Навигация: => 

На главную / Электроника / Статьи

ВЕРТИКАЛЬНЫЕ УКВ АНТЕННЫ МИФЫ И РЕАЛЬНОСТЬ.

ВЕРТИКАЛЬНЫЕ УКВ АНТЕННЫ
МИФЫ И РЕАЛЬНОСТЬ

Николай Заглядин

В том, что лучший передатчик – это хорошая антенна, не сомневался даже Ротхаммель (hi). Но насколько «хорошими» антеннами мы пользуемся, автору этих строк пришлось убедиться в процессе работы над установлением УКВ связи между двумя стационарными радиостанциями, находящимися на расстоянии 75 километров друг от друга. Заказчиками были приобретены стационарные антенны, представляющие собой 3 яруса по 5/8λ, одной, очень известной «заокеанской» фирмы. В рекламном буклете, прилагаемом к антеннам, труженики фирмы уверяли, что их продукция используется даже в авиации, (цена, стало быть – соответствующая).

Проведенные предварительные расчеты «радиовидимости» антенн по упрощенной формуле S = 4.1 , где S – расстояние в километрах; h1 и h2 – высоты установки двух антенн в метрах, вселяли уверенность в успехе. Высота установки одной антенны равнялась 24 метрам, другой – 18 метров. Подставив эти данные в формулу, получили 85 км., что с лихвой перекрывало требуемые 75 км.

И вот, после установки и тщательной настройки антенн, наступил момент первой связи.… На фоне шума, едва угадывалось присутствие несущей, причем в обоих направлениях. Поскольку радиостанции имели прекрасную чувствительность по приему и выходную мощность 35 ватт, то оставалось винить только антенны. Установка направленных антенн сразу исключалась, т. к. обе станции еще работали и с мобильными абонентами, следовательно, диаграмма антенн требовалась круговая. В порядке эксперимента, «фирменные» антенны были заменены на четвертьволновые GP и «радиотрасса» заработала.

Разобраться в «крахе» фирменной антенны было решено с помощью моделировщика антенн MMANA. Антенна скрупулезно обмеривалась, и все данные заносились в закладку «геометрия». После «эMMANAции» получились вполне ожидаемые результаты: усиление Ga = 4,8db (данные фирмы – 5,1), элевация же составляла 38 градусов! Причем, в горизонтальном направлении едва просматривался худенький лепесток. Выходит, «фирма» ни сколько не кривила душой, упоминая в рекламном буклете авиацию. Антенна действительно великолепная, но для связи с высоко летящими объектами, чего в данном случае не требовалось.

Выше описанная история, должна послужить наглядным уроком к более обдуманному подходу в выборе типа антенн, поскольку слепая вера в чудеса « заморских» конструкций и профессиональная реклама очень часто вводят в заблуждение. И, если в ближней зоне, ограниченной парой десятков километров можно использовать, в общем-то, любые антенны – от многоэтажных «диковин» самых передовых технологий, до гирлянды из пивных банок и вести пространные споры о достоинствах тех и других, (чем грешат некоторые радиолюбители). То работа на «предельных» расстояниях требует, все – таки, приложения каких – то умственных усилий. Разумеется, и автору этих строк доводилось, по необходимости, устанавливать антенны «чердачно – форточных» конструкций, когда установка других антенн была не возможной или нецелесообразной. Некоторые из них весьма не плохо работали…. Но уверять, что такие антенны превосходят «классику», вряд-ли стоит.

С помощью моделировщика антенн MMANA были исследованы несколько типов «классических» антенн с круговой диаграммой направленности, в том числе и из библиотеки MMANA.

Вот тут – то и обнаружилась некоторая не корректность расчета многих антенн. Для примера попробуем рассчитать антенну GP 5/8λ на частоту 145 MHz c четырьмя горизонтальными противовесами. В закладку «геометрия» заносим: R= 5 мм, и далее провода: 1) Z1= 0.625λ; 2) X2= 0.25λ; 3) X2= -0.25λ; 4) Y2= 0.25λ; 5) Y2= -0.25λ. В таблице «источники», согласно рекомендациям, указываем нижнюю точку питания вибратора № 1 – w1b. В закладке «вычисления» отмечаем расположение антенны в свободном пространстве. Запустив программу, получаем диаграмму, изображенную на Рис. 1. На импеданс и КСВ обращать внимание не будем – это задача согласующего устройства. Но давайте рассмотрим более внимательно две неточности: во – первых; указана только одна точка питания (самого вибратора), но у коаксиального кабеля есть еще и оплетка, которая, следуя законам логики, должна подключаться к противовесам, и фаза на ней отличается от центрального проводника на 180 градусов (здесь полная аналогия с двухпроводной линией). Во – вторых: антенна не может парить в воздухе (опять про авиацию – hi). Даже, если она установлена на мачте из изолирующего материала, то питающий кабель физически представляет собой дополнительный проводник, соединенный с противовесами и влияющий, в той или иной мере, на параметры этой антенны. Дополнив этими данными программу, получаем диаграмму, изображенную на Рис. 2 и распределение тока Рис. 3, где хорошо видно, что на кабеле снижения присутствует не большой по величине ток. Не это-ли излучение кабеля так часто принимают за желанный лепесток в диаграмме направленности. И, если минимизировать излучение фидера можно установкой на кабель, вблизи антенны, ферритовых колец, то с таким углом излучения, дальние связи, явно не получаться. Причем, попытки опустить противовесы под углом 120 градусов, еще больше увеличивали элевацию. Это объясняется уменьшением влияния противовесов на излучающий вибратор, и высокочастотная энергия, согласно законам физики, начинает двигаться вдоль « длинного» проводника. И, только установка вибратора длиной 5/8λ на «идеальную землю», дает прижатую к горизонту диаграмму направленности, что позволяет успешно использовать такую антенну на крыше автомобиля. Более подробно об антенне «пять восьмых» можно прочитать в [1].

