Загрузил leonid58

Миллер Г. Антенны. Практическое руководство

Реклама
Миллер Г.
Антенны
Практическое руководство
Наука и Техника, СанктПетербург
2012
816_Antenni.indd 1
28.09.2011 14:10:30
Миллер Г.
Антенны. Практическое руководство. — СПб.: Наука и Техника, 2012. — 480 с.
ISBN 978-5-94387-816-9
Повсеместное внедрение в наш быт электроники, связанной с приемом-передачей сигна
ла, подняло интерес к антенной тематике. Широко распространяются беспроводные Wi-Fi
сети доступа к Интернету, спутниковое телевидение и Интернет, мобильная связь. Тради
ционно радиолюбителям интересна радиосвязь. Без антенны не обходится ни одно из этих
радиоэлектронных устройств, принимающих и передающих сигнал.
Книга качественно иллюстрирована, а информация в ней четко систематизирована. Антен
ны расставлены по главам в соответствии с рабочим диапазоном, главы следуют в порядке
роста длины волны. Приведены конструкции антенн, указаны их параметры и принципы
действия.
Книга поможет разобраться в многообразии антенн, правильно выбирать, изготовить или
приобрести, а также устанавливать и использовать нужную антенну. Особое внимание
уделено вопросам самостоятельного изготовления антенн.
Книга предназначена для радиолюбителей, желающих систематизировать и расширить свои
знания в области изготовления и правильного использования антенных устройств.
Автор и издательство не несут ответственности
за возможный ущерб, причиненный в ходе
использования материалов данной книги.
Контактные телефоны издательства
(812) 4127025, 4127026
(044) 5163866
Официальный сайт: www.nit.com.ru
ISBN 978-5-94387-816-9
© Миллер Г.
© Наука и Техника (оригиналмакет), 2012
ООО «Наука и Техника».
Лицензия № 000350 от 23 декабря 1999 года.
198097, г. СанктПетербург, ул. Маршала Говорова, д. 29.
Подписано в печать 29.09.2011. Формат 70×100 1/16.
Бумага газетная. Печать офсетная. Объем 30 п. л.
Тираж 2000 экз. Заказ № 90.07.
Отпечатано по технологии СtP
в ООО «Северо-Западный Печатный двор» ,
188300, Ленинградская обл., г. Гатчина, ул. Железнодорожная, 45Б
816_Antenni.indd 2
28.09.2011 14:10:31
Содержание
Глава 1. Характеристики антенн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1. Основные термины и понятия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Что такое антенна. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Режимы работы и характеристики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Полоса пропускания антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Поляризация. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Входное сопротивление. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Коэффициент стоячей волны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Диаграмма направленности антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Коэффициент направленного действия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Коэффициент усиления антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Коэффициент полезного действия антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Шумовая температура антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Сводная таблица параметров антенн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Основные диапазоны частот. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Радиочастотный спектр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Очень высокие частоты, ультракороткие волны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Высокие частоты, короткие волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Средние частоты, средние волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Низкие частоты, длинные волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Сверхдлинные волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3. Основные типы элементарных антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Краткая история возникновения антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Классификация антенн и элементы излучателей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Простейшие излучатели. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Линейные антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Фигурные антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Рамочные антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Щелевые антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Активные антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4. Групповые излучатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Что такое групповые излучатели. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Линейные группы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Плоскостные группы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Пространственные группы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Группы с сетевым питанием. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5. Строение и разновидности излучателей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Плоские структуры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Пространственные структуры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Апертурные излучатели. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
12
12
12
13
13
14
15
17
19
19
22
22
24
26
26
26
27
28
28
29
30
30
30
31
32
32
33
33
33
33
33
34
34
35
35
36
36
36
37
Глава 2. Любительские микроволновые антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1. Коротко о микроволнах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2. Многовибраторные антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Директорная антенна для диапазона 23 см. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40-элементная антенная решетка для диапазона 23 см. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Рамочно-директорная антенна для диапазона 23 см. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
40
40
40
41
42
816_Antenni.indd 3
28.09.2011 14:10:31
2.3. Спиральные антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Преимущества. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Спиральная антенна для диапазона 23 см. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Квадрифилярная спиральная антенна. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4. Антенны с отражателем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Антенна с уголковым отражателем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Параболическая антенна. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
42
43
44
44
44
45
Глава 3. Антенны для телеприема и Интернета со спутников. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1. Общая структурная схема комплекта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2. Отражатели антенн для спутникового телеприема. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Формы приемных антенн спутникового телевидения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Материал отражателей спутниковых антенн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Составные части антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3. СВЧ тракт спутниковой антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Особенности терминологии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Структура СВЧ тракта. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4. Облучатель. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Устройство и принцип действия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Соотношение фокусного расстояния к диаметру антенны . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5. Поляризатор и деполяризатор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Поляризация электромагнитных волн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Особенности выбора вещателем поляризации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Поляризатор и деполяризатор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6. Конвертер. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Определение и назначение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Устройство и принцип действия конвертера. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Функции конвертера. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Переключение диапазонов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Особенности конструкции конвертеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Включение конвертеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7. Подвески спутниковых антенн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Выбор крепления аннтенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Способы подвески спутниковых антенн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Особенности применения подвески . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
47
49
49
50
52
52
52
53
55
55
57
58
58
60
62
64
64
64
65
66
67
68
70
70
70
72
Глава 4. Антенны для Wi-Fi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1. Как работает сеть Wi-Fi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Определение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Стандарты Wi-Fi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Принцип работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Достоинства беспроводного Wi-Fi соединения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Недостатки Wi-Fi соединения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2. Особенности антенн для Wi-Fi соединения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Можно ли обойтись без антенны?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Немного теории антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Основные характеристики направленных внешних антенн. . . . . . . . . . . . . . .
4.3. Основные типы Wi-Fi антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Устройство штыревой антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Разновидности внешних антенн по направленным свойствам . . . . . . . . . . . .
74
74
74
74
76
76
77
78
78
80
81
83
84
85
816_Antenni.indd 4
28.09.2011 14:10:32
4.4. Всенаправленные Wi-Fi антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Особенности применения всенаправленных Wi-Fi антенн. . . . . . . . . . . . . . . . .
Всенаправленная антенна Wi-Fi RN-12 OMNI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Всенаправленная антенна Wi-Fi D-Link ANT24-0800. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5. Направленные антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Направленная сегментно-параболическая антенна
Quantum Parabolic 24. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Направленная сегментно-параболическая антенна
Quantum Parabolic 17. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Сегментно-параболическая антенна Quantum Parabolic 27. . . . . . . . . . . . . . . .
Облучатель для офсетных зеркал Quantum Offset 11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6. Панельные Wi-Fi антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Панельная антенна Maximus 10.5 Panel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Панельная антенна AntenaBOX. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Панельная антенна Quantum Panel 18. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7. Секторные Wi-Fi антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Особенности применения секторных антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Секторная антенна RN-16-120. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Антенна секторная RFE 2500/90/14. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8. Внешние Wi-Fi адаптеры USB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Особенности применения внешних Wi-Fi адаптеры USB. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
TP-LINK TL-WN422G. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
D-Link DWA-120. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.9. Адаптеры PCMCI и PCI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Дальнобойная карта-клиент Ubiquiti SR4C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Беспроводной PCI-адаптер D-Link DWA-520. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.10. Драйверы и ПО для Wi-Fi соединения для различных ОС. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.11. Самостоятельно изготавливаем Wi-Fi антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Панельная секторная антенна FA-20. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Всенаправленная антенна «паук» для диапазона 2,4 ГГц. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Банка для антенны Wi-Fi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Антенна для WiMAX и Wi-Fi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Компактная коллинеарная антенна Wi-Fi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Антенна из пластиковой бутылки для минеральной воды. . . . . . . . . . . . . . . . .
Эффективная и дальнобойная панельная Wi-Fi антенна (Panel 24). . . . . . . . .
Антенна Wi-Fi 2,4 ГГц. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Штыревая антенна с параллельным рефлектором . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Спиральная антенна с рефлектором . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Антенна-банка с цилиндрическим волноводом
для диапазона 2,4 ГГц 802.11b/Wi-Fi/WLAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.12. Устройство фабричных антенн Wi-Fi, которые можно изготовить самому. . . .
Антенна TP-Link TL-ANT2406A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Антенна TP-Link TL-ANT2409A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Антенна TP-Link TL-ANT2414A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Антенна D-Link DWL-R60AT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wi-Fi антенна YAGI (волновой канал). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.13. Грозозащита Wi-Fi антенн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Основное о грозозащите. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Установка грозозащиты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Может ли сгореть грозозащита?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
816_Antenni.indd 5
86
86
86
87
88
88
90
91
91
92
92
92
93
93
93
93
94
94
94
95
96
97
97
97
98
99
99
100
102
103
106
108
110
111
112
112
113
120
120
121
122
123
124
125
125
125
126
28.09.2011 14:10:32
Если сеть перестала работать после установки грозозащиты . . . . . . . . . . . . .
Модуль защиты от грозовых разрядов LA-2.4G/GT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Грозозащита Senao/EnGenius LP17 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Модуль грозозащиты Tp-link TL-ANT24SP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Грозозащита mcWit 100. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Грозозащита для NanoStation Light version. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Антенная грозозащита «Bester Thunder Defence 2400». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
126
127
128
129
129
131
132
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона. . . . . .
5.1. УКВ и ДМВ антенны: мифы и реальность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2. Принципы построения антенн УКВ и ДМВ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Радиолюбительские области УКВ и ДМВ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Поляризация антенн УКВ и ДМВ диапазонов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Устройство и монтаж антенн УКВ и ДМВ диапазонов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Рациональный выбор антенны для УКВ и ДМВ диапазонов. . . . . . . . . . . . . . . .
Рекомендации по применению любительских УКВ и ДМВ антенн . . . . . . . . .
Эталонные антенны для диапазонов УКВ и ДМВ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3. Продольные излучатели для УКВ и ДМВ диапазонов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Определение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Направленные УКВ и ДМВ антенны с двумя элементами . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Конструкция № 1. Двухэлементная антенна для диапазона 2 м. .. . . . . . Конструкция № 2. Антенны НВ9СV для диапазонов 2 м. .. . . . . . . . . . . . . . . . Конструкция № 3. Антенны HB9CV для диапазона 70 см. . . . . . . . . . . . . . . . Директорные антенны для диапазонов УКВ и ДМВ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Советы по самостоятельному изготовлению директорных антенн. . . . . . . .
Особенности коротких и длинных директорных антенн. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Короткие директорные антенны для диапазона 2 м. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Конструкция № 1. Трехэлементные директорные антенны. . . . . . . . . . . . Конструкция № 2. Узкополосный вариант трехэлементной
директорной антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Конструкция № 3. Шестиэлементные директорные антенны . . . . . . . . Конструкция № 4. Девятиэлементная директорная антенна. . . . . . . . . Короткие директорные антенны для диапазона 70 см. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Конструкция № 1. Четырехэлементная директорная антенна. . . . . . . .
Конструкция № 2. Шестиэлементная директорная антенна. . . . . . . . . . Длинные директорные антенны для двухметрового диапазона. . . . . . . . . . .
Конструкция № 1. Шестиэлементная длинная
директорная антенна DL2RSX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Конструкция № 2. Длинная директорная сериальная
антенна DL6WU для диапазона 2 м. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Конструкция № 3. Вариант антенны с семью элементами. . . . . . . . . . . . . Конструкция № 4. Десятиэлементная длинная директорная
антенна OK1DE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Длинные директорные антенны для диапазона 70 см. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Конструкция № 1. Длинная директорная антенна DL6WU
для диапазона 70 см.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Конструкция № 2. 18-элементная широкополосная
длинная директорная антенна. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Квадратно-рамочные директорные антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4. Антенные решетки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Простейшая антенная группа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
133
133
135
135
137
138
139
141
142
145
145
145
145
146
147
148
155
161
162
163
816_Antenni.indd 6
163
164
165
165
166
166
167
168
170
173
175
176
177
179
180
182
182
28.09.2011 14:10:32
Особенности антенных решеток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Питание антенных решеток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Антенные решетки с рефлекторами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Антенные решетки с рефлекторным полотном. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Практика антенных решеток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Конструкция № 1. 12-элементная антенная решетка. . . . . . . . . . . . . . . . . . Конструкция № 2. 16-элементная антенная решетка. . . . . . . . . . . . . . . . . . Конструкция № 3. 12-элементная антенная решетка
для диапазона 70 см. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Конструкция № 4. Антенная решетка HB9CV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5. Многоэтажные директорные антенны для УКВ и ДМВ диапазонов. . . . . . . . . . . .
Почему нужны многоэтажные антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Принцип наложения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Формирование антенных групп с оптимальными расстояниями. . . . . . . . . .
Возбуждение групповых директорных антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Практика построения групповых директорных антенн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Конструкция № 1. Групповые антенны на базе шестиэлементной
длинной директорной антенны DL2RSX. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Конструкция № 2. Группа из четырех длинных шестиэлементных
директорных антенн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Конструкция № 3. Решетка из шести длинных шестиэлементных
директорных антенн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Конструкция № 4. Групповая длинная директорная антенна
для диапазона 70 см. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Особые типы многоэтажных директорных антенн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Конструкция № 1. Многоэтажная директорная антенна 6×6 OH2EW. .
Конструкция № 2. Многоэтажная короткая директорная
антенна 4×4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Конструкция № 3. Остронаправленная антенна DL7KM
для диапазона 2 м. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Конструкция № 4. Остронаправленная антенна DL7KM
для диапазона 70 см. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6. Антенны кругового излучения вертикальной поляризации для УКВ и ДМВ
диапазонов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Использование поляризации различных видов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Критерии выбора излучателя вертикальной поляризации. . . . . . . . . . . . . . . .
Коаксиальная антенна. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
J-образная антенна. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Конструкция № 1. J-образная антенна для диапазона 2 м Slim-Jim. . . . . Конструкция № 2. J-образная антенна на плоском кабеле для
двухметрового диапазона. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Вертикальная антенна длиной 5λ/8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Многоэтажный круговой излучатель вертикальной поляризации. . . . . . . . .
Конструкция № 1. Вертикальный вибраторный ряд
из трех элементов для диапазона 2 м . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Конструкция № 2. Ряд из четырех полуволновых
коллинеарных элементов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Конструкция № 3. Усиление пятиэлементного вибраторного ряда . . . Конструкция № 4. Вертикальный вибраторный ряд из четырех
поэтажно расположенных полуволновых вибраторов . . . . . . . . . . . . . . . . . Многоэтажный излучатель длиной 5λ/8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
816_Antenni.indd 7
183
184
190
191
192
192
194
196
197
200
200
202
203
206
209
209
211
213
214
215
215
217
217
222
223
223
224
225
226
229
229
230
231
231
233
233
234
237
28.09.2011 14:10:32
Конструкция № 1. Удлиненный двойной «Цеппелин».. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Конструкция № 2. Антенна Ringo Ranger.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Конструкция № 3. Антенна ISOPOLE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Антенна DDRR на частоту 145 МГц. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Дисконусный широкополосный круговой излучатель. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.7. Антенны кругового излучения горизонтальной поляризации для УКВ и ДМВ
диапазонов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Прямой вибратор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Кольцевой вибратор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Угловой вибратор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Турникетная антенна. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Рамочная антенна Алфорда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Антенна «мальтийский крест». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Антенна Big Wheel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Антенна Batwing и супертурникетная антенна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Антенна кругового излучения с парной спиралью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Круговой излучатель с двойной рамкой DL7QZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.8. Особые типы антенн для УКВ и ДМВ диапазонов: плоский вибратор. . . . . . . . . .
Плоский вибратор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Веерный вибратор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Угловой плоский вибратор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.9. Особые типы антенн для УКВ и ДМВ диапазонов: антенны с отражателем . . . .
Как работают антенны с отражателем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Широкополосные антенны с отражателем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Многоэтажные широкополосные вибраторы с отражателями . . . . . . . . . . . .
Уголковый отражатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.10. Особые типы антенн для УКВ и ДМВ диапазонов: продольные излучатели. .
Варианты продольных излучателей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Двухзеркальная антенна. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Короткая двухзеркальная антенна. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.11. Особые типы антенн для УКВ и ДМВ диапазонов: щелевые антенны. . . . . . . .
5.12. Особые типы антенн для УКВ и ДМВ диапазонов: антенны круговой
поляризации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Как работают антенны круговой поляризации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Спиральная антенна Helix Beam. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Директорные антенны круговой поляризации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.13. Особые типы антенн для УКВ и ДМВ диапазонов:
логопериодические антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.14. Особые типы антенн для УКВ и ДМВ диапазонов: спиральные антенны . . . . .
Особенности спиральных антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Как работает двойная спиральная антенна. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Изготовление спиральных антенн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
237
238
239
240
240
242
242
242
244
245
247
248
250
254
255
256
260
260
261
263
264
264
266
267
269
272
272
272
274
276
278
278
280
286
293
300
300
300
301
Глава 6. Особенности антенн для наземного телеприема . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
6.1. Прием телевизионного сигнала. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
Условия распространения радиоволн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
Что влияет на дальность реального телеприема. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
Обеспечение телевизионного приема с разных направлений . . . . . . . . . . . . 305
Подключение нескольких антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
Обеспечение дальнего телевизионного приема . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
Влияние затухания сигнала в фидере. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
816_Antenni.indd 8
28.09.2011 14:10:32
6.2.
6.3.
6.4.
6.5.
6.6.
816_Antenni.indd 9
О телевизинном кабеле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Что нужно знать о гальванических парах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Частотные диапазоны в телевидении. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Создаем телеантенну своими руками. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Комнатные антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Конструкция № 1. Комнатная проволочная антенна. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Конструкция № 2. «Полуволновой линейный вибратор» . . . . . . . . . . . . . . . Конструкция № 3. Укороченный шлейф-вибратор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Простые наружные телевизионные антенны метрового диапазона. . . . . . .
Конструкция № 1. Полуволновой линейный разрезной вибратор.. . . . . . Конструкция № 2. Шлейф-вибратор Пистолькорса.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Конструкция № 3. П-образный полуволновой вибратор. . . . . . . . . . . . . . . . Телеантенны для приема на границе зоны прямой видимости и зоне
полутени. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Конструкция № 1. Зигзагообразная антенна из трех проводников.. . . . Антенны типа «волновой канал». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Конструкция № 1. Двухэлементная антенна типа «волновой канал» ..
Конструкция № 2. Трехэлементная антенна типа «волновой канал» . Антенны дециметрового диапазона. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Конструкция № 1. Схема плоской вибраторной логопериодической
антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Конструкция № 2. Второй вариант логопериодической антенны. . . . . Конструкция № 3. Телевизионная антенна ДМВ
для приема телепрограмм с 21-го по 40-й канал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Расчет размеров простых телевизионных антенн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Принцип взаимности и закон подобия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Отличия приемной телеантенны и антенны любительского диапазона . . .
Важные эмпирические правила. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Одноэлементная антенна МВ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Двухэлементная антенна МВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Трехэлементная директорная антенна МВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Четырехэлементная директорная антенна МВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Шестиэлементная многоканальная директорная антенна МВ. . . . . . . . . . . . .
Восьмиэлементная директорная антенна МВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Девятиэлементная директорная антенна МВ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13-элементная многоканальная директорная антенна МВ . . . . . . . . . . . . . . . .
20-элементная многоканальная директорная антенна МВ . . . . . . . . . . . . . . . .
Телевизионные антенные решетки МВ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Многоэтажные телевизионные директорные антенны МВ . . . . . . . . . . . . . . . .
Особенности телевизионных антенн дециметрового диапазона. . . . . . . . . .
Директорные антенны дециметрового диапазона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Волновый вибратор ДМВ перед отражателем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Телевизионные антенны ДМВ с уголковым отражателем. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Логопериодические телевизионные антенны ДМВ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Установка и настройка телеантенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Выбор места установки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Установка телеантенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Выбор направления антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Кабели снижения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Как защитить телеантенну от удара молнии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Разводка кабеля внутри дома или дачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
312
314
316
317
317
317
318
319
319
320
322
322
324
325
326
329
332
332
332
333
334
335
335
336
337
338
339
340
341
342
343
345
345
347
348
349
351
352
354
355
356
358
358
358
360
361
362
366
28.09.2011 14:10:32
Глава 7.
7.1.
7.2.
7.3.
7.4.
Использование в диапазонах УКВ и ДМВ коротковолновых антенн. . . . . . . 367
Когда в диапазонах УКВ и ДМВ используются коротковолновые антенны. . . . . 367
Двухъярусная V-образная УКВ антенна. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
Ромбические антенны УКВ и ДМВ диапазонов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
Двойной квадрат для УКВ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
Преимущества двойного квадрата . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
Простой двойной квадрат. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
Многоэтажный двойной квадрат. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
Многовибраторная антенна из двойных квадратов диапазона 2 м. . . . . . . . 374
Двойной квадрат и гибридный двойной квадрат DL7KM. . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
Гибридный двойной квадрат для диапазона 70 см . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
Четырехэтажный двойной квадрат. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
7.5. Многопроводная квадратно-рамочная антенна. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
Глава 8. Радиолюбительские антенны для связи в нестационарных условиях. . . . . .
8.1. Критерии выбора места связи для портативных радиостанций. . . . . . . . . . . . . . .
8.2. KB антенны для связи в нестационарных условиях. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Выбор автомобильных KB антенн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Механическое исполнение укороченных вертикальных антенн . . . . . . . . . .
Электрические свойства укороченных вертикальных антенн. . . . . . . . . . . . .
Удлиняющие катушки для укороченных вертикальных антенн. . . . . . . . . . . .
Согласование укороченных вертикальных антенн с фидером. . . . . . . . . . . . .
Порядок согласования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Параметры механически укороченных антенн для связи
в нестационарных условиях. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Укороченные вертикальные антенны с распределенной индуктивностью. . . 8.3. УКВ антенны для связи в нестационарных условиях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Выбор между горизонтальной и вертикальной поляризациями . . . . . . . . . .
Мобильные УКВ антенны вертикальной поляризации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.4. Антенны для «охоты на лис». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Пеленгаторные антенны 80-метрового диапазона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Пеленгаторные антенны для «охоты на лис» в двухметровом диапазоне. .
8.5. Антенны Си-Би связи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Частотные каналы Си-Би связи России . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Основные положения Си-Би связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Антенны для карманных радиотелефонов 11-метрового диапазона . . . . . .
Антенны для автомобильных радиотелефонов на длину волны 11 м. . . . . .
Остронаправленная мини-антенна 11-метрового диапазона. . . . . . . . . . . . . .
385
385
387
387
387
388
391
393
395
396
398
400
400
401
402
402
407
409
409
410
411
412
414
Глава 9. Антенны для приема радиовещания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
9.1. Распространение радиоволн в основных диапазонах вещания. . . . . . . . . . . . . . . 416
Основы радиовещания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
Особенности распространения коротких волн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
Особенности распространения средних волн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
Особенности распространения длинных волн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
9.2. Радиовещательные приемные антенны коротких, средних и длинных волн. . 419
Особенности приемных антенн для приема АМ сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
Высокие антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
Г- и Т-образные антенны для средних и длинных волн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
Длиннопроводная антенна для приема радиовещательных передач . . . . . 421
Высокие вертикально-штыревые антенны с экранированным фидером. . 423
816_Antenni.indd 10
28.09.2011 14:10:32
Широкополосные коротковолновые приемные антенны . . . . . . . . . . . . . . . . .
Антенны на ферритовых стержнях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3. Радиовещательные приемные автомобильные антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.4. Радиовещательные приемные антенны УКВ ЧМ диапазона . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
424
425
426
428
Глава 10. Радиолюбительские рамочные антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
10.1. Принцип действия рамочных антенн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
Формирование рамочной магнитной кольцевой антенны . . . . . . . . . . . . . . . . 430
Преимущества рамочных антенн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
Излучательные свойства рамочных антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
Характеристики антенн АМА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
Кольцевая антенна небольшой окружности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
10.2. Практика создания рамочных антенн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
Разновидности магнитно-рамочных антенн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
Параметры практически испытанных антенн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
Электрически-магнитная антенна Groundplane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
Приемо-передающие рамочные антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
10.3. Особенности излучения рамочных антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
Вертикальная компоновка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
Горизонтальная компоновка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
Глава 11. Элементная база антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
11.1. Антенный канатик. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
Требования к материалам. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
Нагрузка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
Прочность. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
11.2. Натяжные тросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
Назначение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
Проволочные тросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
Синтетические фалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
11.3. Трубы для антенн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
11.4. Принадлежности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
11.5. Мачты для антенн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
Типы мачт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
Прочность мачт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
Принадлежности для мачт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
11.6. Материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
11.7. Коррозия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
Суть коррозии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
Защита от коррозии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
11.8. Поворотные устройства. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463
11.9. Высокочастотные разъемы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
11.10. Грозозащита антенн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
11.11. Защита от перегрузок по напряжению. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
Глава 12. Полезные справочные таблицы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
470
Список литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
478
Список ресурсов Интернет. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
478
816_Antenni.indd 11
28.09.2011 14:10:33
Гл ава 1
Характеристики антенн
1.1. Основные термины и понятия
Что такое антенна
Определение.
Антенна — устройство для излучения и приема радиоволн, она является конвертером электрического тока радиочастотного диапазона
в электромагнитное излучение, и наоборот.
Форма, размеры и конструкция антенн разнообразны и зависят
от длины излучаемых или принимаемых волн и назначения антенны.
Применяются антенны в виде отрезка металлического провода, комбинаций из таких отрезков, металлических рупоров, отражающих металлических зеркал различной конфигурации, волноводов с металлическими
стенками, в которых вырезаны щели и многие другие.
Режимы работы и характеристики
Каждая антенна как пассивное линейное устройство может работать:
в режиме передачи; в режиме приема.
В обоих режимах антенна характеризуется направленными, поляризационными, фазовыми свойствами и входным сопротивлением.
К основным характеристикам и параметрам относятся:
ŠŠполоса пропускания;
ŠŠполяризация;
ŠŠвходное сопротивление;
ŠŠкоэффициент стоячей волны (КСВ);
ŠŠдиаграмма направленности (ДН);
ŠŠкоэффициент направленного действия (КНД);
ŠŠкоэффициент усиления антенны (КУ);
ŠŠфазовая диаграмма антенны (ФД);
ŠŠкоэффициент полезного действия антенны (КПД);
ŠŠшумовая температура антенны (ТА).
816_Antenni.indd 12
28.09.2011 14:10:33
Глава 1. Характеристики антенн
13
Полоса пропускания антенны
Определение.
Полоса пропускания — диапазон частот, в пределах которого
амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) антенны достаточно
равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы.
Это диапазон частот, при которых антенна работает эффективно,
обычно окрестность центральной (резонансной) частоты. Зависит от
типа антенны, ее геометрии.
Основные параметры, которые характеризуют полосу пропускания
частот — это ширина полосы пропускания и неравномерность АЧХ в
пределах полосы.
Ширина полосы (рис. 1.1) обычно определяется как разность верхней
и нижней граничных частот участка АЧХ, на котором амплитуда колебаний от максимальной снижается в корень из
двух раз или мощность снижается в 2 раза.
М аксим альное значение
Этот уровень приблизительно соответствует −3 дБ.
Ширина полосы пропускания выража−3 дБ
Ш ирина
ется в единицах частоты (например, в герполосы
цах).
Неравномерность АЧХ характеризует
f1
fc
f2
степень ее отклонения от прямой, паралРис. 1.1. АЧХ антенны
лельной оси частот. Неравномерность АЧХ
выражается в децибелах.
Примечание.
Ослабление неравномерности АЧХ в полосе улучшает воспроизведение
формы передаваемого сигнала.
Поляризация
Определение.
Поляризация для электромагнитных волн — это явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или
напряженности магнитного поля H.
Электромагнитное поле характеризуется вектором напряженности
электрического поля E и вектором магнитной индукции H, каждый из
которых в любой точке пространства имеет определенную величину и
направление.
816_Antenni.indd 13
28.09.2011 14:10:33
14
Антенны. Практическое руководство
Поляризация электромагнитной волны является ее пространст­венновременной характеристикой и определяется видом траектории, описываемой концом вектора электрического поля Е в фиксированной точке
пространства.
Примечание.
На антеннах с поляризацией есть указатель в виде стрелки на задней
стороне, который и определяет необходимую поляризацию.
На рис. 1.2 схематически изображена электромагнитная волна с векторами E и H, распространяющаяся в положительном направлении оси
х. Электрическое и магнитное поля изображены в момент t = 0 для случая
плоской электромагнитной волны, распространяющейся в направлении x
со скоростью c.
C
E
H
B
X
C
Рис. 1.2. Структура электромагнитной волны
Электрическое и магнитное поля тесно взаимосвязаны: они представляют собой компоненты единого электромагнитного поля, поскольку
переходят друг в друга.
Говорят, что векторное поле линейно (плоско) поляризовано, если направление вектора остается всюду фиксированным, а его длина периодически изменяется. Если вектор вращается, но длина его не меняется, то
говорят, что поле имеет круговую поляризацию. Если же длина вектора
периодически изменяется, а сам он вращается, то поле называется эллиптически поляризованным.
Входное сопротивление
Антенна является источником сигнала, который характеризуется
электродвижущей силой (ЭДС) и внутренним сопротивлением, которое
называется входным сопротивлением антенны.
Определение.
Входное сопротивление антенны — это величина, которая определяется отношением направления на зажимах антенны к току на входе
фидера.
816_Antenni.indd 14
28.09.2011 14:10:33
Глава 1. Характеристики антенн
15
Величину входного сопротивления антенны необходимо знать для того,
чтобы правильно согласовать антенну с кабелем и приемником (передатчиком): только при этом условии на вход поступает наибольшая мощность.
При правильном согласовании входное сопротивление антенны должно равняться входному сопротивлению кабеля, которое, в свою очередь,
должно быть равно входному сопротивлению приемника (передатчика).
Немного физики... Считается, что входное сопротивление антенны
представляет собой последовательно соединенные реактивное и активное сопротивления. Но в антенне или в фидере нет реального резистора,
конденсатора или катушки индуктивности. Все это только результат расчета эквивалентных им сопротивлений антенной цепи.
Входное сопротивление (импеданс) антенны редко когда бывает равный волновому сопротивлению фидерной линии. Для согласования применяют согласующие устройства.
Для уменьшения потери мощности антенну необходимо настроить в
резонанс с частотой принимаемых каналов. В случае если антенна работает в широком диапазоне ТВ каналов, ее следует настраивать на среднюю частоту диапазона. Практически настройка сводится к подбору
геометрических размеров и элементов антенны, а также расположения
клемм, к которым подводится фидерная линия.
На частотах ниже резонансной реактивная составляющая имеет емкостный, а на частотах выше резонансной — индуктивный характер. А
при резонансе антенна имеет только активное сопротивление.
Примечание.
Входное сопротивление антенны также зависит от объектов, находящихся вблизи антенны и влияющих на распределение поля в пространстве, что необходимо учитывать при установке антенны.
Зависимость входного сопротивления антенны от частоты носит название частотной характеристики: чем меньше меняется входное сопротивление антенны при изменении частоты, тем, шипе полоса ее пропускания.
Коэффициент стоячей волны
Определение.
Коэффициент стоячей волны — это отношение наибольшего и наименьшего значений амплитуды напряженности электрического или
магнитного поля стоячей волны в линии передачи.
Если антенна настроена в резонанс, т. е. в ходе настройки мы скомпенсировали ее реактивность и согласовали с фидером питания по сопротивлению, то КСВ будет равен единице. Отраженная волна отсутствует.
816_Antenni.indd 15
28.09.2011 14:10:33
16
Антенны. Практическое руководство
Коэффициент стоячей волны характеризует степень согласования
антенны и фидера (также говорят о согласовании выхода передатчика и
фидера). На практике всегда часть передаваемой энергии отражается и
возвращается в передатчик. Отраженная энергия ухудшает работу передатчика и может его повредить.
КСВ рассчитывается следующим образом:
КСВ=(Wпад+Wотр)/(Wпад−Wотр),
где Wпад — падающая энергия, Wотр — отраженная энергия.
Пример.
В идеале КСВ=1. Значения до 1,5 считаются приемлемым, например, в
УКВ диапазоне.
Любая антенна, простая она или сложная, является резонансным
устройством и требует настройки. Настройка включает в себя измерение основных параметров антенны и коррекция их путем подгонки линейных размеров элементов антенны, расстояний между элементами, настройки согласующих и симметрирующих устройств.
Если антенну мы сами не рассчитываем, а берем уже размеры готовой
проверенной на практике конструкции, возникает вопрос о целесообразности настройки такой антенны.
Настойка нужна и в этом случае. Ведь невозможно рассчитать влияние экранов, паразитные емкости и индуктивности монтажа, краевой эффект здания, на котором расположена антенна, влияние оттяжек мачты и
очень много неизвестных величин.
При переходе от простых антенн к более сложным реальная прибавка
в силе сигнала намного больше, чем при сравнении числовых значений
усиления простой и более сложной антенны.
Пример.
Сравним простую антенну типа полуволновой диполь с антенной
двойной квадрат. Даже ненастроенный двойной квадрат с усилением
5 дБ в эфире может дать прибавку в силе сигнала от 10 до 30 дБ по сравнению с полуволновым диполем. Это зависит от состояния эфира, прохождения, угла прихода сигнала, наличие индустриальных помех и т. д.
Точно такой же эффект наблюдается, сравнивая две идентичных антенны, одна из которых была настроена по всем основным параметрам,
вторая собрана по расчетным значениям. А так как основная масса радиолюбителей настраивает антенны только по КСВ, отсюда и чудеса в
эфире: одну и ту же конструкцию антенны одни хвалят, другие ею не довольны.
816_Antenni.indd 16
28.09.2011 14:10:33
Глава 1. Характеристики антенн
17
Диаграмма направленности антенны
Определение.
Диаграмма направленности приемной антенны — это график, который характеризует зависимость ЭДС, наведенной в антенне электромагнитным полем, от ориентации ее в пространстве.
Диаграмма направленности антенны дает графическое представление зависимости коэффициента усиления антенны или коэффициента
направленного действия антенны от направления антенны в заданной
плоскости.
Строится диаграмма направленности в полярной (сферической) или в
прямоугольной системах координат в двух характерных плоскостях (горизонтальной и вертикальной).
При повороте антенны в ту или другую сторону от нулевого направления на диаграмме откладываются величины, соответствующие отношению Е/Еmax. Если возвести в квадрат относительные значения ЭДС,
соответствующие различным направлениям прихода сигнала, то можно
построить диаграмму направленности по мощности.
Определение.
Лепесток, соответствующий максимальному сигналу или нулевому
направлению, называют основным или главным, остальные — боковыми или задними (в зависимости от расположения по отношению к
главному лепестку).
Для удобства сравнения диаграмм направленности разных антенн их
обычно нормируют, для чего максимальную величину ЭДС принимают
за единицу.
Основным параметром диаграммы направленности является угол
раствора (ширина) главного лепестка, в пределах которого ЭДС, наведенная в антенне электромагнитным полем, спадает до уровня 0,707, или
мощность, спадающая до уровня 0,5 от максимальной.
По ширине главного лепестка судят о направленных свойствах антенны. Чем эта ширина меньше, тем больше направленность антенны.
Форма диаграммы направленности зависит от типа и конструкции антенны. Диаграмма направленности полуволнового вибратора в горизонтальной плоскости, напоминает восьмерку, а в вертикальной — круг.
Антенна «волновой канал» в своей диаграмме направленности имеет
ярко выраженный главный лепесток, а с увеличением числа директоров
в антенне главный и боковые лепестки сужаются, при этом улучшаются
направленные свойства антенны.
816_Antenni.indd 17
28.09.2011 14:10:34
18
Антенны. Практическое руководство
Примечание.
Наличие задних и боковых лепестков свидетельствует о том, что
антенна излучает радиоволны не только в области главного лепестка,
но и в других направлениях. Это может создавать помехи другим радиотехническим системам и снижает помехоустойчивость, если антенна
работает на прием. Поэтому при проектировании антенн стремятся
к уменьшению уровней бокового и заднего излучения.
В ряде случаев диаграмма строится в двух взаимно перпендикулярных E и H плоскостях. Полярная диаграмма показывает направление,
в котором концентрируется энергия соответствующей составляющей.
Пример полярной диаграммы направленности E и H плоскостях показан
на рис. 1.3. По радиусу отложено значение амплитуды излучаемого поля,
нормированное к значению амплитуды в главном максимуме.
Такая диаграмма направленности характеризуется следующими параметрами:
ŠŠшириной главного лепестка в Е и Н плоскостях по уровню 3 дБ (в
градусах);
ŠŠмаксимальным уровнем боковых лепестков Абок (дБ);
ŠŠмаксимальным уровнем заднего излучения Азд (дБ).
Примечание.
Диаграмму направленности, например, передающей антенны можно
снимать, поворачивая антенну и измеряя напряженность поля фиксированной точке на частоте передачи. Эти измерения дают диаграмму
направленности в полярных координатах.
В радиолюбительской практике это наиболее сложный вид измерений.
Проводя измерения в ближней зоне необходимо учитывать ряд факторов
влияющих на достоверность измерений.
а
90°
1
120°
б
60°
90°
1
120°
0,8
0,6
150°
30°
0,6
150°
0,4
0,2
180°
60°
0,8
30°
0,4
0°
0
330°
210°
240°
300°
0,2
180°
0°
0
330°
210°
240°
270°
300°
270°
Рис. 1.3. Пример отображения полярной диаграммы направленности антенны:
а — в Е-плоскости; б — в Н-плоскости
816_Antenni.indd 18
28.09.2011 14:10:34
Глава 1. Характеристики антенн
19
Коэффициент направленного действия
Определение.
Коэффициент направленного действия антенны — это число, показывающее, во сколько раз мощность, поступающая на вход приемника
при приеме на направленную антенну, больше мощности, которую
можно получить при приеме на ненаправленную антенну (при той же
напряженности поля).
Свойства направленности антенны характеризуются диаграммой направленности, рассмотренной выше.
Коэффициент усиления антенны
Одной из важнейших характеристик антенн является коэффициент
усиления. Часто название этого параметра приводит к ошибочному предположению, что антенны способны усиливать сигнал.
На самом деле это не так — если мощность передатчика, к примеру,
составляет 70 мВт, то какую бы антенну мы ни поставили, мощность
передаваемого сигнала будет такой же. Дело в том, что все антенны подобного рода представляют собой пассивные устройства и брать энергию
для усиления передаваемого сигнала им попросту неоткуда. Но что же
тогда означает коэффициент усиления?
Определение.
Коэффициент усиления антенны — отношение мощности на входе
эталонной антенны к мощности, подводимой ко входу рассматриваемой антенны, при условии, что обе антенны создают в данном
направлении на одинаковом расстоянии равные значения напряженности поля или такой же плотности потока мощности.
Коэффициент усиления антенны показывает, во сколько раз необходимо увеличить мощность на входе антенны (выходную мощность передатчика) при замене данной антенны идеальной ненаправленной антенной, чтобы значение плотности потока мощности излучаемого антенной
электромагнитного поля в точке наблюдения не изменилось. При этом
предполагается, что коэффициент полезного действия (КПД) ненаправленной антенны равен единице.
Коэффициент усиления антенны является безразмерной величиной, может выражаться в децибелах (дБ, дБи, дБд). Для обозначения Коэффициент
усиления антенны используют латинскую букву G (от англ. Gain).
Децибелы используются не только для сравнения величин, но и для
выражения абсолютных значений. Для этого в качестве величины, с которой производится сравнение, принимается некоторое эталонное значе-
816_Antenni.indd 19
28.09.2011 14:10:34
20
Антенны. Практическое руководство
ние. Например, чтобы выразить абсолютное значение мощности сигнала
в децибелах, за эталон принимается:
ŠŠмощность в 1 мВт;
ŠŠуровень мощности сравнивается в децибелах с мощностью в 1 мВт.
Данная единица измерения получила название децибел на милливатт
(дБм) и показывает, на сколько децибел мощность измеряемого сигнала
больше мощности в 1 мВт.
Обычно оперируют значением КУ G0 в направлении максимума излучения антенны. При этом коэффициент усиления антенны становится
мерой эффективности антенны как способности антенны концентрировать энергию электромагнитного излучения в узком луче с учетом потерь
энергии в элементах конструкции антенны и объектах, расположенных в
ближней зоне антенны.
Таким образом, коэффициент усиления антенны однозначно связан с
коэффициентом направленного действия (КНД) D и КПД η антенны:
G = D×η.
Примечание.
При определении КПД потери на отражение из-за рассогласования
входного импеданса антенны с импедансом источника возбуждения не
учитываются.
Значение коэффициента усиления антенны в направлении максимума
излучения может составлять от нуля до миллионов. Коэффи­циент усиления антенны меньше единицы характерен для антенн с низким КПД:
ŠŠэлектрически малых антенн (укороченные, малогабаритные антенны);
ŠŠантенн с искусственно введенными поглощающими элементами
(антенны для работы в широкой полосе радиочастот);
ŠŠантенны, располагающиеся на предельно малой высоте от грунта.
Для реальных антенн простой конструкции, таких как симметричный вибратор, значение КУ практически совпадает со значением КНД,
поскольку КПД таких антенн близок к 100%. Однако в ряде случаев (антенна расположена вблизи земли, содержит в конструкции поглощающие
материалы, антенна сложной конструкции, антенна с управляемым положением максимума ДН) КПД может опускаться до значений 30—50%
и даже ниже. Поэтому КНД и КУ таких антенн могут значительно отличаться друг от друга.
Малое значение коэффициента усиления антенны не обязательно
означает, что антенна обладает низким значением КНД (то есть обладает
слабо выраженными направленными свойствами). И, наоборот, антенна
с высоким КНД может «плохо излучать» радиоволны.
