Высокоэффективные антенны на 430 Мгц

К. ХАРЧЕНКО, Радио №4/1966, ст.19

В дециметровом диапазоне волн (ДЦВ) рекомен­дуется применять высокоэффективные антенны с острой диаграммой направленности по следующим причинам. Высокая направленность антенн существенно увеличивает энергетический потенциал линии связи, что позволяет либо увеличить дальность связи, либо снизить мощность передатчика. Последнее выгодно не только экономически, но и потому, что в ДЦВ диапа­зоне трудно получить большие мощности передатчиков. Кроме того, при высокой направленности антенн умень­шается возможность воздействия на приемное устрой­ство посторонних помех. Наконец, остронаправленные антенны позволяют уменьшить взаимное влияние нескольких близкорасположенных систем связи, ра­ботающих в одном диапазоне частот.

Усиление антенн, прямым образом связанное с ее направленными свойствами, в определенной степени компенсирует потери ВЧ энергии при распространении по линии связи. При увеличении расстояния между корреспондентами снижается уровень передаваемого сигнала и возникает необходимость в применении все более направленных антенн. Такие антенны можно построить, объединив в систему (решетку) несколько антенн со сравнительно слабой направленностью.

Одиночные антенны, входящие в решетку, следует располагать относительно друг друга на оптимальных расстояниях, учитывая их направленные свойства. При расстояниях меньше оптимальных, антенны в решетке будут недоиспользованы и коэффициент на­правленного действия (КНД) решетки будет меньше возможного. Расстояния больше оптимальных неце­лесообразны, так как в этом случае неоправданно увеличиваются размеры антенного устройства в целом и ухудшается его характеристика направленности (су­жается главный лепесток и растут боковые).

Ориентировочно выбрать расстояния между отдель­ными антеннами решетки можно пользуясь понятие эффективной поверхности S_эфф одиночной антенны с

Существенным моментом при построении много­элементной антенной решетки является выбор ее эле­мента — одиночной антенны. Этот элемент должен быть конструктивно прост и обладать апериодическими свой­ствами. Последнее качество особенно необходимо при выполнении антенной решетки в любительских усло­виях, когда трудно сделать большое количество оди­ночных антенн с высокой идентичностью. Отсутствие у одиночной антенны ярко выраженных резонансных свойств позволяет без особого ущерба для решетки в целом допускать отклонения от заданных размеров при выполнении деталей антенн.

В качестве такого элемента может быть использован зигзагообразный излучатель, изображенный на рис. 1[1]. На этом рисунке приведены размеры излучателя на диапазон частот 430—440 Мгц. Излучатель изготов­ляется из восьми сплошных одинаковых металлических пластинок, скрепленных между собой любым способом (пайкой, болтами или заклепками). При скреплении болтами или заклепками в точках питания антенны а — a TieQ&tQKKMLQ установить латунные луженые ле­пестки для припаивания фидера. При данной конст­рукции излучателя в его точках б — б будут пучности тока и, соответственно, нулевые напряжения. Благодаря этому за точки б — б излучатель можно закрепить металлическими стойками к рефлектору, а также про­вести через одну из этих точек распределительный фидер, не нарушая электрической симметрии антенны. Таким образом отпадает необходимость в изготовлении и применении какого-либо специального симметрирую­щего устройства.

Распределительный фидер от точки «б», имеющей нулевой потенциал, прокладывается по двум пластинам излучателя к точкам его питания, где припаивается к нему. Чтобы излучатель был прочнее, между точками а — а можно поставить диэлектрическую плату. Про­стая конструкция излучателя допускает его многократ­ное изготовление с высокой идентичностью. КНД и КБВ (коэффициент бегущей волны) этого излучателя слабо зависят от частоты, и в рабочем диапазоне волн прак­тически не изменяются. Таким образом, конструкция излучателя и его апериодические свойства удовлетво­ряют требованиям, предъявляемым к элементу антенной решетки.

Следующим этапом в построении антенной решетки является размещение элементов в решетке и выбор расстояний между ними. Диаграммы направленности в Е и Н плоскостях поляризации зигзагообразного излучателя с рефлектором в заданном диапазоне волн практически одинаковы. Это позволяет расставить элементы решетки по вершинам квадрата со стороной, приблизительно равной 0,9λ Для успешной работы антенной решетки необходимо правильно питать ее и согласовать элементы решетки с основным фидером. При этом желательно, чтобы си­стема питания обеспечивала синфазность излучения элементов решетки и равенство подводимых к ним мощностей. Принцип работы системы питания приме­ненной в описываемой антенной решетке можно уяснить из рис. 2. На этом рисунке изображены четыре зигза­гообразных излучателя, проводники которых возбуж­дены в фазе от точек питания в — в. При этом распре­делительные фидеры 1 и 2, 3 и 4 включены попарно параллельно, а сами пары в точках в — в — последо­вательно. Это позволяет в первом приближении в точках в — в восстановить значения входных сопротивлений, имеющихся на входе каждого отдельно взятого рас­пределительного фидера и тем самым обеспечить такую же степень согласования фидера, питающего четыре излучателя, какую имеет фидер, питающий один из­лучатель (КБВ~0,6-0,7).

---

[1] Рисунки с 1 по 5 и 9 см. на третьей странице обложки номера; остальные — в тексте статьи.

Фазы напряжения, подводимые к точкам питания в — в, сдвинуты относительно друг друга на 180°, поэтому, для правильной фазировки излучателей, необходимо искусственно создать дополнительный сдвиг фазы на 180°. Этот сдвиг можно осуществить, прокладывая, например, распределительные фидеры 1 и 2 по правым сторонам излучателей, а фидеры 3 и 4—, соответственно по левым.

