НЕПОЛНАЯ ЗИГЗАГООБРАЗНАЯ АНТЕННА

К. Харченко, С. Исупова, Радио №1/1965, ст.24

В радиолюбительской литературе и в ряде статей журнала «Радио» были описаны так называемая ан­тенна «Двойной квадрат» (рис. 1) и ее разновидности. Как правило, описание этих антенн носило чисто конструктивный характер с указани­ем на их резонансные свойства и не­обходимость подстройки в процессе налаживания. Одновременно с этим отмечались удобство и простота таких антенн, приводились следующие электрические параметры их: вход­ное сопротивление 70 4- 80 ом, коэф­фициент направленного действия (КНД) порядка 10 дб и сообщалось об отсутствии приема паразитных вертикально поляризованных сиг­налов. Эти параметры по общим фи­зическим соображениям не соответ­ствовали антенне данного типа.

Произведенные измерения пока­зали, что антенна «двойной квадрат», выполненная по размерам, рекомен­дованным в «Радио» 1959, № 4, имеет диаграммы направленности в плоскостях Е и Н, приведенные на рис. 2 (направленность антенны прак­тически не изменяется в пределах диапазона частот одного телевизи­онного канала). На основании этих диаграмм можно заключить, что «двойной квадрат» обладает лишь слабо выраженными направленными свойствами (КНД 6 дб, то есть «двойной квадрат» примерно только в 2,5 раза эффективнее полуволно­вого диполя).

Кривые изменения входного со­противления «двойного квадрата» в диапазоне частот первого телевизи­онного канала приведены на рис. 3. Как видно из этого рисунка, значе­ния входного сопротивления доволь­но резко меняются в сравнительно узком интервале частот — активная составляющая примерно от 60 до 160 ом, а реактивная — в пределах — 110 — 45 ом. Проверка поляризационных свойств «двойного квадрата» показала, что прием сиг­нала паразитной (вертикальной) по­ляризации ослаблен по отношению к основному (горизонтально поляризо­ванному) сигналу всего лишь на 14 дб (0,2 по полю от 1). Поэтому «двойной квадрат» способен сравни­тельно эффективно принимать вер­тикально поляризованный сигнал по­мехи.

Ниже приводится описание антен­ны с более высокими электрическими параметрами, чем те, которые при­сущи антенне «двойной квадрат» при соизмеримых с ней размерах. Внеш­не (см. 4 страницу вкладки) антен­на напоминает тот же «квадрат», по­вернутый в плоскости расположения своих проводников на 45° с точками питания, перенесенными в одну из вершин. Но сути дела, эта антенна представляет собой половину зигза­гообразной антенны (см. «Радио», 1961 г., № 3). Поэтому ее можно на­звать неполной зигзагообразной ан­тенной.

Принцип работы зигзагообразной антенны уже был описан ранее. Кратко напомним, что на проводни­ках неполной зигзагообразной антен­ны, как и у зигзагообразной, в верши­не квадрата противоположной той, в которой расположены точки питания, имеется пучность тока и, соот­ветственно, нулевой потенциал. Бла­годаря первому обстоятельству (пучности тока) и размерам полотна антенны, токи на ее проводниках оказываются сфазированными и на­правленными так, что поляризация электрического поля будет линей­ной. Второе обстоятельство (нуле­вой потенциал) позволяет присоеди­нять к антенне коаксиальный кабель без применения специального сим­метрирующего устройства и закреп­лять полотно антенны непосредст­венно к мачте или к рефлектору через поддерживающие стойки.

Неполная зигзагообразная антен­на конструктивно более проста и удобна, чем зигзагообразная. Од­нако, приступая к ее постройке, следует иметь соответственно и менее эффективна. На возможных вариантов выполне­ния диапазонной антенны, на первый-третий или шестой-двенадцатый телевизионные каналы. Раз­меры антенн приведены в табл. 1.

На рис. 4 представлены диаграм­мы направленности неполной зиг­загообразной антенны с углом а = 45°, снятые в плоскостях Е и Н. Следует отметить, что характеристи­ка направленности этой антенны не­значительно изменяется в рабочем диапазоне частот и почти не зависит от изменения угла а в пределах 30—60°. Зависимость КНД антенны от ее размера приведена на рис. 5. Из указанного выше вытекает, что направленные свойства антенны не­критичны по отношению к ее раз­мерам. Это немаловажно для антен­ны, выполняемой в любительских условиях. Следует добавить, что отношение максимального значения сигнала паразитной (вертикальной) поляризации к максимальному значению сигнала основной горизонтальной поляризации составляет около -26дб или 0,05 по полю.

Для нормальной работы любой антенны, в том числе и рассматри­ваемой, необходимо согласовать ее с питающим фидером. Степень сог­ласования антенны с фидером оце­нивают величиной коэффициента бегущей волны (Кбв) на входе фи­дера со стороны антенны.