816_Antenni.indd 20
28.09.2011 14:10:34
Глава 1. Характеристики антенн
Пример.
Приемная антенна
Бевереджа (рис. 1.4),
обладающая типичными значениями:
ŠŠ КУ −30 дБи;
ŠŠ КНД +15 дБи.
21
Д .Н . в вертикальной плоскости
~
~
Д .Н . в вертикальной плоскости
h = 1...5 м
RH
RH
h = 1...5 м
L= c l
L= c l
Классическая приемная
антенна Бевереджа представляет собой провод, длиД .Н . в горизонтальной плоскости
RH
на которого в несколько раз
Д .Н . в горизонтальной плоскости
RH
больше длины волны, на которой работает антенна. Он
нагружен на сопротивление,
Рис. 1.4. Диаграмма направленности
равное ее волновому сопроантенны Бевереджа
тивлению.
Высота подвеса этой антенны составляет от 1 до 5 м в зависимости от
диапазона частот, в котором она используется.
Диаграмма направленности антенны Бевереджа представляет собой
узкий луч в горизонтальной и вертикальной плоскостях, направленный
в сторону нагрузки (рис. 1.4).
Примечание.
При значительном превышении длины полотна антенны над длиной
волны происходит дробление диаграммы направленности на лепестки.
Чем меньше задний лепесток диаграмма направленности, тем лучше
согласована антенна с нагрузкой.
В табл. 1.1 приведены ориентировочные значения коэффициента усиления и входного сопротивления некоторых антенн.
Ориентировочные значения коэффициента усиления
и входного сопротивления некоторых антенн
Типы антенны
Таблица 1.1
Коэф. усиления
Входное
сопротивление, Ом
Линейный полуволновой вибратор
1
73
Петлевой вибратор с симметрирующей петлей
1
292
Трехэлементная (рефлектор на 5 % длиннее, а директор на
4 % короче вибратора; расстояние между вибратором и
рефлектором 015 λ, а между вибратором и директором 0,1 λ),
при использовании петлевого вибратора в качестве активного
6
40
Пятиэлементная (рефлектор на расстоянии 015 λ, директор
на расстоянии 0,1 λ), при использовании петлевого вибратора
в качестве активного
9
32
816_Antenni.indd 21
28.09.2011 14:10:34
22
Антенны. Практическое руководство
Таблица 1.1 (продолжение)
Типы антенны
Коэф. усиления
Входное
сопротивление, Ом
Семиэлементная (рефлектор на расстоянии 015 λ, директор
на расстоянии 0,1 λ), при использовании петлевого вибратора
в качестве активного
12
32
Зигзагообразная одинарная без экрана
3—6
75
Зигзагообразная одинарная с экраном
6—12
75
Коэффициент полезного действия антенны
Определение.
Коэффициент полезного действия антенны — это параметр, который характеризует потери мощности в антенне и представляет
собой отношение мощности излучения к сумме мощностей излучения
и потерь, т. е. к полной мощности, которая подводится к антенне
радиопередающей станции от передатчика.
Коэффициент полезного действия антенны определяется по формуле:
ŋ = Ри/(Ри + Рп),
где Ри — мощность излучения, Рп — мощность потерь,
Чем меньше сопротивление излучения Rи и чем больше сопротивление потерь Rп, тем ниже КПД.
Мощность, теряемая в антенне, состоит из потерь в земле, проводах
антенны, изоляторах, применяемых для подвески полотна антенны, в канатах, поддерживающих антенну. Основные потери энергии — потери в
земле.
Примечание.
В силу принципа обратимости антенн коэффициент полезного действия приемной антенны оценивается тем КПД, который она будет
иметь при использовании ее в качестве передающей.
Так как мощность принимаемых радиоволн очень мала, то КПД приемной антенны может быть невысоким, но не менее 10—15%.
Шумовая температура антенны
Определение.
Шумовая температура антенны — характеристика мощности
шумов антенны по приему.
Источником этих шумов является не сама антенна, а шумящие объекты на Земле и в космосе. Космическая составляющая шума зависит
816_Antenni.indd 22
28.09.2011 14:10:34
Глава 1. Характеристики антенн
23
от диаметра антенны: чем больше диаметр и усиление, тем уже основной
лепесток диаграммы направленности, соответственно, меньше посторонних космических шумов антенна усиливает вместе с полезным сигналом.
Земная составляющая шума антенны зависит от угла места — чем
ниже «смотрит» антенна, тем больше она принимает индустриальных
помех и шумов от источников на поверхности Земли. Поэтому шумовая температура — не постоянная величина, а функция от угла места.
Как правило, она указывается в спецификации для одного или нескольких значений угла места. Типичная шумовая температура параболической антенны диаметром 90 см в Ku-диапазоне для угла места 30° —
25...30 град. К.
Пример.
Если антенна имеет входное сопротивление 50 Ом и шумовую температуру 150 К, то это значит, что она генерирует такой же шум, как
резистор 50 Ом, охлажденный до 150 К.
По законам физики шумовая температура антенны равна шумовой
температуре объекта, на который антенна направлена (для т. н. абсолютно черного тела она просто равна температуре этого объекта).
Для точного подсчета шумовой температуры антенны надо считать
интеграл. Т. е. разбивать диаграмму направленности антенны на кучу
элементарных иголок, умножать каждую иголку на усиление антенны в
данном направлении и на соответствующую температуру и суммировать
обратно.
Скажем, если иголка смотрит на землю, то это 270 К, если на небо, то
150—200 К, если на Солнце, то несколько тысяч кельвинов.
Если объект имеет размеры больше, чем диаграмма направленности
антенны (скажем равномерно шумящее небо), то шумовая температура
антенны равна шумовой температуре неба.
Вывод.
Шумовая температура от усиления антенны не зависит. Физически
это означает, что при увеличении усиления антенны мы одновременно уменьшаем площадь неба, с которого этот шум собираем.
В реальной жизни есть еще боковые и задние лепестки, которые собирают шум и помехи от земли. Уровень помех, как правило, превышает
тепловой шум земли.
И, наконец, присутствуют потери в антенне и соединительных кабелях. Они тоже шумят, т. к. нагреты до окружающей температуры.
816_Antenni.indd 23
28.09.2011 14:10:34
24
Антенны. Практическое руководство
Сводная таблица параметров антенн
В табл. 1.2 представлены параметры ряда электрически коротких и
резонансных антенн. Все антенны согласованы без потерь, а параметры
соответствуют ситуациям:
ŠŠантенны 1—7 и 13—16 находятся в свободном пространстве;
ŠŠантенны 8—12 установлены над идеально проводящей плоской
земной поверхностью.
Усиление дано по отношению к изотропному излучателю в свободном
пространстве и соответствует коэффициенту направленности, а относительное усиление — по отношению к полуволновому вибратору без потерь в свободном пространстве.
Сопротивление излучения электрически коротких антенн приведено к точкам ввода фидера, а резонансных антенн — к точкам пучности
тока. В случае нескольких пучностей суммарное сопротивление излучения равно сумме сопротивлений при отдельных пучностях, если они не
превышают 73,2 Ом. Это значение применимо только к одиночному проводнику в свободном пространстве.
Параметры антенн
Тип антенны
Таблица 1.2
Распределение тока
Коэффициент
направленности
Коэффициент
усиления
Сопротивление
излучения RS,
Ом
Gi
gi, дБ
Gd
gd, дБ
1
0
0,61
–2,15
–
Электрически короткий
вибратор (1≤λ/5)
1,5
1,76
0,92
–0,39
197 (1/λ)2
Вибратор Герца
(электрически короткий
вибратор с емкостями на
концах)
1,5
1,76
0,92
–0,39
790 (1/λ)2
Полуволновой вибратор
1,65
2,15
1
0
73,2
Волновой вибратор
2,41
3,82
1,47
1,67
199,2
Удлиненный «сдвоенный
цеппелин» (1,28≈5/4λ)
3,3
5,18
2
3
98
Турникетная антенна
0,82
–0,86
0,5
–3
326,6
Электрически короткая
вертикальная антенна
(h≤λ/10)
3
4,77
1,83
2,62
395 (h/λ)2
Электрически короткая
вертикальная антенна
с концевой емкостью
3
4,77
1,83
2,62
1579 (h/λ)2
Изотропная антенна
816_Antenni.indd 24
28.09.2011 14:10:35
Глава 1. Характеристики антенн
25
Таблица 1.2 (продолжение)
Тип антенны
Распределение тока
Коэффициент
направленности
Коэффициент
усиления
Сопротивление
излучения RS,
Ом
Gi
gi, дБ
Gd
gd, дБ
Четвертьволновая
вертикальная антенна
3,28
5,16
2
3
36,6
Полуволновая
вертикальная антенна
4,28
6,83
2,94
4,68
99,6
Вертикальная антенна
0,64λ≈5/4λ
6,6
8,19
4
6
49
Малая рамочная антенна
(площадь А, периметр <<λ)
1,5
1,76
0,92
–0,39
1579 (А/λ 2)2
Кольцо (окружность 1λ)
2,23
3,49
1,36
1,34
133
Квадратный элемент с
периметром 1λ
2,06
3,14
1,25
0,99
117
Delta Loop
(равносторонний
треугольник, периметр 1λ)
1,91
2,82
1,17
0,67
106
В число сходных типов антенн, не указанных в табл. 1.2, входят:
ŠŠпетлевой вибратор: значения параметров аналогичны характери-
стикам полуволнового вибратора; у одиночной петли с постоянным сечением проводника сопротивление излучения вчетверо выше, чем у полуволнового вибратора;
ŠŠполуволновая щелевая антенна с двусторонним излучением: параметры аналогичны характеристикам полуволнового вибратора, сопротивление излучения в семь раз выше, чем у вибратора, поляризация обращена, так что горизонтальная щель дает вертикальную
поляризацию.
Сделаем краткие выводы.
Вывод 1 — коэффициент направленности и усиление характеризуют
направленность антенны. Излучаемая мощность растет в преимущественном направлении за счет ее падения в остальных.
Вывод 2 — для повышения усиления необходимо уменьшить ширину главного лепестка и одновременно увеличить действующую поверхность:
ŠŠдвукратное снижение ширины диаграммы в рассматриваемой плоскости приблизительно удваивает усиление благодаря возрастанию
действующей поверхности в два раза;
816_Antenni.indd 25
28.09.2011 14:10:35
26
Антенны. Практическое руководство
ŠŠприменение отражателей и директоров или группирование антенн
позволяет повысить усиление за счет увеличения их габаритов;
Вывод 3 — при оптимальных размерах антенны ее усиление и коэффициент направленности подчиняются некоторым физическим соотношениям, связанным с механическими габаритами:
ŠŠпреимущественно продольное построение антенны обеспечивает определенное усиление при относительно малых поперечных размерах;
ŠŠв случае большого поперечного размера уменьшается габаритная
длина антенны.
ŠŠпассивная миниатюрная антенна никогда не будет обладать одновременно и хорошей направленностью, и высоким усилением.
1.2. Основные диапазоны частот
Радиочастотный спектр
Радиочастоты — частоты или полосы частот в диапазоне 3 кГц —
3000 ГГц, которым присвоены условные наименования. Этот диапазон
соответствует частоте переменного тока электрических сигналов для генерирования и обнаружения радиоволн.
Так как большая часть диапазона лежит за границами волн, которые
могут быть получены при механической вибрации, радиочастоты обычно относятся к электромагнитным колебаниям.
Закон РФ «О связи» устанавливает следующие понятия, относящиеся
к радиочастотам:
ŠŠрадиочастота — частота электромагнитных колебаний, устанавливаемая для обозначения единичной составляющей радиочастотного спектра;
ŠŠрадиочастотный спектр — совокупность радиочастот в установленных Международным союзом электросвязи пределах, которые
могут быть использованы для функционирования радиоэлектронных средств или высокочастотных устройств.
ГОСТ 24375-80 дает обобщенную разбивку радиочастотного диапазона, основанную на международных стандартах.
Очень высокие частоты, ультракороткие волны
Ультракороткими называются радиоволны короче 10 м (частота выше
30 МГц). Со стороны более низких частот диапазон УКВ примыкает к коротким волнам, а со стороны высоких частот граничит с длинными инфракрасными лучами.
816_Antenni.indd 26
28.09.2011 14:10:35
Глава 1. Характеристики антенн
27
Примечание.
Граница УКВ определена тем, что на этих волнах, как правило, не может
быть удовлетворено условие отражения радиоволн от ионосферы.
Диапазон УКВ можно разбить на четыре поддиапазона:
ŠŠметровый (очень высокие частоты) — от 10 до 1 м (30—300 МГц);
ŠŠдециметровый (ультравысокие частоты) — от 1 до 10 см (300—
3000 МГц);
ŠŠсантиметровый (сверхвысокие частоты) — от 10 до 1 см (3000—
30 000 МГц);
ŠŠмиллиметровый (крайне высокие частоты) — короче 1 см (выше
30 000 МГц).
ŠŠсубмиллиметровый (гипервысокие частоты) — короче 1 мм (300—
3000 ГГц).
Каждый из поддиапазонов находит применение в технике. Так,
диапазон метровых волн используется в телевидении и частотномодулированном вещании, а в последнее время — для осуществления
радиосвязи на дальние расстояния.
Диапазоны дециметровых и сантиметровых волн используются в телевидении, радиолокации и многоканальной связи.
Каждый из поддиапазонов имеет свои особенности распространения,
но основные положения свойственны всему диапазону УКВ.
На УКВ, как правило, применяют направленные антенны, поднятые
над поверхностью Земли на значительную высоту в масштабе длины волны. Поверхность Земли нельзя считать ровной, имеет место рассеяние
радиоволн при отражении. Сантиметровые волны испытывают поглощение в тропосфере.
Высокие частоты, короткие волны
Высокие частоты (3—30 МГц) соответствует коротким волнам.
Короткие волны — диапазон радиоволн с частотой от 3 МГц (длина волны 100 м) до 30 МГц (длина волны 10 м). Второе название: «декаметровый диапазон волн».
Короткие волны отражаются от ионосферы с малыми потерями. Поэтому
путем многократных отражений от ионосферы и поверхности Земли, они
могут распространяться на большие расстояния. Короткие волны используются для радиовещания, а также для любительской и профессиональной
радиосвязи. Качество приема при этом зависит от различных процессов в
ионосфере, связанных с уровнем солнечной активности, временем года и
временем суток. Так, днем лучше распространяются волны меньшей длины,
а ночью — большей. Для связи между наземными станциями и космическими аппаратами они непригодны, так как не проходят сквозь ионосферу.
816_Antenni.indd 27
28.09.2011 14:10:36
28
Антенны. Практическое руководство
На коротких волнах наблюдаются замирания — изменение уровня
принимаемого сигнала, они проявляются как кратковременное снижение амплитуды несущей частоты или вовсе пропадание последней.
Замирания возникают из-за того, что радиоволны от передатчика идут к
приемнику разными путями, в разной фазе и, интерферируя на антенне
приемника, могут ослаблять друг друга.
Радиовещание на КВ ведется в дневных и ночных диапазонах на участках с такими длинами волн:
ŠŠдневные поддиапазоны (11 метров, 13 метров, 16 метров, 19 метров, 25 метров);
ŠŠночные поддиапазоны (31 метра, 41 метра, 49 метров, 52 метров,
65 метров, 75 метров).
Средние частоты, средние волны
Средние волны — диапазон радиоволн с частотой от 300 кГц (длина
волны 1000 м) до 3 МГц (длина волны 100 м). Т. е. они соответствуют
средним частотам (300—3000 кГц).
Средние волны (наряду с короткими) — наиболее используемый диапазон для радиовещания (526,5—1606,5 кГц) с амплитудной модуляцией.
Сетка частот вещательных станций в Европе составляет 9 кГц, в Северной
и Южной Америке — преимущественно 10 кГц, большинство радиостанций по-прежнему используют модуляцию с двумя боковыми полосами и
неподавленной несущей (тип A3E). Диапазон 160 м (1,8 МГц) выделен для
любительской радиосвязи.
Средние волны способны распространяться на довольно большие
расстояния благодаря огибанию земной поверхности, а также (пре­
имущественно в ночное время) отражаясь от ионосферы.
Примечание.
Частоты 455, 465 и 500 кГц являются специальными — они используются в качестве промежуточных в большинстве супергетеродинных
приемников длинных, средних и коротких волн.
Низкие частоты, длинные волны
Длинным волнам соответствуют низкие частоты (30—300 кГц). Т. е.
это диапазон радиоволн с частотой от 30 кГц (длина волны 10 км) до
300 кГц (длина волны 1 км).
Длинные волны распространяются на расстояния до 1—2 тысяч км за
счет дифракции на сферической поверхности Земли.
816_Antenni.indd 28
28.09.2011 14:10:36
Глава 1. Характеристики антенн
29
Дифракция электромагнитных волн (лат. diffractus — буквально разломанный, переломанный) — явление, которое можно рассматривать как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн.
Дифракционные эффекты зависят от соотношения между длиной
электромагнитной волны и характерным размером неоднородностей
среды либо неоднородностей структуры самой волны. Наиболее сильно
они проявляются при размерах неоднородностей сравнимых с длиной
волны.
При размерах неоднородностей, существенно превышающих длину
волны (на 3-4 порядка и более), явлением дифракции, как правило, можно пренебречь. В последнем случае распространение волн с высокой степенью точности описывается законами геометрической оптики.
С другой стороны, если размер неоднородностей среды много меньше
длины волны, то в таком случае вместо дифракции часто говорят о явлении рассеяния волн.
Распространение длинных волн может происходить за счет направляющего действия сферического волновода, не отражаясь. Длинные волны
способны обогнуть Земной шар.
Диапазон используется для радиовещания (148,5—283,5 кГц; ранее
вещательный ДВ-диапазон был 148,5—408 кГц), для радиотелеграфной
связи, радионавигационных служб и для связи с подводными лодками
(9—148,5 кГц).
Участок 135,7—137,8 кГц используется для любительской радиосвязи.
Сверхдлинные волны
Сверхдлинные волны — радиоволны с длиной волны свыше 10 км.
Они легко огибают Землю, слабо поглощаются земной поверхностью, хорошо отражаются от ионосферы. Они используются для связи с подводными лодками, в геофизические исследованиях и др.
Классификация по международному регламенту радиосвязи:
ŠŠ10 км — 100 км (3—30 кГц) — Очень низкие (ОНЧ, VLF), мириаметровые.
ŠŠ100 км — 1000 км (300—3000 Гц) — Инфранизкие (ИНЧ, ULF), гектокилометровые
ŠŠ1000 км — 10 000 км (30—300 Гц) — Сверхнизкие (СНЧ, SLF).
ŠŠ10 000 км — 100 000 км (3—30 Гц) — Крайне низкие (КНЧ, ELF),
декамегаметровые.
Примечание.
В соответствии с принципом роста длины волны будут рассмотрены
антенны в данной книге.
816_Antenni.indd 29
28.09.2011 14:10:36
30
Антенны. Практическое руководство
1.3. Основные типы элементарных антенн
Краткая история возникновения антенн
История антенн насчитывает не многим более ста лет. В 1877 г. немецкий физик Г. Герц в Карлсруэ поставил классические опыты для проверки теории распространения радиоволн, предложенной английским
физиком Дж. Максвеллом. Передающей антенной в его опытах служил
прямой провод с емкостной нагрузкой на конце (кондуктор), а приемной — квадратная проволочная петля.
Предшественниками этих антенн были проволочная антенна Б.
Франклина, использованная им в 1752 г. для доказательства электрической природы молний, и спроектированная Т. А. Эдисоном заземленная
вертикальная антенна, запатентованная в 1885 г. для системы передачи
сообщений.
А кто создал первый в мире аппарат для практического излучения
в эфир сообщений? Русский ученый Александр Степанович Попов в
1895 году впервые в мире сделал доклад для научно-технической общественности об изобретенном им методе использования излученных электромагнитных волн для беспроводной передачи электрических сигналов,
содержащих полезную информацию для получателя, и продемонстрировал такую передачу в действии, получая в приемнике эту информацию.
В марте следующего года он продемонстрировал уже прибор для передачи сигналов, передав на расстояние 250 м радиограмму их двух слов
«Генрих Герц».
Термин «антенна» заимствован из зоологии, где латинским словом
«antennae» называют длинные тонкие усики насекомых. Сначала у антенн
были и другие названия: линейный осциллятор, воздушный проводник,
проволочный датчик или возбудитель.
Классификация антенн и элементы излучателей
Антенны можно подразделять на группы по разным признакам:
ŠŠпо форме — на электрические или магнитные;
ŠŠпо виду поляризации — на антенны горизонтальной, вертикаль-
ной или круговой поляризации;
ŠŠпо ширине частотного диапазона — на узкополосные и широкополосные;
ŠŠпо частотным свойствам — на резонансные и апериодические;
ŠŠпо направлению излучения — на направленные и ненаправленные.
ŠŠпо способу возбуждения и усиления — на простые излучатели
(рис. 1.5), групповые излучатели, излучающие структуры, апертурные излучатели.
816_Antenni.indd 30
28.09.2011 14:10:36
Глава 1. Характеристики антенн
Такая классификация не всегда оказывается однозначной. Между отдельными категориями нередко наблюдаются пересечения.
Излучатели состоят из отдельных
элементов. К их числу относят простейшие излучатели, а также антенны:
линейные, фигурные, рамочные, щелевые, активные.
31
а
б
в
г
д
е
ж
з
и
Простейшие излучатели
к
л
м
Сферический излучатель, называемый также изотропной антенной.
Представляет собой антенну без потерь, равномерно излучающую во все
н
о
п
стороны или принимающую со всех
Рис. 1.5. Простые излучатели:
направлений. Диаграммой направлена — вибратор Герца; б — вибратор; в —
ности антенны является сфера. Такая
конический вибратор; г — дисконусная
антенна; д — монополь; е — коническая
антенна неосуществима, но используантенна; ж — однопроводная антенна
ется как теоретический эталон.
бегущей волны (антенна Бевереджа);
з — уголковый вибратор; и — антенна
Диполь Герца. Излучатель носит имя немецкого физика Г. Р. Герца «взмах крыла»; к — чашечный излучатель;
л — петлевая антенна; м — петлевой
(1857—1894); его называют также элевибратор; н — квадратная рамочная
антенна; о — щелевая антенна; п —
ментарным электрическим излучатетрубчато-щелевая антенна
лем или элементарным электрическим
вибратором. Для реализации диполя используется вибратор с концевыми емкостями, укороченный относительно длины волны излучения. По
сравнению с изотропным излучателем он обладает направленностью,
перпендикулярной оси вибратора. Диаграмма направленности имеет вид
двух окружностей с нулевыми значениями в направлениях оси диполя;
Диполь Фитцджеральда. Назван в честь ирландского физика Ф. Дж.
Фитцджеральда и также известен как элементарный магнитный излучатель или элементарный магнитный вибратор. Реализуется в виде токовой рамки, размер которой меньше длины волны. В отличие от изотропного излучателя характеризуется направленностью, соответствующей
плоскости рамки. Диаграмма направленности состоит из двух окружностей с двумя нулевыми значениями в направлениях, перпендикулярных
плоскости рамки.
Излучатель Гюйгенса. Носит имя нидерландского физика Х. Гюйгенса.
Представляет собой сочетание небольшой рамки (магнитная часть) и короткого вибратора в ее плоскости (электрическая часть). Такое устрой-
816_Antenni.indd 31
28.09.2011 14:10:36
32
Антенны. Практическое руководство
ство применяется для определения направления при радиопеленгации.
Диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях выглядят как кардиоиды и имеют одну нулевую точку.
Линейные антенны
К линейным антеннам относятся открытые (электрические) антенны
с прямолинейными элементами.
Диполь или вибратор. Простейшей антенной с симметричным питанием является двухполюсник (диполь) с синусоидальным распределением тока. Полуволновый вибратор характеризуется длиной λ/2 (старое название — дуплет). Длина волнового вибратора равна λ (двойной
«Цеппелин»). Антенну длиной 1,28 λ называют удлиненным двойным
«Цеппелином».
Широкополосный вибратор представляет собой диполь в виде конуса (конический вибратор, двойной конический вибратор) или плоскостной диполь (веерный вибратор, плоский вибратор). К несимметричным
(преимущественно вертикальным) вибраторам относятся коаксиальный
вибратор, конусно-цилиндрическая и дисконусная антенны.
Монополь. Другие названия — униполь, полудиполь, антенна
Маркони. К простейшим типам антенн с несимметричным питанием
принадлежит однополюсник (монополь) или полудиполь с синусоидальным распределением тока над проводящей поверхностью (землей). Длина
антенн составляет λ/4.
Подобные антенны принадлежат к типу Groundplane, если проводящая
поверхность заменена противовесом. Используются также вертикальные
антенны длиной λ/2 и 5λ/8. К широкополосным монополям относятся
конические и плоские веерные антенны.
Длинный провод. Длина этих проволочных антенн больше рабочей
длины волны. Они бывают симметричными или асимметричными, питаются стоячими или бегущими волнами, могут быть резонансными или
апериодическими. Примерами служат змейковая и аэростатная антенны,
антенна Бевереджа, TFD, T2FD.
Фигурные антенны
Фигурные антенны — это открытые (электрические) антенны с фигурными элементами.
Вырожденный вибратор. Такие антенны служат для обеспечения
широкополосности (в частности, цилиндрический вибратор) или для
получения круговой диаграммы направленности, например, уголковый
вибратор Squalo.
816_Antenni.indd 32
28.09.2011 14:10:36
Глава 1. Характеристики антенн
33
Вырожденный монополь. Служит для обеспечения широкополосности, скажем в двойной конической или цилиндрической антеннах.
Изогнутый вибратор. Обеспечивает широкополосность, в частности,
в чашечном вибраторе. Используется для оптимизации усиления в качестве полуторного диполя по Ландсторферу — антенна «взмах крыла».
Изогнутый монополь. Придает широкополосность, к примеру, чашечному излучателю.
Рамочные антенны
Рамочными называются замкнутые антенны с элементами в виде рамок:
ŠŠмалая рамка. Устаревшее название — магнитная антенна. Ее периметр мал по сравнению с длиной волны и составляет приблизительно 1/10 λ. Пример антенны этого типа — обмотка катушки или
ферритовая стержневая антенна;
ŠŠбольшая рамка. Периметр большой рамки составляет примерно
1λ; к таким антеннам относятся петлевой вибратор, дисковая и
квадратная антенны.
Щелевые антенны
Щелевые антенны — это замкнутые антенны со щелевыми элементами на проводящей поверхности. Длина щелей составляет от λ/2 до λ,
а сами они бывают линейными (щели на плоскости или цилиндре) или
крестообразными (например, на дисковой щелевой антенне).
Активные антенны
Активная антенна представляет собой пассивный элемент (вибратор
или монополь) со встроенной «активной частью» (усилителем). В результате получается малогабаритная чувствительная и широкополосная
антенная система, однако линейность ее ограничена, и не соблюдается
принцип взаимности. Пример: активные приемные антенны.
1.4. Групповые излучатели
Что такое групповые излучатели
Излучатель образуется группой отдельных излучающих устройств
(рис. 1.6). Свойства излучения определяются расположением излучате-
816_Antenni.indd 33
28.09.2011 14:10:36
34
Антенны. Практическое руководство
а
б
в
г
д
е
з
ж
и
к
Рис. 1.6. Групповые излучатели-антенны:
лей и особенностями их питания по фазе и амплитуде.
Благодаря управлению фазой
достигается электронное сканирование пространства главным лучом (группа с фазовым
управлением). Количество отдельных излучателей может
быть произвольным, что позволяет получать практически
любое распределение излучения в пространстве.
Эта категория антенн подразделяется на следующие
группы: линейные; плоскостные; пространственные; матричные.
а — Франклина; б — Брюса; в — Стербы;
г — Ширэ-Мезни; д — Уда-Яги («волновой канал»);
е — HB9CV; ж — полотно вибраторов; з — V-образная;
и — ромбическая; к — квадрантная
Линейные группы
Отдельные излучатели группы выстроены в линию (одномерное построение). Этот тип включает в себя излучатели:
ŠŠпараллельные — синфазно возбуждаемая комбинация последовательности отдельных элементов (в частности, вибраторов), излучающая по нормали к плоскости, в которой они лежат. Примеры:
антенны Франклина, Брюса, Ширэ-Мезни;
ŠŠпродольные — последовательность отдельных элементов (в частности, вибраторов), возбуждаемых в противофазе и излучающих
в общем направлении. Примеры: «волновой канал», скрещенный
«волновой канал», реечная антенна, специальная ZL, HB9CV.
Плоскостные группы
Отдельные излучатели располагаются в одной плоскости (двухмерное
распределение), как правило, перед отражателем. Группа может состоять из
нескольких подгрупп (2×2, 4×4 и т. д.). Сюда входят такие разновидности.
Полотна. Для работы в коротковолновом диапазоне строятся антенные полотна из волновых или полуволновых вибраторов.
816_Antenni.indd 34
28.09.2011 14:10:36
Глава 1. Характеристики антенн
35
Решетки. Применяются в УКВ и телевизионном вещании. Состоят из
волновых или полуволновых вибраторов, например, в виде четырех- или
восьмизначных матриц.
Плоскостные антенны. Используются в микроволновом диапазоне в
качестве спутниковых. Одиночными излучателями служат вибраторы,
плоскостные (прямоугольные или скрещенные излучатели) либо щелевые антенны.
Суммирующие излучатели. Одиночные излучатели в виде вибраторов
или длиннопроволочных антенн размещаются в одной и той же плоскости в различных конфигурациях. Общее излучение является суммой составляющих излучений. Примеры: турникетная, V-образная и ромбическая антенны.
Пространственные группы
Характеризуются трехмерным размещением одиночных излучателей.
Кольцевые излучатели. Одиночные излучатели этой группы размещаются по окружности или образуют правильный многоугольник.
Всенаправленные излучатели. Благодаря синфазному питанию одиночных излучателей удается достичь равномерного или почти равномерного распространения излучения по всем направлениям. Примеры:
квадрантная антенна, дипольная рамка, четырехугольная рамка, антенна
типа «клеверный лист».
Направленные излучатели. При правильном выборе фаз одиночных
излучателей кольцевой вибратор способен действовать как направленная
антенна. Пример: кольцевая антенная решетка.
Конформные группы. Одиночные излучатели размещаются на поверхности сферы, цилиндра или конуса.
Группы с сетевым питанием
Используются две системы питания: матричная и адаптивная.
Матричная. При возбуждении на одной и той же частоте система позволяет одновременно формировать множество независимых одна от
другой диаграмм направленности. Связь входов и выходов обеспечивает
матричная решетка благодаря фазовращателям и направленным ответвителям. Пример: матрица Батлера.
Адаптивная. Положения главного луча и нулевых точек диаграммы
направленности групповой антенны достигаются заданием требуемых
фаз и амплитуд. Пример: адаптивная антенная система.
816_Antenni.indd 35
28.09.2011 14:10:36
36
Антенны. Практическое руководство
1.5. Строение и разновидности излучателей
Плоские структуры
Прямолинейные структуры. Отдельные элементы таких излучателей
располагаются вдоль прямой линии. Пример: логопериодическая (LP) вибраторная или монопольная антенна;
Согнутые структуры. Пример: логопериодическая V-образная антенна.
Складчатые структуры. Пример: антенны в форме меандра или зигзага.
Структуры с изгибами. Пример: логопериодическая вибраторная антенна с контуром оптимизации усиления.
Закрученные структуры (область спиральных антенн). Пример: архимедовы спирали, логарифмические спирали, спирально-щелевые антенны.
Плоскостные структуры. Пример: логопериодическая планарная антенна.
Пространственные структуры
Структуры с изломом. Две логопериодические антенны, соприкасающиеся передними концами.
Цилиндрические спиральные антенны. В зависимости от габаритов
спирали различают два режима излучения:
ŠŠнормальный. Называется также режимом всенаправленного, или
радиального, излучения. Если размер спирали мал по сравнению с
длиной волны, то излучение структуры распространяется перпендикулярно оси спирали. Пример: витая антенна радиомикрофона;
ŠŠаксиальный. Если размер спирали приближается к длине волны,
то структура излучает вдоль оси спирали, причем, строго на оси —
с круговой поляризацией, а вне оси — с эллиптической. Пример:
спиральные антенны метрового и дециметрового диапазонов.
Конические спиральные антенны. В зависимости от габаритов спирали различают два режима излучения:
ŠŠнормальный. Называется также режимом всенаправленного, или
радиального, излучения. Если диаметр спирали мал по сравнению
с длиной волны, то излучение структуры распространяется перпендикулярно оси спирали. Пример: спиральная антенна с переменным диаметром, спиральный вибратор;
ŠŠаксиальный. Структура излучает вдоль оси, если диаметр спирали
близок длине волны. Пример: коническая спиральная антенна.
Строение излучателей-антенн приведено на рис. 1.7.
816_Antenni.indd 36
28.09.2011 14:10:36
Глава 1. Характеристики антенн
а
д
37
б
е
к
в
г
ж
з
и
л
Рис. 1.7. Строение излучателей-антенн:
а — логопериодическая вибраторная; б — логопериодическая V-образная; в — в форме меандра;
г — зигзагообразная; д — логопериодическая вибраторная по Ландсторферу; е — архимедова
спираль; ж — логарифмическая спираль; з — логопериодическая планарная; и — логопериодические,
соприкасающиеся передними концами; к — цилиндрическая спиральная; л — коническая спиральная
Апертурные излучатели
Излучатель образован поверхностью раскрыва (апертурой). Диаграмма
направленности таких антенн зависит от формы, размеров апертуры и
распределения на ней поля излучения. К этой категории относятся также
антенны, излучающие высшие гармоники. Данная категория подразделяется на следующие антенны: зеркальные; рупорные; линзовые; диэлектрические; на рассеянных волнах (рис. 1.8).
Рефлекторные антенны, называемые также зеркальными. Излучение,
падающее на них, отражается без потерь. Зеркала могут быть:
ŠŠплоскими. В данную группу входят, например, плоский отражатель, полотно отражателей, оборачивающее зеркало;
ŠŠсложными. Включают в себя уголковый и прямоугольный отражатели, отражатель Ван Атта (Van Atta).
Рупорные антенны. Энергия, которая поступила в волновод, излучается через его открытый конец. К данному типу относятся:
ŠŠантенна из полого проводника. Открытый полый проводник круглого или квадратного поперечного сечения действует как антенна;
ŠŠрупорный излучатель. Воронкообразное расширение полого проводника повышает его излучательную способность. Примеры: E- и
H-плоскостные секториальные рупоры, пирамидальный и конический рупоры.
816_Antenni.indd 37
28.09.2011 14:10:36
38
Антенны. Практическое руководство
а
б
в
г
з
м
и
д
к
н
р
с
е
ж
л
о
т
п
у
Рис. 1.8. Апертурные излучатели:
а — плоское зеркало; б — уголковый отражатель; в — осесимметричная параболическая антенна;
г — параболический рупор (вырезка параболоида с рупорным облучателем); д — офсетная
параболическая антенна; е — антенна Кассегрена; ж — антенна Грегори; з — E-плоскостной
секториальный рупор; и — H-плоскостной секториальный рупор; к — пирамидальный рупор,
л — конический рупор; м — ускоряющая линза; н — замедляющая линза; о — линза ближнего поля;
п — полистироловая стержневая антенна; р — щелевая антенна коаксиальной линии; с, т —
волноводные щелевые антенны; у — гофрированная антенна
Линзовые антенны. Для преобразования искривленного фазового
фронта применяются линзы следующих типов:
ŠŠускоряющие, то есть увеличивающие фазовую скорость. Пример:
линзы из металлических пластин, из пластин с отверстиями, вогнутые диэлектрические; ступенчатые;
ŠŠзамедляющие, то есть уменьшающие фазовую скорость. Примеры
таких линз:
ŠŠвыпуклые диэлектрические, из металлических полос, обходные;
ŠŠширокоугольные. Фазовая скорость в них зависит от координат
луча в линзе. Пример: линзы Лунеберга;
ŠŠближнего поля. Представляют собой короткие диэлектрические
излучатели с почти одинаковыми продольными и поперечными
размерами.
Диэлектрические антенны. Речь идет о продольном излучателе, действие которого основано на проводимости поверхностных волн, возможны такие варианты:
ŠŠкороткий — то же, что и линза ближнего поля;
ŠŠдлинный стержневой, состоящий из конических или цилиндрических стержней (например, полистироловая стержневая антенна);
816_Antenni.indd 38
28.09.2011 14:10:37
Глава 1. Характеристики антенн
39
ŠŠдлинный трубчатый — образован цилиндрической трубкой;
ŠŠдлинный ступенчатый — выполнен из стержней, толщина кото-
рых меняется ступенчато;
ŠŠдлинный пластинчатый — составлен из пластин, толщина которых меняется ступенчато.
Антенны на рассеянных волнах. Излучение распространяющихся волн
выходит сквозь отверстия волновода, расположенные через равные или
периодически меняющиеся промежутки. К таким антеннам относятся:
ŠŠизлучающая коаксиальная линия. Излучение осуществляется посредством периодических щелей или отверстий в оболочке коаксиальной линии;
ŠŠпродольные щели в волноводе. Излучение проходит сквозь длинную прорезь в прямоугольном или круглом волноводе;
ŠŠпоперечные прорези в прямоугольном волноводе. Излучение проникает через ряд поперечных прорезей;
ŠŠантенна поверхностных волн. Излучение уходит из открытого волновода у периодически расположенных металлических углублений
или выступов либо из микрополосковой линии с прорезями. Пример: антенны с гофрами.
816_Antenni.indd 39
28.09.2011 14:10:37
Гл ава 2
Любительские микроволновые антенны
2.1. Коротко о микроволнах
Микроволны занимают область частот выше 1 ГГц, которая подразделяется на диапазоны дециметровых, сантиметровых и миллиметровых
волн. В англоязычной литературе им соответствуют диапазоны UHF, SHF
и EHF.
На эти области приходятся любительские радиодиапазоны от 23 см до
1,2 мм, то есть от 1,240 до 250 ГГц.
Особенности микроволновых антенн заключаются в том, что:
ŠŠони малы по размерам, но велики относительно длины волны;
ŠŠих излучение остро сфокусировано (большой коэффициент направленности и усиление, узкая диаграмма направленности);
ŠŠони образуются не одиночными излучателями, а представляют собой группы, структуры или плоскости.
Антеннами служат:
ŠŠмноговибраторные решетки из отдельных излучателей (директорных антенн, вибраторов);
ŠŠизлучающие структуры (спиральные антенны разной формы);
ŠŠапертурные излучатели в виде излучающих полостей (уголковый
отражатель, параболоидная антенна, рупорная антенна).
2.2. Многовибраторные антенны
Директорная антенна для диапазона 23 см
Четырехэлементная директорная антенна для диапазона 23 см обладает усилением 6 дБ. Она состоит из траверсы диаметром 7 мм и элементов,
выполненных из медного провода диаметром 2,3 мм, которые вставлены
и впаяны в отверстия траверсы (рис. 2.1).
Замечательна простота питания и согласования, достигнутая благодаря симметрирующему трансформатору в виде полосковой линии.
816_Antenni.indd 40
28.09.2011 14:10:37
35
35
91
10
Ж7
10
123
101
50
41
91
Глава 2. Любительские микроволновые антенны
В се элем енты –
м едь Ж 2,3 м м
Рис. 2.1. Четырехэлементная директорная антенна
40-элементная антенная решетка для диапазона 23 см
Решетка из 40 полуволновых вибраторов перед отражающим полотном обеспечивает усиление до 17 дБ. Электрически она подразделяется
на четыре секции по 10 полуволновых элементов в каждой (рис. 2.2).
Каждая секция решетки питается через центральную пару полуволновых элементов посредством симметрирующего трансформатора.
Примечание.
Важно, чтобы все трансформаторы подключались одинаково, например, чтобы центральные жилы коаксиального кабеля соединялись с
правой клеммой вибратора, отмеченной точкой.
C
115
B
115
100
100
D
20
50
600
100
A
20
100
Симметрирование осуществляется при помощи полуволнового трансформатора из тефлонового кабеля с медным экраном (полужесткий кабель)
с коэффициентом 1:4. Четыре разводящих кабеля А, В, С и D имеют элек-
1250
Рис. 2.2. 40-элементная антенная решетка
816_Antenni.indd 41
28.09.2011 14:10:37
42
Антенны. Практическое руководство
S
R DD D D D D
D
D
1234 5 6 7 8
9
10 11
D
D
D
Э лем енты 9...25 с интервалом 90,4 м м
D D D D D D D D D D
1
2
3
4
5
45,2
D
6
45,2
D
7
45,2
Алю м иниевая
траверса
длиной 190 см
и Ж 14,7 м м
8
45,2
90,4
П айка
М 5 или М 6
Траверса
19
114
68,6
24,1 28,5 21,1
D
Траверса
140
D
23 24 25
О траж атель из алю м иниевой сетки
R
S
D D
D
78,7
D
Э лем ент 1(R) окруж ностью
245,6 м м , элем енты 3...24
окруж ностью 209,6 м м
из алю м иния
Э лем ент 2(S) окруж ностью
234,4 м м из м едной
полосы 4,8 х 0,9 м м
Рис. 2.3. Конструкция рамочно-директорной антенны
трическую длину по 2,5λ, строго кратную длине половины волны. Четыре
линии ведут к сдвоенному трансформирующему звену, где суммарное волновое сопротивление приводится к величине 50 Ом.
Рамочно-директорная антенна для диапазона 23 см
Рассмотрим рамочно-директорную антенну из 25 элементов с усилением до 20 дБ. Излучатель выполнен из медной полосы, остальные элементы — из алюминия. Все они привинчиваются к траверсе. За рефлектором размещен отражатель из алюминиевой сетки (рис. 2.3).
