1.13. Направленная антенна "Волновой канал"

Направленные антенны позволяют добиться большей эффективности работы радиостанции. На Си-Би радиостанции обычно используется одна антенна для приема и передачи, поэтому направленная антенна, имеющая определенное усиление, дает выигрыш как по приему, так и по передаче. Выигрыш в режиме передачи состоит в том, что уровень сигнала, принимаемого корреспондентом, будет выше на величину усиления антенны. В режиме приема принимаемый сигнал также будет выше на величину усиления антенны, но кроме того будут дополнительно ослаблены помехи, приходящие с направлений, отличных от направления на полезный сигнал. Этот выигрыш часто оказывается наиболее важным с точки зрения эффективности связи, поэтому антенны настраивают не по максимальному усилению, а по максимальному отношению усиления в прямом и обратном направлениях. Одной из широко распространенных типов направленных антенн является антенна "волновой канал" или "Яги" по фамилии одного из изобретателей. Конструкция 4-х элементной антенны "волновой канал" представлена на рис. 1.25.

Рис. 1.25

Как видно из рисунка, антенна "волновой канал" представляет собой систему вибраторов, расположенных на общем несущем буме. За счет разной длины элементы имеют различные резонансные частоты. Подбирая длину элементов и их взаимное расположение, можно добиться усиления излучения в одном направлении. Длина вибратора, к которому подключается кабель питания, выбирается такой, чтобы обеспечить резонанс на рабочей частоте. Элемент, имеющий несколько большую длину, чем вибратор, обеспечивает отражение электромагнитной волны в сторону вибратора и называется рефлектором. Элементы, имеющие несколько меньшую длину, чем вибратор, обеспечивают дополнительную фокусировку излучения и повышают направленность антенны и называются директорами. В целом элементы составляют сложную резонансную систему, в которой обеспечиваются необходимые параметры антенны. Расчеты и опыт эксплуатации показывают, что невозможно обеспечить оптимизаций всех параметров одновременно. Так, при регулировке на максимальное усиление уменьшается ослабление в обратном направлении и полоса частот с допустимым значением КСВ. При регулировке на максимальное отношение усиления вперед/назад падает усиление в прямом направлении. На рис. 1.26 изображена антенна с размерами, обеспечивающими достаточно хороший компромисс всех параметров.

Рис. 1.26

В первую очередь при компьютерном моделировании данной антенны решалась задача получения полосы пропускания не менее 2 сеток. Широкополосную антенну проще настраивать и при изготовлении в домашних условиях проще добиться хорошего результата. Большинство промышленных антенн также оптимизируются по полосе пропускания с сохранением достаточно большого усиления. Основные параметры антенны приведены на рис. 1.27.

Рис. 1.27

Как видно из рисунка, антенна имеет КСВ меньше 2 в полосе частот 1,4 МГц. Эта полоса с запасом перекрывает разрешенные сетки С и D. В полосе пропускания усиление составляет не менее 9 дБи (при расположении антенны в свободном пространстве). Соотношение усиления вперед/назад около 15дБ. На рис. 1.28 изображена диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости сильно зависит от высоты установки антенны и проводимости "земли". При установке антенны на проводящей крыше здания (в том числе и железобетонной) крыша и будет являться "землей". За счет отражения от "земли" антенна будет иметь большее усиление и диаграмма направленности в вертикальной плоскости будет более острой, чем диаграмма направленности этой же антенны в свободном пространстве. На рисунках 1.29 — 1.31 приведены диаграммы направленности в вертикальной плоскости при высоте установки антенны 1/2, 3/4 и 1 длины волны.

Рис. 1.28

Следует отметить, что в реальных условиях земля не обладает идеальной проводимостью и при отражении от земли будут потери излучённой антенной мощности. Усиление антенны в этих условиях окажется меньше расчетного, а диаграмма направленности (в вертикальной плоскости) более широкой.