Достигнуть полного согласования антенны с фидером (Кбв=1) в диапа­зоне частот практически не удается и значения Кбв в реальных условиях составляют 0,4 4- 0,5. Однако не сле­дует думать, что при таких значениях Кбв потери ВЧ энергии соответствен­но составят 60 4- 50% от всей мощ­ности, принятой в случае полного согласования. В действительности при Кбв >=0,5 эти потери (без учета потерь в фидере) будут менее 11%, а при Кбв >= 0,4 менее 20% от мощности, принятой при Кбв = 1.

Для осуществления и оценки со­гласования антенны с фидером необ­ходимо знать зависимость ее вход­ного сопротивления от частоты. Такая зависимость для антенны, рас­сматриваемой в этой статье, приведе­на на рис. 6 для трех значений угла а (60^°, 45°, 30°) в диапазоне частот первых трех телевизионных каналов. На основании этих зависимостей можно сделать вывод, что для согла­сования антенны с 75-омным фидером необходима специальная трансфор­мация входных сопротивлений.

В качестве трансформатора вход­ных сопротивлений, необходимого для согласования диапазонной ан­тенны с фидером, может служить отрезок коаксиального кабеля опре­деленной длины l_тр с волновым со­противлением l_тр, отличающимся по значению от волнового сопротивле­ния питающего фидера. Для согла­сования неполной зигзагообразной антенны с 75-омным фидером нужно применить трансформатор с волновым сопротивлением ш_тр= 100 ом и длиной /_тр, выбранной по табл. 1 (см. вклад­ку). Выполнить такой трансформатор несложно. На 4 странице вкладки показаны два варианта выполнения 100-омного трансформатора «а» и «б». Вариант «а» применяется, ког­да в качестве питающего фидера ис­пользуется кабель типа РК-1, а вариант «б», когда фидером служит кабель типа РК-3.

В первом случае (вариант «а») надрезают конец коаксиального ка­беля фидера со стороны антенны на длину несколько большую (порядка 20 4- 30 мм), чем длина l_тр, для того, чтобы иметь возможность подклю­чить трансформатор в точках пита­ния антенны (перекрыть зазор А). Затем, осторожно снимая внутрен­нюю изоляцию кабеля, нужно ого­лить его центральный проводник. На место снятой изоляции кабеля РК-1 одеть внутреннюю изоляцию и экранирующую оплетку кабеля РК-3. Надетую оплетку кабеля РК-3 следует спаять с оплеткой кабеля фидера и как-либо защитить от воз­действия окружающей среды. Внут­реннюю изоляцию кабеля РК-3 мож­но надевать на центральный провод­ник кабеля РК-1 отдельными отрезка­ми, как это показано на рисунке. Во втором случае (вариант «б» трансформатора) нужно снять внут­реннюю изоляцию с кабеля РК-3 фидера на длине l_тр + 20 — 30 мм и заменить центральный проводник этого кабеля таким же проводником кабеля РК-1 или медной голой про­волокой диаметром около 0,7 мм. Центральные проводники нужно спаять прочно и аккуратно. Затем следует натянуть обратно снятую внутреннюю изоляцию и экранирую­щую оплетку кабеля РК-3.

Диапазонная антенна нужна не всегда. В многих случаях необхо­дима антенна для работы только в одном телевизионном канале. Раз­меры таких антенн приведены в табл. 2.

В этом случае устройство антенны может быть заметно упрощено путем облегчения полотна и изменения способа его закрепления на мачте. Одна из конструкций такой антенны показана на вкладке. Полотно, антен­ны выполнено из антенного канати­ка или металлических полос (трубок и т. п.), которые должны иметь хоро­шие электрические контакты в местах сочленений.

В двух вершинах квадрата полот­но антенны крепится непосредственно к мачте, а за две другие вершины растягивается оттяжками для при­дания ему необходимой формы и фиксации в рабочем положении. От­тяжки присоединяются к полотну антенны через изоляторы. Такая конструкция удобна тем, что полотно антенны само частично выполняет роль оттяжки и позволяет приме­нить более высокий и легкий шест- мачту, чем в случае использования реек.

В пределах полосы одного телеви­зионного канала (даже первого) зна­чения входных сопротивлений непол­ной зигзагообразной антенны изме­няются незначительно, что позво­ляет подключать к одноканальной антенне 75-омный фидер непосред­ственно без трансформатора сопро­тивлений или каких-либо других согласующих устройств, получая удовлетворительное согласование (Кбв ^=0,5)

Для увеличения направленности неполной зигзагообразной антенны можно применить рефлектор. Один вариант конструкции рефлектора приведен на вкладке. Диаграммы на­правленности антенны с таким реф­лектором в плоскостях Е и Н при­ведены на рис. 7. КНД антенны с рефлектором достигает порядка 8 дб. Наличие рефлектора искажает первоначальную зависимость входного сопротивления одноканальной неполной зигзагообразной антенны от частоты. Поэтому для согласова­ния такой антенны с 75-омным фи­дером становится необходимым ис­пользовать трансформатор, описан­ный в этой статье.

Конструктивные размеры антен­ны с рефлектором приведены в табл. 3 (см. вкладку).