2.3. Спиральные антенны
Преимущества
Спиральные антенны обладают следующими преимуществами:
ŠŠкруговая поляризация, зависящая от направления витков спирали;
ŠŠхорошая фокусировка излучения в широкой частотной области;
816_Antenni.indd 42
28.09.2011 14:10:37
Глава 2. Любительские микроволновые антенны
43
ŠŠпостоянство сопротивления у основания в широкой частотной об-
ласти;
ŠŠпростая и легкая конструкция с малой парусностью.
Пара спиралей с противоположным направлением витков обеспечивает линейную поляризацию. Две горизонтально расположенные спирали дают вертикальную поляризацию, а две спирали друг над другом —
горизонтальную.
Спиральная антенна для диапазона 23 см
Спиральная антенна для радиолюбительского спутника OSCAR 10 образована 18 витками, формирующие конус с малым углом при вершине
(рис. 2.4). Подпорки из изолятора, следующие через каждые полвитка,
обеспечивают жесткость спирали.
72
18 витков с ш агом 61,27 м м из
провода диам етром 2...3 м м
Ж 57,1
Ж 215
Алю м иниевы й проф иль 15 х 15 м м ,
толщ ина стенки 1,5 м м
Ж 102
14
Рис. 2.4. Схема спиральной антенны
Подпорка выполнена в виде отрезка изоляции коаксиального кабеля
RG-213/U. Материалом спирали служит медный эмалированный провод
диаметром 3 мм. Траверса выполнена из алюминиевого профиля квадратного сечения 15×15 мм. Отражатель изготовлен из листового алюминия в
виде 22-угольника, имитирующего окружность.
Технические характеристики спиральной антенны:
ƒƒ
область частот. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1240—1300 МГц;
ƒƒ
усиление. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15,8 dBi, правокруговая поляризация;
ƒƒ
боковые лепестки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . −20 дБ;
ƒƒ
отношение осей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,6 дБ или 1,07;
ƒƒ
КСВН. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,2;
ƒƒ
общая длина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1117 мм;
ƒƒ
длина спирали. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1103 мм;
ƒƒ
диаметр спирали у ввода питания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 мм;
ƒƒ
диаметр спирали на конце спирали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57,1 мм;
ƒƒ
проволока спирали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ø 3 мм, медь с лаковым покрытием;
ƒƒ
шаг витков. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61,27 мм (ориентировочно);
ƒƒ
диаметр отражателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 мм;
ƒƒ
бортик отражателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 мм;
ƒƒ
траверса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15×15×15 мм, алюминий.
816_Antenni.indd 43
28.09.2011 14:10:37
44
Антенны. Практическое руководство
Ж 30
П ервая подпорка
50
П ровод спирали
L=105
Ж 18 м едь
L=100
Ж 18 м едь
55
П роф иль траверсы
В ход питания
L=100
Ж 18 м едь
L=105
Ж 18 м едь
Д лина распрям ленной
детали
50
М есто пайки
П олоска латуни ш ириной
6 м м и толщ иной 0,5 м м
50 – О м ны й
полуж есткий кабель
диам етром 0,141"
Рис. 2.5. Устройство согласования
Преобразование входного сопротивления спирали до 50 Ом осуществляется с
помощью своеобразного проводника экспоненциальной формы (рис. 2.5).
В илка
байонетного
разъем а
Рис. 2.6. Квадрифилярная
спиральная антенна
Квадрифилярная спиральная антенна
Квадрифилярная спиральная антенна, предложенная еще в 1966 г.,
считается лучшей антенной для спутниковой навигации. Она характеризуется круговой поляризацией и диаграммой направленности в форме
кардиоиды, направленной вверх.
Антенна (рис. 2.6) питается сверху, причем ее плечи действуют как
симметрирующие трансформаторы. Поверхностные токи стекают к
тыльной части и компенсируются в точке короткого замыкания. Для
получения правокруговой поляризации витки спирали укладываются
влево. Устройство антенны показано на. Приведенные здесь размеры
соответствуют настройке антенны на частоту полосы L1 системы GPS
(1575,42 МГц).
2.4. Антенны с отражателем
Антенна с уголковым отражателем
Антенна с уголковым отражателем состоит из вибратора и двух плоских
отражающих поверхностей, образующих определенный угол (рис. 2.7).
816_Antenni.indd 44
28.09.2011 14:10:37
Глава 2. Любительские микроволновые антенны
45
Простота конструкции и усиление
B і 0,6 l
до 10—14 дБ делают такие антенны весьма привлекательными для
xd
»3
L
самостоятельного изготовления.
l /2
В ибратор
Размеры отражателей некритичa
ны, а каждому углу между ними
отвечает оптимальное расстояние
d
между вибратором и вершиной
угла. Входное сопротивление ан- Рис. 2.7. Антенна с уголковым отражателем
тенны также определяется величиной угла.
Необходимые сведения об антенне приведены в табл. 2.1 и табл. 2.2.
Длина вибратора указана с учетом коэффициента укорочения 0,9, так как
на этих частотах толщина вибратора очень велика относительно длины
волны.
Параметры антенн с уголковым отражателем
Угол, град.
Расстояние d оптимальное, λ
Таблица 2.1
45
60
90
0,85
0,68
0,50
Максимальное усиление, dBd
14
12
10
Сопротивление у основания, Ом
150
130
120
Размеры антенн с уголковым отражателем
Любительский диапазон, МГц
Таблица 2.2
1275
1296
2304
400—600
400—600
220—330
Минимальная ширина отражателя В, мм
140
140
80
Расстояние d, мм
200
197
111
Длина отражателя L, мм
Для питания используется полуволновая петля (согласующесимметрирующий трансформатор), вслед за которым включен четвертьволновый трансформатор с соответствующим волновым сопротивлением.
Параболическая антенна
Параболическая антенна предназначена для формирования почти параллельного пучка радиоволн от точечного источника, помещенного в
фокусе параболоида вращения. Обычно размещение облучателя выбирается так, чтобы он находился в вершине угла между лучами, которые
касаются кромки параболического зеркала и по интенсивности на 10 дБ
слабее луча максимальной интенсивности вдоль оси зеркала. Угол, отвечающий интенсивности −3 дБ, находят эмпирически путем деления
максимальной интенсивности на 1,85 (рис. 2.8).
Основными параметрами параболического зеркала являются диаметр
D, фокусное расстояние f и глубина Т. Обычно пользуются зеркалами с
816_Antenni.indd 45
28.09.2011 14:10:38
46
Антенны. Практическое руководство
–10 дБ
П араболическое
зеркало
Угол раскры ва,
соответствую щ ий
интенсивности –3 дБ
–3 дБ
+90°
Д иаграм м а
направленности
излучателя
Т
180°
D
–90°
И злучение
м аксим альной
интенсивности
Угол раскры ва,
соответствую щ ий
интенсивности –10 дБ
–3 дБ
–10 дБ
Л учи интенсивностью –10 дБ соответствую т кром ке зеркала
во избеж ание зам етного ореола (излучения за кром кой зеркала).
И нтенсивность лучей, идущ их м им о зеркала, бы стро
приближ ается к нулю
Рис. 2.8. Параболическая антенна
отношением f/D от 0,3 до 0,7, а в среднем это отношение составляет 0,4—
0,6. Для этого требуется облучатель с усилением 7—10 dBd.
На частотах до 6 ГГц в качестве облучателей используются турникетный вибратор, вибратор с кольцевым рефлектором и EIA/NBS (7,7 dBd).
На более высоких частотах применяются трубчатый, таблеточный и рупорный облучатели.
816_Antenni.indd 46
28.09.2011 14:10:38
Гл ава 3
Антенны для телеприема и Интернета
со спутников
3.1. Общая структурная схема комплекта
Структурная схема типового приемного спутникового комплекта
представлена на рис. 3.1. Приемная параболическая антенна диаметром
0,6—2,0 м предназначена для приема сигнала со спутника.
Отражаясь от поверхности рефлектора и фокусируясь в фокусе антенны, сигнал попадает в облучатель и далее в поляризатор. Поляризатор
выделяет сигнал определенной поляризации (вертикальной, горизонтальной или круговой).
Примечание.
Поляризация сигнала, который излучает ретранслятор, определяется
конструкцией его передающей антенны. Для обеспечения качественного телевизионного приема необходимо, чтобы поляризация приемной антенны соответствовала поляризации принимаемого сигнала.
Пройдя через облучатель и поляризатор, сигнал со спутника в диапазоне частот 10,5—12,75 ГГц поступают в конвертер. В конвертере производится усиление сигнала малошумящим широкополосным усилителем
и устранение помех по зеркальному каналу полосовым фильтром.
Далее осуществляется первое преобразование частоты. Первая промежуточная частота формируется смесителем № 1. Для этого на него,
помимо принимаемого сигнала, подается сигнал с гетеродина № 1, представляющего собой генератор, частота которого стабилизирована диэлектрическим резонатором.
С выхода смесителя № 1 сигнал первой ПЧ в диапазоне частот 0,7—
2,15 ГГц поступает на предварительный усилитель промежуточной частоты, после чего по кабелю подается в ресивер.
816_Antenni.indd 47
28.09.2011 14:10:38
48
Антенны. Практическое руководство
Рис. 3.1. Структурная схема спутникового комплекта
Примечание.
Практически все модели универсальных конвертеров Ku-диапазона
являются монолитными изделиями. Т. е., в корпусе одного изделия
совмещены: облучатель, поляризатор, деполяризатор (при приеме
сигналов круговой поляризации) и электронные компоненты конвертера сигналов.
816_Antenni.indd 48
28.09.2011 14:10:38
Глава 3. Антенны для телеприема и Интернета со спутников
49
3.2. Отражатели антенн
для спутникового телеприема
Формы приемных антенн спутникового телевидения
Антенны по форме бывают:
(prime
focus);
ŠŠофсетные (off-set — внецентровая).
При «прочих равных условиях», офсетная тарелка должна быть овальная и немножко
больше прямофокусной. Это,
как резать колбасу или белый
батон, косо — получатся бОльшие кусочки (рис. 3.2).
Прямофокусные антенны
(рис. 3.3) представляют собой
«классическую» круглую «та­Рис. 3.2. Различия размеров
релку». Принимающая головка
прямофокусной и офсетной антенн
крепится в фокусе над центром
тарелки при помощи нескольких (обычно трех) спиц. При этом головка и
крепежные спицы затеняют часть отражающей поверхности зеркала, что
приводит, естественно, к уменьшению коэффициента использования поверхности антенны.
Однако, с ростом диаметра, этот эффект становится все менее значительным. Такие антенны целесообразно применять с диаметром 1,5—
1,8 м.
ŠŠпрямофокусные
Примечание.
Зимой на зеркало прямофокуской антенны легко
намерзают лед и снег, которые очень сильно ухудшают
прием.
Офсетные антенны можно
очень легко отличить, так как их
фокус (место, где размещают конвертер) смещен от центра зеркала
вниз. Именно из-за смещенного
фокуса при настройке необходи-
816_Antenni.indd 49
Рис. 3.3. Принцип действия
прямофокусной тарелки
28.09.2011 14:10:38
50
Антенны. Практическое руководство
Рис. 3.4. Принцип действия
офсетной тарелки
мо учитывать, что направление на
спутник у офсетных антенн выше
перпендикуляра к плоскости антенны на некоторый угол. Принцип действия офсетной тарелки приведен на
рис. 3.4.
В силу этих особенностей офсетные антенны очень популярны при
диаметре зеркала до 1,5 м. При больших диаметрах предпочтение отдают прямофокусным антеннам.
Примечание.
Для большинства конструкций «офсеток» этот угол составляет примерно 26°. Поэтому офсетные антенны крепятся почти вертикально,
на них не налипает снег и не скапливается вода, конвертер и элементы
крепления не затеняют антенну.
Пример.
В Санкт-Петербурге спутник HotBird 13° E виден под углом места 20°.
Значит, прямофокусная антенна будет смотрет на него под тем же
углам 20°. А вот офсетная антенна с углом к горизонтали, например,
26,5° будет смотреть даже слегка «в землю» под углом X (рис. 3.5).
X = 20° – 26,5° = –6,5°.
Офсетные антенны характеризуются удобством установки вдоль стены дома. Для них требуется меньший вынос от стены, кроме того, на них
не задерживается снег, облучатель не загораживает поверхность зеркала.
Размер офсетной антенны оптимален до 1,5—1,8 м.
Прямофокусные антенны имеют хорошие характеристики свыше
1,8 м, т. к. при таком размере антенны облучатель уже перестает «затенять» поверхность зеркала. У прямофокусной антенны электромагнитное
пятно на облучателе не имеет искажений, отраженная электромагнитная
волна от любой точки антенны приходит в одной фазе к облучателю.
Параболические прямофокусные антенны — это антенны, используемые для профессионального приема.
Материал отражателей спутниковых антенн
Алюминиевые антенны являются наиболее популярными. Алюминий
не подвержен коррозии. Но он мягок, и при неаккуратном обращении
такие антенны легко деформируются, что весьма пагубно влияет на их
816_Antenni.indd 50
28.09.2011 14:10:38
Глава 3. Антенны для телеприема и Интернета со спутников
51
характеристики. Любые искажения формы антенны приводят к резкому
падению ее эффективности и ухудшению качества изображения на экране телевизора.
Совет.
Проверить отсутствие деформации можно, положив антенну на ровный пол. Края антенны везде должны касаться пола.
Пластиковые антенны легкие, но к ним легко прилипает снег. С течением времени такие антенны подвержены сильным деформациям под
действием окружающей среды (резкие перепады температур, ультрафиолет).
Стальные антенны прочнее, дешевле, но тяжелее и подвержены коррозии, которая снижает их отражающие свойства. Поэтому при покупке
стального зеркала стоит обратить внимание на качество окраски.
Сетчатые антенны устойчивы к ветровым нагрузкам, поэтому используются при установке на большой высоте и в ветреных районах.
Примечание.
Сетчатые антенны показывают более низкие характеристики при
приеме сигналов самого популярного на сегодняшний день Ku-диапазона,
поэтому для качественного приема требуется антенна большего диаметра, чем сплошное зеркало. Их целесообразно использовать для приема сигналов C-диапазона.
Плоская антенная решетка обычно имеет квадратную форму, она используется вместо параболической антенны, но наиболее используемыми
являются антенны с зеркалом в виде параболоида вращения. Они, в свою
очередь, делятся на два основных класса: офсетные и прямофокусные.
Рис. 3.5. Особенности установки прямофокусной и офсетной антенн
816_Antenni.indd 51
28.09.2011 14:10:39
52
Антенны. Практическое руководство
Составные части антенны
Сборка антенны особых трудностей не представляет (рис. 3.6). При сборке антенны будьте аккуратны, чтобы не повредить ее зеркало.
Совет.
Сильно не затягивайте винты крепления нижнего торца зеркала спутниковой антенны с коленом, иначе можно деформировать зеркало.
Правильность установки
поляризации принимающей
головки (конвертера) сильно
влияет на качество принимаемого сигнала. Этого можно достигнуть экспериментальным
путем: вращением конвертера
вокруг своей оси до получения
максимального сигнала.
В этой позиции следует закрепить конвертер. В том случае, если антенна, установленная за окном, своим зеркалом
закрывает доступ к конвертеру, необходимо произвести наРис. 3.6. Сборка
спутниковой антенны
стройку поляризации заблаговременно.
Угол места приема желательно установить на этапе сборки антенны до
ее установки на кронштейн.
3.3. СВЧ тракт спутниковой антенны
Особенности терминологии
Внимание.
В литературе есть разночтения в терминологии. Основу СВЧ
тракта составляет МОНОБЛОК, установленный в фокусе спутниковой антенны. Чаще всего этот МОНОБЛОК называют конвертером.
На самом же деле, конвертер — это, упрощенно говоря, электросхема,
входящая в состав этого МОНОБЛОКА, составляющая его часть!
Пусть даже конвертер — главная часть, а остальные элементы ее
обслуживают.
816_Antenni.indd 52
28.09.2011 14:10:39
Глава 3. Антенны для телеприема и Интернета со спутников
53
Дам два определения для пояснения сказанного выше.
Определение.
Принимающая головка — это МОНОБЛОК, включающий в себя облучатель, поляризатор, КОНВЕРТЕР, а в ряде случаев и деполяризатор.
Этот моноблок обеспечивает прием сигнала и его преобразование в
сигнал пониженной (промежуточной) частоты для передачи его по кабелю на вход ресивера для окончательной обработки.
Определение.
Спутниковый конвертер (от англ. low-noise block con­verter, дословно
малошумный конвертер-моноблок) — приемное устройство, объединяющее в себе:
ŠŠ предусилитель сигнала LNA (Low-Noise Amplifier), принимаемого со
спутника;
ŠŠ понижающий конвертер (Downconverter), он же гете­родин (стабилизированный источник высокой частоты, вырабатывающий
синусоидальный сигнал), служащего для преобразования частоты
электромагнитной волны Ku- или С-диапазона в промежуточную
частоту от 950 до 2150 МГц, называемую L-диапазоном, с целью
передачи с наименьшими потерями по коаксиальному кабелю до
потребителя.
Поэтому в книге называю этот МОНОБЛОК принимающей головкой.
Структура СВЧ тракта
Принятый спутниковой антенной сигнал фокусируется в одну точку.
Эту точку называют фокусной точкой или фокусом параболической антенны. Именно в нее и устанавливают приемник сигнала — принимающую головку.
Примечание.
На сегодняшний день в спутниковом телевидении используются два диапазона: Ku (10,7—
12,75 ГГц) и С (3,5—4,2 ГГц). Соответственно,
имеется два основных типа приемных головок для Ku- и C-диапазона.
В зависимости от типа крепления принимающие головки делятся на три группы:
ŠŠдля прямофокусных антенн — головки с прямофокусным облучателем (рис. 3.7);
ŠŠдля офсетных антенн — головки с офсетным
облучателем (рис. 3.8);
816_Antenni.indd 53
Рис. 3.7. Внешний
вид принимающей
головки C-диапазона
с прямофокусным
облучателем
28.09.2011 14:10:39
54
Антенны. Практическое руководство
a
б
Рис. 3.8. Внешний вид принимающей
головки:
а — Ku-диапазона с интегрированным офсетным
облучателем; б — C-диапазона с офсетным
облучателем
a
б
Рис. 3.9. Фланцевая принимающая
головка:
а — Ku-диапазона; б — C-диапазона
ŠŠфланцевые головки, к которым
Рис. 3.10. Принцип действия
облучателя
присоединяется отдельный облучатель под любой тип антенн
(рис. 3.9).
В приемном тракте между приемной антенной и кабелем снижения
существуют три основных звена,
объединенных в принимающую головку (рис. 3.10): облучатель; поляризатор; конвертер. В ряде случаев в
эту цепочку включается деполяризатор. Рассмотрим их последовательно.
Примечание.
Конвертеры ранее выпускались как отдельно (заканчивается прямоугольным фланцем), так и со встроенным поляризатором (заканчивается круглым фланцем).
Но сейчас эти устройства монтируются с конвертером в единую
конструкцию (заканчивается облучателем) и размещаются в фокусе
антенны. В этом случае получается принимающая головка.
Комбинированный вариант, как правило, встречается с офсетным облучателем. Это связано с тем, что подобные конструкции ориентированы
на использование в индивидуальных системах с небольшими офсетными
антеннами.
816_Antenni.indd 54
28.09.2011 14:10:39
Глава 3. Антенны для телеприема и Интернета со спутников
55
3.4. Облучатель
Устройство и принцип действия
Определение.
Облучатель — слабонаправленная антенна, которая установлена в
фокусе параболического отражателя, призванная передать принятую
антенной энергию по волноводу к конвертеру.
Облучатель устанавливается до конвертера для более полного использования поверхности зеркала и реализации максимального коэффициента
усиления антенны (рис. 3.11).
Рассмотрим принцип действия облучателя. Отраженный параболической антенной сигнал идет на облучатель. В его конструкции предусмотрены три металлических кольца для лучшей фокусировки электромагнитных волн и обеспечения более узкой диаграммы направленности антенны.
Облучателями параболических антенн служат
слабонаправленные антенны:
ŠŠрупоры;
ŠŠщелевые антенны;
ŠŠспирали;
ŠŠдиэлектрические антенны и др.
К облучателю предъявляются определенные
требования:
Рис. 3.11. Облучатель
ŠŠдиаграмма направленности должна быть
конвертера
Ku-диапазона
симметричной относительно оси и без боковых лепестков;
ŠŠоблучатель не должен сильно затенять параболическую антенну,
так как это приводит к искажению ее диаграммы направленности
и к снижению коэффициента использования поверхности параболоида вращения.
Наиболее простыми являются облучатели в виде открытого конца
волновода прямоугольного или круглого сечения (рис. 3.10).
Примечание.
Волновод круглого сечения в большей степени удовлетворяет требованиям, предъявляемым к облучателям антенных систем, — диаграмма направленности симметрична относительно оси, в отличие
от пирамидального (прямоугольного).
Примечание.
Разница между приемными головками «для офсета» и «для прямофокуса» кроется в облучателе. Для офсетной антенны он имеет, как
816_Antenni.indd 55
28.09.2011 14:10:39
56
Антенны. Практическое руководство
правило, форму ступенчатого
рупора (рис. 3.11), а для «прямофокуса», чаще встречается
т. н. «блин с кольцами» (см. выше
рис. 3.7).
Рис. 3.12. Облучатель,
совмещенный С- и Kuдиапазонов с ортогональными
разделителями поляризации
Рис. 3.13. Конусообразное
окончание облучателя
Ku-диапазона
в совмещенном конвертере
Существуют головки, принимающие
оба диапазона (рис. 3.12). Благодаря
оригинальной конструкции совмещенного облучателя C- и Ku-диапазонов
появляется возможность установки двух конвертеров С-диапазона
(3,4—4,2 ГГц) и двух конвертеров Kuдиапазона.
Обратите внимание на оригинальное исполнение узла совмещенного приема C- и Ku-диапазонов
(рис. 3.13). Кроме типового волновода
С-диапазона производитель установил внутрь данного конвертера полую
трубку, заканчивающуюся конусообразным окончанием.
Примечание.
Главная особенность данного конуса — усиленное преломление сигналов Ku-диапазона. Благодаря такому инженерному решению улучшается качество приема сигналов Ku-диапазона.
Подобное решение также встречается и в других типах приемных конвертеров (рис. 3.14).
В зависимости от типа антенн принимающие головки делятся на три
группы:
ŠŠдля прямофокусных антенн —
конвертеры с интегрированным
прямофокусным облучателем;
ŠŠдля офсетных антенн — конвертеры с интегрированным офсетным облучателем;
ŠŠфланцевые конвертеры, к котоРис. 3.14. Конусообразное окончание
облучателя Ku-диапазона*
рым присоединяется отдельный
облучатель под любой тип ан- * — фотография опубликована с разрешения
г-на Eddie Huang, президента компании
тенн.
«Fullway Communications Ltd.»
816_Antenni.indd 56
28.09.2011 14:10:40
Глава 3. Антенны для телеприема и Интернета со спутников
57
Соотношение фокусного расстояния к диаметру антенны
Важен не только тип антенны — офсетная или прямофокусная, но и
такой параметр, как соотношение фокусного расстояния к диаметру антенны (F/D):
ŠŠу офсетных антенн параметр F/D составляет 0,6—0,8, для них выпускаются два типа облучателей с соотношением F/D 0,6—0,7 и
0,7—0,8;
ŠŠу прямофокусных антенн параметр F/D составляет 0,3—0,5, для
них выпускаются облучатели, подстраиваемые под конкретное соотношение F/D.
Разница между конвертерами «для офсета» и «для прямофокуса» кроется в облучателе. Для офсетной антенны он имеет, как правило, форму
ступенчатого рупора (рис. 3.15), а для «прямофокуса», чаще встречается
т. н. «блин с кольцами» (рис. 3.16). Могут быть совмещенные облучатели
для двух диапазонов (рис. 3.17). Последний предоставляет возможность
установки двух конвертеров С-диапазона (3,4—4,2 ГГц) и двух конвертеров Ku-диапазона. Производятся компанией LANS.
Для понимания влияния значений F/D на геометрические размеры
приемной антенны необходимо дать следующие расчеты:
ŠŠпри размере рефлектора антенны 100 см;
ŠŠпри F/D=1 фокусное расстояние также будет равно 100 см!
Примечание.
Это накладывает определенные требования на монтаж и эксплуатацию всей конструкции в целом. Следовательно, при уменьшении значения F/D фокусное расстояние также уменьшается.
Также необходимо учитывать, что максимальное качество приема
можно достичь лишь при совпадении фокуса антенны и угла раскрытия
облучателя. При несовпадении типов спутниковой антенны и конверте-
Рис. 3.15. Облучатель
для офсетной антенны:
диапазон частот
3,4—4,2 ГГц, F/D=0,6—0,8
816_Antenni.indd 57
Рис. 3.16. Облучатель для
прямофокусной антенны:
диапазон частот 3,4—4,2 ГГц,
F/D=0,3—0,42 с деполяри­
цазионной пластиной
Рис. 3.17. Облучатель сов­мещенный С- и Ku-диапазо­
нов с разделителями
ортогональных
поляризаций
28.09.2011 14:10:40
58
Антенны. Практическое руководство
Рис. 3.18. Влияние отношения F/D на геометрические параметры облучателя
ра возможно ухудшение приема сигнала вплоть до полного прекращения
(рис. 3.18).
3.5. Поляризатор и деполяризатор
Поляризация электромагнитных волн
Примечание.
Для более эффективного использования частотного диапазона несущие волны передаются в поляризованном виде. Это позволяет удвоить число передаваемых программ.
Различают два вида поляризации электромагнитных волн:
ŠŠлинейную поляризацию, в результате которой образуются плоские
вертикальные и горизонтальные волны (рис. 3.19);
ŠŠкруговую поляризацию, в результате которой образуются круго-
вые правые и левые волны (рис. 3.20).
Внимание.
При настройке на частоту интересующего канала надо одновременно
выставить и нужную поляризацию. На европейских спутниках, в основном,
используется линейная поляризация, а на российских — исключительно
круговая.
Можно сказать, что в конвертере имеется две антенны, каждая из которых принимает сигнал только одной поляризации: либо вертикальную,
либо горизонтальную (рис. 3.21).
816_Antenni.indd 58
28.09.2011 14:10:40
Глава 3. Антенны для телеприема и Интернета со спутников
59
Рис. 3.19. Линейная поляризация сигнала
Рис. 3.20. Круговая поляризация
сигнала
Рис. 3.21. Устройство
антенного блока конвертера
Примечание.
Поляризация сигнала, который передается со спутника, строго параллельна (Н) или перпендикулярна (V) поверхности Земли только на долготе самого спутника.
Если прием осуществляется более на Восток или на Запад, то из-за
кривизны поверхности Земли плоскость поляризации больше наклонена
относительно ее поверхности.
Правило.
Чем дальше долгота точки приема находится от долготы спутника,
тем этот угол наклона больше.
816_Antenni.indd 59
28.09.2011 14:10:41
60
Антенны. Практическое руководство
В соответствии с этим поляризатор
размешается под большим или меньшим
углом к поверхности Земли. Причины необходимости подстройки конвертера в зависимости от географического положения
приемной антенны показаны на рис. 3.22.
Примечание.
При настройке на частоту интересующего канала надо одновременно
выставить и нужную поляризацию.
Рис. 3.22. Влияние
географического положения
приемной антенны и спутника
Особенности выбора вещателем поляризации
Примечание.
Если внимательно посмотреть на таблицы спутниковых каналов,
окажется:
ŠŠ большинство транспондеров Ku-диапазона имеют линейную поляризацию (горизонтальную или вертикальную);
ŠŠ большинство транспондеров C-диапазона имеют круговую поляризацию.
Может последовать логичный вопрос: есть ли конкретная причина,
почему поляризации были распределены таким образом? Причина на самом деле существует. Но необходимо сказать пару слов о поляризации в
целом, и вспомнить школьный курс физики.
Электромагнитная волна со­стоит из электрической и магнитной составляющих. Они всегда
возникают одновременно. Вектор
электрического поля перпендикулярен вектору поля магнитного, и
оба они перпендикулярны направлению распространения волны
(рис. 3.23).
Если между электрическим и
магнитным векторами не сущеРис. 3.23. Проекция
электромагнитной волны
ствует сдвига фазы, то это линей-
816_Antenni.indd 60
28.09.2011 14:10:41
Глава 3. Антенны для телеприема и Интернета со спутников
61
ная поляризация. Вертикальной или горизонтальной она называется в
зависимости от ориентации электрического вектора по отношению к
плоскости экватора.
Сдвиг на 90° (положительный или отрицательный) означает, что когда
электрическое поле достигает максимума, магнитное поле равно нулю,
или наоборот.
В зависимости от знака перед 90°, поляризация будет правой круговой
или левой круговой.
Исходя из вышеизложенного материала, напрашивается простой вывод:
намного проще выпустить качественный конвертер для линейной поляриза­
ции, чем для круговой поляризации.
Примечание.
Именно поэтому большинство конвертеров Ku-диапа­зона выпускаются для приема линейных поляризации.
Одним из известных недостатков линейной поляризации можно назвать необходимость точной подстройки угла крепления конвертера в
зависимости от географического местоположения приемной антенны. В
случае с круговой поляризацией никакой подстройки конвертера не требуется — достаточно установить его в фокус антенны.
Менее известна, но гораздо более значима чувствительность сигналов
с линейной поляризацией к ротации Фарадея, вызываемой магнитным
полем Земли.
Примечание.
Ротация электромагнитных векторов никак не затрагивает сигналы
с круговой поляризацией.
Однако, эффект Фарадея значительно уменьшается с ростом частоты, и поэтому в отличие от C-диапазона, в Ku-диапазоне практически
незаметен. Именно поэтому использование линейной поляризации в
C-диапазоне можно назвать рискованным.
Значимость данного фактора возрастает многократно при необходимости обеспечить сигналом территории, находящиеся вблизи магнитных
полюсов Земли. Вещатели выбирают сами, какую территорию они хотят
покрыть своим сигналом.
Примечание.
Если на искомой территории высока вероятность атмосферных осадков (дождя, снега), либо же она располагается в высоких широтах и сигналу предстоит более длинный путь сквозь облака, то их выбор, скорее
всего, падет на C-диапазон.
816_Antenni.indd 61
28.09.2011 14:10:41
62
Антенны. Практическое руководство
Уже отмечалось, что C-диапазон менее чувствителен к осадкам, в отличие от Ku-диапазона. А поскольку, наоборот, C-диапазон более чувствителен к эффекту Фарадея, круговая поляризация представляется
лучшим вариантом (по материалам статей с интересного сайта http://
www.pskovsat.ru/).
Поляризатор и деполяризатор
Определение.
Поляризатор — элемент, устанавливаемый между облучателем и
конвертером, который предназначен для выбора необходимого вида
поляризации принимаемой радиоволны.
Определение.
Деполяризатор — это устройство, которое преобразует сигнал круговой поляризации в линейную.
На европейских спутниках в основном используется линейная поляризация, а на российских спутниках традиционно используется круговая поляризация. Поэтому возникает необходимость преобразования
круговой поляризации в линейную. Для приема круговых волн перед
поляризатором устанавливают деполяризатор.
Деполяризатор, преобразующий один вид поляризации поля в волноводе круглого сечения в другой, представлен на рис. 3.24. Это отрезок
волновода, в котором имеются продольные неоднородности в виде диэлектрических пластин (материал тефлон или др.) и металлических стержней (Н или V).
Правило.
Если длина, параметры и конфигурации пластин или стержней подобраны таким образом, что на выходе устройства разность фаз между
параллельной и перпендикулярной составляющими вектора f равна 90°
(3,14/2), то на выходе устройства вместо линейно поляризованного поля
имеет место поле с круговой поляризацией.
Это и есть поляризатор 3,14/2. Если в такой поляризатор поступает поле с круговой
поляризацией, то оно преобразуется в поле с
линейной поляризацией. В зависимости от положения диэлектрической пластины и штырей
в волноводе осуществляется преобразование
круговой поляризации в вертикальную или
горизонтальную. Так, деполяризатор преобразует круговую поляризацию в линейную.
816_Antenni.indd 62
Рис. 3.24. Принцип действия
деполяризатора
28.09.2011 14:10:41
Глава 3. Антенны для телеприема и Интернета со спутников
a
63
б
Рис. 3.25. Конвертеры с установленным деполяризатором:
a — C-диапазона; б — Ku-диапазона
Это устройство представляет собой пластину из тефлона, текстолита
стеклотекстолита, фторопласта, стекла или другого диэлектрического материала. Устанавливают пластину в облучатель на определенном расстоянии от антенн
конвертера, под углом 45 градусов между
ними (рис. 3.25).
Пластина может быть выполнена или из
монолитного материала, или в виде решетки, вытравленной из фольгированного стеклотекстолита (рис. 3.26). Как утверждают
разработчики этого изделия, благодаря такой форме и конструкции, увеличивается
3.26. Деполяризационная
качество принимаемого сигнала (качество Рис.
пластина для установки
деполяризации сигнала) при приеме кругов конвертеры С-диапазона
вой поляризации сигналов С-диапазона.
Фазовые скорости волн, у которых векторы f напряженности электрического поля параллельны или перпендикулярны пластинам или стержням, различны.
Совет.
Можно обойтись и без деполяризатора, если предстоит принимать
передачи обоих видов в линейной поляризации с европейских спутников
и в круговой — с «НТВ-Плюс» со спутника Eutelsat W4.
В этом случае будет иметь место проигрыш 3 дБ в уровне кругового
сигнала, что соответствует увеличению требуемого диаметра антенны в
1,4 раза.
816_Antenni.indd 63
28.09.2011 14:10:41
64
Антенны. Практическое руководство
3.6. Конвертер
Определение и назначение
Спутниковый конвертер — приемное устройство, объединяющее в
себе два элемента:
ŠŠпредусилитель сигнала LNA (Low-Noise Amplifier), принимаемого
со спутника;
ŠŠпонижающий конвертер (Downconverter), он же гетеродин (стабилизированный источник высокой частоты, вырабатывающий синусоидальный сигнал).
Конвертер — это электронное устройство, которое служит для преобразования частоты электромагнитной волны Ku- или С-диапазона в
промежуточную частоту от 950 до 2150 МГц, называемую L-диапазоном,
с целью передачи с наименьшими потерями по коаксиальному кабелю до
потребителя.
Название устройства конвертер происходит от англ. low-noise
block converter, дословно — малош у мный конв ертер-моно блок .
Устанавливается конвертер в составе
принимающей головки в фокусном
Рис. 3.27. Конвертер-моноблок
центре спутниковой антенны (на
в разобранном состоянии
выносном кронштейне). Конвертер и
антенна определяют основные характеристики и профессиональной, и
индивидуальной приемной системы. Составные части конвертера (фото
Satmap) представлены на рис. 3.27.
Устройство и принцип действия конвертера
Конвертер — сложное радиоэлектронное устройство, входящее в своем
состав принимающей головки вместе с облучателем и поляризатором.
Примечание.
Если принимающая головка предназначена для приема сигналов круговой поляризации, то для деполяризации принятого сигнала в его конструкцию также добавляют деполяризатор.
Современные конвертеры, предназначенные для приема сигналов Kuдиапазона, изготавливаются в виде монолитного герметичного блока. На
рис. 3.28 показан конвертер Ku-диапазона без пластиковых защитных кожухов и герметичной крышки на облучателе.
816_Antenni.indd 64
28.09.2011 14:10:42
Глава 3. Антенны для телеприема и Интернета со спутников
На рис. 3.29 показан разобранный конвертер (принимающая головка). Корпус пришлось
разрезать болгаркой: настолько качественно
был герметизирован корпус! На фотографии
хорошо видны электронные компоненты, установленные на плате:
ŠŠстабилизатор напряжения серии 780Х (в
правом верхнем углу платы);
ŠŠмикросхема, сочетающая в себе усилитель
сигналов, гетеродины и схему управления
режимами работы конвертера;
ŠŠдва транзистора, в качестве усилителей
сигналов (в верхней части платы;
ŠŠполосковые линии связи в центре платы
(в виде отрезков не соединенных между
собой проводников);
ŠŠдругие необходимые для работы устройства компоненты.
65
Рис. 3.28. Конвертер
Ku-диапазона без кожухов
и крышки
Рис. 3.29. Плата конвертера
Ku-диапазона
Правило.
Чем меньше длина волны, тем больше ее затухание в кабеле. Для спутникового телевидения необходимо использовать специальный кабель с
малым коэффициентом затухания.
Но этого не достаточно. Передавать нужно по кабелю как можно более
низкую частоту. А спутниковые телевизионные трансляции передаются
на очень высоких частотах, т. е. на сантиметровых волнах. На сегодняшний день в спутниковом телевидении используются два диапазона:
ŠŠKu-диапазон занимает область от 10,7 до 12,75 ГГц;
ŠŠС-диапазон ограничен полосой 3,5—4,2 ГГц.
Примечание.
На СВЧ частотах (единицы-десятки гигагерц) электромагнитная
волна, способная преодолеть 36000 км от спутника до приемной
антенны, моментально затухает в кабеле снижения.
Функции конвертера
ПЕРВАЯ ФУНКЦИЯ конвертера — преобразование СВЧ в более
низкую частоту, называемую промежуточной (900—2150 МГц). Сигнал
на этой частоте и передается по кабелю к ресиверу и подается на его антенный вход.
816_Antenni.indd 65
28.09.2011 14:10:42
66
Антенны. Практическое руководство
Для снижения принятого частотного спектра в конвертер встраиваются один или два гетеродина — стабилизированных источника высокой
частоты. Снижение входной частоты происходит за счет вычитания из
нее частоты гетеродина.
ВТОРАЯ ФУНКЦИЯ конвертера — усиление принятого сигнал. Ведь
сигнал со спутника принимается с очень малой мощностью, совершенно
неприемлемой в трактах приемного оборудования. Поэтому второй, не
менее важной, функцией конвертера является усиление.
Электронная часть принимающей
головки — конвертера представлена на
рис. 3.30. Подробно работа конвертера
по принципиальным и функциональным схемам будет рассмотрена в этой
главе далее.
Рис. 3.30. Внешний вид платы
конвертера
Примечание.
Основная масса конвертеров
работает только с одним диапазоном (C- или Ku-).
Ширина Ku-диапазона (более 2 ГГц) не позволяет одновременно конвертировать его в промежуточную частоту, поэтому его разбивают на
три поддиапазона: FSS (10,7—11,8 ГГц); DBS (11,8—12,5 ГГц); Telecom
(12,5—12,75 ГГц).
Пример.
Конвертеры Digicom DKF-101, предназначенные для приема «НТВ-Плюс»,
работают только в диапазоне DBS. Т. е. конвертеры второго или третьего диапазона в большинстве случаев производятся для приема конкретных пакетов.
Переключение диапазонов
Для приема всего Ки-диапазон в конвертерах устанавливаются два
гетеродина:
ŠŠодин для преобразования нижнего диапазона 10,7—11,8 ГГц;
ŠŠвторой для преобразования двух верхних диапазонов 11,8—
12,75 ГГц.
Переключение гетеродинов осуществляется с помощью тонового сигнала 22 кГц, передаваемым ресивером по тому же кабелю, по которому к
нему поступает сигнал промежуточной частоты от конвертера.
816_Antenni.indd 66
28.09.2011 14:10:42
Глава 3. Антенны для телеприема и Интернета со спутников
67
Примечание.
Верхняя и нижняя частоты гетеродинов в большинстве случаев имеют
в универсальных конвертерах значения, соответственно 9,75 ГГц и
10,6 ГГц. А в экранном меню достаточно выбрать опцию «универсальный конвертер», чтобы при смене канала ресивер автоматически
посылал конвертеру нужные управляющие сигналы.
Ранее диапазоны переключались пороговым сигналом 13/18 В (с порогом переключения 15 ±0,2 В). В современных универсальных конвертерах диапазоны переключаются с помощью тонового сигнала 22 кГц, как
отмечалось выше.
Примечание.
Сигнал 13/18 В используется в современных универсальных конвертерах лишь для переключения поляризации.
Универсальные конвертеры от других полнодиапазонных конвертеров
Ku-диапазона отличаются универсальностью сигналов, управляющих
переключением диапазонов и поляризации, а также тем, что эти сигналы
передаются по одному кабелю с промежуточной частотой.
Если есть необходимость принимать трансляции в обоих диапазонах
(С- и Ku-) можно пойти тремя путями:
ŠŠво-первых, установить на антенне два конвертера, каждый со своим облучателем и поляризатором. Но при этом облучатель хотя бы
одного конвертера окажется не совсем в фокусе антенны, что несколько снизит коэффициент направленного действия антенны;
ŠŠво-вторых, приобрести конструкцию, называемую С/Ku-рото­­ром,
включающую в себя облучатели для С- и Ku-диапазонов, разделяющие принимаемый поток на две части. С/Ku-роторы выпускаются
совмещенными с электромеханическими поляризаторами. Но
при этом имеют место ощутимые потери мощности сигналов Kuдиапазона и частый выход из строя движущихся частей электромеханического поляризатора, особенно при низких температурах;
ŠŠв-третьих, установить совмещенный конвертер для приема С- и
Ku-диапазонов, который пока уступает раздельным конвертерам
по техническим характеристикам.
Особенности конструкции конвертеров
Конвертеры должны быть герметичными. В противном случае за счет
суточного колебания температуры внутри конвертера образуется конденсат, который приводит к ухудшению его параметров и, в конечном
итоге, к выходу из строя.
816_Antenni.indd 67
28.09.2011 14:10:42
68
Антенны. Практическое руководство
Высокий уровень герметичности достигается у конвертеров, помещенных в запаянный, неразборный корпус. Такие модели выпускает, например, фирма MTI. Минусом такой конструкции является невозможность
ремонта конвертера, однако конвертеры указанной фирмы отличают хорошие комплектующие и качественная сборка, так что выходят из строя
они достаточно редко.
