В предлагаемой читателям статье приводится описание и расчет частотнонезависимой антенны. До сих пор этот класс антенн почти не находил применения в любительской практике. В то же время использование таких антенн весьма заманчиво, поскольку позволяет обойтись одной антенной системой при работе на нескольких диапазонах (например, 14; 21 и 28 Мгц на KB или 144 и 430 Мгц на УКВ). По сравнению с распространенной антенной «волновой канал» описываемая система имеет меньшие размеры в горизонтальной плоскости. Пожалуй, единственным ее недостатком является необходимость выполнения элементов в виде рамок со стороной 0,5l, что для диапазона 14 Mгц представляет собой сооружение внушительных размеров. Но такова уж антенная техника. Вечная дилемма — либо большие размеры, либо малая эффективность. Этот вопрос каждый любитель решает, исходя из своих конкретных условий. Что же касается эффективности, то частотнонезависимая антенна, по-видимому, имеет преимущество как перед «волновым каналом», так и перед различными «квадратами».
Описываемая антенна разработана по инициативе коротковолновика, который хорошо известен у нас в стране и за рубежом, беззаветного энтузиаста радиоспорта, бывшего члена президиума ФРС СССР Игоря Николаевича Жученко (UA1CC).
Публикуемую ниже статью авторы и редакция посвящают памяти И. Н. Жученко.
Как правило, антенны, которые используют коротковолновики, узкополосны и имеют сравнительно низкий коэффициент усиления. Потому перекрытие любительских диапазонов 14; 21 и 28 Мгц обычно достигается изготовлением 3-х антенн, а обеспечение дальней связи — увеличением мощности передатчика или усложнением антенных систем. В то же время задачу обеспечения дальней связи можно успешно решить, не умощняя передатчик, если использовать остронаправленную частотнонезависимую антенну с высоким коэффициентом усиления.
Различными авторами предложен ряд конструктивных решений по созданию частотнонезависимых (логопериодических) антенн, которые имеют коэффициент усиления 9-12 по сравнению с изотропным излучателем. Ниже приводится описание широкополосной логопериодической антенны, увеличение эффективности излучения которой достигнуто благодаря использованию резонансных элементов, выполненных в виде 2-хконтурных рамок.
Антенна, общий вид которой приведен на рис. 1, состоит из жестко выполненной 2-хпроводной линии питания и расположенных вдоль нее параллельно друг другу излучающих элементов. Размеры излучающих элементов и расстояние между ними изменяется по геометрической прогрессии с коэффициентом пропорциональности t. Элементы возбуждаются таким образом, что излученная элементами активной области энергия синфазно складывается в дальней зоне (под активной областью следует понимать группу вибраторов, геометрические размеры которых близки к длине резонансного элемента 0,25l).
Pиc.1
Излучающий элемент имеет форму квадрата, сторона которого равна 0,5l, (рис. 2). Четвертьволновые перемычки образуют два симметричных контура, питаемых 2-хпроводной линией в точках а — а’. Направления основных токов, формирующих диаграмму направленности, обозначены сплошными стрелками. Электромагнитные поля, образованные токами, указанными пунктирными стрелками, взаимно компенсируются. Таким образом резонансный элемент представляет собой 3-хэлементную синфазную решетку.
Pиc.2
На рис. 3 показан чертеж антенны в горизонтальной плоскости. Из него следует, что расчет антенны сводится к решению прямоугольного треугольника. Попутно заметим, что принцип работы антенны не нарушается при условии разумного уменьшения ее продольного размера, что оказывает решающее значение при построении антенн коротковолнового диапазона.
Pиc.3
Размеры укороченной антенны определяются частотным диапазоном. Так, для перекрытия диапазона частот 14; 21 и 28 Мгц необходимым и достаточным условием является присутствие резонансных элементов, соответствующих граничным частотам. Но в этом случае направленные свойства антенны на частоте 28 Мгц будут несколько ниже, чем на частоте 14 Мгц, потому что активная область на верхней частоте ограничится одним элементом. Потому укорочение антенны желательно производить так, чтобы на верхней частоте работали хотя бы два резонансных элемента.
Расчет антенны
Исходя из условий обеспечения падежной связи с корреспондентами, рассчитываем (либо задаем) необходимое усиление антенны G:
где: Е — напряженность поля (порог чувствительности приемника), мв/м;
P — мощность передатчика, вт; r — расстояние, км.
Pиc.4
Из графика рис. 4 определяем угловой размер a.
Из графика рис. 5 находим продольный размер L (Lo, L1 или L1 — в зависимости от выбранной степени укорочения, где:
Lo — полная длина антенны, L1 — минимально возможная длина укороченной антенны, L2 — длина укороченной антенны с учетом увеличения активной зоны на верхних частотах).
Pиc.5
Из графика рис. 6 определяем значение коэффициента пропорциональности т. Здесь Gопт соответствует оптимальному усилению, а Gопт-D и Gопт-2D-уменьшению усиления на 1 и 2 единицы.
Pиc.6
Из графика рис. 7 определяем количество излучающих элементов n.
Pиc.7
Рассчитываем резонансную длину излучающих элементов:
l1=0,25lмакс
l2=tl1
. . . . .
ln=tln-1
Определяем место расположения (расстояние до первого элемента) излучающих элементов R вдоль 2-хпроводной линии:
R1=L
R2=tR1
. . . . .
R2=tRn-1
При изготовлении питающей 2-хпроводной линии расчетный размер L следует увеличить на величину 0,13lмакс для получения хорошего согласования и устранения обратного излучения: 0,03lмакс — перед резонансным элементом, соответствующим верхней частоте среза, и 0,1lмакс — после резонансного элемента, соответствующего нижней частоте среза.
Для руководства при выборе антенны в диапазоне частот 14-28 МГц в таблице приведена сравнительная оценка ее геометрических и электрических параметров.
G
a, град
Lo, м
L1, м
L2, м
t
n
18
10
30
15
18,5
0,9
8
15
20
15,3
7,5
10,5
0,8
4
12,5
30
9,3
4,7
7,1
0,7
3
10
40
6,4
3,2
5,0
0,6
2
9,5
45
5,35
2,6
4,4
0,7
5
8
50
4,5
2,1
3,5
0,5
2
6
60
3,1
1,4
2,5
0,4
2
4,5
70
1,95
0,9
1,5
0,3
2
3
80
1,0
0,5
0,7
0,2
2
Размеры, соответствующие G=9,5, приведены на рис. 3. В качестве L принят размер L2. Диаграммы направленности антенны показаны на рис. 8.
Pиc.8
Конструкция антенны
Антенна и 2-хпроводная линия питания могут быть выполнены из стальных или дюралюминиевых труб. Постоянство волнового сопротивления 2-хпроводной линии обеспечивается при помощи изоляторов, изготовленных из высокочастотных диэлектрических материалов или сухого, хорошо пропитанного олифой дерева. Волновое сопротивление линии (с учетом примененного изолятора) должно составлять примерно 100 Ом.
Возбуждение 2-хпроводной линии может осуществляться как симметричным, так и несимметричным фидерами. В том случае, когда передатчик имеет несимметричный выход,
возбуждение рационально производить коаксиальным кабелем, проложенным внутри одной из труб линии. При этом начальный участок трубы играет роль симметрирующего (согласующего) трансформатора. Экранирующая оплетка кабеля гальванически соединяется с концом одной трубы линии, а внутренняя жила припаивается ко второй трубе.
РАДИО N 6 1969 г., c.24-26