Просмотр диаграмм направленности с помощью программы MMANA ряда различных конструкций антенн, позволил сделать вывод: наиболее эффективными для дальних связей, являются антенны с длиной, не превышающей 1/2λ. Кстати, следует заметить, что в основе более сложных антенн волновых каналов, логопериодических и многих других, в качестве излучающего элемента используется, как правило, полуволновой вибратор.

По убеждению автора, нет смысла делать вертикальные антенны длиннее 1/2λ, поскольку в нижней части вибратора ветвь тока принимает обратный знак и, по - сути, нижняя часть вибратора работает противовесом по отношению к верхней. И всякие ухищрения с линиями задержки между этажами многоярусных антенн, всего-навсего, превращают нижние этажи в проводники энергии к самому верхнему, да еще и диаграмму направленности поднимают в зенит.

Порой, создатели таких антенн еще и покушаются на волновую теорию Эйнштейна, доказывая, что с помощью линий задержки, им, якобы, удалось десятиметровым проводником излучать двухметровую волну! Увы, но мистика не властна над законами физики.

Для увеличения площади излучаемой поверхности антенны, можно использовать синфазные системы из одиночных вибраторов, расположенных вертикально или горизонтально на расстояниях, кратных ½ волны, что еще с прошлого века применяется в профессиональной связи.

вертикальная полуволновая УКВ антенна, запитываемая с конца

Основываясь на вышеприведенных утверждениях, была разработана и испытана вертикальная полуволновая УКВ антенна, запитываемая с конца, конструкция которой показана на Рис. 4. Поскольку, сопротивление в точке питания вибратора, составляет сотни Ом, то для согласования с 50-ти омным кабелем, применена объемная коаксиальная линия с настроечным шлейфом. В целом, конструкция получилась достаточно простой и технологичной в изготовлении.

Антенна состоит из алюминиевой трубки 3, диаметром 10 мм, пропущенной сквозь алюминиевый стакан 2, представляющий собой трубку с внутренним диаметром 25 мм и наружным – 28 мм. В верхней части стакана установлено кольцо 4, с толщиной стенок 10 мм, к которому, с помощью резьбовых соединений крепятся противовесы 5, диаметром 10 мм. В нижней части стакана просверлено отверстие под кабель 1 с центром, отстоящим от нижнего края стакана на 15 мм.

При желании, здесь можно установить подходящий по размерам коаксиальный разъем. Точно, напротив этого отверстия, находится точка подключения центрального проводника кабеля 1 к трубке 3. Подключение можно выполнить как с помощью хомутика, так и пайкой. Короткозамыкающий шлейф 7 имеет возможность перемещения по трубке 3 и стержню 6 для точной настройки антенны. Стержень 6 должен иметь надежный контакт со стаканом 2. Его диаметр может составлять 6…10 мм. Остальные размеры приведены в таблице.

Сверху стакан закрывается изолятором Рис. 5а. а снизу – шайбой Рис. 5б.

Перед установкой изоляторов, все сопрягаемые с элементами антенны поверхности смазываются эпоксидным клеем. Кроме того, верхний изолятор имеет отверстие с резьбой М4, куда ввертывается винт для фиксации трубки 3.

Антенна крепится к мачте за стакан с помощью двух хомутов. «Топ» мачты не должен выступать выше противовесов. Поскольку трансформатор этой антенны работает в режиме компенсации реактивной составляющей, то питание должно осуществляться кабелем, с длиной, кратной 1/2λ. В противном случае «приведенное» выходное сопротивление радиостанции не будет равняться 50 Ом и настроить антенну, без коррекции размеров трансформатора, вряд - ли удастся.

В авторском варианте, антенна двухметрового диапазона имела следующие параметры: усиление Ga= 2.1 db, элевация – 6 градусов, что является оптимальным углом для дальних связей. График КСВ для рабочих частот приведен на Рис. 6.

Сравнительные испытания этой антенны, при прочих равных условиях, показали ее значительное преимущество перед четвертьволновым GP, выразившееся в увеличении дальности связи с мобильными станциями, примерно, в полтора раза. 
В заключении, хочется поблагодарить Makoto Mori и И. Гончаренко за создание программы MMANA, позволившей сберечь нервы и десятки метров трубок, потери которых неизбежны при конструировании и доводке антенн.

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

  1. В. Поляков. Об антенне « пять восьмых лямбда», или Франклин против Баллантайна. – Радио, 2000, №4, с.66.

  2. Программа моделирования антенн MMANA, - Радио, 2001, №6 – 9.

Смотри также уникальную открытую коллекцию патентов изобретений и технологий: Электронные устройства систем связи, Приемные и передающие антенны

НАПИСАТЬ ПИСЬМО АВТОРУ

Ваш E-mail:*

Сообщение:*

 

Версия для печати
Автор: Николай Заглядин
Адрес для переписки: 071410 Казахстан, а/я 44, тел.+/3222/-311588
Дата публикации 13.02.2008гг


вверх