Некоторые конвертеры изготавливаются в двойном кожухе — внутренний, металлический, кожух закрыт внешним кожухом, сделанным
из пластмассы. Это приводит к тому, что большая часть конденсата выпадает между двумя оболочками и вытекает в предусмотренное для этого
сливное отверстие.
Помимо недостаточной герметичности, встречаются и другие варианты конструктивных дефектов, например, высокая повреждаемость при
действии солнечных лучей или температурных перепадах. От таких подвохов при покупке застраховаться достаточно трудно.
Включение конвертеров
Зависимость выбираемого коэффициента усиления от длины кабеля. В системах коллективного приема предъявляются повышенные
требования к такой существенной характеристике конвертера, как его
коэффициент усиления (Кус). Эта величина измеряется в децибелах и в
современных конвертерах колеблется от 50 дБ до 70 дБ.
Совет.
В случае использования длинного кабеля, соединяющего выход конвертера и СВЧ-вход ресивера, следует выбирать конвертер с высоким
коэффициентом усиления.
Пример.
При длине кабеля до 30 м для систем индивидуального приема достаточно усиления 46 дБ. Это обеспечивается любым современным конвертером. При длине кабеля более 40 м конвертер, работающий на
один ресивер, должен иметь Кус 56 дБ, а если используется 100 м кабеля,
то 63—65 дБ.
Эти цифры приблизительные, а конкретные значения зависят от ряда
причин и, в первую очередь, от уровня затухания в кабеле.
Информация о коэффициенте усиления может приводиться в разной
форме. Так как он неодинаков на разных участках частотного диапазона,
то наиболее полную информацию можно получить из графика зависимости коэффициента усиления от частоты. Иногда зависимость Кус от
частоты приводится в виде таблицы.
816_Antenni.indd 68
28.09.2011 14:10:42
Глава 3. Антенны для телеприема и Интернета со спутников
69
Примечание.
У качественных конвертеров неравномерность Кус во всем частотном
диапазоне составляет не больше 3 дБ. У более простых конвертеров
Кус характеризуется одной цифрой. Обычно указывается минимальное
или типовое (усредненное) значение этого коэффициента.
Разводка сигнала на несколько ресиверов. При разводке сигнала на
несколько ресиверов удобно использовать Ku-диапазонный конвертер с
двумя или четырьмя выходами. Как правило, он имеет встроенный поляризатор, управляемый напряжением 13/18 В. По характеру выходных
сигналов такие конвертеры делятся на два типа:
ŠŠпервый тип (для разводки сигнала на 2—4 ресивера) имеет два
(Twin) или четыре (Quad) равноценных выхода с независимым переключением диапазонов и поляризации;
ŠŠвторой тип (для разводки сигнала на большее число ресиверов). Если
у такого конвертера два выхода, то на них выводятся соответственно сигналы вертикальной и горизонтальной поляризации, а если 4,
то сигнал делится еще и по диапазонам. Такие конвертеры называют
«Quattro».
Примечание.
Напомним, что универсальный конвертер имеет четыре режима
работы:
ŠŠ вертикальная поляризация, работает гетеродин нижнего
поддиапазона;
ŠŠ вертикальная поляризация, работает гетеродин верхнего
поддиапазона;
ŠŠ горизонтальная поляризация, работает гетеродин нижнего
поддиапазона;
ŠŠ горизонтальная поляризация, работает гетеродин верхнего
поддиапазона.
Головка первого типа можно рассматривать как два или четыре независимых конвертера в одном корпусе и одним облучателем (рис. 3.31). При
использовании таких конвертеров никаких дополнительных настроек ресивера не требуется.
Двухвыходные головки второго типа удобно использовать, если планируется приемом лишь верхнего или нижнего поддиапазона. В таком
случае на СВЧ-вход ресивера подается горизонтальная или вертикальная
поляризация.
Сигналы с четырехвыходных головок второго типа (рис. 3.32) используются в кабельных сетях или при организации небольших систем коллективного приема. В последнем случае сигналы с выходов конвертера подаются на
входы свитчеров, для дальнейшей разводки по квартирам.
816_Antenni.indd 69
28.09.2011 14:10:42
70
Антенны. Практическое руководство
а
б
Рис. 3.31. Принимающие головки:
а — с двумя независимыми выходами — Twin;
б — с четырьмя независимыми выходами — Quad
Рис. 3.32. Головка с четырьмя
независимыми выходами —
Quattro
3.7. Подвески спутниковых антенн
Выбор крепления аннтенны
Кронштейн для крепления спутниковой антенны должен обеспечивать надежное удержание антенны с большим запасом. Возможно, через
некоторое время появится необходимость поставить спутниковую антенну большего размера вместо антенны, имеемой в наличии. Лучший
вариант — использовать уже установленный на стене (балконе, лоджии)
кронштейн, обладающий и для большего размера тарелки достаточной
прочностью.
Поэтому желательно приобретать кронштейн отдельно. Виды кронштейнов представлены на рис. 3.33.
Выбор размера антенны — один из самых важных вопросов. Чем антенна больше, тем больше у нее коэффициент усиления. Но антенны более 1,2 м
гораздо сложнее в установке, требуют большего кронштейна. Нужно найти
«золотую середину». Реально, размер должен быть таким, чтобы обеспечивался качественный просмотр каналов с выбранного спутника.
Если планируется смотреть несколько спутников и ставить мультифид, то тарелка должна быть на 20—30 см больше, чем в случае приема
одного спутника.
Способы подвески спутниковых антенн
Спутниковые антенны бывают прямофокусными и офсетными.
В прямофокусной антенне принимающая головка расположена в центре, и фокус находится в центре антенны на определенном расстоянии от
зеркала.
816_Antenni.indd 70
28.09.2011 14:10:43
Глава 3. Антенны для телеприема и Интернета со спутников
а
71
б
в
г
д
Рис. 3.33. Виды кронштейнов для крепления спутниковых антенн:
а — плоское крепление для антенны диаметром до 60 см; б — точечное крепление для антенны
диаметром до 60—90 см; в — точечное крепление для антенны диаметром до 90—120 см; г —
универсальное крепление для антенны для антенны диаметром до 60—120 см; д — опорное крепление
для спутниковой антенны диаметром от 160 см (на крыше, земле).
В офсетной антенне сигнал идет под углом и, отразившись под тем же
углом, попадает на принимающую головку (фокус смещен относительно
центра).
Способ подвески антенны может быть двух типов: азимутальноугломестная; полярная.
Полярная подвеска позволяет перенацеливать антенну с одного спутника на другой при помощи рычага-актюатора с электрическим приводом или мотоподвеса.
Особые требования предъявляются к подвеске и крепежу, особенно, если будет устанавливаться антенну большого диаметра на большой
высоте и на очень ветреном месте. Ветровые нагрузки могут достигать
очень больших величин. А очень часто вся оснастка для антенны в целях
уменьшения ее себестоимости делается без солидного запаса прочности.
Не экономьте на мелочах в подобных случаях.
Азимутально-угломестная подвеска (рис. 3.34), которая имеет ручные
регулировки только по горизонтали и по вертикали, ее используют для приема сигнала с одного выбранного спутника.
Она позволяют настроить антенну на какой-либо спутник и жестко ее
зафиксировать. Разумеется, потом можно ее развернуть и настроить на
другой спутник.
816_Antenni.indd 71
28.09.2011 14:10:43
72
Антенны. Практическое руководство
Рис. 3.34. Азимутальноугломестная подвеска
Совет.
Следует приобретать
только антенны с
четко нанесенной шкалой угла места. Кроме
того, убедитесь, что
в комплект входят две
пары крепежных скоб.
Рис. 3.35. Полярная подвеска
Полярная подвеска (рис. 3.35), которая позволяет антенной тарелке
следить за всей видимой частью геостационарной орбиты, останавливаясь на любом выбранном спутнике. Полярные подвески снабжены электроприводом и управляются дистанционно с помощью расположенного
внутри помещения позиционера. Они позволяют принимать сигналы
большого числа спутников.
Название этого типа подвески произошло из-за того, что ось, вокруг
которой при настройке вращается антенна, направлена на Полярную
звезду.
Примечание.
Чаще всего офсетные антенны имеют фиксированную азимутальную
подвеску, а прямофокусные — полярную.
Особенности применения подвески
Рассмотрим особенности применения этих конструкций подвеса.
Азимутально-угломестная — как правило, фиксированная подвеска, антенна при этом настраивается на единственный спутник и жестко фиксируется
на кронштейне крепления. Для приема другого спутника должна быть проведена полная перенастройка антенны. Простая и дешевая подвеска.
Полярная — значительно более сложная по конструкции и настройке
подвеска и, соответственно, более дорогая. Обеспечивает возможность
816_Antenni.indd 72
28.09.2011 14:10:43
Глава 3. Антенны для телеприема и Интернета со спутников
73
приема нескольких спутников, находящихся в разных орбитальных позициях. На рис. 3.36 представлена фотография полярной подвески в сборе, примененная для антенны 1,8 м.
Если необходимо принимать несколько спутников,
для которых достаточно антенны размером 1,2 м, то в
полярную систему лучше поставить антенну 1,8 м или
хотя бы 1,5 м. Некоторый запас не помешает.
Для приема нескольких спутников на одну антенну необходим актуатор (рис. 3.37). Это устройство, имеющее электродвигатель и привод для наве- Рис. 3.36. Фотография
полярной подвески
дения антенны на различные спутники по командам
позиционера. Актуатор подбирается в зависимости от диаметра тарелки
и устанавливается только на антенны с полярной подвеской.
Поворот антенны осуществляется: в горизонтальной плоскости — за
счет выдвижения штока актуатора; в вертикальной плоскости — за счет
геометрии подвески. В зависимости от диаметра и типа антенны подбирается актуатор необходимой длины: от 6 до 36 дюймов.
Возможен прием сигналов нескольких близко расположенных спутников на неповоротную антенну. Для этого используется мультифид
(рис. 3.38). Он представляет собой держатель для дополнительных конвертеров. Правый конвертер будет принимать спутник, находящийся
слева от основного спутника, левый — справа.
Рис. 3.37. Устройство
актуатора
Рис. 3.38. Конструкция мультифида
с возможностью регулировки в различных плоскостях
816_Antenni.indd 73
28.09.2011 14:10:43
Гл ава 4
Антенны для Wi-Fi
4.1. Как работает сеть Wi-Fi
Определение
Wi-Fi — это торговая марка Wi-Fi Alliance для беспроводных сетей на
базе стандарта IEEE 802.11. Является сокращением от Wireless-Fidelity
(дословно «беспроводная точность») по аналогии с Hi-Fi.
Wi-Fi был создан в 1991 году NCR Corporation/AT&T в г. Ньивегейн,
Нидерланды.
Самый новый стандарт IEEE 802.11n был утвержден 11 сентября 2009
года. Его применение позволяет повысить скорость передачи данных
практически вчетверо по сравнению с устройствами стандартов 802.11g
(максимальная скорость которых равна 54 МБит/с), при условии использования в режиме 802.11n с другими устройствами 802.11n. Теоретически
802.11n способен обеспечить скорость передачи данных до 600 Мбит/с.
Стандарты Wi-Fi
Wi-Fi — это современная беспроводная технология соединения компьютеров в локальную сеть и подключения их к сети Internet. Именно
благодаря этой технологии Internet становится мобильным и дает пользователю свободу перемещения не то что в пределах комнаты, но и по
всему миру.
Под аббревиатурой «Wi-Fi» в настоящее время развивается целое семейство стандартов передачи цифровых потоков данных по радиоканалам.
С увеличением числа мобильных пользователей возникает острая необходимость в оперативном создании коммуникаций между ними, в обмене данными, в быстром получении информации. Поэтому естественным образом происходит интенсивное развитие технологий беспроводных коммуникаций.
Особенно это актуально в отношении беспроводных сетей, или так
называемых WLAN-сетей (Wireless Local Area Network). Сети Wireless
LAN — это беспроводные сети (вместо обычных проводов в них исполь-
816_Antenni.indd 74
28.09.2011 14:10:44
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
75
зуются радиоволны). Установка таких сетей рекомендуется там, где развертывание кабельной системы невозможно или экономически нецелесообразно.
Беспроводные сети особенно эффективны на предприятиях, где сотрудники активно перемещаются по территории во время рабочего дня с целью
обслуживания клиентов или сбора информации (крупные склады, агентства, офисы продаж, учреждения здравоохранения и др.).
WLAN-сети имеют ряд преимуществ перед обычными кабельными
сетями:
ŠŠWLAN-сеть можно очень быстро развернуть, что очень удобно при
проведении презентаций или в условиях работы вне офиса;
ŠŠпользователи мобильных устройств при подключении к локальным
беспроводным сетям могут легко перемещаться в рамках действующих зон сети;
ŠŠскорость современных сетей довольно высока (до 300 Мбит/с), что
позволяет использовать их для решения очень широкого спектра
задач;
ŠŠWLAN-сеть может оказаться единственным выходом, если невозможна прокладка кабеля для обычной сети.
Вместе с тем необходимо помнить об ограничениях беспроводных
сетей. Это, как правило, все-таки меньшая скорость, подверженность
влиянию помех и более сложная схема обеспечения безопасности передаваемой информации.
Wi-Fi стандарт передачи данных в беспроводных сетях включает в
себя:
ŠŠ802.11a — 5 ГГц, скорость до 54 Мбит/с («турбо» — до 108)
ŠŠ802.11b — 2,4 ГГц, скорость до 11 Мбит/с («турбо» — до 22)
ŠŠ802.11g — 2,4 ГГц, скорость до 54 Мбит/с (турбо — до 108) совместим с b.
В стандарте IEEE 802.11b высокая скорость передачи данных (до
11 Мбит/с) практически эквивалентна пропускной способности обычных проводных локальных сетей Ethernet. Благодаря также ориентации
на диапазон 2,4 ГГц, этот стандарт завоевал наибольшую популярность у
производителей оборудования для беспроводных сетей.
Поскольку оборудование, работающее на максимальной скорости
11 Мбит/с, имеет меньший радиус действия, чем на более низких скоростях, стандартом 802.11b, предусмотрено автоматическое снижение скорости при ухудшении качества сигнала.
Стандарт IEEE 802.11a имеет большую ширину полосы из семейства
стандартов 802.11 при скорости передачи данных до 54 Мбит/с.
В отличие от базового стандарта, ориентированного на область частот 2,4 ГГц, спецификациями 802.11a предусмотрена работа в диапазоне
816_Antenni.indd 75
28.09.2011 14:10:44
76
Антенны. Практическое руководство
5 ГГц. В качестве метода модуляции сигнала выбрано ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM).
К недостаткам 802.11a относятся более высокая потребляемая мощность радиопередатчиков для частот 5 ГГц и меньший радиус действия.
Стандарт IEEE 802.11g является логическим развитием 802.11b и
предполагает передачу данных в том же частотном диапазоне. Кроме
того, стандарт 802.11g полностью совместим с 802.11b, то есть любое устройство 802.11g должно поддерживать работу с устройствами
802.11b. Максимальная скорость передачи в стандарте 802.11g составляет 54 Мбит/с, поэтому на сегодня это наиболее перспективный стандарт
беспроводной связи.
Принцип работы
Обычно схема Wi-Fi сети содержит не менее одной точки доступа и
не менее одного клиента. Также возможно подключение двух клиентов
в режиме точка-точка, когда точка доступа не используется, а клиенты
соединяются посредством сетевых адаптеров «напрямую». Точка доступа
передает свой идентификатор сети (SSID) с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0,1 Мбит/с каждые 100 мс.
Примечание.
Поэтому 0,1 Мбит/с — это наименьшая скорость передачи данных для
Wi-Fi.
Достоинства беспроводного Wi-Fi соединения
В последнее время появилось множество альтернатив прямому соединению компьютеров:
ŠŠстарая добрая локальная сеть;
ŠŠновомодный Bluetooth.
Но все активнее набирает обороты беспроводное Wi-Fi соединение,
которое лишено недостатков многих других типов подключений, среди
которых:
ŠŠнет необходимости тянуть громоздкий кабель (особенно если вы
не имеете выделенного канала);
ŠŠбольшее максимальное расстояние для передачи данных (актуально для Bluetooth).
ŠŠвысокая скорость передачи (до 54 Мбит/с, а теоретически — до
600 Мбит/с).
816_Antenni.indd 76
28.09.2011 14:10:44
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
77
Недостатки Wi-Fi соединения
Конечно, данное соединение не лишено недостатков. Изначально
стандарт Wi-Fi был рассчитан на длину покрытия около 100 метров, а
зачастую сигналу необходимо преодолеть гораздо большее расстояние —
до 10 и более километров!
Частотный диапазон и эксплуатационные ограничения в различных
странах неодинаковы. Во многих европейских странах разрешены два
дополнительных канала, которые запрещены в США. В Японии есть
еще один канал в верхней части диапазона, а другие страны, например,
Испания, запрещают использование низкочастотных каналов.
Более того, некоторые страны, например, Россия, Белоруссия и Италия,
требуют регистрации всех сетей Wi-Fi, работающих вне помещений, или
требуют регистрации Wi-Fi оператора.
Внимание.
В России точки беспроводного доступа, а также адаптеры Wi-Fi с
ЭИИМ, превышающей 100 мВт (20 дБм), подлежат обязательной регистрации.
Высокое, по сравнению с другими стандартами, потребление энергии,
уменьшает время жизни батарей и повышает температуру устройства.
Самый популярный стандарт шифрования WEP может быть относительно легко взломан даже при правильной конфигурации (из-за слабой
стойкости алгоритма). Несмотря на то, что новые устройства поддерживают более совершенный протокол шифрования данных WPA и WPA2,
многие старые точки доступа не поддерживают его и требуют замены.
Принятие стандарта IEEE 802.11i (WPA2) в июне 2004 года сделало доступной более безопасную схему, которая доступна в новом оборудовании. Обе схемы требуют более стойкий пароль, чем те, которые обычно
назначаются пользователями. Многие организации используют дополнительное шифрование (например, VPN) для защиты от вторжения.
Wi-Fi имеют ограниченный радиус действия. Типичный домашний
маршрутизатор Wi-Fi стандарта 802.11b или 802.11g имеет радиус действия 45 м в помещении и 450 м — снаружи.
Примечание.
Микроволновая печь или зеркало, расположенные между устройствами
Wi-Fi, ослабляют уровень сигнала. Расстояние связи зависит также от
частоты.
Наложение сигналов закрытой или использующей шифрование точки
доступа и открытой точки доступа, работающих на одном или соседних
каналах может помешать доступу к открытой точке доступа. Эта проблема может возникнуть при большой плотности точек доступа, напри-
816_Antenni.indd 77
28.09.2011 14:10:44
78
Антенны. Практическое руководство
мер, в больших многоквартирных домах, где многие жильцы ставят свои
точки доступа Wi-Fi.
Неполная совместимость между устройствами разных производителей или неполное соответствие стандарту может привести к ограничению возможностей соединения или уменьшению скорости.
Наблюдается уменьшение производительности сети во время дождя.
Возможна перегрузка оборудования при передаче небольших пакетов данных из-за присоединения большого количества служебной информации.
Поведу итог и отмечу, что уровень сигнала сильно зависит от нескольких факторов:
ŠŠот широты покрытия;
ŠŠот направленных свойств антенны;
ŠŠот мощности Wi-Fi адаптера;
ŠŠот сопротивления антенны и передающего кабеля.
Но достоинства перевешивают вышеперечисленные минусы.
4.2. Особенности антенн для Wi-Fi соединения
Можно ли обойтись без антенны?
Любой беспроводной маршрутизатор, точка доступа или просто беспроводной адаптер имеет в комплекте штатную антенну. Она может
быть как съемной, так и стационарной. В то же время в розничной сети
предлагается достаточно большое количество альтернативных внешних
антенн для Wi-Fi-устройств, а радиолюбительские сайты полны своими
версиями антенн для Wi-Fi.
Возникает естественный вопрос: зачем нужны еще какие-то антенны
(причем, как правило, отнюдь не дешевые), если в комплекте любого WiFi-устройства и так имеется антенна?
Для того чтобы ответить на этот простой вопрос, необязательно быть
специалистом в области радиотехники. Каждый знает, что без антенны
не сможет работать ни радиоприемник, ни телевизор. Точно так же без
передающей/приемной антенны не будет работать беспроводная точка
доступа, которая в данном случае выступает одновременно и в роли приемника, и в роли передатчика.
Антенна — это и излучатель радиоволн, и их приемник.
Примечание.
Конфигурация антенны определяет зону покрытия беспроводной
точки доступа, то есть ту зону, где точка доступа излучает сигнал,
который способны принять другие клиенты беспроводной сети. Зона
816_Antenni.indd 78
28.09.2011 14:10:44
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
79
покрытия беспроводной точки доступа определяется именно конструкцией, а не размерами антенны.
Значит, принцип «чем длиннее, тем лучше» в данном случае неприменим.
Основная проблема большинства штатных антенн, то есть антенн,
которые поставляются в комплекте с беспроводными точками доступа,
заключается в том, что они имеют недостаточно большую зону покрытия по дальности, являясь всенаправленными.
К примеру, если в пределах комнаты (офиса) одна точка доступа в
состоянии обеспечить надежную работу беспроводных клиентов, то на
устойчивую связь с клиентом, находящимся за стенкой, рассчитывать не
приходится. А уж через две стены сможет «пробить» далеко не каждая
точка доступа. Правда, бывают исключения, когда в помещении между
комнатами через бетонные стены протянуты кабели, например, телевизионные или электросети. В этом случае дальность действия Wi-Fi существенно увеличивается, « пробивая по кабельным трассам» бетонные
стены.
А в остальных случаях как быть? Приобрести точку доступа с большей
мощностью передатчика? Но это не представляется возможным.
Внимание.
Мощность передачи Wi-Fi-устройств строго регламентирована: в
частотном диапазоне от 2400 до 2483,5 МГц (частотный диапазон
Wi-Fi-устройств) для создания радиосетей на безлицензионной основе
допускается использовать передатчики с мощностью излучения, не
больше 100 мВт.
В случае превышения данного показателя требуется получение в
Министерстве связи лицензии на создание и эксплуатацию ведомственной
радиосети передачи данных. Соответственно, точек доступа и беспроводных адаптеров с мощностью передачи более 100 мВт нет в продаже.
Вывод.
Так как все точки доступа и беспроводные адаптеры имеют одинаковую предельную мощность передатчика, то единственным способом
увеличения зоны покрытия беспроводной сети — вместо штатных
антенн использовать направленные специальные антенны.
Другое, не менее важное свойство специальных антенн заключается в
том, что они позволяют изменить форму зоны покрытия, обеспечивая,
таким образом, повышение безопасности беспроводной сети.
Штатные антенны излучают сигнал равномерно во все стороны (в горизонтальной плоскости), и если точку доступа с такой антенной рас-
816_Antenni.indd 79
28.09.2011 14:10:44
80
Антенны. Практическое руководство
положить у стены в комнате, то сигнал будет распространяться не только
по вашей квартире, но и за стенку к соседу. Это, конечно же, позволит
ему не только быстро обнаружить вашу беспроводную сеть, но и предпринять попытки атаки на нее.
Причем если в домашних условиях у вашего соседа вряд ли окажется
своя беспроводная сеть или хотя бы ноутбук с беспроводным адаптером,
то в офисном здании, где на одном этаже размещается несколько офисов
разных компаний, такая ситуация вполне реальна. А потому под соседями мы будем подразумевать соседей не только по квартире, но и по
офису.
Дабы не вводить их в искушение и обезопасить свою беспроводную
сеть от вторжения извне, можно использовать специальные направленные антенны, которые излучают сигнал преимущественно в одном направлении. Это позволит и увеличить дальность распространения сигнала в этом направлении, и ослабить или блокировать распространение
сигнала в других направлениях.
Немного теории антенн
Главными проблемами, возникающими при использовании беспроводных сетей стандарта 802.11b/g/а, можно назвать:
ŠŠнедостаточно стабильную связь, связанную со слабым уровнем
принимаемого сигнала;
ŠŠсильную зависимость скорости передачи от расстояния между беспроводным сетевым адаптером и точкой доступа.
Примечание.
Как отмечалось ранее, мощность передачи беспроводных устройств
стандарта 802.11b/g регламентируется законодательными актами.
Государственная комиссия по радиочастотам в своем решении №38 от
16 июля 1998 г. разрешила юридическим и физическим лицам применение
устройств, использующих технологию расширения спектра, в полосе
частот 2400—2483,5 МГц (то есть, устройств стандарта 802.11b/g)
для создания радиосетей передачи данных без частотного планирования и на безлицензионной основе, при максимальной эквивалентной
изотропно-излучаемой мощности (ЭИИМ) не больше 100 мВт.
В случае превышения этого показателя требуется получение в
Минсвязи лицензии на создание и эксплуатацию ведомственной радиосети передачи данных. Можно было бы конечно и забыть ознакомится с
этим постановлением, что для России вполне типично, если бы не одно
но. Дело в том, что согласно Статье 13.3 Кодекса Российской Федерации
об административных правонарушениях «Проектирование, строитель­
816_Antenni.indd 80
28.09.2011 14:10:44
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
81
ство, изготовление, приобретение, установка или эксплуатация радио­
электронных средств и (или) высокочастотных устройств без специ­
ального разрешения (лицензии), если такое разрешение (такая лицензия)
обязательно (обязательна), — влечет наложение административного
штрафа на граждан в размере от пяти до десяти минимальных размеров
оплаты труда с конфискацией радиоэлектронных средств и (или) высо­
кочастотных устройств или без таковой; на должностных лиц — от де­
сяти до двадцати минимальных размеров оплаты труда с конфискацией
радиоэлектронных средств и (или) высокочастотных устройств или без
таковой; на юридических лиц — от ста до двухсот минимальных раз­
меров оплаты труда с конфискацией радиоэлектронных средств и (или)
высокочастотных устройств или без таковой».
Основные характеристики направленных внешних антенн
Итак, рассмотрим более подробно основные характеристики усиливающих внешних антенн. Несмотря на то, что все внешние антенны называются усиливающими и характеризуются коэффициентом усиления,
на самом деле они не увеличивают мощность передаваемого сигнала (как
многие ошибочно считают).
То есть, если мощность передатчика, к примеру, составляет 100 мВт,
то какую бы антенну мы не поставили, мощность передаваемого сигнала
от этого не изменится.
Примечание.
Дело в том, что все антенны подобного рода являются пассивными и брать
энергию для усиления передаваемого сигнала им попросту неоткуда.
Поэтому не будем путать антенны с ретрансляторами сигналов. В чем
же тогда заключается эффект усиления сигнала передающей антенной?
Представьте себе лампочку, освещающую помещение в комнате. Свет
от этой лампочки распространяется приблизительно равномерно по всем
направлениям, от чего во всей комнате становится светло. Однако, ту же
самую лампочку можно установить в фонарь, создав параболический
зеркальный отражатель позади лампочки.
В этом случае мы получим направленное распространение света (луч
света). Такой луч света не будет освещать всю комнату, зато способен
передать свет на значительно большее расстояние. Именно по такому
принципу работают и внешние антенны. Они не изменяют мощности
передаваемого сигнала, но меняют диаграмму его направленности.
Антенны излучают энергию во всех направлениях. Однако в большинстве случаев эффективность передачи сигнала для различных направлений неодинакова и характеризуется диаграммой направленности.
816_Antenni.indd 81
28.09.2011 14:10:44
82
Антенны. Практическое руководство
В идеальном случае изотропной антенны, то есть точечной антенны,
излучающей энергию одинаково по всем направлениям, диаграмма направленности представляет собой сферу, центр которой совпадает с положением точечной антенны.
Как правило, диаграммы направленности антенн представляются как
два двухмерных поперечных сечения трехмерной диаграммы: горизонтальное и вертикальное сечения. В этом случае диаграмма направленности представляет собой замкнутую линию в полярной системе координат,
построенную таким образом, чтобы расстояние от антенны (центр диаграммы) до любой точки диаграммы направленности было бы прямо пропорционально энергии, излучаемой антенной в данном направлении.
Направление максимального излучения
называется главным лепестком антенны.
Главны й
0
330
30
лепесток Остальные лепестки диаграммы направленности антенны являются боковыми, а лепесток
300
60
излучения в сторону, обратную главному на270
90
правлению, называется задним лепестком диаграммы направленности антенны (рис. 4.1).
240
120
Нетрудно рассчитать, что мощности
Задний
100 мВт соответствует мощность 20 дБм, а
210
150
180
лепесток
мощности 50 мВт — мощность 17 дБм.
Рис. 4.1. Диаграмма
Диаграмму направленности антенны такнаправленности антенны
же можно характеризовать децибелами, выбирая в качестве эталонной диаграмму изотропного источника. В этом
случае говорят об изотропных децибелах (дБи). Именно в этих единицах
измерения принято выражать коэффициент усиления антенны.
Определение.
Коэффициент усиления антенны определяется как отношение мощности сигнала, излученного в определенном направлении, к мощности
сигнала, излучаемого идеальной ненаправленной (изотропной) антенной в любом направлении.
То есть, если коэффициент усиления антенны в заданном направлении составляет 5 дБи, то это означает, что в данном направлении мощность излучения на 5 дБ (в 3,16 раза) больше, чем мощность излучения
идеальной изотропной антенны.
Естественно, что увеличение мощности сигнала в одном направлении
влечет за собой уменьшение мощности в других направлениях. Таким образом, коэффициент усиления характеризует направленность сигнала, а
не увеличение выходной мощности по отношению к входной мощности.
Поэтому данный параметр также называют коэффициентом направленного действия.
816_Antenni.indd 82
28.09.2011 14:10:44
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
83
Конечно, когда говорят, что коэффициент усиления антенны составляет 10 дБи, то имеется в виду направление, в котором достигается максимальная мощность излучения (главный лепесток диаграммы направленности).
Примечание.
Изменение диаграммы направленности антенны влечет за собой изменение максимального расстояния, на которое можно передать сигнал.
Кроме того, в сравнении с изотропной антенной, в зоне главного лепестка диаграммы направленности достигается более высокий уровень
сигнала, а, следовательно, и большая скорость передачи.
Примечание.
Любую изотропную антенну можно самостоятельно превратить в
направленную, используя для этого отражающий экран (рефлектор).
Ничего сложного в этом нет, и многие энтузиасты занимаются этим,
изготовляя забавные антенны из консервных банок и других подручных
материалов. Но то же самое по свойствам можно купить в заводском исполнении. Ведь такие внешние направленные антенны предлагаются в
качестве аксессуаров многими компаниями-производителями беспроводного оборудования.
4.3. Основные типы Wi-Fi антенн
В плане размещения и использования все антенны для Wi-Fiустройств можно условно разделить на два больших класса:
ŠŠантенны для наружного (outdoor) применения
ŠŠантенны для внутреннего применения (indoor).
Отличаются эти антенны, прежде всего, своими габаритами и коэффициентом усиления. Естественно, антенны для наружного использования
больше по размерам и предусматривают форму крепления либо к стене
дома, либо к вертикальному столбу. Высокий коэффициент усиления в
таких антеннах достигается за счет малой ширины диаграммы направленности (главного лепестка).
Внешние антенны применяются, как правило, для связи двух беспроводных сетей, находящихся на большом расстоянии друг от друга. Две
такие антенны устанавливаются в зоне прямой видимости.
Примечание.
В данном случае важно, чтобы каждая из них находилась в зоне главного
лепестка диаграммы направленности другой антенны.
816_Antenni.indd 83
28.09.2011 14:10:44
84
Антенны. Практическое руководство
Антенны для внутреннего использования меньше по размерам и обладают меньшим коэффициентом усиления. Такие антенны либо устанавливаются на столе, либо крепятся к стене или непосредственно к точке доступа.
К самой точке доступа антенны могут подсоединяться либо напрямую, либо с помощью кабеля. При этом для подсоединения антенны или
кабеля к точке доступа предназначен специальный миниатюрный SMAразъем. На точках доступа применяется разъем типа Male, а на самой
антенне или антенном кабеле — разъем типа Female.
Для соединения антенны наружного применения с кабелем могут использоваться и другие типы высокочастотных разъемов — чаще всего
это разъем N-типа.
Устройство штыревой антенны
Все точки доступа стандарта 802.11b/g комплектуются штатными миниатюрными штыревыми антеннами, которые могут быть как съемными, так и стационарными. Штыревая антенна представляет собой самый
простой вариант антенны. Ее часто называют также несимметричным
вибратором.
Если штыревую антенну расположить вертикально, то в горизонтальной плоскости она будет излучать энергию во все стороны равномерно,
поэтому в горизонтальной плоскости такая антенна является всенаправленной и, естественно, говорить о преимущественном излучении в определенном направлении не приходится.
В то же время в вертикальной плоскости такая антенна излучает неравномерно. В частности, излучение вдоль оси антенны вообще отсутствует. Именно поэтому даже в случае простейшей штыревой антенны можно
выделить направления, соответствующие максимальному усилению.
Примечание.
Для штыревых антенн максимальное усиление достигается в плоскости, перпендикулярной антенне и проходящей через ее середину.
Если разобрать штатную штыревую антенну, то в большинстве случаев окажется, что длина ее активной части составляет всего 31 мм.
Естественно, такая длина выбрана не случайно. Дело в том, что частотный диапазон для Wi-Fi-устройств составляет от 2400 до 2473 МГц.
Соответственно, длина волны излучения варьируется от 12,12 до 12,49 см,
а четверть длины волны приблизительно равна 31 мм. То есть в большинстве случаев длина штыревой антенны выбирается равной четверти длины волны излучения.
816_Antenni.indd 84
28.09.2011 14:10:44
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
85
Разновидности внешних антенн по направленным свойствам
В настоящее время имеется широкий ассортимент антенн Wi-Fi 2,4 ГГц
промышленного изготовления с высоким коэффициентом усиления. Их
можно разделить на четыре группы:
ŠŠвсенаправленные;
ŠŠнаправленные;
ŠŠпанельные;
ŠŠсекторные.
Группа 1. Всенаправленные антенны 2,4 ГГц используются для построения базовых станций, что позволяет подключать пользователей как на маленьких, так и на максимально больших расстояниях. Такие антенны обладают повышенной прочностью и маленькими размерами.
Например, к всенаправленным антеннам относятся: RN-12 omni,
D-Link ANT24-0800.
Группа 2. Направленные антенны 2,4 ГГц предназначаются для соединений точка/точка, радиус действия 0,1—50 км. Из направленных антенн
стоит выделить:
ŠŠсегментно-параболические (решетки);
ŠŠплоские панельные;
ŠŠантенны поверхностной волны.
Примечание.
Каждая антенна Wi-Fi имеет как свои преимущества, так и свои недостатки, поэтому рекомендуется наиболее подходящий вариант выбирать для каждого конкретного случая.
Например, к направленным антеннам 2,4 ГГц относятся: Quantum Offset 11,
Quantum Parabolic 27, Quantum Parabolic 24, Quantum Parabolic 17.
Группа 3. Панельные антенны 2,4 ГГц предназначаются для подключения на небольшие расстояния 1—5 км, располагают очень удобным креплением при монтаже на любую поверхностную плоскость. Панельные
антенны не нуждаются в дополнительной грозозащите, изолятором в
антенне является воздух.
Например, к панельным антеннам 2,4 ГГц относятся: Maximus 10.5
Panel 17 дБи 2,4 ГГц, AntenaBOX 2,4 ГГц, Quantum Panel 18.
Группа 4. Секторные антенны 2,4 ГГц, как и всенаправленные, предназначаются для построения базовых станций с определенным радиусом
покрытия, чаще всего используют 60°, 90°, 120°, 180°. В сравнении с всенаправленными антеннами, секторные антенны покрывают небольшое
расстояние и являются хорошим решением для покрытия: парковок, публичных точек доступа, складских помещений, территорий предприятий.
Например: секторная антенна RN-16-120.
816_Antenni.indd 85
28.09.2011 14:10:44
86
Антенны. Практическое руководство
4.4. Всенаправленные Wi-Fi антенны
Особенности применения всенаправленных Wi-Fi антенн
Всенаправленная внешняя Wi-Fi антенна — отличное решение для
локальной сети. При растущем количестве абонентов всенаправленные
антенны выступают наиболее оптимальным вариантом.
Примечание.
Огромный радиус действия и высокая надежность обеспечивают уверенную связь вне зависимости от места расположения клиента.
Впоследствии внешняя всенаправленная антенна Wi-Fi может быть
сменена секторным аналогом.
Для обеспечения подключения в офисе подойдет внутренняя всенаправленная антенна. Это устройство также обладают исключительно
положительными характеристиками. И даже при наличии нескольких
десятков сотрудников внутренняя всенаправленная антенна обеспечит
бесперебойный доступ к сети.
Всенаправленные антенны Wi-Fi довольно часто
используются в тех случаях, когда идет постоянное
увеличение количества абонентов у провайдеров
Wi-Fi сетей, особенно когда неизвестно точное расположение новых абонентов.
Очень удобно использовать всенаправленные антенны Wi-Fi при покрытии связью новой территории, потом вместо них можно поставить несколько
секторных антенн, чтобы соединения были более
стабильными при большом количестве клиентов.
Всенаправленная антенна Wi-Fi RN-12 OMNI
Рис. 4.2. Внешний
вид всенаправленная
антенна
Wi-Fi RN-12 OMNI
816_Antenni.indd 86
Всенаправленная антенна Wi-Fi RN-12 OMNI
(рис. 4.2) с усилением 12 дБ, высокоэффективная
в работе и качественного изготовления, поможет
значительно снизить расходы при построении беспроводной сети. Высокое качество изготовления,
большое усиление 12 дБ и обеспечение стабильной
связью, делают эту антенну отличным решением
для операторов.
28.09.2011 14:10:44
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
87
Всенаправленная антенна
Wi-Fi D-Link ANT24-0800
D-Link ANT24-0800 (рис. 4.3) подключается к беспроводным устройствам, работающим в частотном диапазоне 2,4 ГГц для увеличения площади покрытия беспроводной
сети.
Данная модель имеет 360градусную зону охвата (в горизонтальной плоскости) и
15-градусную зону охвата по Рис. 4.3. Внешний вид всенаправленная антенна
Wi-Fi D-Link ANT24-0800
вертикали.
D-Link ANT24-0800 поставляется с кабелем-переход­ником, позволяющим подключать антенну к беспроводным устройствам с реверсным
разъемом SMA.
Корпус антенны сделан устойчивым к погодным явлениям, что позволяет использовать ее не только внутри помещений. Антенна также имеет
шарнирное соединение, позволяющее точнее настроить угол наклона антенны для хорошего приема.
Эта антенна была разработана для увеличения радиуса покрытия беспроводной сети на частоте 2,4 ГГц. Эта модель всенаправленной антенны
Wi-Fi обладает охватом:
ŠŠ360° по горизонтали;
ŠŠ15° по вертикали.
Полностью комплект содержит следующие детали: набор для крепления антенны, блок для защиты от грозы и заземления, кабельпереходник.
Корпус антенны сделан из специального материала, который обладает
высокой устойчивостью к погодным явлениям, что позволяет использовать D-Link ANT24-0800 не только внутри помещений, но и на улице.
Характеристики всенаправленной антенны Wi-Fi D-Link ANT24-0800:
ƒƒ
рабочий диапазон частот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2,4—2,5 ГГц;
ƒƒ
усиление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 дБи;
ƒƒ
КСВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2,0 max;
ƒƒ
поляризация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . линейная, вертикальная;
ƒƒ
диаграмма направленности по горизонтали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360o;
ƒƒ
диаграмма направленности по вертикали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15o;
ƒƒ
наклон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40o;
ƒƒ
подводимая мощность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Вт;
ƒƒ
сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Ом;
ƒƒ
разъем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . N-type female (мама);
ƒƒ
кабель-переходник, длина 0,5 м. . . . . . . . . . . . . . N-type male (папа) в RP-SMA;
816_Antenni.indd 87
28.09.2011 14:10:45
88
Антенны. Практическое руководство
ƒƒ
диапазон рабочих температур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . от −40 oC до 80 oC;
ƒƒ
водонепроницаемый корпус для внешнего использования;
ƒƒ
влажность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100% при 25 oC;
ƒƒ
цвет . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . бело-серый;
ƒƒ
материал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fiberglass;
ƒƒ
вес . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 г.;
ƒƒ
размеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . диаметр 9×630 мм
Теоретическое расстояние передачи при скорости 1 Мбит/с/11 Мбит/с
составляет:
ŠŠпри работе с внутренними точками доступа . . . . . . . до 1,2 км/400 м;
ŠŠпри работе с внешними точками доступа . . . . . . . . . . . до 2 км/600 м.
Этот расчет расстояния основан на мощности передатчика 15 дБм
(внутриофисные ТД), 19 дБм (внешние ТД) со стандартными потерями
в кабеле. Расстояние передачи может зависеть от обеих антенн с одинаковыми характеристиками с учетом стандартных потерь в кабеле.
Эффективный радиус действия основан на понятии EIRP.
Определение.
EIRP или Effected Isotropic Radiation Power — это мощность передатчика устройства плюс коэффициент усиления антенны минус потери
в кабеле.
На радиус действия могут влиять факторы окружающей среды.
4.5. Направленные антенны
Направленная сегментно-параболическая антенна
Quantum Parabolic 24
Направленная сегментно-параболическая антенна Quantum Parabolic
24 (рис. 4.4) функционирует в диапазоне 2,2—2,8 ГГц (BLUETOOTH,
DECT, Wi-Fi и MMDS и т. д.). Очевидным преимуществом антенны данного типа является бесперебойное обеспечение высокоскоростной и качественной передачи радиосигналов по современной технологии Wi-Fi и
RadioEthernet:
ŠŠстандарт 802.11b до 11 Мбит/с;
ŠŠстандарт 802.11g до 54 Мбит/с.
