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 lтр с волновым сопротивлением lтр, отличающимся по значению от волнового сопротивления питающего фидера. Для согласования неполной зигзагообразной антенны с 75-омным фидером нужно применить трансформатор с волновым сопротивлением штр= 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 lтр, 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 lтр + 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).