги их электрическая длина не будет резонансной для антенны. Так же должны быть изолированы от земли и их концы. Только в одном случае можно не изолировать концы противовесов от земли: если они надежно соединены кольцом-перемычкой (рис. 3).
Никогда не следует забывать о том, что идеальная штыревая антенна имеет КПД 47%, а КПД антенны с 3 противовесами - менее 5%. Значит, работая со штыревой антенной с тремя противовесами, из ваших 200 ватт, подводимых к штырю, 180 ватт (!!!) напрасно теряются, попутно создавая TVI. Многие процессы в ионосфере нелинейны, т.е. отражение радиоволн начинается, скажем, при подводимой мощности к вашей антенне в 7 ватт, и уже полностью не происходит при 5 ваттах. Значит, вы теряете уникальные возможности DX QSO, сэкономив на проводе для противовесов.
Следует еще учесть искажения диаграммы направленности при малом количестве противовесов. Из шарообразной она становится лепестковой, имеющей направление вдоль противовесов. Задача о нахождении оптимального количества противовесов была решена мною с помощью ЭВМ. Решение представлено на рис. 4. Из него видно, что минимально необходимое число противовесов равно 12. При большем их количестве КПД растет медленно. Противовесы должны быть расположены на одинаковом расстоянии относительно друг друге.
Угол их расположения относительно штыря должен быть от 90° до 1350. При больших и меньших углах падает КПД и д.н. искажается. Противовесы должны быть длиной не менее основного штыря. Это можно объяснить тем, что протекающие между штырем и противовесами токи смещения занимают определенный объем пространства, который участвует в формировании диаграммы направленности. Уменьшая длину противовесов, а, следовательно, уменьшая объем пространства, служащий формированию д.н., мы существенно ухудшаем характеристики антенны. С большим приближением можно сказать, что каждой точке на штыре соответствует своя точка на противовесе. Однако нет необходимости использовать противовесы длиннее чем основной штырь.
Противовесы и сам штырь должны быть покрыты защитной краской. Это необходимо для того, чтобы материал, из которого выполнена антенна, не окислялся. Окисление вибраторов приводит в негодность антенну из-за того, что тонкая пленка окисла имеет значительное сопротивление, а так как на ВЧ сильно выражен поверхностный эффект, то энергия передатчика поглощается и рассеивается в тепло этой пленкой.
Крайне желательно использовать для этого радиокраску (ту, которой красят локаторы). Обычная краска содержит частички красителя, поглощающие ВЧ энергию. Но, в крайнем случае, можно использовать и обычную краску.
3. Размеры вибраторов штыревой антенны
Как известно, сопротивление излучения антенны Ризл пропорционально отношению L/d, где L - длина и d - диаметр антенны. Чем меньше отношение L/d, тем широкополоснее антенна и больше КПД.
Следует учесть, что при использовании толстых вибраторов сказывается "торцевой эффект". Он обуславливается емкостью между торцами вибратора и землей. Физически это выражается в том, что антенна получается "длиннее" расчетной. Для его уменьшения обычно широкополосные штыри имеют конусообразную форму. Расчеты показывают, что минимально необходимая толщина противовесов должна составлять
d=D/2,4n, где
d - диаметр противовесов, D - диаметр штыря, n - количество противовесов.
Часто радиолюбители не могут установить четвертьволновый штырь и используют штырь, имеющий меньшие размеры. В принципе можно согласовать штырь любой длины с помощью согласующих устройств. Однако короткие штыри имеют малое активное и большое реактивное сопротивление и будут согласованы весьма неоптимально (на самих согласующих устройствах может рассеяться до 90% энергии). А если еще при этом используются и суррогатные короткие противовесы, то эффективность такой антенной системы будет весьма низка. Однако в средствах подвижной связи часто такие суррогатные антенны применяются. Но это только потому, что другие виды укороченных антенн будут работать еще хуже!
4. Диаграммы направленности штыревых антенн
Многих интересует, как влияет высота подъема штыря на его диаграмму направленности в горизонтальной плоскости и зависит ли его сопротивление от высоты подвеса. Важнейший результат заключается в том, что распределение токов в штыре не зависит от высоты его подвеса при наличии идеальной "земли". Практически это означает, что на какой бы высоте штырь ни находился, его сопротивление будет постоянным. Общий результат решения показывает, что если штырь настроен в резонанс, то его нижний конец можно заземлить. При этом его можно питать в любой точке.
На результатах этого важного вывода и созданы штыревые антенны (флаг-антенны, мачта-антенны), нижний конец которых соединен с "землей" и которые питаются через гамма-согласование.
Диаграммы направленностей вертикальной плоскости полуволнового штыря приведены на рис. 5. Из этого рисунка видно, что чем выше поднимается антенна, тем положе угол излучения к горизонту. Это объясняется тем, что происходит сложение излученной штырем волны и волны, отраженной от земли. Если почва обладает плохими проводящими свойствами, то диаграмма направленности будет близка к диаграмме направленности штыря над землей. Поднимать антенну на высоту более длины волны не имеет смысла, т.к. при этом уже не происходит уменьшения угла излучения, а только начинают дробиться верхние боковые лепестки.
Следует запомнить еще одну интересную особенность штырей, высота которых равна длине волны и более. Такие антенны в профессиональной связи используются как антифединговые . Это означает, что такая антенна будет принимать без проблем сигнал, приходящий с замираниями на четвертьволновый штырь или диполь.