Сегментно-параболическая антенна Quantum Parabolic 24, созданная
на основе передовых технологий, обладает массой преимуществ: высокое
качество передачи, надежность и долгая работа, проверенная временем.
Направленную антенну Wi-Fi Quantum Parabolic 24 целесообразно
использовать для приема и передачи узкополосных и широкополосных
816_Antenni.indd 88
28.09.2011 14:10:45
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
89
радиосигналов диапазона 2,4—2,5 ГГц и для
создания беспроводных сетей. Таким образом, передача информации возможна на любом оборудовании, поддерживающем стандарты: 802.11g, 802.11n и 802.11b.
Нужно отметить, что антенна Quantum
Parabolic 24 является самой популярной антенной, которая эксплуатируется для устаРис. 4.4. Внешний вид
направленной сегментноновки удаленных клиентских точек доступа.
параболической антенны
Сама по себе параболическая антенна вклюQuantum Parabolic 24
чает в себя:
ŠŠлогопериодический облучатель;
ŠŠсегментно-параболический отражатель, который имеет специальную сетчатую структуру.
Благодаря такому продуманному строению, парусность и вес антенны значительно снижены. Более того, усовершенствованная конструкция
антенны позволяет достичь максимального коэффициента усиления на
уровне 24 дБи при малом размере отражательного зеркала.
В комплекте поставки антенны имеется удобное крепление, с помощью которого антенна быстро монтируется на мачте диаметром 30—
40 мм. Quantum Parabolic 24 покрыта специальной влагоустойчивой и
антикоррозионной смазкой, которая способствует эффективной и долговременной работе антенны даже во время проливного дождя.
Технические характеристики антенны:
ƒƒ
рабочий диапазон частот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2400—2500 МГц;
ƒƒ
коэффициент усиления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 дБи;
ƒƒ
соотношение мощности излучения в передней и задней полусферах . 21 дБи;
ƒƒ
ширина диаграммы направленности на уровне −3 дБ . . . . . . . . . . . . . . . . . 10°;
ƒƒ
КСВН . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,13;
ƒƒ
волновое сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Ом;
ƒƒ
разъем по заказу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Male, Female N-типа;
ƒƒ
поляризация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . верт., гориз.;
ƒƒ
вес антенны с креплением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3,3 кг;
ƒƒ
размер антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58×77 см;
ƒƒ
материал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . сталь;
ƒƒ
атмосфероустойчивое покрытие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . порошковая эмаль;
ƒƒ
максимальная скорость ветра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 м/с;
ƒƒ
диаметр мачты для установки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30—40 мм;
ƒƒ
производство Украина, Харьков.
816_Antenni.indd 89
28.09.2011 14:10:45
90
Антенны. Практическое руководство
Направленная сегментно-параболическая антенна
Quantum Parabolic 17
Направленная сегментно-параболическая Wi-Fi антенна Quantum
Parabolic 17 (рис. 4.5) предназначена для приема и передачи беспроводных радиосигналов диапазона 2400—2500 МГц. Причиной высокой популярности данного продукта на рынке послужило постепенное удешевление стоимости и широкое распространение беспроводного сетевого
оборудования, которое работает в диапазоне 2,2—2,8 ГГц (Wi-Fi, DECT,
BLUETOOTH и MMDS и прочее).
Следует отметить, что антенны подобного типа обеспечивают качественную и
быструю передачу радиосигналов по технологии Wi-Fi и RadioEthernet:
ŠŠстандарт 802.11b до 11 Мбит/с;
ŠŠстандарт 802.11g до 54 Мбит/с.
Антенна также применяется для создания беспроводных сетей передачи информации на любом оборудовании, которое
поддерживает стандарты: 802.11b, 802.11g
и 802.11n.
Рис. 4.5. Внешний вид
Параболическая антенна представлянаправленной сегментнопараболической антенны
ет собой логопериодический облучатель
Quantum Parabolic 17
и сегментно-параболический отражатель
с сетчатой структурой. Такое строение позволяет снизить парусность и
вес антенны. Более того, модернизированная конструкция позволяет достигнуть максимального коэффициента усиления на уровне 17 дБи при
небольшом размере отражательного зеркала.
При помощи крепления, которое входит в комплект поставки, антенна
Quantum Parabolic 17 монтируется на мачте диаметром около 30—40 мм.
Антенна имеет специальное влагоустойчивое, антикоррозионное покрытие, которое обеспечивает максимальную защиту от неблагоприятных
воздействий окружающей среды.
Технические характеристики антенны:
ƒƒ
рабочий диапазон частот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2400—2500 МГц;
ƒƒ
коэффициент усиления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 дБи;
ƒƒ
соотношение мощности излучения в передней и задней полусферах . 14 дБи;
ƒƒ
ширина диаграммы направленности на уровне −3 дБ . . . . . . . . . . . . . . . . . 10°;
ƒƒ
КСВН . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,13;
ƒƒ
волновое сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Ом;
ƒƒ
разъем по заказу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Male, Female N-типа;
ƒƒ
поляризация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . верт., гориз.;
816_Antenni.indd 90
28.09.2011 14:10:45
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
91
ƒƒ
вес антенны с креплением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2,3 кг;
ƒƒ
размер антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48×60 см;
ƒƒ
материал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . сталь;
ƒƒ
атмосфероустойчивое покрытие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . порошковая эмаль;
ƒƒ
максимальная скорость ветра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 м/с;
ƒƒ
диаметр мачты для установки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30—40 мм.
Сегментно-параболическая антенна Quantum Parabolic 27
Направленная сегментно-параболическая антенна Quantum Parabolic 27 (рис. 4.6) имеет такие характеристики:
ƒƒ
рабочий диапазон частот . . . . . . 2400—2500 МГц;
ƒƒ
коэффициент усиления . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 дБи;
ƒƒ
соотношение мощности излучения
в передней и задней полусферах . . . . . . . . . 24 дБи;
ƒƒ
ширина диаграммы направленности
Рис. 4.6. Внешний вид
(на уровне −3 дБ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10°;
направленной сегментноƒƒ
КСВН . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,13;
параболической антенны
Quantum Parabolic 27
ƒƒ
волновое сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Ом;
ƒƒ
разъем по заказу . . . . . . . . . . Male, Female N-типа;
ƒƒ
поляризация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . вертикальная, горизонтальная;
ƒƒ
вес антенны с креплением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4,5 кг;
ƒƒ
размер антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71×103 см;
ƒƒ
материал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . сталь;
ƒƒ
атмосфероустойчивое покрытие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . порошковая эмаль;
ƒƒ
максимальная скорость ветра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 м/с;
ƒƒ
диаметр мачты для установки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30—40 мм;
ƒƒ
производство . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Украина, Харьков.
Облучатель для офсетных зеркал Quantum Offset 11
Quantum Offset 11 — облучатель для офсетных зеркал с рабочим диапазоном частот 2400—2500 МГц. Подходит к стандартному креплению
конвертора на спутниковых тарелках различного диаметра (рис. 4.7).
Характеристики облучателя для офсетных зеркал Quantum Offset 11:
ƒƒ
полоса частот. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2400—2500 МГц;
ƒƒ
поляризация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . горизонтальная / вертикальная;
ƒƒ
усиление. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11,5 дБ;
ƒƒ
сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Ом;
ƒƒ
КСВ, не более. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,3;
ƒƒ
максимальная подводимая мощность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Вт;
ƒƒ
температурный режим и влажность. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . −40...+50 (100%);
ƒƒ
ширина диаграммы направленности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50°/45° (В/Г).
816_Antenni.indd 91
28.09.2011 14:10:45
92
Антенны. Практическое руководство
а
б
в
Рис. 4.7. Облучатель для офсетных зеркал Quantum Offset 11:
а — внешний вид облучателя со стороны зеркала;
б — внешний вид облучателя со стороны разъема; в — разъем N-female
4.6. Панельные Wi-Fi антенны
Панельная антенна Maximus 10.5 Panel
Рабочий диапазон частот 2400—2500 МГц. Поляризация — линейная
(вертикальная, горизонтальная). Коэффициент усиления — 17 дБи. Угол
направленности панельной антенны в обеих поляризациях составляет
20°. Коэффициент стоячей волны (КСВ) — от 1,2 до 1,4. Производство —
Польша.
В комплекте с антенной идет поворотное крепление на мачту!
Панельная антенна Maximus 10.5 Panel рассчитана для работы, например, с точкой доступа Ubiquiti Bullet2.
Панельная антенна AntenaBOX
Панельная антенна AntenaBOX 2.4 ГГц (рис. 4.8) имеет усиление
14 дБ, диапазон частот 2400—2480 МГц, собрана в гермобоксе для WiFi соединений. КСВ антенны не превышает 1,5.
Поляризация — вертикальная и горизонтальная.
Разъем на антенне — RP-SMA папа. В комплект
также входят — крепление на мачту 30 — 50 мм
и 10 см пигтейл RP-SMA мама / RP-SMA мама.
Идеально подходит для использования с Microtik
RouterBoard 411 серией.
Размеры: внутренний — 170×166×40 мм, внешний 188×202×83 мм.
Рис. 4.8. Внешний вид
панельной антенны
AntenaBOX
816_Antenni.indd 92
28.09.2011 14:10:45
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
93
Панельная антенна Quantum Panel 18
Панельная антенна Quantum Panel 18
(рис. 4.9) имеет рабочий диапазон частот
2400—2500 МГц. Коэффициент усиления —
18 дБи. КСВ — не выше 1.3. Разъем по заказу — Male, Female N-типа (стандарт — мама).
Поляризация — вертикальная, горизонтальРис. 4.9. Внешний вид
ная (16°, 45°). Размер: 490 мм × 220 мм. Вес —
панельной антенны
1 кг.
Quantum Panel 18
4.7. Секторные Wi-Fi антенны
Особенности применения секторных антенн
Для распределения нагрузки на беспроводную сеть Wi-Fi, состоящую
из большого числа клиентских устройств, достаточно часто используют
секторные Wi-Fi антенны.
Преимущества секторных Wi-Fi антенн очень велики. Высокий коэффициент усиления, большая помехозащищенность от других передатчиков Wi-Fi, небольшие
габариты — все это способствует широкому их применению при построении беспроводных сетей.
Секторными антеннами очень легко регулировать
зоны покрытия передатчиков практически без ущерба
для остальных сегментов Wi-Fi сети.
Секторная антенна RN-16-120
Рассмотрим секторную Wi-Fi антенну RN-16-120
(рис. 4.10) с усилением 16 дБ и углом раскрыва 120° в
горизонтальной плоскости.
Радиочастотные характеристики антенны RN-16-120:
ƒƒ
диапазон рабочих частот. . . . . . . . . . . . . . . 2400—2485 МГц;
ƒƒ
тип . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . секторная;
ƒƒ
поляризация . . линейная (горизонтальная, вертикальная);
ƒƒ
усиление. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 дБи;
ƒƒ
КСВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4:1;
ƒƒ
диаграмма направленности. . . . . . H-plane 120° E-plane 10°;
ƒƒ
волновое сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Ом;
ƒƒ
тип разъема. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . N-тип (мама).
В разных условиях установки данная антенна показывает разные результаты. В частности, при использо-
816_Antenni.indd 93
Рис. 4.10.
Внешний вид
секторной
антенны
RN-16-120
28.09.2011 14:10:45
94
Антенны. Практическое руководство
вании на «раздачу» D-Link DWL-G700AP (не перешитый) и на прием в
качестве клиентских устройств D-Link DWA-510 и тех же D-Link DWLG700AP (режим репитера) была уверенная связь в городской местности
(зашумленный эфир) 0,5—5 км на скорости 5—15 Мбит/с.
Антенна секторная RFE 2500/90/14
Секторная антенна RFE 2500/90/14
(рис. 4.11) предназначена для построения сетей стандарта Wi-Fi , WIMAX. Используется в
составе базового оборудования. Рабочий интервал температур −80 до +80°. Антенна снабжена наклонным механизмом.
Радиочастотные характеристики антенны
RFE 2500/90/14:
ƒƒ
диапазон частот . . . . . . . . . . . . . 2300—2700 МГц;
ƒƒ
коэффициент усиления . . . . . . . . . . . . . . 15,5 дБи;
ƒƒ
максимально подводимая мощность . . . . 50 Вт;
ƒƒ
ширина диаграммы направленности
Рис. 4.11. Внешний вид
секторной антенны
RFE 2500/90/14
в вертикальной плоскости . . . . . . . . . . . . . . . 16°;
ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости . . . . . 60°;
ƒƒ
ƒƒ
входное сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Ом;
ƒƒ
КСВ в раб. диапазоне частот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . не более 1,5;
ƒƒ
заднее излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . −25 дБ;
ƒƒ
диаметр мачты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30—120 мм;
ƒƒ
масса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,8 кг;
ƒƒ
длина×ширина×высота . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450×170×45 мм;
ƒƒ
макс. скорость ветра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 м/с;
ƒƒ
поляризация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . вертикальная;
ƒƒ
диапазон рабочих температур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . −80° +80°;
ƒƒ
разъем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . розетка N типа;
ƒƒ
вход антенны замкнут . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . по постоянному току.
4.8. Внешние Wi-Fi адаптеры USB
Особенности применения внешних Wi-Fi адаптеры USB
Внешне WIFI адаптер USB для ноутбука или настольного ПК крайне схож с «флешкой». Однако это устройство совершенно иного класса,
предназначенное для иных целей. Внешний USB Wi-Fi адаптер (D-Link и
т. п.) используется для подключения устройства к WIFI сети. При этом
компактность и миниатюрность данного решения делают его незаменимым в ряде случаев.
816_Antenni.indd 94
28.09.2011 14:10:45
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
95
Несмотря на свою миниатюрность D-Link Wi-Fi адаптер USB способен
обеспечить приличную скорость. Сегодня распространены USB Wi-Fi
адаптеры n стандарта (802.11 n).
Однако Wi-Fi адаптер 802.11 g USB способен обеспечить более высокую скорость работы. Поэтому пользователи все чаще ищут именно эти
устройства.
Примечание.
В режиме «турбо» USB PCI Wi-Fi адаптер 802.11 g может работать на
скорости до 108 Мбит/с. Этого достаточно даже для сетевых игр, не
говоря уже о передаче данных или скачивании файлов.
TP-LINK TL-WN422G
TP-LINK TL-WN422G — беспроводной USB адаптер обеспечивает пользователю широкую свободу использования персонального компьютера или
ноутбука, без необходимости прокладки сетевого кабеля (рис. 4.12).
Мощная отсоединяемая антенна позволяет обеспечить высокое качество сигнала на значительных расстояниях и в неблагоприятном окружении. Сигнал может быть получен даже от источника, который находится
на расстоянии двух этажей. Адаптер можно соединить непосредственно
с ноутбуком, или расположить на столе. Компактные размеры адаптера
позволяют использовать его в качестве переносного USB-адаптера.
Возможности устройства позволяют ему вести передачу сигнала на
скорости до 54 Мбит/с, а при необходимости — переключаться на более
низкие скорости. Такая необходимость может возникнуть в связи с увеличением расстояния до источника, а также при наличии электромагнитных помех. Устройство может также работать с устройствами 11 Mbps
wireless (802.11b).
Беспроводное соединение защищено 256-битным шифрованием, что
обеспечивает необходимую секретность передаваемой информации.
Поддержка PSP-соединения позволяет обеспечить высокое качество при
использовании онлайн-версий
игр.
TL-WN422GC имеет USB-порт
и снабжается 1,5-метровым кабелем, что позволяет оптимизировать использование USB-портов,
и обеспечить длину соединения
до 5 метров. Устройство удобно
в подключении и отключении.
Рис. 4.12. Внешний вид USB Wi-Fi адаптера
TP-LINK TL-WN422G
Стильный и элегантный дизайн
816_Antenni.indd 95
28.09.2011 14:10:45
96
Антенны. Практическое руководство
позволяет использовать адаптер как в дома, так и в офисе, не сказываясь
отрицательно на внешнем виде интерьера.
D-Link DWA-120
D-Link DWA-120 (рис. 4.13) — беспроводной USB-адаптер, который
может работать на скорости до 108 Мбит/с. Рассмотрим показатели производительности. Он предназначен для подключения персонального
компьютера или ноутбука к беспроводной
сети.
При помощи этого устройства пользователи компьютеров, на которых установлены беспроводные устройства стандарта
802.11g, смогут получить общий доступ к
фотографиям, видео, играм, таблицам, рабочим документам и прочим файлам.
Естественно, выставить файлы «на показ»
можно по желанию. Работая на максимальной скорости (турбо-режим — 108 Мбит/с)
поможет свести задержку сигнала к миниРис. 4.13. Внешний вид USB Wi-Fi
муму, что может быть очень важным при
адаптера D-Link DWA-120
использовании VoIP телефонии, или игре в
он-лайн игры.
Как уже говорилось выше, D-Link DWA-120 может работать в режиме
турбо, что делает его незаменимым для людей, которым, прежде всего,
необходимо быстрое и безопасное соединение. Безопасность соединений
с этим устройством обеспечивается тем, что D-Link DWA-120 может работать по протоколам связи WPA, WPA2 или WEP. Также стоит отметить,
что эта модель полностью совместима с более ранними беспроводными
устройствами стандарта 802.11b.
Мастер по быстрой установке поможет установить устройство в считанные минуты даже тому человеку, который мало знаком с беспроводными сетями. Также в комплекте имеется специальная программа, которая сможет определить все доступные беспроводные сети, и предоставить выбор, к какой из них подключиться.
Еще одна специальная утилита, которая входит в комплект на диске,
может вести статистику, и определить, к какой сети вы подключаетесь
чаще всего. Благодаря своей простоте, мобильности, скорости передачи
данных и цене, этот адаптер можно назвать одним из лучше адаптеров
для подключения вашего ПК к беспроводной сети.
816_Antenni.indd 96
28.09.2011 14:10:46
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
97
4.9. Адаптеры PCMCI и PCI
Дальнобойная карта-клиент Ubiquiti SR4C
Ubiquiti SR4C — дальнобойная карта-клиент под спецчастоту 4,9 ГГц
(Public Safety). Карта предназначена для сегмента рынка, поставляющего
беспроводное оборудование в спецдиапазоне 4,9 ГГц (Public Safety).
Устройства SuperRange4 с шиной Mini-PCI и карты-шины — это первые модульно одобренные радиомодули, разработанные под спецчастоту
4,9 ГГц (Public Safety). Обеспечивает очень высокую передающую мощность и качество приема сигнала, SR4/SR4C значительно расширяет сетевые возможности диапазона 4,9 ГГц. Высокопроизводительный, имеет
внешние антенные коннекторы и клиентский драйвер.
Беспроводной PCI-адаптер D-Link DWA-520
Беспроводной PCI-адаптер 802.11g до 108 Мбит/с D-Link DWA-520
(рис. 4.14) является одним из самых оптимальных беспроводных адаптеров. Он способен обеспечить скорость обмена информацией до 108 Мбит/с.
При правильной настройке беспроводной сети все пользователи смогут получить общий доступ к общим файлам,
будь то фотографии, видеозаписи и музыка или же важные таблицы, отчеты
и другие рабочие документы. Данный
адаптер также позволяет подключить
ваш персональный компьютер или но4.14. Внешний вид беспроводного
утбук к беспроводной сети, тем самым Рис.PCI-адаптера
D-Link DWA-520
наладить соединение с сетью Интернет.
Благодаря использованию новейшего стандарта 802g, D-Link DWA520 может работать в турбо-режиме. Это позволяет ему обмениваться
информацией с другим беспроводным устройством стандарта 802.11g на
скорости до 108 Мбит/с.
Вместе с устройством прилагается диск, на котором находится множество полезных программ, сделанных для того, чтоб установка и использование D-Link DWA-520 не вызывало дополнительных хлопот.
Среди этих программ имеется полезная утилита, в которой вы сможете установить и настроить вашу беспроводную сеть в режиме «шаг за
шагом». Также на диске имеется программа для поиска и подключения к
любой из доступных сетей. Помимо программ, которые облегчают процесс настройки, есть программы, которые максимально увеличат уровень
безопасности вашего беспроводного подключения.
816_Antenni.indd 97
28.09.2011 14:10:46
98
Антенны. Практическое руководство
4.10. Драйверы и ПО для Wi-Fi соединения
для различных ОС
Для поддержки работы роутеров Wi-Fi каждая операционная система
должна иметь определенный набор программного обеспечения. Итак, на
компьютерах с привычными всем операционными системами Microsoft
Windows для работы Wi-Fi необходим пакет драйверов, которые предоставляют производители ПК, а в некоторых случаях ОС сама уже приводит
оборудование в состояние готовности.
К примеру, если Windows XP требует установки драйверов, то ее
старшая сестра Windows Vista и последняя версия оперативной системы
от Microsoft Windows 7 по умолчанию поддерживает все современные
устройства Wi-Fi и протоколы шифрования.
Компьютеры и ноутбуки Mac OS X (все модели с 2006 года) изначально укомплектованы адаптерами для беспроводного интернета (технологию Wi-Fi также поддерживают телефоны iPhone и плееры iPod
Touch от Apple Inc.) Адаптер может работать в качестве точки доступа,
позволяя поддерживать связь между ПК Apple даже в отсутствии инфраструктуры.
Что касается операционных систем семейства BSD (OpenBSD, NetBSD,
FreeBSD), то они поддерживают работу Wi-Fi адаптеров (практически вех
моделей еще с 1998 года выпуска). Необходимый пакет драйверов обычно
уже включен в ОС.
Системы Gnu/Linux (начиная с версии 2.6) имеют поддержку Wi-Fi на
уровне самого ядра Linux: некоторые чипы включены в основную часть
ядра, а некоторые требуют дополнительных драйверов от производителя.
Если использовать драйвер NDISwrapper, позволяющий «переписывать» драйвера для Microsoft Windows под Linux, то возможностей поддержки других устройств для беспроводного Интернета становится еще
больше.
Таким образом, использование технологии Wi-Fi требует от каждой
операционной системы определенного программного обеспечения, благодаря которому вы сможете пользоваться беспроводным Интернетом.
Примечание.
Много интересной информации, дополняющей описание, можно посмотреть на сайтах http://byte-kuzbass.ru/seti/takoe/ и http://www.intuit.ru/
department/network/wifi/11/4.html.
816_Antenni.indd 98
28.09.2011 14:10:46
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
99
4.11. Самостоятельно изготавливаем Wi-Fi антенны
Панельная секторная антенна FA-20
120,5
60 60,5
120
36
64,5
18,5
Антенна (http://sterr.narod.ru) состоит из четырех конструктивных элементов: рефлектора (1), вибраторов двух типов (2, 3) и соединительной
шины (4), которая служит для соединения вибраторов. Рефлектор показан на рис. 4.15, остальные элементы — на рис. 4.16.
Для сборки антенны понадобятся:
ŠŠодносторонный фольгированный текстолит (для рефлектора);
ŠŠдвусторонний фольгированный текстолит (для вибраторов);
ŠŠполоска латунной или медной фольги (для шины);
ŠŠалюминиевый уголок 25×25 мм;
ŠŠзаклепки;
ŠŠF-коннектор.
1
54,5
111
Ж8
222
8х2(3)
490
Рис. 4.15. Чертеж рефлектора
54
27
27
12
6
43
2x2(3)
2
48
4
60,5
60
387
57
3
120
120,5
6
3
177
Рис. 4.16. Чертеж остальных элементов антенны
816_Antenni.indd 99
28.09.2011 14:10:46
100
Антенны. Практическое руководство
Прежде всего, нужно изготовить «корыто» рефлектора. Для этого вырезаем согласно чертежу прямоугольник из фольгированного текстолита
490×222 мм для дна, размечаем (кернить лучше всего со стороны фольги) и сверлим отверстия диаметром 2,5 мм под стойки для вибраторов,
залуживаем их. После этого изготавливаем бортики соответствующего
размера из алюминиевого уголка 25×25 мм, и крепим их заклепками с
обратной стороны рефлектора.
После сборки «корыта» рефлектора его можно немного усилить, проклеив уголки с обратной стороны монтажным скотчем, а вертикальные
швы, — склеив двухкомпонентным эпоксидным клеем.
После изготовления вибраторов необходимо из латунной или медной
фольги изготовить шину (4), при помощи которой позже соединим «хвосты» вибраторов.
Все элементы будущей антенны готовы, можно приступить к сборке.
Для этого нужно найти дистанционную прокладку под вибратор. Ее толщину подбирайте так, чтобы суммарная толщина текстолита и прокладки давала расстояние 6 мм между рефлектором и фольгой вибратора.
Для установки вибраторов лучше всего использовать ровную толстую
медную проволоку диаметром около 2 мм. Нарезаем ее на небольшие
куски, припаиваем их в отверстиях «корыта». Затем, подложив дистанционную прокладку рядом со стойкой, припаиваем один край вибратора, потом аналогично — другой, предварительно переместив прокладку.
Лишние части стоек откусываем.
Примечание.
При установке узкие вибраторы ставятся по краям, более широкие —
в центре.
После установки вибраторов закрепляем коннектор на «корыте» и соединяем «хвосты» вибраторов при помощи шины, аккуратно пропаивая
их, затем припаиваем центральную жилку коннектора к шине.
Проще всего прикреплять антенну к бруску, просверлив отверстия в
«корыте» между центральными вибраторами, и прикрутив ее при помощи шурупов или винтов. Если планируете закреплять антенну на трубе,
то лучше прикрепить заклепками к антенне с обратной стороны рефлектора алюминиевый уголок длиной около 30 см, затем прикрепить уголок
к мачте при помощи хомутов или стяжек.
Всенаправленная антенна «паук» для диапазона 2,4 ГГц
Всенаправленная антенна (http://www.wifiantenna.org.ua , перевод
Осадчего Я. А.) построена с использованием коннектора N-типа под винтовое крепление и нескольких коротких отрезков толстого медного про-
816_Antenni.indd 100
28.09.2011 14:10:46
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
101
2
32
вода, запаянных в угловых отИ золяция для
верстиях коннектора.
защ иты от
закорачивания
Излучающий элемент (проП ровод запаян
вод, припаянный в центре, или
в вы ем ке
проводник) имеет длину 32 мм,
10
что равняется четверти длины
волны, так же как и противо20
весы, припаянные в углах кон30°
нектора. Каждый противовес
укорочен до нужной длины и
изогнут вниз на 30 градусов по
И зогнуты й и
отношении к горизонту для созапаянны й в
отверстии
провод
ответствия волнового сопро7
16
тивления 50 Ом.
Эскиз конструкции антенны
Рис. 4.17. Конструкция антенны «паук»
представлен на рис. 4.17.
Прототипы этой антенны были сделаны автором Dave Gough с использованием более тонкого провода (жилы из 16-амперного провода
для домашней проводки). Но такая антенна оказалась слишком хрупкая
для хранения и использования в реальных условиях.
В результате было принято решение использовать более толстую и
жесткую проволоку, взятой из сетки для ограды, которая бы помещалась
в отверстиях N-коннектора. Его можно было согнуть только с использованием двух плоскогубцев. Это означало, что во время использования
он не прогнется даже под весом крупной птицы, если она усядется на
антенну.
Гнездо под пайку должно быть изначально залужено. Сложность может возникать при пайке в отверстиях для крепежа винтами.
Совет.
Пространство вокруг этих отверстий нужно сначала хорошо зачистить от защитного покрытия при помощи наждачной бумаги, затем
залудить зачищенные контактные поверхности, и только после этого
припаивать провод, для чего нужно, чтобы сам коннектор был хорошо
прогрет.
Это означает, что во время пайки коннектор становится очень горячим (позаботьтесь о том, чтобы коннектор был надежно закреплен, например, удерживая их при помощи круглогубцев), к счастью диэлектрик
(изолирующий пластик) не расплавился, как это случалось с более дешевыми коннекторами. Качество пайки было проверенно раскачиванием
деталей после остывания.
816_Antenni.indd 101
28.09.2011 14:10:46
102
Антенны. Практическое руководство
Примечание.
Следует отметить, что многие сделали антенну этой конструкции и
получили хорошие результаты.
Некоторые антенны выглядят значительно лучше прототипа, показанного выше. После того, как ее автор сделал первую антенну такой конструкции, он купил 90 Вт паяльник. Это намного упростило пайку.
Совет.
Рекомендуется при создании антенны использовать паяльник мощностью 80 Вт или больше.
Центральный проводник изолирован при помощи пластиковой изоляции, снятой с провода такого же диаметра. Изначально она не надевалась на излучатель полностью до диэлектрика. С того времени термоусадочная изоляция стала очень доступной и популярной, намного проще
использовать именно ее для того, чтобы заизолировать излучающий элемент до самого диэлектрика.
Примечание.
Отрезайте изоляцию под прямым углом и аккуратно, так как в случае неровного среза после нагревания изоляция может дать трещину,
которая увеличится со временем.
Эта антенна должна иметь волновое сопротивление 50 Ом. Некоторые
радиолюбители использовали этот дизайн с противовесами, которые
были отогнуты под углом 45°. Такое устройство антенны давало лучший
результат в достижении сопротивления в 50 Ом.
Внимание.
Если сопротивление неправильное, это может привести к повреждению усилителя или 802.11 карты, к которой подключена антенна.
Оригинальный прототип (с 30-ти градусными противовесами) продолжает работать в течение полутора лет.
Дня начала эксплуатации достаточно навинтить антенну на кабель и
надежно закрепить его. Такую установку позволяет коаксиальный кабель
URM67, который имеет толщину 10 мм и не сгибается. Антенна настолько прочная и легкая одновременно, что, похоже, кабель предоставляет
адекватное крепление сам по себе.
Банка для антенны Wi-Fi
С помощью нижеописанной банки (http://local.com.ua выложил Foster)
можно добиться связи двух D-Link 900AP+ на расстояние до 1 км. Для приготовления данного вида продукта потребуется банка, коннектор и кабель.
816_Antenni.indd 102
28.09.2011 14:10:46
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
103
Но не так все просто, как кажется. Во-первых, банка должна быть
определенных размеров, а во-вторых все должно быть проделано с филигранной точностью. Для начала нужно определиться с банкой. Она
должна быть ровной и гладкой. Размеры банки определяются очень простым способом.
Калькулятор выложен на многих сайтах, где рассматривается данная
антенна, например, по адресу http://local.com.ua/get/antenna2/1359/ или
http://www.wifiantenna.org.ua/antennas/cantenna/. Вид калькулятора представлен на рис. 4.18. Чертеж банки показан на рис. 4.19.
Рис. 4.18. Вид калькулятора
На рис. 4.19 величина 3,07 см — длина провода, припаянного к разъему. Данный провод должен быть в толщину 3 мм. Разъем — гнездо.
N-type или TNC. Кабель — любой, применяющийся в этом деле, лишь бы
затухание было поменьше.
Банку нужно закрыть крышкой, предварительно убедившись, что она
пропускает нужные нам волны.
V
d
L
3,07
Совет.
Сделать это можно так: берем
стакан с водой, накрываем этой
крышкой и засовываем в микроволновую печь. Когда вода существенно нагревается, пробуем
крышку, если она теплая, то она
нам не подходит, т. к. не пропускает эти волны.
Рис. 4.19. Банка для Wi-Fi
Антенна для WiMAX и Wi-Fi
Антенна рассмотрена на http://www.xakep.ru. Частоты работы Wi-Fi и
WiMAX абсолютно идентичны и равняются 2,4—2,7 ГГц. Отличие кроется в кодировке сигнала и мощности передатчика, но для данной антенны это совершенно неважно. Чтобы изготовить антенну, требуется
знать длину волны. По формуле из курса физики ее довольно просто
816_Antenni.indd 103
28.09.2011 14:10:46
104
Антенны. Практическое руководство
рассчитать. Достаточно разделить скорость света в вакууме на частоту
волны.
Длина волны составляет приблизительно 124 мм при 2,4 ГГц (начало
рабочей частоты) и 111 мм в конце диапазона на частоте 2,7 ГГц.
Совет.
Чтобы создать антенну, работающую одинаково на всем диапазоне
частот, рекомендуется сделать сторону квадрата равной 30,5 мм,
что составляет четвертьволновой диапазон.
,5
100
30
,5
30
Антенна состоит как бы из двух частей: рефлектора и резонатора.
Резонатор — это сам двойной квадрат со стороной в четверть длины волны,
а рефлектор — это металлическая часть, к которой все крепится.
Естественно, что среди радиолюбителей этот простой и доступный
вариант антенны используется уже не первый год, а сама эта система
придумана очень давно. Данная антенна способна дать усиление от +6 до
+10 дБ. Некоторые источники также сообщают, что если ее использовать
вместе с параболическим зеркалом (обычной спутниковой тарелкой), то
можно добиться усиления до +20 dB. Для WiMAX это означает халявный
Интернет на даче.
Начнем с резонатора. Для него
120
потребуется медная проволока диаметром 1,5—3 мм. Кроме нее могут
90°
пригодиться молоток, пассатижи, паяльник, припой, линейка, канифоль
или паяльный флюс, желательно
90°
90°
ЛТИ-120.
Сначала мы берем кусок проволоки
длиной 244 мм и размечаем его
Рис. 4.20. Антенна для WiMAX и Wi-Fi
через каждые 30,5 мм. Затем ты должен взять плоскогубцы и изгибать проволоку под углом в 90° на каждой
засечке. Для простоты смотри чертеж рис. 4.20.
Совет.
Необходимо проследить, чтобы отклонения в разные стороны были
минимальны, а проволока не перегибалась никуда в другую сторону.
Как только получился один квадрат, делаем второй, максимально на
него похожий, с другого конца. Угол между сторонами квадратов должен
составлять 90 градусов. В итоге должен получиться замкнутый контур.
Концы проволоки можно спаять вместе. Далее откладываем в стону резонатор и принимаемся за рефлектор. Его можно изготовить вообще из
чего угодно: из стенки корпуса от компьютера, старой завалявшейся железки, автомобильного номера...
816_Antenni.indd 104
28.09.2011 14:10:46
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
105
Примечание.
Однако автор разработки рекомендует использовать для этого
плату из фольгированного текстолита.
Во-первых, там используется медь, сопротивление которой ниже, чем
у железа, а во-вторых, текстолит способен выдерживать практически любые погодные условия. Это позволяет вывешивать антенну прямо на улице. Для данной антенны желательно использовать одностороннюю плату
120×100 мм, однако, как показывает практика, размер 100×100 мм тоже
вполне подходит.
На следующем этапе понадобится дрель и высокочастотный разъем N
типа в сборе. Следует измерить диаметр выбранного разъема и просверлить по центру платы отверстие для его вывода.
Примечание.
Разъем вставляется с пустой стороны, а его выход — с фольгированой.
После этого нужно просверлить еще отверстия сверлом небольшого
диаметра по креплениям разъема и привинтить его к плате. Подобные
винтики несложно найти в любом хозяйственном магазине.
К внутренней части разъема и к самой плате припаивается по два куска той же проволоки так, чтобы расстояние от рефлектора до конца любой из них составляло 2,5 см. Далее нужно взять резонатор и припаять
его к этим ножкам.
Совет.
Нужно сделать так, чтобы рефлектор и резонатор были параллельны
друг другу.
На этом изготовление антенны закончено, можно приступить к ее
подключению и настройке.
Снимаем верхнюю крышку модема. Делать это надо аккуратно, желательно тонкой отверткой или скальпелем. Начиная с одного конца, около
разъема USB, затем, медленно поддевая крышечку, продвигаемся дальше,
пока она не откроется с одной стороны.
Потом повторим ту же процедуру, но с другого конца. Снимаем крышку, открываются два маленьких разъема, заклеенных защитной бумажкой. Удаляем и ее! Если положить модем портом USB вниз, то нам нужен
левый разъем.
Внимание.
К правому разъему нельзя прикасайся!
816_Antenni.indd 105
28.09.2011 14:10:46
106
Антенны. Практическое руководство
Существует два пути: или покупать фирменный переходник, или сделать свой. Для чистоты эксперимента выбираем второй вариант. Берем
антенный переходник от маленького горелого ТВ-тюнера и немного его
модифицируем. Для этого удалением внутреннего пластикового кольца.
После этого подключаем его к проводу. Провод следует использовать
RG-6U, как наиболее подходящий по волновому сопротивлению. Чем меньше будет длина самого провода, тем меньше будут потери сигнала.
В данном случае надеваем на один из концов провода обычный телевизионный штекер, идеально подходящий к нашему самодельному переходнику. На второй была водружена прикручиваемая часть высокочастотного
разъема для подключения к антенне. После этого все соединяем вместе. У
фирменного переходника есть специальное крепление к модему, мы же использовали скрепку и две канцелярские резинки.
Далее следует подвесить антенну на улице. Авторы разработки использовали мачту от активной телевизионной антенны и ее крепление. После этого
надо подвести кабель к модему, и собрать все воедино.
Далее мы настраиваем антенну на точку доступа. Делается это просто:
крутим антенну потихонечку во все стороны и следим за уровнем сигнала. Найдя точку, где сигнал будет максимальным, закрепляем антенну как
можно сильнее.
Авторам разработки удалось добиться сигнала в 15 дБ там, где модем
без антенны ловил 3-4, иногда 5 дБ.
Компактная коллинеарная антенна Wi-Fi
Существует много сайтов с описанием процесса изготовления коллинеарных антенн на 2,4 ГГц, которые подходят для беспроводных сетей.
Тем не менее, эти антенны являются довольно сложными для изготовления т. к. состоят из множества отрезков коаксиального кабеля, которые
должны быть точно обрезаны по длине. Кроме того необходимо знать параметры кабеля, чтобы правильно рассчитать размеры элементов антенны.
Примечание.
Оригинал статьи, автор Martin Pot, расположен, например, по адресу
http://martybugs.net/. Перевод статьи отлично сделал Булдаков Алексей
и поместил его по адресу http://www.science21vek.ru/index.php/home/
electronic/wifidevices/125-compact-6dbi-collinear-antenna.
Некоторые экземпляры изготавливаются из латунных стержней и
медных труб, но все равно их очень тяжело изготавливать.
Проще изготовить вариант антенны этого типа, состоящий лишь из
медной проволоки, изогнутой надлежащим образом. Усиление — около
6 дБ. Эта версия коллинеарных антенн предоставляет целый ряд преиму-
816_Antenni.indd 106
28.09.2011 14:10:47
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
107
ществ по сравнению с изготовлением их из коаксиального кабеля. Они
требуют гораздо меньше усилий, чтобы их изготовить. В результате получаются небольшие и очень надежные антенны.
Примечание.
Хотя усиление в 6 дБ меньше, чем у восьмиэлементной коллинеарной
антенны из коаксиального кабеля, оно может быть улучшено за счет
увеличения числа элементов. Удвоение числа элементов увеличит усиление на 3 дБ, т. е. в два раза.
Требуемые материалы такие:
ŠŠприблизительно 300 мм медного провода диаметром 2,5 мм2;
ŠŠразъем TNC;
ŠŠ250 мм пластиковой трубки для водопровода 20 мм;
ŠŠ2 заглушки к 20 мм трубке;
ŠŠ2 фиксатора, чтобы установить антенну к мачте или металлическая
скобка.
Автор разработки купил электрический кабель 2,5 мм2. Жила такого
кабеля имеет диаметр приблизительно 1,6 мм, и достаточно гибка, чтобы выгнуть ее в необходимую форму без слишком большого усилия или
специального инструмента.
Эта коллинеарная антенна
l/2
3 l/4
< 3 l/4
91,5 м м
состоит из медного провода с
61 м м
83 м м
несколькими витками, расположенными в определенных местах. Размеры антенны важны, Рис. 4.21. Компактная коллинеарная антенна
и показываются на рис. 4.21.
Длина участка основания — 1/2 длины волны, средний участок — 3/4
длины волны, и верхний участок — немного меньше чем 3/4 длины волны.
802.11b стандарт использует частотный диапазон 2,412—2,484 МГц,
таким образом, в центре этого частотного диапазона, 1/2 длины волны —
61 мм, и 3/4 длины волны, — 91,5 мм.
Эти измерения, соответствуют подобным коммерческим антеннам.
Измерьте 1/2 длину волны от любого конца проволоки, и создайте
первый виток. Теперь отмерьте 3/4 длину волны, и сделайте второй виток.
Обрежьте лишнее.
Если вы намереваетесь использовать трубку диаметром 20 мм, чтобы
поместить в нее вашу антенну, убедитесь, что сохранили диаметр витков
приблизительно 15 мм или меньше, это гарантирует, что она поместится
в трубке (20 мм пластиковая труба имеет внутренний диаметр 16 мм).
Однако длинный медный провод не обладает достаточной жесткостью. Один из более простых способов устранить этот недостаток состоит в том, чтобы поместить антенну в кожух.
816_Antenni.indd 107
28.09.2011 14:10:47
108
Антенны. Практическое руководство
Внимание.
Нужно использовать материал, прозрачный для диапазона 2,4 ГГц,
иначе это может сильно ухудшить работу вашей антенны.
Автор разработки использовал трубку для водопровода длинной
250 мм и диаметром 20 мм, с двумя заглушками. Такая трубка для водопровода имеет внутренний диаметр 16 мм, поэтому витки плотно поместились в трубке.
Два маленьких изгиба около основания антенны нужны для того, чтобы витки, расположенные в центре и выше разъема, свободно вошли в
нашу трубку. Испытания показали, что эти изгибы не имеют никакого
влияния на работу антенны.
Чтобы собрать антенну, соответствующее отверстие следует просверлить в одной из заглушек, а после установки разъема припаять саму антенну с внутренней стороны. Теперь антенна может быть вставлена в трубку,
и вторая заглушка может быть установлена на место.
Примечание.
Если антенна должна использоваться на открытом воздухе, заглушки
должны быть приклеены на соответствующий клей для пластиковых
труб, это будет гарантировать защиту от непогоды и попадания
влаги. Причем антенна должна быть обязательно проверена перед
склеиванием.