Естественно, что электрические длины распредели­тельных кабелей от точек питания в — в до точек пи­тания излучателей а — а должны быть одинаковыми. На рис. 3, а показано конструктивное выполнение монтажа коаксиальных кабелей четырех распредели­тельных фидеров в узле А. Соединения кабелей в узле А весьма просты и в дополнительных пояснениях не нуждаются. Следует лишь иметь в виду, что длины соединительных проводников должны быть возможно меньшими, а места спаек предельно аккуратными. Узел А монтируют на диэлектрической плате, которую нужно на 40—50 мм отодвинуть от мачты.

В качестве основного питающего фидера четверки излучателей можно взять как коаксиальный 75-омный кабель (лучше РК-3), так и 300-омную двухпроводную линию.

В первом случае кабель нужно подключить к точкам питания в — в через симметрирующее устройство, общий вид которого показан на рис. 3, б. Это устройство состоит из двух проводников равного диаметра, замкну­тых накоротко между собой на расстоянии 173 мм от точки подключения центрального проводника кабеля.

Роль одного из проводников симметрирующего уст­ройства выполняет экранирующая оплетка основного фидера, в качестве другого используется латунная трубка. Точками г — г симметрирующее устройство подключается к точкам в — в узла А. Проводники симметрирующего устройства нужно закрепить к ди­электрической плате питания узла Л, чтобы механи­ческие усилия от фидера не передавались на точки возбуждения в —- в и не нарушали в них контакта.

Когда в качестве основного фидера используется двухпроводная линия с волновым сопротивлением 300 ом, к симметрирующему устройству подключается еще U-колено (на рис. 3, б внизу). При фидере из кабеля РК-3 или РК-1 включать U-колено не нужно.

U-колено увеличивает в четыре раза значения со­противлений, обеспечивая как необходимую в случае применения двухпроводной линии трансформацию со­противлений, так и симметрирование.

Двухпроводную линию с волновым сопротивлением 300 ом можно изготовить из медного провода. Для фиксации проводов линии на них следует закрепить столбики, нарезанные из полиэтиленовой изоляции кабеля РК-3 небольшими кусками длиной около 10 мм. Куски изоляции, надетые на провода линии, попарно скрепляются между собой изоляционной лентой (рис. 4).

Конец двухпроводной линии перед вводом в дом сле­дует в точках д — д подключить к другому 17-колену, как показано на рис. 4. Устройство и размеры антен­ной решетки из четырех излучателей, схема которой приведена на рис. 2, показаны на рис. 5. КНД этой решетки порядка 40. Конструкция рамы, на которой расположены излучатели, показана на рис. 6. Она представляет собой четыре горизонтальные и две вер­тикальные рейки, закрепленных на мачте. Если излу­чатели выполнены из достаточно жестких материалов, вертикальные рейки можно не делать. Для увеличения направленности антенной решетки целесообразно использовать рефлектор. Один из вариантов рефлектора представлен на рис. 7. Он состоит из двух горизонтальных реек, по краям которых за­креплено два отрезка антенного канатика или голого медного провода диаметром 24-3 мм. К антенным кана­тикам (или проводам) прикрепляются поперечные про­водники диаметром 0,54-1 мм, которые и образуют стенку рефлектора. Рефлектор укрепляется на мачте при помощи двух кронштейнов (рис. 7). Он должен быть как можно легче.

Общий вид решетки из четырех излучателей с ре­флектором показан на рис. 8. При установке решетки следует точно направить ее на корреспондента.

Оттяжки мачты не должны пересекать и тем более касаться проводников излучателей антенной решетки. Если оттяжки проходят перед полотном антенны, то они должны состоять из нескольких частей с изоляторами между ними. Расстояние между изоляторами должно быть порядка 150 мм.

Провода двухпроводной линии могут идти парал­лельно мачте, но не должны ее касаться. В местах перегиба их можно закрепить на изоляторах. Однако необходимо стремиться к тому, чтобы проводники двухпроводной линии при закреплении и изгибах (же­лательно более плавных) не были сильно деформиро­ваны. Так, например, их нельзя обвивать вокруг изо­ляторов, как это делают с проводами осветительной сети.

Как видно из приведенных рисунков, размеры ан­тенной решетки из четырех излучателей сравнительно невелики. Имеется возможность увеличить КНД решет­ки примерно до 150-160 путем ее дальнейшего учетверения.

Выбранная схема питания элементов решетки по­зволяет это сделать без особого труда. На рис. 9 показана схема питания антенной решетки из 16 элементов. Она аналогична схеме рис. 2, если считать каждую четверку излучателей как одиночный элемент. Все узлы рис. 9 с точками питания в — в и в’ —в’ выполняются так, как показано на рис. 3. К точ­кам в’—в’ можно подключить в ка­честве основного фидера как 75-ом- ный коаксиальный кабель с симмет­рирующим устройством, так и двух­проводную 300-омную линию, с при­менением 27-колена.

Монтаж линий питания требует особого внимания, так как непра­вильное присоединение концов сим­метрирующего устройства в каком- либо из узлов питания вызовет рас- фазирование всей антенной решетки. Схема подводки распределительных кабелей к точкам питания самих зигзагообразных излучателей в чет­верках также показана на рис. 9.

Монтировать решетку из 16 излу­чателей на каркасе можно так, как показано на рис. 10. Здесь также вертикальные рейки нужны не всегда. Рефлектор антенны выполняется опи­санным выше способом. Требования к выполнению фидерной системы пол­ностью сохраняются. Увеличиваются требования к тщательности юстиров­ки системы и к ее механической жест­кости. Антенна имеет сравнительно высокую направленность. Угол рас­крыва ее диаграмм направленности по уровню половинной мощности составляет около 16°. Следователь­но, нежелательны отклонения от направления на корреспондента и по углу места, превышающие +-4°.