5. Согласование штыревых антенн
Для успешной работы штыревая антенна должна быть согласована. Несмотря на все кажущееся многообразие согласующих устройств и штырей, их можно разбить на 3 группы.
1. Штырь согласованный, электрическая длина равна четверти длины волны;
2. Штырь с электрической длиной больше требуемой, эту длину "убирают" с помощью емкости;
3. Штырь длиной меньше четверти длины волны. Недостающую длину ""добавляют" катушкой индуктивности.
Необходимо помнить, что конденсатор и катушка должны иметь максимально возможную добротность, а также желательно, чтобы ТКЕ и ТКИ были как можно лучше. Обычно емкость укорачивающего конденсатора может быть в пределах 100 пФ на 28 - 18 МГц, параметры удлиняющей катушки - единицы мкГн до 21 МГц, десятки - до 3,5 МГц.
В заключение следует отметить, что подобная практика согласования применима к штырям длиной, кратной четверти длины волны.
6. Типы штыревых антенн
Несимметричный вибратор с экраном конечных размеров (рис. 3). Эту антенну и"применяют в основном радиолюбители. В качестве экрана обычно применяют противовесы длиной не менее четверти длины волны.
Несимметричный петлевой вибратор (рис. 6). Его д.н. совпадает с д.н. классического штыря. Однако он обладает преимуществом, выражающемся в том, что один его конец заземлен. Подбором толщины dl и d2 можно изменять его входное сопротивление в больших пределах. При d1=d2 сопротивление вибратора будет равно 146 Ом.
Сопротивление несимметричного вибратора, имеющего разные толщины, рассчитывается по формуле /1 /: Ra=(1+n2).36n, где n=ln(d/d1)/ln(d/d2).
Широкодиапазонные вибраторы, изготавливаются из толстых труб, штырей, пластин. Могут быть как коническими, так и ромбическими, цилиндрическими, сплошными и решетчатыми (рис. 7). Перекрытие диапазона рабочих частот зависит от отношения I/O. Чем оно меньше, тем широкополосиее вибратор. Всем хорошо известная антенна UW4HW является широкополосным несимметричным вибратором, а вертикальный излучатель UA1DZ - широкополосным симметричным вибратором
.
Конические антенны - частный случай широкополосных вибраторов (рис. 8).
Поле излучения создается токами, обтекающими конус, а диск играет роль экрана и почти не излучает. При угле раскрыва 600 достигается наибольший коэффициент перекрытия диапазона, равный пяти, при КБВ > 0,5 в фидере с волновым сопротивлением 50 Ом. При этом максимальная длина волны равна 3,6 . Диаграмма направленности дискоконусной антенны KB и УКВ примерно такая же, как и обыкновенного штыря. На KB применяют проволочный вариант конусной антенны (рис. 8б), в которой вместо конуса используется плоский проволочный веер, а вместо диска - система заземления из радиальных проводов.
Отдельно хочу обратить внимание на антенны-мачты. Особенностью таких антенн является то, что нижний их конец заземлен.
Антенна верхнего питания (рис. 9) возбуждается с помощью фидера, проложенного внутри мачты. Это принципиально. Д.н. его такая же, как и у обычного штыря, но потери при излучении и приеме больше, так как радиоволна отражается от земли при излучении.
Антенна среднего питания (рис. 10) представляет собой мачту из двух частей, возбуждаемую последовательно в точках 1 и 2 напряжением, которое подается с помощью фидера, проложенного внутри нижней части. Сопротивление антенны в точках питания Ra=Rb/cos2kll, где к - коэффициент укорочения, Rb - сопротивление "чистого" вибратора в точке 3. Подбирая соотношение между 11 и 12, можно согласовать антенну с фидером питания. Принципиальное значение имеет то, что фидер должен проходить внутри нижней части антенны. Недостаток - трудности с изолятором для верхней ее части.
Антенна шунтового питания (рис. 11) возбуждается параллельно при помощи шунта, подсоединяемого к мачте на некоторой высоте 11. Обычно входные реактивные сопротивления нижней и верхней частей антенны имеют индуктивный и соответственно емкостной характер, и по входному сопротивлению в точке 1 антенна эквивалентна параллельному контуру. Подбором величины 11 обеспечивается наилучшее согласование с фидером питания. Распределение токов таково, что частично ослабляет излучение антенны, поэтому шунт следует делать минимальных размеров. Классическая реализация шунтового питания - гамма-согласование.
Часто, особенно при построении антенн для низкочастотных диапазонов, нет возможности расположить вибратор вертикально относительно земли. При расположении штыря наклонно относительно земли диаграмма направленности, конечно, исказится.
Следует располагать по возможности больше противовесов под той частью антенны, которая наклонена. Надо, также по возможности, поднимать противовесы так, чтобы они образовывали с антенной угол не более 135°. Следует помнить, что такая антенна более тяжела в согласовании из-за наличия значительной реактивной составляющей.
Литература
- Н.Т.Бова, Г.Б.Резинков. Антенны и устройства СВЧ; Киев, Высшая школа, 1982.
- Н.Н.Федоров. Основы электродинамики; М., Высшая школа, 1980.
- З.Беньковский, Э.Липинский. Любительские антенны коротких и ультракоротких волн; М.,Радио и связь, 1983.
- Г.З.Айзенберг. Коротковолновые антенны; М., Радио и связь 1985.
- Г.Б.Белоцерковский. Основы радиотехники и антенн; М., Радио и связь, 1983.