Пластиковая трубка обеспечивает прочный корпус для антенны, и
если требуется, она может быть установлена снаружи. Устанавливая ее
снаружи, убедитесь, что обернули разъем изолентой или целлофаном,
чтобы предотвратить любое попадание влаги.
Пластмассовые фиксаторы для трубопровода могут использоваться,
чтобы прикрепить антенну к вертикальной поверхности. Поскольку эти
фиксаторы — пластмассовые, они не будут вносить помехи в работу антенны, в то время как цельнометаллические крепления, могут сильно
ухудшить ее работу.
Антенна из пластиковой бутылки для минеральной воды
Снимок антенны показан на рис. 4.22. Для изготовления антенны
(http://sites.google.com) потребуется:
ŠŠбутылка из-под минеральной воды 1,5 л;
ŠŠкусок металлической сетки 300×220 мм (для цилиндра);
ŠŠкусок металлической сетки 100×100 мм (для концевого отражателя);
ŠŠкусок провода длиной 31 мм (толщиной 14 или 16 AWG) для несущего элемента;
ŠŠсоответствующий коннектор (N-типа).
816_Antenni.indd 108
28.09.2011 14:10:47
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
109
ŠŠинструменты: плоскогубцы; дрель или
острый метчик для введения пробника в
пластиковую бутылку; паяльник и припой; ножницы или кусачки для резки
провода; кожаные рукавицы для работы
с сеткой.
Порядок работы такой. Удалите воду из бутылки, удалите этикетку и высушите бутылку.
Подготовьте концевой отражатель: вырежьРис. 4.22. Антенна из
пластиковой бутылки
те сетку 100×100 мм, по крайней мере с трех
для минеральной воды
краев оберните сетку вокруг себя, обеспечивая плоскую поверхность в центре. Отложите в сторону для более поздней работы.
Подготовьте сетку 300×220 мм. Обеспечьте, чтобы 300 мм край был не
растрепан.
Примечание.
Желательно, чтобы срез сетки имел фабричное переплетение, если
этого нет, то заверните угол вокруг себя.
Используя сетку 300×220 мм, оберните ее вокруг бутылки. Сверните
два края 220 мм вместе так, чтобы они механически соединились.
Постарайтесь, насколько можно, обеспечить форму цилиндра. Очень
важно сложить цилиндр так, чтобы те же горизонтальные провода были
и на другой стороне цилиндра. В дальнейшем это поможет при позиционировании рефлектора.
Отметьте длину как можно точнее к 208 мм по длине цилиндра с выступом на основе бутылки. Выровняйте эту отметку по краю бутылки;
сдвиньте сетку с 208 мм отметки к концу (примерно 12 мм) перемещением горизонтальных проводов (тех, которые идут вокруг бутылки), пока
вертикальные провода не станут прямо.
Внимание.
Нужно убедиться, чтобы провода были прямыми и параллельными, особенно, чтобы не пересекали друг друга. Не откладывайте эту процедуру, чтобы избежать неприятностей в дальнейшем.
Закрепите концевой отражатель, подготовленный ранее. Подведите
растрепанные провода к отражателю, держа их по возможности по
окружности. Сдвиньте отражатель, насколько это возможно (т. е. возможно ближе к 208 мм отметке), обеспечив его перпендикулярность к
цилиндру. Настройте положение бутылки в сетчатом футляре, чтобы она
слегка касалась отражателя без искажения плоскости отражателя; подго-
816_Antenni.indd 109
28.09.2011 14:10:47
110
Антенны. Практическое руководство
товьте несущий элемент: подпаяйте 31 мм провода в центральное гнездо
коннектора.
Если пайка недоступна, то нужно обеспечить, как только возможно
надежный контакт.
Примечание.
Провод AWG16 очень плотно входит в гнездо, в этом случае пайка не
нужна. Достаточно капнуть в гнездо разъема каплю суперклея.
Обеспечьте длину провода как можно точнее. Просверлите отверстие для
несущего элемента. Отверстие должно быть как можно ближе к расстоянию
52 мм от рефлектора. Присоедините зонд к бутылке. Внешняя часть должна
иметь хороший электрический контакт с внешней частью цилиндра.
Закрепите готовую конструкцию проводом или клеящей лентой.
Установите антенну между источником информации и приемником.
Настройте антенну.
Эффективная и дальнобойная панельная Wi-Fi антенна (Panel 24)
Отмечу сразу, что данная конструкция (http://www.lan23.ru) получится
очень мощной и дальнобойной. В зоне действия антенны и размещенных
достаточно далеко устройств наблюдается довольно качественная их работа
со штатными антеннами даже за пределами прямой видимости. Рассмотрим
инструкцию по ее изготовлению. Для изготовления понадобится:
ŠŠодносторонний фольгированный текстолит для изготовления плат,
размер: 25×25 см;
ŠŠхлорное железо для травления плат, количество: достаточное для
травления этого куска текстолита;
ŠŠлак для защиты от внешних факторов протравленной платы;
ŠŠразъемы 50 Ом N type (комплект папа-мама, на антенну, разъем для
точки доступа);
ŠŠкабель RJ-8X сопротивление 50 Ом;
ŠŠстальная или алюминиевая пластина, размер: 29×29 см;
ŠŠконструкция крепления любая подходящая;
ŠŠплоттерный трафарет антенны и монтажная пленка.
ŠŠпластиковые дюбели — для соблюдения зазоров.
Все это можно приобрести на радиорынке. Причем продавец флюсов
и припоя, оценив размер текстолита, выбрал нужный мне объем хлорного железа, отмечает автор конструкции.
Примечание.
Стоит принять к сведению, что процесс качественного (не очень
агрессивного) травления занимает много времени!
816_Antenni.indd 110
28.09.2011 14:10:47
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
111
В первый раз металлическая пластина автором конструкции была добыта из боковой
крышки старого системного блока, но она может быть изготовлена из любого имеющегося в
наличии куска стали.
Виниловый рисунок переводится сначала
на монтажную пленку, а затем на текстолит.
Удобнее всего наклеивать винил на текстолит Рис. 4.23. Внешний вид платы
антенны
и снимать монтажную пленку под углом 45°
(рис. 4.23).
После того как лишние куски сняты (если они имеются), и все тщательно притерто, можно приступать к процессу травления панели. Когда травится текстолит, его нужно вытравливаемой медью класть вниз в раствор
хлорного железа, чтоб медь «сама высыпалась в раствор» либо нужно постоянно помешивать плату, чтобы медь смывалась раствором.
Когда текстолит готов, обдираем с него винил, зачищаем от клея растворителем и подготавливаем ее к креплению на железное основание.
Сверлим отверстия для крепления текстолита и разъема.
Затем измеряем толщину текстолита и изготавливаем из пластиковых
дюбелей прокладки-шайбы, чтобы зазор с учетом толщины текстолита
составлял 5 мм. Шайбы можно нарезать с помощью канцелярского ножа
и киянки, а до нужного размера довести наждаком.
Потом наклеиваем шайбы на металлическое основание. Вкручиваем
разъем. Причем надо следить, чтобы позолоченная часть электрически
не замыкалась с корпусом антенны, значит лучше высверлить отверстие
с запасом. Вот эта позолоченная часть, как раз должна попасть прямо в
середину круглого элемента на антенне, естественно, что отверстие должно быть еще и в этом месте.
После всех этих манипуляций необходимо тщательно отчистить от
следов рук и обезжирить текстолитовую поверхность антенны растворителем, а затем вскрыть ее лаком. Антенна готова к работе.
Антенна Wi-Fi 2,4 ГГц
Облучатель антенны (http://www.all-in-1.ru) представляет собой обычный диполь, выполненный на печатной плате (рис. 4.24). Полный вид
антенны показан на рис. 4.25. Расстояние от центра рефлектора до крепления облучателя 250 мм.
816_Antenni.indd 111
28.09.2011 14:10:47
112
Антенны. Практическое руководство
Штыревая антенна
с параллельным рефлектором
Рис. 4.24. Антенна Wi-Fi
2,4 ГГц
Рис. 4.25. Вид антенны
Для изготовления данной антенны (http://
www.compress.ru, автор Сергей Пахомов) потребуется медный штырь (медная жила провода), диаметром 2 мм и длиной 65 мм, два
металлических рефлектора (один в форме
квадрата со стороной около 100 мм, а второй — в форме прямоугольника с размерами
примерно 100×170 мм). Кроме того, потребуются разъем N-серии типа Female с фланцем
для крепления на рефлекторе антенны и разъем N-серии типа Male для монтажа на кабеле
антенны.
Отражающий экран будет состоять из двух
взаимно перпендикулярных частей — горизонтальной и вертикальной. Разъем N-серии с
медным стержнем крепится к горизонтальной
части рефлектора, а вертикальный рефлектор
устанавливается на расстоянии 12 мм (0,1l) перпендикулярно к горизонтальному рефлектору
и, следовательно, параллельно самой антенне.
Схема данной антенны показана на рис. 4.26.
Спиральная антенна с рефлектором
Еще один образец распространенных антенн (http://www.compress.ru, автор Сергей
Пахомов) для диапазона частот от 2 до 5 ГГц —
это спиральные антенны с рефлектором
(рис. 4.27). Такие антенны были изобретены
еще в 1947 году Джоном Краусом. Спиральная
антенна характеризуется количеством витков
N, диаметром витков D и шагом спирали d.
Рис. 4.26. Штыревая
Не вникая в сложные теоретические расантенна с
четы, приведем лишь конечный результат. В
параллельным
рефлектором
принципе, чем больше витков содержит антенна, тем выше коэффициент усиления. При этом
радиус витка обычно выбирается исходя из условия, чтобы длина витка
соответствовала длине волны излучения λ, то есть: λ =2πR, а шаг спирали
должен быть равен четверти длины волны излучения: d = λ/4.
816_Antenni.indd 112
28.09.2011 14:10:47
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
113
Размер рефлектора, который устанавливается перпендикулярно оси спирали и может иметь форму диска или квадрата, должен быть не меньше длины волны
излучения. При длине волны излучения 123 мм (частота 2437 МГц) получим, что диаметр витка должен быть
равен примерно 40 мм, а шаг спирали — 30 мм.
Расчетный коэффициент усиления составляет
10,72 дБи. Дальнейшее увеличение числа витков не по4.27. Внешний
зволяет существенно увеличить коэффициент усиле- Рис.
вид спиральной
ния антенны.
антенны
с рефлектором
Для изготовления этой антенны нам нужны пластиковая труба диаметром 40 мм (такие трубы можно приобрести на строительном рынке) и длиной около 40 см, медный многожильный провод в изоляции с диаметром сечения 1,5—2 мм.
Провод наматывается вокруг трубы и приклеивается к ней. Такая конструкция антенны имеет импеданс около 150 Ом и требует правильного
согласования со стандартным кабелем на 50 Ом.
Самый изящный метод согласования — использование куска меди в
форме прямоугольного треугольника, который является продолжением
провода, намотанного вокруг трубы.
Катеты треугольника имеют размеры 71×17 мм. С одной стороны треугольник подпаивается к проводу, а с другой соединяется с центральным
штырем разъема N-серии. Рефлектор изготавливается из медной пластины в форме квадрата, а труба прикрепляется к рефлектору с помощью
заглушки для трубы.
В заключение следует отметить, что данная антенна вызывает круговую поляризацию, которая может быть как право-, так и левосторонней — в зависимости от того, как намотана спираль.
Внимание.
Такие антенны должны применяться только в паре, то есть если на
одной точке доступа используется спиралевидная антенна, то и на
другой точке доступа должна быть спиралевидная антенна, причем с
одинаковой намоткой спирали.
Антенна-банка с цилиндрическим волноводом
для диапазона 2,4 ГГц 802.11b/Wi-Fi/WLAN
А в этом разделе рассмотрена недорогая направленная Wi-Fi антенна
(http://www.wifiantenna.org.ua), которую можно изготовить за час. Сделать
ее можно из простой консервной банки (рис. 4.28, 4.29).
816_Antenni.indd 113
28.09.2011 14:10:47
114
Антенны. Практическое руководство
Рис. 4.28. Внешний вид
антенны-банки
Автор разработки (аuthor: spacepleb@
psand.net) экспериментировал с волноводной антенной, изготовленной из старых,
жестяных консервных банок. Цель — значительно расширить беспроводную сеть
802.11b.
Примечание.
Все, что нужно было сделать, поместить в нужном месте приемопередающий элемент, состоящий
из короткого куска медного провода,
запаянного в центре N-коннектора.
Одна из антенн была изготовлена из металлического футляра от виски J&B. Эта
антенна применима только для беспроводных сетей стандарта 802.11b или другого
Рис. 4.29. Общий вид «баночной»
беспроводного оборудования, работающеантенны из упаковки чипсов
го на частоте 2,4 ГГц. Она не годится для
Pringle’s
FM/AM/SW/LW диапазонов.
Указанная антенна является развитием первоначальной идеи изготовления «баночной» антенны из упаковки чипсов Pringle’s.
Упаковка от Pringle’s изготовлена из картона и быстро портится при
плохих погодных условиях, и кроме того на ней сложно надежно закрепить коннекторы.
Бездипольная «Удо-Яги» антенна («Волновой канал») доставляет намного больше хлопот при расчетах и изготовлении.
Примечание.
Первоначальные тесты показали, что «волноводные банки» работают лучше даже антенны «Волновой канал».
Из уроков волновой теории, следует, что волноводная антенна, в нашем случае «баночная» антенна, должна:
ŠŠиметь параллельные стенки;
ŠŠизготавливаться из хорошо проводящего материала, желательно
гладкого;
ŠŠконцы антенны должны быть перпендикулярны стенкам.
Для диапазона 2,4 ГГц расчеты показывают, что диаметр банки должен быть от 70 мм до 100 мм. Это отправные точки, так как усиление
будет уменьшаться за пределами этих размеров все сильнее и сильнее.
816_Antenni.indd 114
28.09.2011 14:10:47
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
115
Примечание.
Практика показала, что прочность конструкции — большое достоинство, и наличие пластиковой крышки является практически обязательным условием для защиты от непогоды.
Примечание.
Для наших читателей может быть предложена любая большая банка
из-под собачьего корма, если вы не смогли найти чего-то более подходящего!
Может быть применен держатель унитазного ершика из нержавеющей стали из B&Q — очень мило (спасибо Роберту Кюррею (Robert
Currey) за подсказку).
Совет.
Некоторые красители в пластиковых крышках ослабляют сигнал, так
что попробуйте протестировать антенну и с крышкой, и без нее,
чтобы замерить уровень сигнала. Если с установленной крышкой сигнал ослабевает, используйте антенну без нее.
Правило.
ARRL (Amateur Radio Relay League, лига радиолюбителей) отмечает,
что необходимая длина волновода для такой антенны должна быть
как минимум вдвое больше ведомой длины волны.
В javascript калькуляторе (http://www.wifiantenna.org.ua/antennas/
cantenna/#table1.1#table1.1) или табл. 4.1 длина ведомой волны обозначена как Lg и она зависит от диаметра банки.
Правило.
Чем меньше диаметр, тем больше длина ведомой волны.
1/4Lo
D
Из этого следует, что чем больше диаметр банки, тем короче она может быть. Также чем больше площадь горловины банки, тем больше
энергии может быть перенесено, и, следовательно, тем больший уровень
преданного и полученного
3/4Lg (м иним альная реком ендуем ая длина)
сигнала.
Схема будущей конструкции с размерами
1/4Lg
приведена на рис. 4.30.
Калькулятор размеров на
JavaScript работает в соответствии с размерами элементов конструкции, представленных на рис. 4.37.
Рис. 4.30. Схема антенны
с цилиндрическим волноводом
816_Antenni.indd 115
28.09.2011 14:10:47
116
Антенны. Практическое руководство
На рис. 4.37 описано, какие использовать вычисленные значения,
большинство из них при изготовлении не используется, и смотрите, чтобы они не запутали вас.
Расшифровываются обозначенные элементы так:
ŠŠD — внутренний диаметр банки;
ŠŠLo — длина волны в открытом воздухе, равна 0,122 м;
ŠŠLc — нижняя граница затухания, МГц;
ŠŠLu — верхняя граница затухания, МГц;
ŠŠLg — длина волны в волноводе (в нашем случае — в банке).
Некоторые формулы, которые заложены при создании калькулятора:
Lc = 1,706×D
Lu = 1,306×D
Lg = 1 / (sqr_rt{(1/Lo)2 − (1/Lc)2})
Примечание.
Для использования с адаптерами стандарта 802.11b идеальны следующие параметры:
ŠŠ нижняя граница затухания должна быть меньше 2400 МГц;
ŠŠ верхняя граница затухания должна быть больше 2480 МГц.
Для формы расчета, приведенной ниже, необходим JavaScript. Вместо
нее можно воспользоваться таблицей значений, которые уже рассчитаны
(табл. 4.1).
Начало формы
85
D диаметр, в мм
Lc нижняя граница затухания, МГц
Lu верхняя граница затухания, МГц
Lg длина волны в волноводе, мм
Lg/4, мм — необходима при изготовлении
3/4Lg, мм
Lo/4, мм — необходима при изготовлении
Конец формы
816_Antenni.indd 116
28.09.2011 14:10:48
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
117
Зависимость длин волн и частот от диаметра
Таблица 4.1
D, мм
Нижняя граница
затухания, МГц
Верхняя граница
затухания, МГц
Lg
73
2407,236
3144,522
74
2374,706
3102,028
75
2343,043
76
1/4 Lg
3/4 Lg
1/4 Lo
752,281
188,07
564,211
30,716
534,688
133,672
401,016
30,716
3060,668
440,231
110,057
330,173
30,716
2312,214
3020,396
384,708
96,177
288,531
30,716
77
2282,185
2981,17
347,276
86,819
260,457
30,716
78
2252,926
2942,95
319,958
79,989
239,968
30,716
79
2224,408
2905,697
298,955
74,738
224,216
30,716
80
2196,603
2869,376
282,204
70,551
211,653
30,716
81
2169,485
2833,952
268,471
67,117
201,353
30,716
82
2143,027
2799,391
256,972
64,243
192,729
30,716
83
2117,208
2765,664
247,178
61,794
185,383
30,716
84
2092,003
2732,739
238,719
59,679
179,039
30,716
85
2067,391
2700,589
231,329
57,832
173,497
30,716
86
2043,352
2669,187
224,81
56,202
168,607
30,716
87
2019,865
2638,507
219,01
54,752
164,258
30,716
88
1996,912
2608,524
213,813
53,453
160,36
30,716
89
1974,475
2579,214
209,126
52,281
156,845
30,716
90
1952,536
2550,556
204,876
51,219
153,657
30,716
91
1931,08
2522,528
201,002
50,25
150,751
30,716
92
1910,09
2495,11
197,456
49,364
148,092
30,716
93
1889,551
2468,28
194,196
48,549
145,647
30,716
94
1869,449
2442,022
191,188
47,797
143,391
30,716
95
1849,771
2416,317
188,405
47,101
141,304
30,716
96
1830,502
2391,147
185,821
46,455
139,365
30,716
97
1811,631
2366,496
183,415
45,853
137,561
30,716
98
1793,145
2342,348
181,169
45,292
135,877
30,716
99
1775,033
2318,688
179,068
44,767
134,301
30,716
Элементы конструкции приведены на рис. 4.31 и рис. 4.32.
Фотографии получены автором разработки при выключенной антенне.
Сначала автор разработки выбрал банку с диаметром 96 мм. Далее
сделал следующее:
ŠŠвычислил значение 1/4Lg (четверть длины
волны в банке);
ŠŠотмерил это расстояние от дна банки;
ŠŠпросверлил в этом месте маленькое разметочное отверстие;
ŠŠзатем рассверлили его до размера, достаточного для установки коннектора N-типа.
Рис. 4.31. Внутренний
В Великобритании не просто найти 16 мм
вид банки с излучающим
элементом (в конце)
сверло, так что ему пришлось купить 20 мм конусный резец.
816_Antenni.indd 117
28.09.2011 14:10:48
118
Антенны. Практическое руководство
Далее были произведены такие действия:
ŠŠк центральному контакту коннектора N-типа
Рис. 4.32. Коннектор
N-типа, установленный
на банку
припаял ровный обрезок медной проволоки
длиной около 50 мм и толщиной 1,5 мм;
ŠŠзатем аккуратно обрезал этот отрезок до вычисленного размера 1/4Lo;
ŠŠзатем обработал стеклянной шкуркой края
коннектора N-типа и банки вокруг отверстия;
Коннектор N-типа затем был припаян к банке, со
всех четырех сторон.
Примечание.
Очень важно было обеспечить хороший электрический контакт между
коннектором и банкой.
Потом удалось раздобыть N-коннектор, который не нужно монтировать к корпусу пайкой или винтами, а достаточно всего лишь завинтить
гайку (куплен был на rswww.com деталь 112-0773).
Совет.
Конусным резцом можно вырезать отличное 16 мм отверстие, если
предварительно на него надеть 16 мм шайбу с N-коннектора.
Весь процесс в сумме занимает около 10
минут. После пары лет опыта и изучения
«баночных» антенн, автор разработки пришел к выводу, что имеет смысл просверлить
маленькое отверстие в банке позади коннектора. В этом случае дождь или конденсат
с легкостью вытекут из банки. Это отверстие
не повлияет на характеристики антенны.
Рассмотрим монтаж антенны. «Баноч­
ная» антенна, закрепленная на телевизионной антенной мачте (рис. 4.33) или любым
другим удобным способом.
Рис. 4.33. «Баночная» антенна,
закрепленная на телевизионной
антенной мачте
Примечание.
Эта антенна имеет ширину луча около 30°, поэтому ее нужно направлять в сторону второй антенны, обеспечивающей соединение. Также
имеет значение поляризация: в зависимости от того, как расположен
излучающий элемент, вертикально или горизонтально, нужно ориентировать и антенну на второй стороне.
Автор разработки монтировал ее вокруг стандартной 25 мм телевизионной вышки, используя U-образную скобу и регулируемое крепление из
816_Antenni.indd 118
28.09.2011 14:10:48
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
119
магазина по продаже телевизоров. Это крепление позволило управлять
антенной, как в вертикальной, так и горизонтальной плоскости.
Затем был взят короткий отрезок нержавеющей трубы. Его расклепали его с одной стороны, и прикрепили его к банке при помощи клея и
изоленты. Также для этого пробовали использовать кабельные стяжки.
Ни тот, ни другой способ особо не понравился, так что еще есть, над чем
подумать...
Совет.
Прежде чем полностью затянуть болты крепления, необходимо точно
нацелить антенну и проверить поляризацию.
Тут понадобится кабель N-типа, присоединенный к PCMCIA (Personal
Computer Memory Card International Association) карте в ноутбуке или
беспроводной сетевой карте в вашем персональном компьютере, и ктонибудь внизу должен наблюдать за уровнем сигнала.
При установке на крышу был взят ноутбук, но это был опрометчивый
поступок, небезопасный для недешевого ноутбука.
Совет.
Идеальным решением для этой проблемы был бы карманный компьютер с карточкой 802.11b (с выходом на внешнюю антенну) и пигтейл...
Внимание.
Всегда направляйте антенну от себя, и никогда не заглядывайте в работающую антенну. Эта рекомендация продиктована скорее осторожностью, чем реальной опасностью, но надо учитывать, что человеческий глаз очень плохо охлаждается, и являются частью тела, которая
поглощает, но не рассеивает, микроволновую энергию. Антенна же
является концентрирующим микроволновым устройством, так что
лучше перестраховаться, чем потом сожалеть.
При установке нужно увеличивать сигнал, нацеливая антенну сначала
грубо по ориентирам и компасу. Затем осторожно подстраивать ее вертикальное и горизонтальное положение до тех пор, пока не будет достигнуто максимальное значение сигнал/шум либо же максимальное значение
качества соединения.
Для этого необходимо использовать характеристики ПО на компьютере, измеряющее данные. Автор разработки использовал Wavemon для
GNU/Linux, но большинство драйверов для беспроводных сетевых карт
имеют свои средства для проверки качества соединения.
В зависимости от того, как далеко от антенны расположен компьютер,
возможно, понадобятся еще люди или рации, или мобильные телефоны
для того, чтобы сообщать человеку, который корректирует положение ан-
816_Antenni.indd 119
28.09.2011 14:10:48
120
Антенны. Практическое руководство
тенны результаты этих коррекций. При
достижении максимума сигнала нужно
надежно закрутить болты в креплении.
А после этого можно начинать праздновать успешное окончание работы.
Стоимость конструкции для автора
разработки получилась такой: £5.50 за
коннектор N-типа и банка, плюс маленьРис. 4.34. Вариант конструкции
кий обрезок провода, и капельку припоя.
с «отечественной» банкой
Предупреждение. Несмотря на тот
факт, что антенна работает действительно очень хорошо, никто не надевал
свой лабораторный халат и не делал
каких-либо заумных тестов с этой «самоделкой», и, конечно же, производители оборудования рекомендуют не делать
чего-либо, что они не рекомендуют. Или
же подсоединять оборудование других
производителей к их оборудованию. Ну,
конечно же.
Вариант конструкции с «отечественРис. 4.35. Антенна с зеркалом
ной» банкой представлен на рис. 4.34.
В ряде случаев антенна-банка может быть использована в качестве
облучателя с зеркалом (рис. 4.35). При этом достигается существенно
больший коэффициент усиления, диаграмма направленности становится существенно уже.
4.12. Устройство фабричных антенн Wi-Fi,
которые можно изготовить самому
Антенна TP-Link TL-ANT2406A
Миниатюрная направленная антенна TL-ANT2406A (рис. 4.36) компании TP-Link предназначена для внутреннего использования (http://wi-fi.
na.by). Антенна имеет удобную подставку, допускающую крепление на
стене, установку на столе или крепление к панели корпуса ПК с помощью
магнитов, расположенных в ее днище.
Для соединения антенны с точкой доступа используется 50-омный кабель длиной 1 м, снабженный разъемом SMA.
Согласно технической документации, антенна TL-ANT2406A имеет
коэффициент усиления 6 дБи.
816_Antenni.indd 120
28.09.2011 14:10:48
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
121
35
12
М есто пайки
центральной
ж илы антенного
кабеля
2
4
5
9
10
48
29
И злучатель
Текстолит
52
Рис. 4.36. Внешний вид антенны
TP-Link TL-ANT2406A
Рис. 4.37. Плата антенны TP-Link
TL-ANT2406A
В качестве излучающего (приемного) элемента в ней используется
прямоугольная металлическая плоскость размером 48×52 мм, в которой
сделаны небольшие надрезы (рис. 4.37), а сама излучающая плоскость находится на расстоянии 4 мм от прямоугольного экрана-рефлектора, размеры которого совпадают с размерами излучателя. Центральная жила
коаксиального кабеля соединена с излучателем, а оплетка кабеля — с
экраном.
Антенна TP-Link TL-ANT2409A
Миниатюрная направленная антенна TP-Link TL-ANT2409A
(рис. 4.38), как следует из надписи на упаковке, предназначена для наружного использования. Хотя по своим габаритам она больше подходит
для внутреннего применения.
Корпус антенны предусматривает ее монтаж на стене или на горизонтальном столбе, для чего в комплекте имеются специальные монтажные
скобы и хомуты.
Для соединения антенны с точкой доступа используется 50-омный кабель, снабженный разъемом SMA. Длина этого кабеля всего 1 м, что для
наружных антенн опять-таки может оказаться недостаточным.
Внутренняя конструкция антенны довольно
простая. Над квадратным заземленным экраном
размером 90×90 мм на высоте 7 мм расположен
Рис. 4.38. Внешний вид
излучающий элемент в виде металлического пряантенны TP-Link
моугольника размером 44×54 мм. Соединение изTL-ANT2409A
816_Antenni.indd 121
28.09.2011 14:10:48
122
Антенны. Практическое руководство
В ид сверху
90
В ид сбоку
М еталлический
ш ты рь
В ид снизу
М есто соединения с излучателем
(соединяется с пом ощ ью ш ты ря)
54
90
И злучатель
44
Э кран
6
М есто пайки
центральной
ж илы
антенного
кабеля
25
20
6
3
Текстолит
М есто пайки
оплетки
антенного кабеля (соединяется с экраном )
Рис. 4.39. Плата антенны TP-Link TL-ANT2409A
лучающего элемента с коаксиальным кабелем реализовано с обратной
стороны экрана, причем для согласования фидера с антенной используется металлизированная полоска определенной конфигурации. Схема
антенны TL-ANT2409A показана на рис. 4.39.
Антенна TP-Link TL-ANT2414A
Направленная антенна TP-Link TL-ANT2414A (рис. 4.40) также предназначена для наружного использования. Однако габариты данной антенны позволяют устанавливать ее и внутри помещения. Корпус антенны
предусматривает ее монтаж на стене или на горизонтальном столбе, для
чего в комплекте имеются специальные монтажные скобы и хомуты.
Для соединения антенны с точкой доступа используется 50-омный кабель длиной 1 м, снабженный разъемом SMA.
Примечание.
Следует обратить внимание, что для наружных антенн длины кабеля в 1 м может оказаться недостаточно.
Согласно технической документации, антенна TL-ANT2414A имеет коэффициент усиления
14 дБи. Посмотрим, как устроена эта антенна.
Над металлическим заземленным квадратным
экраном (металлизированный текстолит) размером 210×210 мм в два ряда расположены восемь излучающих элементов, представляющих собой металлические прямоугольники размером 30×58 мм.
Расстояние между излучающими элементами и
816_Antenni.indd 122
Рис. 4.40. Внешний
вид антенны TP-Link
TL-ANT2409A
28.09.2011 14:10:48
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
123
В ид сверху
210
Э лем ент загибается и
используется в качестве
ш ты ря, соединяю щ его
излучатель с антенны м
кабелем
40
210
58
27
И злучатели
1,5
3
7
Э кран
7
9
30
24
0,5
В ид снизу
М еста соединения с
излучателям и (соединяется
с пом ощ ью ш ты ря)
19,5
3,5
4
3,5
20
3
27
9
9
16 26
109
58
М есто пайки центральной
ж илы антенного кабеля
5,5
М есто пайки оплетки
антенного кабеля
(соединяется с экраном )
Рис. 4.41. Антенна TP-Link TL-ANT2414A
экраном составляет 7 мм. Подводка фидера к излучающим элементам
производится с обратной стороны экрана.
Схема антенны TP-Link TL-ANT2414A приведена на рис. 4.41.
Антенна D-Link DWL-R60AT
Направленная антенна D-Link DWL-R60AT (рис. 4.42) предназначена
для внутреннего использования. Она относится к разряду миниатюрных панельных антенн — ее габариты составляют всего 80×85×12,8 мм.
Антенна предусматривает непосредственное (без использования кабеля)
подключение к точке доступа с помощью разъема SMA.
816_Antenni.indd 123
28.09.2011 14:10:49
124
Антенны. Практическое руководство
М еталлический ш ты рь,
соединяю щ ий излучатель
с антенны м кабелем
49
70
12
70
И злучатель
Э кран
4,5
Рис. 4.42. Направленная
антенна D-Link DWL-R60AT
9
52
Рис. 4.43. Схема антенны D-Link DWL-R60AT
Согласно технической документации, антенна D-Link DWL-R60AT
имеет коэффициент усиления 6 дБи. Кроме того, известно, что ширина
диаграммы направленности в вертикальной плоскости составляет у нее
90°, а ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости — 60°.
Внутренне устройство этой антенны достаточно простое и мало чем
отличается от устройства антенны TP-Link TL-ANT2409A. Над металлическим заземленным квадратным экраном размером 70×70 мм на высоте
4,5 мм расположен излучающий элемент, представляющий собой металлический прямоугольник размером 49×52 мм. Подводка фидера к излучающим элементам производится с обратной стороны экрана.
Схема антенны D-Link DWL-R60AT приведена на рис. 4.43.
Wi-Fi антенна YAGI (волновой канал)
Внешний вид антенны показан на рис. 4.44. Антенна изготовлена
из легкосплавного и высокопрочного материала (http://i-net.com.ua).
Высокая точность изготовления является залогом эффективности данной антенны в диапазоне 2,4 ГГц. Узконаправленная Wi-Fi антенна 2,4 ГГц
типа «Волновой канал» имеет ряд превосходных отличий от других типов
антенн.
Внешний вид антенны обманет
многих опытных инспекторов из
Госсвязьнадзора, — уж очень она похожа на телевизионную антенну. Мощный
экран не оставляет никакого шанса меРис. 4.44. WiFi Антенна YAGI
(волновой канал)
шающим сигналам от других Wi-Fi пе-
816_Antenni.indd 124
28.09.2011 14:10:49
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
125
редатчиков (особенно в условиях большого города). Коэффициент усиления антенны — 24 Дб (такой же, как и у сеточной антенны, большей
раза в три).
Дальность действия с «неперешитыми» Dlink DWL-2100 и Planet
WAP-4033 составляет 4—10 км. Скорость передачи в условиях горо­да — до
14 Мбит/с.
4.13. Грозозащита Wi-Fi антенн
Основное о грозозащите
Грозозащита защищает оборудование от статического электричества,
то есть от атмосферного электричества, удара молний, накопления статики во время осадков и т. д.
Грозозащита представляет собой диодный мост с защитным диодом.
Принцип действия заключается в том, что диод замыкает накоротко защищаемые провода, когда между ними возникает разница потенциалов больше
6—7 В, и «сливает» избыточное статическое напряжение на «землю».
Установка грозозащиты
Чтобы максимально обезопасить оборудование, грозозащиту устанавливают с обоих концов кабеля. Стоит помнить, что сопротивление даже
небольшого (к примеру, 50 м) участка кабеля не равно нулю, и таким образом разряд может стечь на любой конец линка.
Внимание.
Модуль грозозащиты необходимо ОБЯЗАТЕЛЬНО заземлить, причем
не к батареям и прочим чердачно-подвальным конструкциям, а качественно, чтобы заряд имел куда стекать. Также необходимо заземлить
оставшиеся кабели, которые грозозащита не покрывает.
Большинство устройств нуждается в использовании только 4 кабелей,
так что и грозозащита в основном защищают 4 кабеля, в то время как в витой паре их 8 (4 пары). Таким образом, 4 кабеля остаются незащищенными,
и, чтобы на них не скапливался статический заряд, их нужно заземлять.
Внимание.
Часто поднимается вопрос зануления грозозащиты. Так вот, занулять ее
крайне нежелательно. Только если нет возможности добраться до настоящей «земли», зануление может быть оправдано.
816_Antenni.indd 125
28.09.2011 14:10:49
126
Антенны. Практическое руководство
В принципе, на качестве самой защиты зануление не сказывается, но
оно может вызывать «ложные» срабатывания NET-проекта. А это, как вы
понимаете, обеспечит нестабильность связи.
Будьте внимательны! Если при установке с одной стороны грозозащиту «заземлили», а с другой — «занулили», то могут возникнуть проблемы. Надо учитывать, что в разных домах разница потенциалов между
«нулем» и «землей» иногда достигает не один десяток вольт (чего уже достаточно для срабатывания грозозащиты).
Совет.
Чтобы обеспечить грозозащиту для тонкого коаксиального кабеля или
STP кабеля, нужно каждый кабельный сегмент заземлять лишь в одной
точке.
Грозозащита обычно прекрасно работает как на 10 Мбитных, так и на
100 Мбитных линках. И если сеть перестала прокачивать на 100 Мбитах
после установки грозозащиты, то винить последнюю не стоит. Подвело,
скорее всего, плохое дешевое оборудование или некачественный кабель,
а возможно, что и плохое заземление кабеля.
Грозозащита может также работать и на 1 Гбит, если защищает 4 пары
проводов в витой категории. Если же грозозащита может защитить только
2 пары проводов, то нужно поставить 2 таких грозозащиты рядом.
Может ли сгореть грозозащита?
Грозозащита — это весомое предупреждение порчи оборудования от
электрических разрядов, но, к сожалению, не панацея. Случается, что и
сама грозозащита «теряет пакеты» или сгорает. Конкретные причины
этого определить сложно, ими может служить и маленькая скорость срабатывания диодов, и невозможность мгновенно «отправить» на землю
большой статический разряд от ударившей рядом молнии.
Количественно описать «сгораемость» грозозащиты довольно сложно,
так как многое зависит от типа устройства. В среднем, коэффициент сгораний составляет где-то 1—5% (т. е. от 1 до 5 штук на 100 грозозащит).
Если сеть перестала работать после установки грозозащиты
Если вы установили грозозащиту, и сеть перестала работать:
ŠŠ1 шаг — проверьте правильность установки;
ŠŠ2 шаг — поставьте грозозащиту с одной стороны (на более высо-
ком доме);
ŠŠ3 шаг — посмотрите, насколько хорошая там «земля»; возможно, будет лучше протянуть отдельный кабель от электрощита из подъезда;
816_Antenni.indd 126
28.09.2011 14:10:49
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
127
ŠŠ4 шаг — осмотритесь и поищите возможные источники помех (как,
например, шина 220 В находящаяся рядом с кабелем);
ŠŠ5 шаг — попробуйте поставить другой тип грозозащиты (самый
радикальный вариант).
Примечание.
Грозозащита является для кабеля посторонним устройством, поэтому она ослабляет сигнал, «обусловливая» затухание эквивалентное
продлению кабеля где-то на 10 м.
Рассмотрим различные модули грозозащиты.
Модуль защиты от грозовых разрядов LA-2.4G/GT
LA-2.4G/GT (рис. 4.45) — надежное устройство защиты от грозовых
разрядов. Позволяет сохранить работоспособным установленное Wi-Fi
оборудование.
Модуль грозозащиты предназначен для защиты антенно-фидерных
трактов, выходов приемопередатчиков от наведенного электромагнитного импульса грозовых разрядов (статическое напряжение).
Примечание.
Модуль грозозащиты необходимо заземлять (рис. 4.45, б), или должна
быть заземлена мачта, на которой он установлен.
Рассмотрим его особенности:
ŠŠобеспечивает защиту телекоммуникационного оборудования от
грозовых разрядов;
ŠŠгарантирует ограничение импульсных помех;
ŠŠимеет высокое сопротивление изоляции;
ŠŠсоздан в герметичном и антикоррозийном исполнении;
ŠŠне радиоактивен.
а
б
Рис. 4.45. Внешний вид устройства защиты от грозовых разрядов LA-2.4G/GT:
а — внешний вид со стороны разъема;
б — внешний вид со стороны винта подключения заземления
816_Antenni.indd 127
28.09.2011 14:10:49
128
Антенны. Практическое руководство
Общие характеристики:
ƒƒ
частотный диапазон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0—5,8 ГГц;
ƒƒ
КСВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,7 на 2,4 ГГц;
ƒƒ
потери . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . не более 1 дБ на 2,4 ГГц;
ƒƒ
сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Ом;
ƒƒ
напряжение газового разряда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72—108 В;
ƒƒ
разрядный ток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 A;
ƒƒ
разъем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . N Plug / N Jack;
ƒƒ
размеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26×67,5 мм;
ƒƒ
вес . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 г;
ƒƒ
материал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . нержавеющее покрытие.
Грозозащита Senao/EnGenius LP17
Грозозащита Senao/EnGenius LP17 (рис. 4.46) представляет собой
высокопроизводительный газовый подавитель, работающий в разных
частотах вплоть до 6 ГГц. Так как эта грозозащита будет передавать DC,
она подходит для приложений, где DC
осуществляется через коаксиальный кабель, таких как удаленные усилители и
LNA-ы.
Оба соединительных порта данного
устройства защищены в равной степени.
LP17 имеет перегородку «ПолярностьПеремены» с N-Jack разъемом и резиновым
кольцом «O» для установки через стенку
корпуса.
Рис. 4.46. Внешний вид модуля
Senao/EnGenius LP17
Благодаря высокой производительности RF LP-17 идеально подходит для
IEEE 802.11ABG и других 2,4/ 5,2/5,8 ГГц ISM и UNII приложений, а также 3,5 ГГц WLL приложений. Это обеспечивает защиту, не смотря на то,
каким способом оно установлено. Любой порт может взаимодействовать
с антенной или другим оборудованием.
Рассмотрим технические характеристики:
ƒƒ
диапазон частот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2— 6 ГГц;
ƒƒ
вносимое затухание (потери). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,4 дБ Макс (2— 6 ГГц);
ƒƒ
полное сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Ом;
ƒƒ
VSRW. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1:1,2 Макс (2— 6 ГГц);
ƒƒ
максимальный ток. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Вт;
ƒƒ
импульсный ток. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,2 × 50 мкс 6 кВ/3 кА;
ƒƒ
разъемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . N-Male в переборке N-Female;
ƒƒ
Spark напряжение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DC 230 V ±20%;
ƒƒ
RF номинальная мощность (CW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Вт, непрерывной;
816_Antenni.indd 128
28.09.2011 14:10:49
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
129
ƒƒ
материал кронштейна. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . нержавеющая сталь;
ƒƒ
Pin материал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . позолоченный латунный;
ƒƒ
материал корпуса. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . никелированная латунь;
ƒƒ
материал «O» кольца. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . резина;
ƒƒ
влажность. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95% Макс;
ƒƒ
температура. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . −20 °C ... +60 °C;
ƒƒ
размеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64×50×23 мм;
Модуль грозозащиты Tp-link TL-ANT24SP
Грозозащита Tp-link TL-ANT24SP (рис. 4.47)
защищает сеть от ударов молнии и других электрических разрядов. Она совместима с устройствами, оснащенными интерфейсом типа N.
Используется для подключения к беспроводным
устройствам внешней антенны.
Особенности модуля: обеспечивает бесперебойную работу, не требует дополнительного
обслуживания, работает по технологии Quarter
Wave, защищает устройство от ударов молнии
или любых других электрических разрядов.
Разъем типа N.