В зависимости от диаметра примененных труб, высоты установки над землей и других местных условий размеры могут несколько отличаться от указанных. Антенна, естественно, может быть настроена и на другие близлежащие частоты путем пропорционального изменения всех размеров. Конструкция антенны предусматривает возможность такой настройки. Антенна представляет собой цельнометаллическую конструкцию из тонкостенных дюралевых труб. В качестве несущего бума используется труба диаметром около 50 мм. Элементы составлены из труб двух диаметров. Центральная часть длиной около 3 метров изготавливается из трубы диаметром 20...25 мм. Концевые части элементов изготавливаются из более тонкой трубы. Диаметр этой трубы подбирается таким, чтобы она плотно входила в центральную часть. Для закрепления соединения в более толстой трубе ножовкой делается пропил на глубину 30 мм. Тонкая труба вставляется в более толстую не менее чем на 300 мм (для обеспечения прочности и возможности последующей настройки) и вся конструкция скрепляется автомобильным хомутом подходящего диаметра. Конструкция узла крепления элементов к буму изображена на рис. 1.32.

Рис. 1.29

Крепление U-образными болтами более предпочтительно с точки зрения прочности конструкции, поэтому если есть возможность использовать уголок большего сечения (50х50), то целесообразней не сверлить отверстия в элементах антенны и применить для крепления U-образные болты. Способ крепления к мачте или поворотному устройству в основном определяется их конструктивными особенностями и здесь не рассматривается.

Рис. 1.30

Рис. 1.31

После сборки антенны все резьбовые соединения стоит защитить краской или герметиком. Это предотвратит самопроизвольное отворачивание гаек и, с другой стороны, позволит при необходимости отвернуть гайки после длительного пребывания антенны под открытым небом.

Рис. 1.32

После сборки антенны необходимо обеспечить ее согласование с кабелем. На рис. 1.33 приведена зависимость комплексного сопротивления антенны от частоты. Значком Х отмечена частота 27,9 МГц, а значком О — частота 26,9 МГц. Кривая линия, соединяющая эти точки, представляет собой график зависимости комплексного сопротивления антенны от частоты. Пересечение этой кривой шкалы активного сопротивления (вертикальная линия) показывает сопротивление антенны при резонансе — 32,5 Ом. Окружность в центре рисунка ограничивает область, где входное сопротивление антенны соответствует значению КСВ менее 2 при непосредственном подключении 50-омного кабеля (в этом случае вибратор делается разрезным). Однако в этом случае приемлемое значение КСВ обеспечивается не во всем заданном диапазоне частот. Для точного согласования целесообразно использовать одно из согласующих устройств. На рис. 1.35 приведена зависимость

комплексного сопротивления антенны с согласующим устройством от частоты при условии точного согласования с 50-омным кабелем на частоте 27,4 МГц. При этом КСВ во всем частотном диапазоне антенны менее 2.

Рис. 1.33

Для согласования антенны с кабелем используется гамма-согласующее устройство. На рис. 1.34 приведена схема этого устройства и приведены необходимые размеры.

Конструкция гамма-согласующего устройства показана на рис. 1.36. Длина тонкой трубки составляет 600 мм, что несколько больше величины, указанной на рис. 1.34 из-за особенностей примененного конденсатора. Конденсатор С1 гамма-согласующего устройства имеет коаксиальную конструкцию. С отрезка 50-омного

Рис. 1.34

Рис. 1.35

коаксиального кабеля длиной 600 мм снимается защитная оболочка и медная оплетка. С одной стороны на расстоянии 20 мм снимается внутренний изолятор. Внутренний проводник облуживается и припаивается к разъему SO-239. Затем этот отрезок кабеля вставляется в тонкую трубку. Скоба крепления и перемычка изготавливаются из мягкого алюминиевого листа толщиной около 1,5 мм. Скоба крепления фиксируется U-образной шпилькой, крепящей вибратор к буму.

Рис. 1.36

Настройка антенны на минимальное значение КСВ на частоте 27,4 МГц производится путем перемещения перемычки. После настройки фиксирующие болты на перемычке затягиваются и защищаются герметиком или краской. Необходимо отметить, что настройку антенны следует проводить на той высоте, на которой она в дальнейшем будет эксплуатироваться. Поэтому конструкция мачты с поворотным устройством должна предусматривать возможность многократного подъема и опускания антенны.

В заключение следует отметить, что изготовление сложных направленных антенн можно рекомендовать опытным радиолюбителям, имеющим необходимые знания и опыт постройки и эксплуатации антенн. Начинающим стоит придерживаться правила "от простого к сложному".