Рис. 4.47. Внешний вид
модуля грозозащиты
Tp-link TL-ANT24SP
Технические характеристики:
ƒƒ
частотный диапазон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 ГГц;
ƒƒ
волновое сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Ом Nominal;
ƒƒ
номинальное напряжение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1000 В;
ƒƒ
сопротивление изоляции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5000 МОм;
ƒƒ
коэффициент стоячей волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,3:1 Max;
ƒƒ
сопротивление проводника. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 МОм;
ƒƒ
среднее напряжение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2500 В;
ƒƒ
коннектор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . N-Type Plug и N-Type Jack;
ƒƒ
температура хранения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . −40 °С...+80 °С;
ƒƒ
рабочая температура. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . −10 °С ...+60 °С.
Грозозащита mcWit 100
Грозозащита mcWit 100 предназначена для снижения амплитуды наведенных помех, защиты оборудования от импульсной электромагнитной наводки, которая может возникать при замыкании силовых кабелей
или от близлежащих линий связи; защиты от вторичных воздействий
молнии, а также снятия статического разряда. Предназначена для 100
мегабитных сетей.
816_Antenni.indd 129
28.09.2011 14:10:49
130
Антенны. Практическое руководство
Особенности модуля:
ŠŠзащищает от воздействия электростатического напряжения в пред-
грозовой период;
ŠŠснижает амплитуду наведенных помех, воздействующих на оборудование локальных сетей в грозовой период;
ŠŠзащищает от вторичных воздействий молнии.
ŠŠзащищает от импульсной электромагнитной наводки, которая может возникать при замыкании силовых кабелей или от близлежащих линий связи;
ŠŠснимает наведенный статический разряд.
Внимание.
Грозозащита mcWit 100 должна быть заземлена. Заземление прокладывается проводом большого сечения по кратчайшему пути.
Она защищает только порт, возле которого она установлена. На каждый Ethernet-порт, от которого проложен кабель снаружи здания, нужна
отдельная грозозащита. Однако если провод подходит снаружи, хотя бы
к одному из портов Ethernet-устройства, желательно защитить и остальные порты.
Внимание.
Если к защищаемому порту подключен компьютер, его корпус должен быть
заземлен отдельным проводом. Несоблюдение этого требования может
привести к значительному ухудшению защитных функций. Подавать
заземление на корпус компьютера по неиспользуемым жилам и экрану
кабеля опасно! Это можно делать на свой страх и риск только тогда, когда
есть полная уверенность в качестве заземления грозозащиты.
В режиме «мягкой земли» грозозащиты защищают от большего количества неблагоприятных факторов. Этот режим обязательно использовать в случае протяжки кабеля между домами. В остальных случаях этот
режим является не обязательным, но желательным.
Для установки режима «мягкой земли» обе грозозащиты должны его
поддерживать и при этом иметь одинаковые характеристики. Таким образом, гарантируется корректная работа этого режима только при использовании двух грозозащит с одинаковым напряжением защиты PoE
на обоих концах (табл. 4.2).
Работа в режиме «мягкой земли»
Режим
Таблица 4.2
Грозозащита 1
Грозозащита 2
С PoE
JP1
JP2
JP3
JP1
JP2
JP3
Без PoE
JP1
JP2
JP3
JP1
JP2
JP3
Примечание. Жирным выделены джамперы, которые нужно установить
816_Antenni.indd 130
28.09.2011 14:10:49
Глава 4. Антенны для Wi-Fi
131
Режим без «мягкой земли» используется только тогда, когда для этого
есть веские причины (табл. 4.3).
Работа в режиме без «мягкой земли»
Режим
Таблица 4.3
Грозозащита 2
Грозозащита 1
С PoE
JP1
JP2
JP3
JP1
JP2
JP3
Без PoE
JP1
JP2
JP3
JP1
JP2
JP3
Примечание. Жирным выделены джамперы, которые нужно установить
Технические характеристики:
ƒƒ
ограничение выбросов напряжения между парами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7,0 В;
ƒƒ
ограничение напряжения между парами и землей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 В;
ƒƒ
время срабатывания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,5 мкс;
ƒƒ
номинальный ток в течении 1 с. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 А;
ƒƒ
номинальный импульсный ток 8/20 мкс. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 кА.
Грозозащита для NanoStation Light version
Грозозащита Light version служит для защиты от разрядов статического электричества и грозовых разрядов портов беспроводных точек
доступа типа NanoStations скоростью передачи до 100 Мбит/с и подключенной системой PoE (только по неиспользуемым парам — mode B или
Passive PoE). Грозозащита не имеет корпуса, предназначена для установки
непосредственно в корпус NanoStation.
Грозозащита Light version имеет выход, который представляет собой
отрезок провода, предназначенный для подключения грозозащиты к
шине заземления, также она имеет варианты защиты, в которых в качестве разрядных элементов использованы варисторы.
Внимание.
Нормальная работа грозозащиты может быть гарантирована только
при качественном заземлении в точке установки оборудования!
Технические характеристики:
ƒƒ
скорость передачи данных в защищаемой линии. . . . . . . . . . . . . . . 100 МБит/с;
ƒƒ
уровень срабатывания разрядника защиты (динамический) . . . . . . . . . . . . . . . . 250 В;
ƒƒ
уровень ограничения выбросов между проводниками кабеля. . . . . . . . . . . . . . . . . 8 В;
ƒƒ
уровень срабатывания разрядника защиты (статический) . . . . . . . . . . . . . 90 В;
ƒƒ
количество защищаемых линий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1;
ƒƒ
число транзитных проводников в линии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4;
ƒƒ
число защищаемых проводников в линии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.
816_Antenni.indd 131
28.09.2011 14:10:50
132
Антенны. Практическое руководство
Антенная грозозащита «Bester Thunder Defence 2400»
Грозозащита «Bester Thunder Defence 2400» (рис. 4.48, табл. 4.4) предназначена для защиты электронного оборудования от наведенных электромагнитных импульсов грозовых разрядов и снятия статического,
электрического потенциала. Дополнительная полезная функция — подавление внеполосных помех.
б
а
Рис. 4.48. Антенная грозозащита «Bester Thunder Defence 2400»:
а — вид в установленном состоянии; б — комплект поставки
Технические характеристики грозозащиты «Bester Thunder Defence 2400»
Параметр
Полоса рабочих частот, МГц
Таблица 4.4
Значение для различных частотных диапазонов
1700—1900
2300—2400
2400—2500
5100—5900
Проходные потери
0,2
0,2
0,2
0,5
КСВ в рабочем диапазоне частот,
не более
1,2
1,2
1,2
1,5
Длина короткозамкнутого шлейфа
1/4
1/4
1/4
3/4
Волновое сопротивление, Ом
50
50
50
50
Макс. подводимая мощность, Вт
5
5
5
5
Подавление внеполосных излучений
50
50
50
50
Тип разъемов
Вес с креплением, кг
Длинна×ширина×высота, мм
816_Antenni.indd 132
5
5
5
5
1,2
1,2
1,2
1,5
510×450×100
620×515×124
813×695×157
1020×900×195
28.09.2011 14:10:50
Гл ава 5
Радиолюбительские антенны
метрового и дециметрового диапазона
5.1. УКВ и ДМВ антенны: мифы и реальность
Многолетний опыт работы с антеннами обобщен О. Оберрендером в
пятнадцати мудрых положениях. Они содержат разумные, обоснованные
сведения, учет которых при планировании, создании и эксплуатации любительских антенн поможет сэкономить время и избежать разочарований.
Положение 1. Законы физики неумолимы! Чудо-антенну пока еще никто не изобрел, но хорошие антенны уже научились строить. Хотя антенны и являются лучшими высокочастотными усилителями, сами по себе
они не определяют ценность любительской радиостанции. Радиомаяк
DM2AKD под Берлином принимался в Шотландии при 10 мВт простым
вибратором.
Положение 2. Радиолюбители, конструирующие антенны, нередко
тратят силы и жертвуют свободным временем, пренебрегая физикой.
Положение 3. Ветер, коррозия, суеверие и утопическое ожидание
чуда — вот безжалостные враги каждой любительской антенны.
Положение 4. У любой антенны усиление меньше, чем думается. Если
выполнить точные измерения, строго оценить диаграмму направленности и учесть погрешности, результат будет всегда хуже ожидаемого.
Эффективность чужих антенн при проверке их свойств обычно оказывается
ниже заявленной, причем даже без фокусов с изотропным излучателем.
Положение 5. Не лжет только диаграмма направленности! Нельзя полагаться лишь на горизонтальную диаграмму. Именно вертикальная диаграмма поможет получить верную информацию об антенне или группе
антенн. При определенных обстоятельствах необходимо измерять диаграмму при разных углах наклона. Бывают антенны с необъяснимым лепестком, в котором сосредоточена заметная мощность, посылаемая по
совершенно неожиданному направлению. Деформации и асимметрия
диаграммы дают основания предположить наличие неисправности.
Положение 6. Сравнительные измерения с образцовыми вибраторами
в любительских условиях ненадежны и дают расхождения до 3 дБ. Не так
816_Antenni.indd 133
28.09.2011 14:10:50
134
Антенны. Практическое руководство
уж редко расхождение на целый S-уровень, когда накладываются различные эффекты и получается «желанное» усиление. Так появляются сенсационные изобретения вроде ленточной антенны Яги, контурной щели,
позолоченного излучателя и т. п. Чего только не получают в результате
подобных «измерений»!
Положение 7. Физическая зависимость между углом раскрыва и усилением действует только в том случае, когда речь идет о почти идеальной
диаграмме направленности, то есть когда ее передний лепесток имеет
грушевидную форму, обратное излучение надежно подавлено, а боковые
лепестки отсутствуют. С переходом директорной антенны к высокочастотному пределу сначала расширяется основание главного лепестка,
а затем возникают боковые лепестки. Тогда ширина диаграммы может
уменьшиться даже при снижении усиления. Это тонкости, которые обнаруживаются при изучении диаграммы направленности.
Положение 8.Часто упускают из виду, что на практике простые антенны оказываются эффективнее громоздких сооружений. Необходимо тщательно учитывать окружающую обстановку. Специалисты тратят месяцы
на то, чтобы спланировать антенну и вписать ее в местные условия. Даже
на средних волнах случаются аномалии напряженности поля величиной
10 дБ и более, причем на расстоянии всего в несколько метров.
Положение 9. Важно не только построить высокоэффективную антенну, но и обеспечить неизменность ее характеристик в течение длительного времени эксплуатации. Здесь особенно часто не соблюдаются
некоторые правила:
ŠŠиспользуются неподходящие или несовместимые материалы;
ŠŠлатунная трубка становится хрупкой и разрушается;
ŠŠэлементы ломаются из-за нарушения плотной посадки в креплении;
ŠŠпровисает траверса антенны;
ŠŠвлага проникает в симметрирующее звено или кабель и т. д.
Трудно представить, сколько забот приносит каждая непогода и сколько при этом теряется децибел.
Положение 10. Бывают антенны с исключительно высокими характеристиками. Но они исчезают при кустарной попытке водрузить антенну
на новом месте. Примером тому служит принцип двухзеркальной антенны (Backfire), которая из-за неудобного рефлекторного полотна не была
признана до появления короткой двухзеркальной антенны (ShortBackfire).
В соответствующей литературе описываются и другие антенны с аналогичной особенностью.
Положение 11. Многие УКВ и ДМВ антенны допускают несимметричное питание, что удивляет даже специалистов. Однако будьте осторожны, сводя антенны в группы!
816_Antenni.indd 134
28.09.2011 14:10:50
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
135
Положение 12. Не располагая ZG-диаграфом (например, типа ZDU
производства Rohde & Schwarz), при согласовании приходится всякий
раз наращивать фидер отрезком кабеля длиной λ/4, повторяя измерения,
чтобы исключить эффекты трансформации. На практике согласование
улучшается также путем «обрезки» линии. Впрочем, имея дело с величиной КСВ, не стоит быть педантом, стремясь уменьшить его на сотые или
десятые доли.
Положение 13. Любитель должен не перелистывать специальную литературу по антеннам, а внимательно читать ее и формировать собственные представления. Высокая эффективность создаваемой антенны —
вопрос не только затрат, но и понимания и способности использовать
фундаментальные законы природы, возможность адекватно оценить реальную ситуацию. Ведь где-нибудь на руднике антенна Яги — всего лишь
груда трубок.
Положение 14. При минимальных затратах на измерительную аппаратуру, но при хорошем знании устройства и свойств антенн серьезный
радиолюбитель способен создавать оригинальные типы излучателей или
исследовать образцы антенн. Однако он должен твердо знать пределы
своих возможностей и никогда не пренебрегать критикой в свой адрес.
Самостоятельные разработки необходимо сопровождать проверками на
измерительных трассах — ведь речь идет, как уже говорилось, о вертикальной диаграмме! Из-за многократных отражений труднее всего измерить диаграмму кругового излучателя. Как минимум для этого требуются измерительный передатчик, приемник, калиброванная линия, измеритель КСВ и... огород. Для простых экспериментов достаточно трассы
длиной 20—30 м.
Положение 15. Не падайте духом! Как бы там ни было, радиолюбительство — источник удовольствия.
5.2. Принципы построения антенн УКВ и ДМВ
Радиолюбительские области УКВ и ДМВ
Антенной метровых волн (или УКВ антенной) у радиолюбителей, как
правило, служит излучатель для двухметрового любительского диапазона (144—146 МГц). В дециметровой области (ДМВ) находятся несколько
любительских диапазонов:
ŠŠ70 см (430—440 МГц), в котором работают и любители, и различные радиослужбы;
ŠŠ23 см (1240—1300 МГц) и 13 см (2320—2450 МГц), где любительское
вещание также не имеет каких-либо преимуществ.
816_Antenni.indd 135
28.09.2011 14:10:50
136
Антенны. Практическое руководство
Примечание.
Двухметровый диапазон, активно используемый только радиолюбителями, по частоте лежит между областью радиовещания с частотной
модуляцией (полоса 100—108 МГц) и шестым телевизионным каналом
диапазона III, а диапазон 70 см расположен рядом с дециметровым 21-м
телеканалом диапазона IV.
Для работы в указанных областях применяются преимущественно
однотипные антенны Уда-Яги как наиболее экономичные, но отличающиеся друг от друга своими параметрами.
По закону подобия допустимо, например, пересчитать телевизионную
антенну на двухметровый диапазон: резонансная частота изменится, но
все прочие электрические параметры сохранятся.
Примечание.
Это позволяет радиолюбителю использовать для монтажа собственных антенн промышленные разработки телевизионных антенн и множество комплектующих деталей (арматуры, кабельных разъемов, держателей и т. п.), предлагаемых промышленностью для эксплуатации в
тяжелых погодных условиях.
Однако по некоторым позициям электрические свойства телевизионных антенн отличаются от требований, предъявляемых к созданию
радиолюбительских антенн. Первые конструируются для работы в возможно более широком интервале частот при входном сопротивлении
240—300 Ом.
При острой фокусировке главного луча диаграммы направленности
в плоскости Ε боковые лепестки недопустимы, а отношение прямого излучения к обратному должно быть как можно большим.
В сравнительно узких любительских УКВ и ДМВ диапазонах широкополосные антенны, как правило, не требуются, и радиолюбитель не
обязан придерживаться номинальной величины входного сопротивления 240—300 Ом. Боковые лепестки диаграммы направленности и не
слишком высокое отношение прямого излучения к обратному не так уж
важны с практической точки зрения, если только они не приводят к заметному падению усиления.
Вывод.
Для любительского радиообмена гораздо важнее, чтобы усиление горизонтальной УКВ/ДМВ антенны обеспечивалось преимущественно за
счет фокусировки в вертикальной плоскости.
816_Antenni.indd 136
28.09.2011 14:10:50
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
137
Поляризация антенн УКВ и ДМВ диапазонов
Особенности поляризации. В коротковолновой области поляризация
любительских антенн не играет особой роли, поскольку при распространении волн в ионосфере их первоначальная поляризация сохраняется
лишь в исключительных случаях. Иначе обстоит дело с метровыми и дециметровыми волнами. В нормальных условиях они не отражаются от
ионосферы и распространяются по прямой.
Вращение плоскости поляризации при распространении волн вдоль
свободного пути в пределах теоретически возможной дальности прямой
видимости — явление редкое. Однако при распространении волн в густо
застроенной или гористой местности происходит более или менее значительное изменение первоначального состояния поляризации.
Обычно в этих условиях вместо линейно поляризованных волн в точку приема приходят волны не строго вертикальной или горизонтальной
поляризации, а с произвольной ориентацией плоскости поляризации относительно горизонта.
Примечание.
С этой точки зрения, на трассах с неблагоприятными условиями было
бы выгоднее работать, например, с наклонной поляризацией под углом
45°, монтируя элементы антенны не вертикально или горизонтально,
а под углом близким к 45°.
В случае радиорелейной линии УКВ и ДМВ диапазонов поляризация
передающей и приемной антенн должна быть одинаковой. С теоретической точки зрения, вертикально поляризованное излучение передатчика
не может приниматься антенной, рассчитанной на горизонтальную поляризацию.
Но поскольку характеристики излучения реальных антенн никогда не
соответствуют идеалу, считается, что в указанных случаях происходит
ослабление сигнала «всего» на 20 дБ. Иначе говоря, в подобных условиях
приемная антенна воспринимает лишь одну десятую часть напряженности поля в точке приема.
Антенны горизонтальной поляризации. Широкое распространение
получили антенны горизонтальной поляризации. Множество радиолюбительских УКВ и ДМВ станций, УКВ радиовещание и ряд телевизионных станций на каналах I—III и IV/V диапазонов излучают волны горизонтальной поляризации.
Антенны вертикальной поляризации используют:
ŠŠбольшинство телевизионных передатчиков Западной Европы на
первом канале;
ŠŠпочти все мобильные радиостанции (дорожная радиослужба, автомобильный телефон, полиция и др.);
816_Antenni.indd 137
28.09.2011 14:10:50
138
Антенны. Практическое руководство
ŠŠлюбительские станции местного и мобильного радиообмена;
ŠŠрадиорелейные линии с частотной модуляцией антеннами верти-
кальной поляризации.
Эллиптическая и круговая поляризация применяются, главным образом, для связи со спутниками Земли и в радиоастрономии.
Преимущество антенны круговой поляризации состоит в том, что она
одинаково хорошо принимает линейно поляризованные волны с любой
ориентацией плоскости поляризации. Это важно, например, при приеме
сигналов с искусственных спутников, обращающихся на околоземных
орбитах, чья поляризация постоянно изменяется из-за собственного
вращения спутника.
Примечание.
По этой причине прием линейно поляризованных волн сопровождается сильными замираниями, тогда как при круговой поляризации они
отсутствуют.
В любительском УКВ диапазоне вертикальная поляризация применяется, как правило, в весьма распространенной радиорелейной ЧМ связи,
а для дальней связи в двухметровом диапазоне используется горизонтальная поляризация. В силу вышеназванных причин для радиолюбителей,
работающих в УКВ и ДМВ диапазонах, круговая поляризация становится
все более важной. К сожалению, антенна круговой поляризации требует
гораздо больших затрат, нежели антенна линейной поляризации.
Примечание.
Далее описываются УКВ и ДМВ антенны преимущественно горизонтальной поляризации с горизонтальным расположением элементов. Те
же антенны могут служить источником вертикально поляризованных
волн, если развернуть их так, чтобы соответствующие элементы
заняли вертикальное положение.
Впрочем, в этом случае диаграмма направленности несколько изменится под влиянием металлической опорной несущей мачты. Поэтому
УКВ/ДМВ антенны вертикальной поляризации обычно монтируют на
горизонтальных траверсах мачты.
Кроме того, различия высоты половин вибратора над землей при недостаточной строительной высоте антенны отрицательно сказываются
на диаграмме направленности в плоскости Н.
Устройство и монтаж антенн УКВ и ДМВ диапазонов
Антенна ДМВ диапазона, установленная в 10 м над землей, характеризуется строительной высотой 5λ. Следовательно, для размещения KB
816_Antenni.indd 138
28.09.2011 14:10:50
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
139
антенны 20-метрового диапазона на той же строительной высоте 5λ пришлось бы поднять излучатель на 100 м над землей.
Примечание.
Применительно к строительной высоте УКВ и ДМВ антенн действует
одно требование: делать их как можно выше. Поскольку высота
антенны всегда приводится к рабочей длине волны, это условие легко
выполняется.
Обычная антенна должна возвышаться над ближайшими зданиями,
линиями передач и другими препятствиями на 2λ или 3λ. Однако строить
чрезмерно высокие антенны экономически нецелесообразно. Эта мера
способна увеличить дальность обычного квазиоптического распространения, но едва ли скажется на распространении с участием инверсионных слоев.
Уже при строительной высоте антенны 2λ над землей или при ее размещении на крыше здания диаграмма направленности оказывается близка к идеальной. При таких предпосылках публикуемые параметры УКВ и
ДМВ антенн вполне пригодны и для практического применения.
Как и в телевизионных диапазонах, в любительских УКВ и ДМВ полосах преобладают антенны продольного излучения в виде одноэтажных
директорных антенн. Они просты в изготовлении, не требуют больших
затрат, но для соблюдения заданных параметров необходимо их точное
исполнение.
По степени распространения к подобным излучателям примыкают
многовибраторные антенны. Они сложнее в изготовлении и дороже, но
их размеры не слишком критичны, а сами антенны характеризуются широкой полосой частот и по свойствам своего излучения отвечают практическим запросам радиолюбителей. Не менее популярны многоярусные
директорные антенны вертикальной поляризации.
Отличаясь упрощенным устройством, они обеспечивают дополнительное усиление благодаря фокусировке в плоскости Н. Поэтому многоярусные директорные антенны обладают теми же свойствами излучения, что
и плоские многовибраторные. Разнообразие типов антенн УКВ и ДМВ
диапазонов открывает широкое поле деятельности для радиолюбителяэкспериментатора.
Рациональный выбор антенны для УКВ и ДМВ диапазонов
Возможность создания весьма эффективной антенны из ряда элементов сравнительно простыми средствами подталкивает к решению построить остросфокусированную систему излучателей с высоким усилением. Но, как правило, такая конструкция в процессе эксплуатации ока-
816_Antenni.indd 139
28.09.2011 14:10:50
140
Антенны. Практическое руководство
зывается непрактичной. «От простого — к сложному» — таким должен
быть лозунг новичка, занятого выбором антенны.
Режим работы в любительских областях УКВ и ДМВ существенно отличается от режима KB диапазонов. Если на коротких волнах почти всегда
имеются станции-партнеры для радиообмена, то в любительских диапазонах УКВ и ДМВ лишь в определенное время суток можно найти одного или
нескольких корреспондентов. Причем при самом благоприятном топографическом положении дальность связи не превышает 100—200 км.
Количество доступных станций возрастает только при появлении
тропосферных сверхдальних трасс или во время состязаний радиолюбителей. Уже простенькая антенна позволяет устанавливать связь с ближайшими радиопартнерами. Антенна с острой горизонтальной фокусировкой оказывается для этого неудобной, так как в ходе сеанса связи
приходится переориентировать ее с одной станции на другую. Такого не
требуется при наличии излучателя с большой шириной главного луча
диаграммы направленности в горизонтальной плоскости.
Каждому радиолюбителю приятно установить связь со станцией, с
которой он раньше «не работал». Если вы «охотитесь» за станциями с
помощью высокоэффективной антенны с малой шириной горизонтального луча, шансы найти новую станцию невелики, поскольку пеленг ее
местоположения обычно заранее неизвестен.
При систематическом подходе приходится «опрашивать» до десятка направлений в пределах выбранного сектора и дожидаться отклика на каждое
обращение в отдельном частотном интервале диапазона. Такая операция
требует много времени, усилий и терпения. А если возможный партнер
пользуется антенной с узкой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, вероятность «встречи» становится еще меньше.
Совет.
Быстрее и надежнее устанавливать новые связи с помощью антенн,
обладающих широкой горизонтальной диаграммой, так как они «просматривают» большой интервал азимутальных углов. Целесообразно
обеспечивать прирост усиления, располагая простые системы ярусами, когда ширина диаграммы в вертикальной плоскости уменьшается, а в горизонтальной — остается такой же, как и у одноэтажной
системы.
Все сказанное тем более справедливо применительно к соревнованиям, когда из-за необходимости «крутить антенну» расходуется ценное
время и можно «проскочить» мимо вызывающей станции. Согласно статистике, вероятность успешного установления связей мала для станций
с острой горизонтальной фокусировкой антенны, если только они не находятся на особо бойком месте или не имеют редкостных позывных.
816_Antenni.indd 140
28.09.2011 14:10:50
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
141
Таким образом, в обычной радиолюбительской практике узкая горизонтальная диаграмма скорее недостаток, чем преимущество. Однако
без нее не обойтись, если требуется обеспечить большое усиление с помощью одноярусной директорной системы (преимущественно длинных
директорных антенн).
Вывод.
Отсюда следует, что многовибраторная антенна с усилением, равным усилению одиночной директорной антенны, превосходит последнюю по эксплуатационным качествам: усиление многовибраторной
антенны нарастает преимущественно за счет сужения вертикальной
диаграммы, тогда как усиление антенны Яги обусловлено малой горизонтальной шириной главного лепестка.
Рекомендации по применению любительских УКВ и ДМВ антенн
Можно дать следующие рекомендации по практическому применению
любительских УКВ и ДМВ антенн:
ŠŠво-первых, для удовлетворения средних запросов самым экономичным решением является обычная директорная антенна с тремя (максимум — с шестью) элементами; крупные антенны Яги характеризуются повышенным усилением, но их эксплуатация затруднена;
ŠŠво-вторых, более высоким требованиям по усилению отвечают
многоярусные системы из простых антенн (типа Яги) с относительно большой горизонтальной шириной диаграммы, допускающей
быстрое сканирование пространства;
ŠŠв-третьих, многовибраторные антенны рекомендуются в первую
очередь для «охоты» за станциями, соревнований и установления
сверхдальних связей;
ŠŠв-четвертых, антенны Яги высокой эффективности (длинная директорная антенна) наиболее экономичны для специальных применений, например, для работы на метеорных следах, установления прицельных связей и особенно для сеансов связи через трассу
Земля-Луна-Земля.
Примечание.
Стоит напомнить, что мощному передатчику должен сопутствовать высокочувствительный малошумящий приемник, и наоборот.
При соблюдении этого «равновесия возможностей» удается связываться со станциями, которые приемник «слышит». Если же станция принимается, а связь с ней не устанавливается, надо проверить КПД оконечного каскада передатчика и в первую очередь — отбор энергии в фидер:
по опыту известно, что именно здесь часто кроется причина неудач.
816_Antenni.indd 141
28.09.2011 14:10:50
142
Антенны. Практическое руководство
Эталонные антенны для диапазонов УКВ и ДМВ
Для определения усиления в качестве образца сравнения используется
эталонная антенна.
Примечание.
Поскольку изотропный излучатель сделать невозможно, в диапазонах УКВ
и ДМВ эталонной антенной обычно служит полуволновый вибратор.
Он выполняется в виде петлевого вибратора и настраивается на измерительную частоту так, чтобы его сопротивление было чисто активным.
Подобные «нормальные вибраторы» показаны на рис. 5.1 со всеми необходимыми данными.
Номинальное входное сопротивление петлевого вибратора при резонансной частоте составляет 300 Ом (точнее, 292 Ом).
Величина КСВ (s) на отводе к измерительной аппаратуре не должна
превышать 1,22 при резонансной частоте. Расстояние между клеммами
вибратора можно менять на 0,5—1,5% от длины волны, при этом влияния на остальные параметры антенны не оказывается; обычно задается
типовой промежуток от 8 до 25 мм.
Как всегда, местом крепления служит середина вибратора, причем
изоляционный материал применяется в минимальном количестве.
При измерениях в УКВ и ДМВ областях нередко бывает выгоднее использовать стандартизованную направленную антенну с определенным
усилением. Эскиз этой антенны представлен на рис. 5.2.
Она выполнена в виде двух параллельных полуволновых вибраторов,
отстоящих один от другого на λ/2 и от полотна отражателя — на λ/4.
Это расстояние ограничено рамкой, сторона которой имеет длину 1λ.
Вибраторы связаны линией из параллельных трубок с волновым сопротивлением 178 Ом. Отношение расстояния между трубками к их диаметру приблизительно равно 2,2.
Трубки линии и элементы антенны изготовлены из одного и того же
материала; в зависимости от области частот отношение λ/d для элемента
лежит между 107 (160 МГц) и 72 (882 МГц).
В геометрическом центре линии связи находятся клеммы питания.
Опора линии длиной λ/4 в этом месте выполнена в виде щелевого симметрирующего трансформатора. Он преобразует полное сопротивление
в соотношении 1:4 так, чтобы к кабельной розетке на тыльной стороне
полотна отражателя можно было подключать 50-омный коаксиальный
кабель.
Полотно отражателя образовано сеткой из алюминиевого провода.
Ширина ячейки сетки не превышает λ/10. На тыльной стороне отражателя имеются элементы жесткости и крепления.
816_Antenni.indd 142
28.09.2011 14:10:50
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
5
143
L
L
0,25
Д лина L, м
Д лина L, м
8...25 D=12,5
d=4
8...25 D=100
d=13
4
3
0,20
0,15
2
30
40
50
Частота f, М Гц
60
600
70
700
800
900
Частота f, М Гц
0,50
L
1000
L
3
8...25
d=13
D=75
d
0,40
Д лина L,м
Д лина L, м
2
1
50
100
Частота f, М Гц
1,00
D=25
d=4
0,30
0,20
300
400
500
Частота f, М Гц
600
700
L
d
0,80
Д лина L, м
150
d=8
8...25
8...25
D=45
d=8
d=13
0,60
0,40
150
200
250
Частота f, М Гц
300
Рис. 5.1. Длины петлевых
«нормальных» вибратора в пяти
диапазонах частот
350
/4
/4
/4
/4
/4
Рис. 5.2. Антенна стандартного
усиления, предложенная NBScc
816_Antenni.indd 143
28.09.2011 14:10:51
144
Антенны. Практическое руководство
Примечание.
Частотные области 148—174 МГц, 406—450 МГц, 450—512 МГц и 800—
960 МГц перекрываются антеннами одного и того же типа, но разных
размеров.
Уселение, дБ
При этом на всех измерительных частотах (160, 428, 481 и 882 МГц) усиление строго равно 7,7 dBd. На нижней границе частотной области усиление убывает до 7,5 dBd, тогда как на верхней возрастает до 8,0 dBd. Все
размеры и параметры антенн приведены в стандарте в табличном виде.
В диапазоне ДМВ образцами сравнения также служат рупорные антенны со стандартным усилением (Standard Gain Horns — рупоры стандартного усиления). Они представляют собой пирамидально-рупорный
излучатель, усиление которого допу17,2
стимо рассчитать по распределению
18,8
поля в его апертуре.
16,4
16,0
На рис. 5.3 представлен частот15,6
ный
ход усиления рупорной антенны
15,2
стандартного усиления в интервале
14,8
14,4
частот 1,7—2,6 ГГц (тип 12-17.70). Она
14,0
1,5
1,0
2,0
2,5
3,0
принадлежит американской фирме
Частота, ГГц
Scientific-Atlanta и характеризуется
Рис. 5.3. Частотная зависимость
усилением 15,5 дБ в средней части инусиления рупорной антенны,
тервала, приведенным к изотропному
стандартизованной по усилению
излучателю.
Аналогичные рупорные антенны других фирм обладают следующим
усилением:
ŠŠMRC LA390-SG — 16 dB;
ŠŠЕМСО 3160-03 — 16,3 dB;
ŠŠNarda 645 — 16,5 dB;
ŠŠDiamond 349 — 16,5 dB.
В зависимости от размеров рупора усиление может составлять 11, 16,
20, 24 и 30 дБ.
Размеры рупора приведены на рис. 5.4. Рупор нормализованного усиления, показанный на рис. 5.3, имеет размеры А = 36,65 см, В = 27,31 см
и L = 36,65 см.
A
L
B
Рис. 5.4. Стандартизованная рупорная антенна
816_Antenni.indd 144
28.09.2011 14:10:51
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
145
5.3. Продольные излучатели
для УКВ и ДМВ диапазонов
Определение
Определение.
Продольными излучателями называются антенные системы, изготовленные на основе полуволновых вибраторов и излучающие сигнал
вдоль линии построения своей структуры.
Соответственно, поперечными излучателями называют такие типы
антенн, излучение которых распространяется перпендикулярно линии
структуры. Известные директорные антенны служат типичным примером продольных излучателей, тогда как многоэтажные антенны и формируемые из них антенные решетки относятся к поперечным.
Направленные УКВ и ДМВ антенны с двумя элементами
Двухэлементные антенны, которые построены на базе полуволнового вибратора из элементов, лежащих в одной и той же горизонтальной
плоскости, представляют собой тип антенны, промежуточный между
продольными и поперечными излучателями. Поскольку директорные антенны Яги появились как результат их последовательного развития, эти
излучатели рассматриваются в контексте продольных систем. Обычно
двухэлементные антенны состоят из активного полуволнового вибратора
в сочетании с пассивным рефлектором. Подобное устройство обеспечивает усиление до 3,5 dBd.
641
Конструкция № 1. Двухэлементная антенна для диапазона 2 м. Схема
цельнометаллической двухэлементной антенны представлена на рис. 5.5.
Активным элементом служит петлевой вибратор, на расстоянии 0,3λ от
него имеется рефлектор. Этим задается величина входного сопротивления, равная приблизительно 240 Ом, и,
1040
следовательно, обеспечивается возможность прямого питания антенны через
стандартный 240-омный плоский кабель.
Любую антенну с номинальным со10
противлением 240 Ом можно питать че931
рез коаксиальный кабель, если к ее входу подключить полуволновый шлейф в Рис. 5.5. Схема двухэлементной
качестве трансформатора. Такой шлейф
антенны для диапазона 2 м
816_Antenni.indd 145
28.09.2011 14:10:51
146
Антенны. Практическое руководство
является частотно-зависимым звеном, но в случае двухметрового диапазона сужение частотной полосы несущественно.
Элементы укреплены непосредственно на металлической траверсе в
своих геометрических центрах.
Механические и электрические данные:
ƒƒ
диаметр элемента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5—10 мм;
ƒƒ
диаметр металлической траверсы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10—20 мм;
ƒƒ
входное сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 Ом симметричное;
ƒƒ
длина антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 641 мм (≈0,3λ);
ƒƒ
усиление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ≥3,5 dBd;
ƒƒ
подавление обратного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 дБ;
ƒƒ
ширина горизонтальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αF ≈ 75°;
ƒƒ
ширина вертикальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αH ≈ 140°.
Конструкция № 2. Антенны НВ9СV для диапазонов 2 м. Антенна
HB9CV относится к двухэлементным излучателям. Она снабжена активным рефлектором, отстоящим от вибратора на λ/8. Продольная компактность антенны делает ее особенно удобной для «охоты на лис» и применения в портативной аппаратуре.
Схема антенны для двухметрового диапазона представлена на рис. 5.6, а.
При указанных там размерах ее можно питать непосредственно по коаксиальному кабелю. Центральная жила кабеля подключается к точке Χ1, а
экран кабеля — к точке Х2 на металлической траверсе (рис. 5.6, б).
Триммер (подстроечный конденсатор), включенный последовательно с центральной жилой кабеля, служит для компенсации индуктивной
реактивной составляющей, порождаемой гамма-образным элементом.
Система единожды настраивается на минимум КСВ в кабеле по рефлектометру с помощью триммера, после чего он заменяется постоянным
конденсатором соответствующей емкости (ориентировочно 12 пФ).
1030
197
4
144
251
П ри прокладке
изолировать
x
197
а
Трим м ер
6–30 пФ
Траверса
диам етром
6–10 м м
х1 х2
4
x
950
Н аправление
главного луча
х1 – к внутренней ж иле кабеля
х2 – к экрану кабеля
б
Рис. 5.6. Антенна HB9CV для диапазона 2 м:
а — схема антенны; б — детали ввода питания
816_Antenni.indd 146
28.09.2011 14:10:51
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
147
В литературе есть варианты: при той же длине элементов и расстоянии между ними длина Г-образных отводов на элементах была уменьшена с 197 до 130 мм на рефлекторе и с 197 до 120 мм на директоре. При
таких размерах триммер для согласования коаксиального кабеля должен
включаться параллельно клеммам питания. Кроме того, клеммы питания X1 и Х2 (рис. 5.6, б) должны быть соединены между собой; тогда центральная жила кабеля проходит к вершине угла согласующего элемента,
а экран кабеля — к точке Х2.
Конструкция перестает напоминать обычное исполнение гаммаобразного звена согласования и приближается к неполному омегаобразному согласованию. Здесь нет последовательно включенного триммера, и реактивный индуктивный компонент не компенсируется. Поэтому
рекомендуется добавить к такому устройству последовательную емкость.
Оба гамма-образных элемента и связывающая их линия выполнены
из изолированного цельного провода диаметром 2 мм. Между ним и элементом должен быть просвет шириной 4—5 мм.
Механические и электрические данные:
ƒƒ
диаметр элементов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 мм ± 20%;
ƒƒ
диаметр металлической траверсы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10—16 мм;
ƒƒ
несимметричное входное сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50—75 Ом;
ƒƒ
длина антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 мм (λ/8);
ƒƒ
усиление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4,2 dBd;
ƒƒ
отношение прямого излучения к обратному . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 дБ;
ƒƒ
ширина горизонтальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αΕ ≈ 68°;
ƒƒ
ширина вертикальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αH ≈ 130°.
Конструкция № 3. Антенны HB9CV для диапазона 70 см. Эта удобная
миниатюрная антенна (схема на рис. 5.7, а) шириной всего 350 мм и длиной
100 мм отличается хорошей направленностью
310
и относительно высоким усилением. Она легко
55
разбирается и особенно хороша для работы с
~
~ 4 пФ
переносной аппаратурой (например, для «охо83
ты на лис»). Однако необходимо точное согласование антенны с коаксиальным кабелем,
57
335
которое несколько теряет устойчивость при
неблагоприятных погодных условиях.
Для работы в диапазоне 70 см фазирующая линия между элементами прокладывается так, как показано на рис. 5.7, б, с расстоянием до элементов и траверсы 3 мм, коРис. 5.7. Антенна HB9CV для
диапазона 70 см:
торое задается приклеенными прокладками
а — схема с размерами;
из синтетического материала. Емкость для б — прокладка фазирующей линии
компенсации индуктивного реактивного
816_Antenni.indd 147
28.09.2011 14:10:51
148
Антенны. Практическое руководство
компонента составляет около 4 пФ и реализуется с помощью триммера
на 6—8 пФ.
Механические и электрические данные:
ƒƒ
диаметр элементов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4—5 мм;
ƒƒ
диаметр металлической траверсы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7—8 мм;
ƒƒ
фазирующая линия из провода диаметром 1,5 мм прокладывается над эле-
ментами — и траверсой с просветом 3 мм;
ƒƒ
несимметричное входное сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50—75 Ом;
ƒƒ
длина антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 мм (λ/8);
ƒƒ
усиление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4,2 dBd;
ƒƒ
отношение прямого излучения к обратному . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 дБ;
ƒƒ
ширина горизонтальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αЕ ≈ 68°;
ƒƒ
ширина вертикальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αH ≈ 130°.
В литературе отмечается, что заявленное усиление 4,2 dBd легко реализуется (+0,2 dBd) и, что удивительно, полное подавление обратного излучения у столь малой антенны также находит подтверждение. В целом антенна
HB9CV рассматривается как высокоэффективный образец, согласование
которого с фидером чувствительно к внешним воздействиям.
Директорные антенны для диапазонов УКВ и ДМВ
Достоинства директорной антенны. Директорная антенна зарекомендовала себя как самая экономичная и простая конструкция для УКВ и ДМВ
диапазонов. На ее изготовление расходуется мало материалов, ветровое сопротивление антенны минимально, а распределение масс весьма благоприятно, что важно для вращающихся устройств. В зависимости от исполнения
одноярусная директорная антенна обеспечивает усиление от 5 до 16 dBd.
Более высокие величины реализуются с помощью антенных решеток.
Хорошие качества в сочетании с универсальностью привели к тому,
что среди радиолюбителей антенны Уда-Яги («волновой канал»), бесспорно, стали самой популярной конструкцией направленной антенны.
Принцип действия и усиление антенны «волновой канал». В течение
многих лет принцип действия директорной антенны оставался неясным.
Основополагающие экспериментальные работы были выполнены еще в
1959 г. на частоте 9000 МГц с использованием однородной структуры Яги:
все директоры были одинаковой длины, одинакового диаметра и размещались на равных расстояниях один от другого.
Выяснилось, что волну, пробегающую по директорной антенне, можно
рассматривать как поверхностную, которая замедляется антенной структурой, поэтому фазовая скорость ν оказывается ниже скорости света с.
В таком случае фазовая скорость способна служить критерием оптимального усиления. Директорная антенна, как и любой продольный излу-
816_Antenni.indd 148
28.09.2011 14:10:51
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
149
V
c
1,0
чатель, характеризуется максимально
0,9
возможным усилением, когда устанав0,8
ливается фазовая скорость, соответ0,7
ствующая имеющейся длине антенны
0,6
1
4
0
2
3
6
(то есть длине траверсы, приведенной
L/
к рабочей длине волны). Независимо от
Рис. 5.8. Зависимость оптимальной
того, при каком количестве директоров,
фазовой скорости νφ /c от длины
антенны l/λ (с — скорость света)
при каких значениях длины и диаметра
директоров и расстояний между ними достигается оптимальная фазовая
скорость. Эреншпек нашел зависимость оптимальной фазовой скорости
νφ/с от длины антенны l/λ (рис. 5.8) путем зондовых измерений на модели.
Фазовая скорость ν вдоль последовательности директоров зависит:
ŠŠот длины;
ŠŠот степени утолщения элементов;
ŠŠот расстояний между элементами.
Примечание.
Сществует бесконечное множество комбинаций, при которых может
быть достигнута оптимальная фазовая скорость.
При такой скорости νopt максимальное усиление вне всякой связи с
количеством директоров зависит исключительно от длины всей структуры, приведенной к длине волны. Единственное ограничение: расстояние
между директорами не должно превышать 0,4λ. Эти зависимости иллюстрирует кривая А на рис. 5.9.
Примечание.
Следует иметь в виду, что длиной антенны для этой кривой считается
расстояние между активным элементом и последним директором.
Усиление, дБ
На рис. 5.9 кривая А характеризует однородную антенну (длина считается от активного элемента); кривая В описывает теоретически максимальное усиление неоднородной антенны.
Радиолюбители почти перестали
применять однородные директорные
16
B
антенны, когда выяснилось, что при
14
12
неоднородных структурах достигается
A
10
более высокое максимальное усиление.
8
Кроме того, диаграмме направленности
6
однородной структуры свойственны:
5,5 6,5
0,5 1,5
2,5
3,5 4,5
L/
ŠŠбоковые лепестки;
ŠŠболее узкий главный лепесток.
Рис. 5.9. Зависимость усиления
Внешне неоднородная структура
директорной антенны от ее
длины, приведенной к длине волны
отличается тем, что длина директоров
816_Antenni.indd 149
28.09.2011 14:10:51
150
Антенны. Практическое руководство
и расстояния между ними непостоянны. Причем обычно длина директоров постепенно убывает от активного элемента к противоположному
концу антенны. Также справедливо следующее правило.
Правило.
Расстояние между директорами не должно превышать 0,4λ.
Обычно первый директор находится на расстоянии 0,1—0,12λ от активного элемента. Из-за обилия переменных параметров разработка и
оптимизация длинных директорных антенн требует проведения многочисленных экспериментов. Кривая В на рис. 5.9 дает представление о зависимости теоретически возможного усиления неоднородной антенны
от ее относительной длины.
Эта зависимость нелинейна. Удвоение длины антенны дает прирост
ее усиления всего на 2,2 дБ. При этом надо учитывать, что с увеличением
длины антенны сужается ее полоса пропускания, и при длине 10λ она составляет лишь 1% от рабочей частоты у однородной и 3% у неоднородной.
Кроме того, возрастают требования к точности соблюдения размеров.
Примечание.
На практике к максимальному усилению можно приблизиться вплоть
до нескольких десятых децибел, но превзойти его невозможно. Все, что
было обещано или измерено сверх того, нереально.
Критерии оценок применительно к усилению. Об усилении любой
антенны, как говорилось выше, можно судить по ее вертикальной и горизонтальной диаграммам направленности. Хорошей отправной точкой
служит оценка усиления по ширине диаграмм, то есть по углу раскрыва
на уровне 0,707 Umax.
Поскольку полуволновый вибратор является направленной антенной
и имеет по отношению к изотропному излучателю усиление 2,14 дБ, коэффициент направленности какой-либо антенны больше ее коэффициента усиления на 2,14 дБ или в 1,28 раз по напряжению:
D = 1,28 G или D = G + 2,14 дБ.
Это положение относится к идеализированной диаграмме (вытянутая грушевидная форма без боковых лепестков, обратного излучения и
расширения у основания). Расчет по данной формуле дает предельное
усиление, недостижимое на практике, к которому, однако, можно приблизиться при ширине диаграммы от 20° до 40°.
Примечание.
Боковые лепестки диаграммы в вертикальной плоскости больше влияют на оценку усиления, нежели аналогичные лепестки горизонтальной диаграммы.
816_Antenni.indd 150
28.09.2011 14:10:51
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
151
Определенную роль играет и положение лепестков на диаграмме: чем
они ближе к главному лучу, тем значительнее влияют на усиление.
Вывод.
Диаграмма направленности позволяет определить качество
антенны.
К сожалению, в большинстве случаев диаграммы приводят не полностью (без диаграммы в плоскости Н) и часто в приглаженном виде.
Усиление директорной антенны заданной длины определяется исключительно оптимизированной базисной структурой. Для каждой относительной длины антенны существует оптимальная фазовая скорость
(рис. 5.8). Идя на некоторые компромиссы, такую оптимизированную
структуру можно переносить на другую длину или попросту удлинять
или укорачивать антенну.
Усиление оптимизированной антенны Яги зависит только от ее относительной длины; здесь справедливы закономерности, представленные
на рис. 5.9.
Если длина директорной антенны близка или превышает 1λ, форма
активного элемента перестает влиять на ее усиление, но продолжает воздействовать на ширину частотной полосы антенны и ее согласование. В
заданную оптимизированную структуру можно дополнительно встраивать систему возбуждения.
У коротких директорных антенн возникает добавочное усиление,
если активный элемент уже обладает усилением (например, квадратная
рамка). Добавочное усиление исчезает с увеличением длины антенны.
Обратное излучение подавляется рефлектором. Под его воздействием
меняются как диаграмма направленности, так и усиление.
Примечание.
При подавлении обратного излучения больше чем на 15 дБ существенно
повысить усиление не удается, и потому затраты на это не окупаются (например, при увеличении количества рефлекторов или использовании рефлекторного полотна).
Однако возможны другие причины, оправдывающие их применение.
Например, в горизонтальных антеннах для работы на трассах ЗемляЛуна-Земля дополнительный рефлектор подавляет шумы со стороны,
противоположной направлению главного луча.
Опыты Эреншпека показали, что размещение рефлектора на расстоянии 0,25λ от активного элемента дает определенные преимущества.
816_Antenni.indd 151
28.09.2011 14:10:51
152
Антенны. Практическое руководство
Совет.
Следует избегать слишком тесного расположения элементов, иначе
реактивные токи становятся столь велики, что потери превышают
теоретически возможное усиление.
Правило, согласно которому функция элемента определяется только
его реактивностью, применимо, прежде всего, к директорам. Поэтому
их нельзя рассчитывать просто как диполи, а надо приводить к равной
реактивности (куда входит добротность). При этом определяющими величинами выступают длина элемента L и его диаметр d, приведенные к
длине волны. Эти зависимости представлены на рис. 5.10, где пунктиром
показаны кривые постоянного реактивного сопротивления.
Параметром здесь служит только количество элементов, а не расстояние между ними или относительная длина антенны. При одинаковом количестве элементов кривые совпадают, поскольку фазовый сдвиг и расстояние между элементами взаимозависимы. Поэтому у длинных директорных
антенн оптимальная фазовая скорость остается практически постоянной.
К коротким антеннам Яги эти выводы применимы лишь условно.
Вывод.
Из графика на рис. 5.10 видно, что длина директоров зависит от
диаметра больше, чем длина рефлектора и активного элемента.
Зависимость усиливается с увеличением количества директоров.
0,50
х = 42 О м
Реф лектор
L/
х= 0
0,45
И злучатель
х=
0,40
х=
50
Oм
м
0,35
6 7 8 9
12 15 18 20 25 30
d/
40
0,05
12 15 18 20 25 30 3540
0,01
30
0,005
0,001
4
8
10
13 Д иректоры
15
20
10
0O
Количество
директоров
Рис. 5.10. Зависимость оптимальной длины l элементов директорной антенны
от их диаметра d, приведенного к длине волны λ
816_Antenni.indd 152
28.09.2011 14:10:52
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
153
Одинаковое возрастание диаметра элемента приводит к разным результатам:
ŠŠукорочению активного элемента и рефлектора на 7%;
ŠŠукорочению директора — почти на 14% (по приблизительным
оценкам для средней степени утолщения).
Весьма похоже ведут себя пунктирные кривые постоянной реактивности для отдельного дипольного элемента. Вблизи λ/2 активная составляющая импеданса почти не зависит от отношения d/λ.
В литературе отмечается, что нормированные значения длин всех антенн были настолько подобны друг другу, что текущие значения отклонялись от средней кривой не более чем на 0,01λ. Результатом работы исследователей стало появление семейства кривых, представленных на рис. 5.11.
Подобие выявленных оптимальных значений прослеживается и по
межэлементным расстояниям в пределах последовательности директоров: эти значения, начиная с исходной величины, асимптотически приближаются к 0,4λ. Необходимо также малое расстояние между первым
директором и активным элементом величиной около 0,1λ, поскольку он
является нерасстроенным дипольным элементом.
В результате измерений на экспериментальных образцах директорных
антенн радиолюбитель DL6WU предложил определенную последовательность расстояний между элементами длинной антенны Яги, представленную в табл. 5.1.
0,45
0,44
0,43
0,42
d/ =
0,0
0,41
d/ =
0,00
02
L/
3
d/ =
0,00
4
d/
=0
,00
5
d/
=0
,00
7
0,40
0,39
0,38
d/
0,37
0,36
145 М Гц 432 М Гц
d=
d=
4 мм
1,4 м м
4
6
8
10
12
П озиция директора
14
16
2,1 м м
8 мм
2,8 м м
10 м м
3,5 м м
14 м м
4,9 м м
=0
,01
d/ = 0,014
2
6 мм
18
20
20 м м
7 мм
28 м м
9,8 м м
Рис. 5.11. Зависимости длины директора L/λ от местоположения директора
в антенне Яги при разных диаметрах элемента d/λ
816_Antenni.indd 153
28.09.2011 14:10:52
154
Антенны. Практическое руководство
Расстояния между элементами длинных директорных антенн
Таблица 5.1
Промежуток, мм,
432 МГц
Промежуток, мм,
145 МГц
0,240
160
497
–
–
–
0,075
55
155
Позиция элемента
Промежуток, λ
Рефлектор
Вибратор
1-й директор
Длина элемента, λ
2-й директор
0,180
125
372
3-й директор
0,215
150
445
4-й директор
0,250
175
517
5-й директор
0 280
195
579
6-й директор
0,300
210
621
7-й директор
0,315
220
652
8-й директор
0,330
2,19
230
683
9-й директор
0,345
2,53
240
714
10-й директор
0,360
2,89
250
745
11-й директор
0,375
3,27
260
776
12-й директор
0,385
3,65
265
797
13-й директор
0,390
4,05
270
807
14-й директор
0,395
4,44
275
817
15-й директор
0,400
4,84
280
828
16-й директор
0,400
5,24
280
828
17-й директор
0,400
5,64
280
828
18-й директор
0,400
6,04
280
828
19-й директор
0,400
6,44
280
828
20-й директор
0,400
6,84
280
828
Данная таблица в сочетании с графиками на рис. 5.10 и рис. 5.11 позволяет даже новичку спроектировать директорную антенну с почти
оптимальным усилением. Структуру можно урезать в любом месте приблизительно до длины 2λ без заметного увеличения КСВ.
При строгом соблюдении указанных размеров антенны, построенные
по этому «универсальному рецепту», без сомнения, превосходят оптимальные однородные антенны Яги по усилению (кривая В на рис. 5.9), а
их диаграммы направленности явно чище (добавочное усиление за счет
подавления боковых лепестков).
Длинные директорные антенны считаются оптимизированными, когда длина элементов выбрана по критерию максимального усиления. О
двойной оптимизации этих антенн говорят, если удачно выбраны длина
элементов и расстояния между ними.
Вышесказанное имеет лишь условную ценность для коротких директорных антенн.
816_Antenni.indd 154
28.09.2011 14:10:52
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
155
Советы по самостоятельному изготовлению директорных антенн
Как правило, директорные антенны целиком строят из металла. Это
значит, что все элементы крепятся непосредственно к траверсе в своих
геометрических центрах (минимумах напряжения) без какой-либо изоляции.
Такой способ не наносит ущерба электрическим качествам антенны, но
обеспечивает выигрыш по механическим свойствам и в отношении грозозащиты. Другие особенности сборки элементов будут рассмотрены ниже.
Элементы. Элементы антенны выполняют из металлической трубки
или прутка.
Примечание.
Поскольку токи высокочастотного сигнала способны протекать
только в поверхностном слое проводника (скин-эффект), не важно,
будет использоваться пруток или трубка. Необязательно применять
материал традиционного круглого сечения, одинаково пригодны квадратные или прямоугольные профили.
Особенно стабильны при малом весе швеллер и полукруглые профили. Независимо от формы профиля максимальная ширина поперечного
сечения всегда считается диаметром d (входящим, например, в отношение d/λ).
Совет.
Лучший материал для изготовления — чистый алюминий, так как он
легок и отличается высокой электропроводностью. Кроме того, под
действием погодных условий алюминий покрывается тонким диэлектрическим оксидным слоем, защищающим элемент от дальнейшей
коррозии без ухудшения проводимости поверхностного слоя, расположенного под оксидной пленкой.
На предприятиях часто специально оксидируют материал из алюминия для создания подобной защиты. Легированные алюминиевые сплавы (в частности, дюраль) подвержены выветриванию, поэтому им необходимо защитное покрытие.
Медную трубку надо обязательно лакировать или серебрить, так как
на ней образуется слой окислов со свойствами полупроводника, снижающий электропроводность верхнего слоя для высокочастотных сигналов.
Условно пригодны также латунь и сталь, если они защищены стойким
покрытием. Однако на морозе латунь становится очень хрупкой, элементы легко ломаются, а на трубах появляются продольные трещины.
Снижение качества антенн из-за уменьшения электропроводности
сплавов легко фиксируется средствами измерений, но действие этого
эффекта сказывается лишь в тех случаях, если элемент чрезмерно тонок.
816_Antenni.indd 155
28.09.2011 14:10:52
156
Антенны. Практическое руководство
Примечание.
В качестве активного элемента обычно применяется петлевой
вибратор, он также служит стандартным вибратором для диапазонов УКВ и ДМВ.
Разрезной вибратор должен быть разрезан в геометрической середине, в результате чего его механическое крепление затруднено. Поэтому
такой вибратор надо подключать к фидеру через Т- или гамма-образное
устройство согласования. Правда, они сужают полосу частот и их сложно настраивать без соответствующей аппаратуры.
Петлевой вибратор удается изготовить из стандартных дюралевых
трубок без специального гибочного оборудования, а лишь с помощью
цилиндрической оправки диаметром 40—50 мм.
Совет.
Перед такой операцией потренируйтесь на обрезке трубки.
Петлевые вибраторы прямоугольной формы не столь элегантны, как
скругленные, но по электрическим свойствам эти формы эквивалентны.
В продаже имеются вполне пригодные разъемы для антенн. Для лучшей
защиты от коррозии и проникновения влаги их стоит замазать изолирующим составом, например, эпоксидной смолой.
Совет.
Торцы трубчатых элементов необходимо расплющить или вставить
в них заглушки, чтобы избежать эффекта «эоловой арфы» (звучания
полых трубок на ветру).
Несмотря на заглушки, длинные трубчатые элементы все же могут издавать свист из-за собственных колебаний. Но звучание легко погасить,
если заполнить трубки мягким материалом (минеральной ватой) или
добавить в них мелкого песка.
На траверсе элементы надо закреплять точно в их геометрических
центрах, строго соблюдая взаимную параллельность и перпендикулярность к траверсе. При использовании цельнометаллической конструкции следует обеспечить хороший и стойкий контакт между элементами
и траверсой. При неразборном монтаже (склеивание, сварка, пайка) элементам нужно заранее придать требуемую длину.
Траверса. Траверса должна быть стойкой к изгибанию и скручиванию,
по возможности легкой и не поддающейся коррозии. Данным требованиям отвечает дюралюминиевый профиль квадратного сечения, широко
применяемый поставщиками промышленных антенн. Такой материал
сверлится без кондуктора, а сравнительно широкая и гладкая поверхность способствует надежному креплению элементов.
816_Antenni.indd 156
28.09.2011 14:10:52
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
157
Четырехгранник со стороной 22 мм подходит для директорной антенны двухметрового диапазона, причем длинные конструкции должны
подкрепляться снизу дополнительной балкой. Для антенны диапазона
70 см достаточно использовать четырехгранник со стороной 16—18 мм,
тем более что ДМВ антенны по электрическим причинам практически
всегда снабжаются нижней балкой. Неплохо было бы применить четырехгранник и на 22 мм.
Примечание.
Электрические свойства антенны не зависят от того, круглое или
квадратное сечение траверсы, но на цилиндрической траверсе труднее крепить элементы.
Профили иного сечения — двутавр или швеллер — также вполне
пригодны для траверсы, если отвечают механическим требованиям.
Антикоррозионная окраска необходима, прежде всего, для стальных
несущих конструкций (например, для тонкостенных бронированных
стальных труб).
Совет.
Рекомендуется все металлические несущие трубы изнутри покрывать
лаком; здесь стоит воспользоваться опытом коррозионной защиты
полостей автомобильных кузовов.
Вполне допустимо применение древесины для несущих деталей, но
они должны быть зачищены и тщательно пропитаны. В районах с морским климатом, где вероятно отложение солей, деревянные конструкции
могут оказаться более стойкими, нежели незащищенные дюралевые трубы. Хорошо служат также текстолит или трубы из синтетических материалов.
Механически и электрически почти идеальны, но дороги, трубы или
пруток из полиэфирной смолы, армированной стекловолокном. При использовании неметаллической траверсы отпадает необходимость учитывать влияние сечения металлического носителя на эффективную длину
пассивных элементов.
Факторы влияния, связанные с траверсой и мачтой антенны. Как
говорилось выше, неметаллические траверсы и мачты не оказывают заметного воздействия на антенную структуру.
Примечание.
Однако при использовании металлических несущих конструкций возможны неудачи из-за пренебрежения факторами влияния: способом
крепления элементов, диаметром траверсы и ее креплением к мачте
антенны.
816_Antenni.indd 157
28.09.2011 14:10:52
158
Антенны. Практическое руководство
Прежде всего, следует решить, должны ли пассивные элементы гальванически соединяться с траверсой или быть изолированными от нее.
В первом случае необходимо обеспечить не только механическую прочность крепления элемента, но и стойкий электрический контакт с траверсой. Здесь предпочтительней узлы крепления промышленного изготовления, если они обладают достаточной механической и климатической
стойкостью. Вполне возможно самостоятельно изготовить крепежные
детали, особенно для траверсы квадратного сечения.
Существует три способа кустарного крепления элементов:
ŠŠфиксировать их на траверсе, в том числе с изолирующей прокладкой (рис. 5.12, а);
ŠŠпродевать сквозь нее (рис. 5.12, б), обеспечивая гальваническую
связь элемента с траверсой;
ŠŠизолировать элементы друг от друга с помощью ленточного или
жесткого изолятора.
d
d
v
-D/2
d
D
D
D
а
б
в
Рис. 5.12. Способы крепления пассивных элементов к металлической траверсе:
а — элемент на поверхности траверсы; б — элемент проходит сквозь траверсу;
в — установка элемента на прокладке
В любом случае металлическая траверса вызывает более или менее
сильную рассогласованность элементов, которая становится пренебрежимо малой, если элементы фиксируются так, что расстояние между
ними и траверсой составляет не менее половины диаметра траверсы D
(рис. 5.12, в).
Примечание.
Рассогласованность растет с уменьшением расстояния и максимальна, когда элемент проходит сквозь траверсу (рис. 5.12, б).
Тогда эффективная длина элемента электрически укорачивается.
Поэтому в зависимости от отношения D/λ необходимо удлинять элемент ради восстановления его реактивности до требуемого уровня. Если
сквозь траверсу пропущен элемент в изоляторе, эффект укорочения существенно ослабевает.
816_Antenni.indd 158
28.09.2011 14:10:52
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
159
Правило.
Согласно эмпирическому правилу, необходимо увеличивать длину l элемента, пропущенного сквозь траверсу, на две трети ее поперечника D.
Однако это правило относится к сравнительно толстым траверсам, более или менее применимо к коротким директорным антеннам, но совсем
не годится для длинных оптимизированных антенн Яги, где речь идет о
миллиметровой точности соблюдения размеров. Собственные более достоверные результаты (DL6WU) приведены в табл. 5.2.
Поправки к длине пассивных элементов,
установленных на металлической траверсе
D/λ
Поправка Δl в λ
Соответствует D,
мм, для 432 МГц
Таблица 5.2
Поправка l, мм,
для 432 МГц
Соответствует D,
мм, для 145 МГц
Поправка l, мм,
для 145 МГц
0,010
+0,003
7
+2
20
+6
0,015
+0,005
10
+3,5
30
+10
0,020
+0,008
14
+6
40
+16
0,025
+0,010
17
+7
50
+20
0,030
+0,016
21
+11
60
+32
0,040
+0,026
28
+18
80
+52
0,050
+0,035
25
+25
100
+70
Примечание.
D — диаметр траверсы; D/λ — диаметр траверсы, приведенный к
рабочей длине волны λ; Δl — необходимое удлинение элементов, выраженное в l.
Данные этой таблицы применимы к металлическим траверсам любого профиля, когда элементы проходят в ней всем своим сечением. Если
они устанавливаются на траверсе (рис. 5.12, а), то поправки, взятые из
табл. 5.2, при квадратном профиле надо уменьшать вдвое, а при круглом — в еще большей степени.
Многие рекомендации по самостоятельному изготовлению антенн
опираются на параметры для базисной структуры, на которые не влияют
свойства траверсы (имеются в виду неметаллические траверсы). В других
рекомендациях указывается определенный диаметр металлической трубы,
которому отвечают остальные характеристики. Рациональное применение
данных из табл. 5.2 позволяет выполнять соответствующие пересчеты.
Пример.
Согласно рис. 5.10 или рис. 5.11, длина директора L составляет 0,42 λ.
Если директор проходит сквозь металлическую траверсу с D/λ = 0,02,
к длине элемента надо прибавить 0,008 λ, так что требуемая длина
составит 0,428 λ.
816_Antenni.indd 159
28.09.2011 14:10:52
160
Антенны. Практическое руководство
Несущая металлическая мачта, «вторгаясь» в структуру антенны, также оказывает отрицательное воздействие на ее электрические свойства.
Способы крепления траверсы к мачте по-разному влияют на поляризацию антенны и частоту. Поскольку мачта антенны вертикальна, она оказывает сильное отрицательное влияние на свойства излучения директорной антенны вертикальной поляризации.
Фактически радиолюбитель может
смонтировать антенну так, чтобы избежать искажений поля излучения,
только двумя способами. На рис. 5.13,
а продемонстрировано крепление антенны перед мачтой, а на рис. 5.13, б —
монтаж с использованием горизона
б
тальной поперечины, которая должна
обеспечить расстояние не менее λ/4
Рис. 5.13. Варианты монтажа
директорной антенны вертикальной между мачтой и антенной.
поляризации на металлической мачте:
Оба способа статически неблагоа — монтаж перед мачтой; б — смещенный приятны, им свойственны дифферент
монтаж на горизонтальной перекладине
траверсы на нос и трудности при реализации поворотных антенн. Перпендикулярный монтаж в центре тяжести антенны на неметаллической опорной мачте длиной λ/2 снимает
эту проблему, если проложить фидер позади рефлектора вниз. Однако
в этом варианте затруднена грозозащита. При монтаже на поперечине
необходимо закрепить на ней фидер, а затем направить его вниз вдоль
опорной мачты.
Примечание.
Металлическая мачта слабо влияет на директорную антенну горизонтальной поляризации для двухметрового диапазона.
Объясняется это тем, что протяженность УКВ антенны, приведенная к
обычному диаметру мачты, сравнительно велика, и антенна горизонтальной поляризации достаточно хорошо развязана с вертикальной металлической мачтой. Поэтому антенну Яги двухметрового диапазона можно
монтировать прямо на мачте без особого ущерба для свойств излучения
(рис. 5.14, а), если толщина мачты не слишком большая.
Для длинных директорных антенн рекомендуется монтаж с использованием продольной балки под траверсой (причем не только ради механической стабильности). Ее форма и исполнение приведены как пример
промышленного образца на рис. 5.14, б.
Столь же полезно улучшить жесткость конструкции наклонными раскосами. Пример монтажа антенны Яги горизонтальной поляризации перед
мачтой приведен на рис. 5.14, в. Такой способ монтажа электрически рацио-
816_Antenni.indd 160
28.09.2011 14:10:52
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
нален, однако механически несовершенен и потому не применяется радиолюбителями, нуждающимися во вращающейся антенне.
Вариант монтажа по рис. 5.14, а
неприменим для директорной антенны горизонтальной поляризации диапазона 70 см потому, что
в дециметровой области вторжение металлической мачты в антенную структуру в сочетании с
поперечным смещением траверсы существенно ухудшает работу.
Такое смещение неизбежно, если
пользоваться стандартными крепежными скобами.
161
а
б
в
Рис. 5.14. Крепление директорной антенны
горизонтальной поляризации на мачте:
а — подходящее для диапазона 2 м, но неприменимое
Совет.
в диапазоне 70 см; б — рациональное решение для
УКВ и ДМВ диапазонов; в — электрически лучшее
Очень легкие и корот­кие
решение для диапазонов УКВ и ДМВ
антенны 70-санти­метро­
вого диапазона можно
крепить прямо на торце мачты, если ее диаметр по размеру близок
поперечнику траверсы и точно известно, что траверса и мачта монтируются в одной вертикальной плоскости.
Все части антенны, подверженные коррозии, должны иметь защитное покрытие в виде антикоррозионной краски, алкидного покрытия,
хлоркаучукового лака и т. п. Подобные части можно защитить распылением консервантов. Винтовые соединения густо смазываются смазкой, стойкой к погодным условиям, чтобы сохранить разборность конструкции.
Современные химические средства позволяют справиться с трудностями крепления деталей и антикоррозионной защиты. Речь идет,
прежде всего, о применении литьевых смол, двухкомпонентных клеев,
силиконовых каучуков и многочисленных синтетических материалов с
различными механическими свойствами, хорошо зарекомендовавшими
себя при создании антенн.
Особенности коротких и длинных директорных антенн
Начиная работать в двухметровом диапазоне, а затем в диапазоне
70 см, радиолюбители научились самостоятельно строить необходимые
антенны. Универсальных рецептов не существовало, а удобная измери-
816_Antenni.indd 161
28.09.2011 14:10:53
162
Антенны. Практическое руководство
тельная техника была доступна лишь в редких случаях, поэтому вера в
«чудо-антенну» получила широкое распространение в мире.
Но уже тогда директорные антенны считались самыми экономичными, а проблему их параметров пытались решить, занимаясь трудоемким экспериментированием. В XXI веке радиолюбитель владеет самыми современными измерительными устройствами, которые позволяют
без особых усилий разрабатывать объемные оптимальные директорные
структуры. Достаточно лишь подумать и посчитать на калькуляторе.
Примечание.
Большинство радиолюбителей предпочитают пользоваться указаниями, точное соблюдение которых дает возможность изготовить
антенну с заданными параметрами. Но и им будет небесполезно познакомиться с физическими закономерностями директорных антенн: такие
знания потребуются, как только под рукой не окажется труб нужного
диаметра и понадобится пересчитать антенну на другие размеры.
Самой компактной антенной Яги является трехэлементная директорная антенна, образованная активным и двумя пассивными элементами.
Путем увеличения количества пассивных элементов и, следовательно, удлинения несущей траверсы доводят усиление до величины, дальнейший
рост которой ограничен механической прочностью антенны, необходимой для ее реализации.
Согласно рис. 5.9, кривая усиления по мере удлинения антенны становится все более пологой, так что, исходя из экономических соображений
и в силу механических сложностей, крайне редко строят антенны длиннее 5 м (≈2,5λ).
Директорные антенны длиной менее 1λ называют стандартными (или
короткими) антеннами Яги. Их параметры подчиняются несколько иным
закономерностям по сравнению с характеристиками длинных директорных антенн (более 1λ). Разделение директорных антенн по величине произвольно, между ними нет четкого разграничения. Отличительными
признаками длинной антенны служат:
ŠŠсравнительно большие расстояния между элементами в пределах
линейки директоров (до 0,4λ);
ŠŠрасположение первого директора ближе к активному элементу
(0,1—0,15λ) для более тесной связи между ними.
Короткие директорные антенны для диапазона 2 м
Уже для трехэлементной директорной антенны максимальное усиление может быть достигнуто множеством сочетаний ее размеров. Это
разнообразие уменьшается, если задаться определенной величиной вход-
816_Antenni.indd 162
28.09.2011 14:10:53
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
163
ного сопротивления (OK1VR). При установке на максимальное усиление
входное сопротивление антенны становится сравнительно низким.
Примечание.
В короткой директорной антенне в качестве активного элемента
также предпочтителен петлевой вибратор, поскольку при нем реализуются более благоприятные условия для согласования (входное
сопротивление увеличивается в четыре раза).
На структурных схемах обозначаются точки минимального напряжения, в которых заземляются элементы антенны. Если нет специальных
оговорок, элементы крепятся без изоляции непосредственно к металлической траверсе диаметром от 15 до 30 мм.
1017
10
326
1168
240 О м
252
50
Конструкция № 1. Трехэлементные директорные антенны. Трехэлементная антенна Яги, схематически представленная
на рис. 5.15, отличается широкополосностью.
Ее входное сопротивление около
240 Ом, что позволяет питать антенну непосредственно через стандартный плоский УКВ кабель. Коаксиальный кабель
подключается через полуволновый шлейф
или трансформатор симметрии промышленного изготовления.
846
Рис. 5.15. Схема трехэлементной
директорной антенны с большой
шириной полосы пропускания
Механические и электрические данные:
ƒƒ
диаметр элементов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5—10 мм;
ƒƒ
входное сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 Ом;
ƒƒ
длина антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580 мм (соответствует λ/4);
ƒƒ
усиление около . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 dBd;
ƒƒ
отношение прямого излучения к обратному . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 дБ;
ƒƒ
ширина горизонтальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αE ≈ 70°;
ƒƒ
ширина вертикальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αH ≈ 110°.
Конструкция № 2. Узкополосный вариант трехэлементной директорной антенны, которая рассчитана на максимальное усиление, продемонстрирован на рис. 5.16. При использовании обычного петлевого вибратора входное симметричное сопротивление составляет около 70 Ом.
Коаксиальный кабель подключается через симметрирующее устройство.
Входное сопротивление системы может быть повышено до симметричных 240 Ом, если применить петлевой вибратор с различным сечением
элементов.
816_Antenni.indd 163
28.09.2011 14:10:53
164
Антенны. Практическое руководство
972
415
20
10
415
Механические и электрические данные:
1025
70 О м
920
ƒƒ
диаметр элементов . . . . . . . . . . . . . . . . 5—8 мм;
ƒƒ
входное сопротивление . . . . . . 70 или 240 Ом;
ƒƒ
длина антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 830 мм
(соответствует 0,4λ);
ƒƒ
усиление около . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 dBd;
ƒƒ
отношение прямого
излучения к обратному . . . . . . . . . . . . . . 15 дБ;
аа
ƒƒ
ширина горизонтальной
d1 = 7 м м
ƒƒ
ширина вертикальной
диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αE ≈ 65°;
972
диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αH ≈ 95°.
D = 15 м м
240 О м
d2 = 2 м м
бб
Рис. 5.16. Трехэлементная
узкополосная директорная
антенна высокого усиления:
а — устройство антенны с
входным сопротивлением 70 Ом;
б — вариант активного
элемента для антенны с входным
сопротивлением 240 Ом
927
927
927
927
177
70 О м
216
25
10
Механические и электрические данные:
ƒƒ
диаметр элементов . . . . . . . . . . . . . . . . 6—8 мм;
ƒƒ
входное сопротивление . . . . . . 70 или 240 Ом;
ƒƒ
длина антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1500 мм
(соответствует 0,73λ);
ƒƒ
усиление около . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8,5 dBd;
ƒƒ
отношение прямого
излучения к обратному . . . . . . . . . . . . . . 17 дБ;
420
946
160
483
927
Конструкция № 3. Шестиэлементные
директорные антенны. Шестиэлементная
антенна Яги, показанная на рис. 5.17, представляет собой узкополосный образец высокого усиления. В этом случае узкополосность означает, что антенна охватывает весь
двухметровый диапазон, но мало выходит за
его пределы в противоположность трехэлементной антенне на рис. 5.15.
Входное сопротивление шестиэлементной антенны достигает 70 Ом и повышается
до 240 Ом, если петлевой вибратор выполнен в соответствии с рис. 5.16, б, но его длина равна 946 мм.
ƒƒ
ширина горизонтальной
ƒƒ
диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αE ≈ 55°;
ƒƒ
ширина вертикальной
диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αΗ ≈ 70°.
Рис. 5.17. Шестиэлементная
директорная антенна
816_Antenni.indd 164
28.09.2011 14:10:53
1087
941
869
869
869
(соответствует 0,73λ);
ƒƒ
усиление около . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 dBd;
ƒƒ
отношение прямого
излучения к обратному . . . . . . . . . . . . . . 15 дБ;
ƒƒ
ширина горизонтальной
диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αE ≈ 48°;
ƒƒ
ширина вертикальой
диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αΗ ≈ 58°.
303
869
258
ƒƒ
диаметр элементов. . . . . . . . . . . . . . . 8—18 мм;
ƒƒ
входное сопротивление . . . . . . 240 или 60 Ом;
ƒƒ
длина антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2012 мм
869
869
256
Механические и электрические данные:
198
869
217
50...100
212
10...30
232
Конструкция № 4. Девятиэлементная
директорная антенна. Девятиэлементная
директорная антенна длиной 1λ характеризуется усилением около 10 dBd (рис. 5.18) и
также является узкополосным излучателем,
построенным так, чтобы перекрывать область 144—146 МГц при постоянном усилении.
Входное сопротивление составляет
240 Ом. Коаксиальный кабель подключается через полуволновый шлейф. Входное
сопротивление оказывается равным 60 Ом
симметрично, если активный петлевой вибратор заменить разрезным вибратором
равной длины.
165
336
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
Рис. 5.18. Девятиэлементная
директорная антенна
Короткие директорные антенны для диапазона 70 см
В области дециметровых волн резко возрастают частотно-зависимые
потери, которые появляются в этом диапазоне, но практически незаметны в диапазонах более длинных волн. Не следует применять даже высококачественные изоляционные материалы. В этой области воздух остается изолятором с минимальными потерями.
Фидер надо делать как можно более коротким. Применение плоского
УКВ кабеля оправдано лишь для работы в портативном режиме в качестве короткого фидера при благоприятных условиях. Для стационарных
устройств лучше применять высококачественные коаксиальные кабели,
по возможности с воздушным диэлектриком.
816_Antenni.indd 165
28.09.2011 14:10:53
166
Антенны. Практическое руководство
Совет.
Разрабатывая устройство антенн дециметрового диапазона, необходимо предотвратить любые искажения поля.
Они возникают, например, из-за нерационального размещения металлических деталей. В первую очередь это касается мачты антенны, которую не следует располагать между элементами или смещать относительно траверсы.
Как правило, директорные антенны для диапазона 70 см выполняются
в виде цельнометаллических конструкций. Это надо учитывать, рассматривая приводимые ниже параметры. Диаметр траверсы должен составлять от 15 до 25 мм, если не указаны иные значения.
80
100
150
Конструкция № 1. Четырехэлементная директорная антенна. Четырехэлементная директорная антенна, представленная на рис. 5.19, нужна
для работы на частотах от 400 до 470 МГц. Ее фидер из коаксиального
кабеля подключается через полуволновый
350
шлейф длиной 228 мм, если для его изготовления применяется обычный коакси320
альный кабель с коэффициентом укорочения 0,66.
При использовании коаксиального
60
35
310
кабеля с особо малыми потерями за счет
вспененного диэлектрика (но чувстви300
тельного к влажности) коэффициент укорочения составляет 0,77, а геометрическая
длина шлейфа будет равна 266 мм. В этой
Рис. 5.19. Четырехэлементная
директорная антенна
частотной области не приходится опасатьдля диапазона 70 см
ся сужения полосы частот из-за наличия
шлейфа.
Механические и электрические данные:
ƒƒ
диаметр элементов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4—8 мм;
ƒƒ
диаметр металлической траверсы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15—25 мм;
ƒƒ
входное сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . около 240 Ом, симметричное;
ƒƒ
длина антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 мм (соответствует 0,48λ);
ƒƒ
усиление около . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6,5 dBd;
ƒƒ
отношение прямого излучения к обратному . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 дБ;
ƒƒ
ширина горизонтальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αΕ ≈ 60°;
ƒƒ
ширина вертикальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αΗ ≈ 100°.
Конструкция № 2. Шестиэлементная директорная антенна. Данную
антенну можно рассматривать как переходный вариант к устройству
длинных директорных антенн. Здесь повышение эффективности непо-
816_Antenni.indd 166
28.09.2011 14:10:53
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
ƒƒ
диаметр элементов . . . . . . . . . . . . 6—10 мм;
ƒƒ
диаметр металлической
траверсы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15—25 мм;
ƒƒ
входное сопротивление . . . . . около 240 Ом
симметричное;
ƒƒ
длина антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 590 мм
(соответствует 0,85λ);
ƒƒ
усиление около . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 dBd;
ƒƒ
отношение прямого излучения
к обратному . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 дБ;
ƒƒ
ширина горизонтальной
диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αE ≈ 50°;
ƒƒ
ширина вертикальной
диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αH ≈ 63°.
140
385
276
85
286
30
40
8
273
178
Механические и электрические данные:
473
271
190
средственно связано с увеличением затрат. В стационарном исполнении она питается по коаксиальному кабелю, и тогда
к ее входу подключается полуволновый
шлейф (раздел 23.3.2). Размеры антенны
приведены на рис. 5.20.
167
Рис. 5.20. Шестиэлементная
директорная антенна для
диапазона 70 см
Длинные директорные антенны для двухметрового диапазона
По своей структуре длинная антенна подразделяется на 3 функциональные зоны (рис. 5.21):
ŠŠцентр возбуждения;
ŠŠпереходную зону;
ŠŠволноводную систему.
В центре возбуждения (или излучения) всегда находится активный
вибратор. К этому же центру относится рефлектор, а также, в случае надобности, так называемые компенсационные элементы. Эти элементы
позволяют расширять полосу частот центра излучения. Устройство центра возбуждения во многом определяет частотную область и входное сопротивление длинной директорной антенны.
К переходной зоне относятся один или несколько директоров, предназначенных для оптимальной передачи излучения от центра возбуждения к волноводной системе. Длину первого директора и расстояние от
него до вибратора необходимо выдерживать как можно точнее.
Свойства излучения длинной директорной антенны во многом определяются волноводной системой, состоящей из последовательности директоров. Ее добавление почти не влияет на входное сопротивление и полосу пропускания. Размещение относительно малого количества дирек-
816_Antenni.indd 167
28.09.2011 14:10:53
168
Антенны. Практическое руководство
Зона
возбуж дения
П ереходная
зона
В олноводная
систем а
Активны й элем ент
Рис. 5.21. Функциональные зоны в структуре длинной директорной антенны
торов волноводной системы в жесткой продольной антенной структуре
позволяет построить легкую и экономичную конструкцию.
Кроме того, удается получить, по крайней мере, такое же усиление, как
и при стандартной плотности распределения элементов. Расстояния между
директорами могут достигать 0,4λ, однако с дальнейшим ростом этого расстояния усиление быстро убывает. Особенно важно установить оптимальную связь в переходной зоне. Поэтому при сборке антенны необходимо
тщательно соблюдать все рекомендованные размеры и расстояния.
Конструкция № 1. Шестиэлементная длинная директорная антенна
DL2RSX. Эта конструкция является дальнейшим развитием пятиэлементной длинной антенны с оптимальным усилением, которую описал
Оберлендер (DL2RSX) в литературе. Добавление одного директора позволило увеличить усиление более чем на 1 дБ и усилить подавление обратного излучения. Кроме того, были изменены активный вибратор и
согласующее устройство. Размеры приведены на рис. 5.22.
В ходе расчетов и конструирования радиолюбители старались найти
конфигурацию, оптимизированную по усилению для данной длины антенны. Попытки увенчались успехом: при длине антенны 1,28λ усиление
превысило 11 dBd, что близко к теоретическому пределу.
Механические и электрические данные:
ƒƒ
диаметр элементов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 мм (допустимы 6, 10 или 12 мм);
ƒƒ
траверса из легкого сплава квадратного сечения . . . . . . . . . . . . . 22×22×1,2 мм;
ƒƒ
входное сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Ом;
ƒƒ
длина антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2625 мм (соответствует 1,28λ);
ƒƒ
усиление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 dBd;
ƒƒ
отношение прямого излучения к обратному . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 дБ;
ƒƒ
ширина горизонтальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αE ≈ 39°;
ƒƒ
ширина вертикальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αH ≈ 45°.
Антенну существенно отличает то, что ее можно легко и просто собрать с помощью стандартных комплектующих и заготовок. Многократно
проверенные диаграммы направленности в плоскостях Ε и Η свидетель-
816_Antenni.indd 168
28.09.2011 14:10:53
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
169
1070
ствуют о реализуемости монтажа в виде антенной решетки с целью повысить усиление.
Входное сопротивление в 75 Ом делает воз510
(507)
можным произвольные соединения антенн
1000 (980)
стандартными средствами в любительских
240
975
условиях.
(238)
Значениями в скобках на рис. 5.22, а характеризуется рабочая область антенны, где
615
(611)
должно быть достигнуто оптимальное уси930
ление. Базисная структура рассчитывается
таким образом, что наибольшее усиление и,
следовательно, наилучшее согласование насту630
1070
(626)
пают при 144,5 МГц (участок CW и SSB). При
920
данных габаритах у высокочастотного конца
510
диапазона на диаграмме направленности
(507)в
1000 (980)
плоскости Η появляются боковые лепестки,
655
(651)
и возрастает KCB. Тогда можно
повысить
ча240
975
915
(238)
стоту резонанса антенны на 500 кГц, укоротив
на 3 мм пассивные элементы. Именно к этой
615
ситуации относятся величины промежутков,
(611)
а
указанные в скобках.
а
930
1000 (980)
Значения в скобках рядом с петлевым вибратором на рис. 5.22, б не имеют отношения
40 (50)
630 в
к резонансу, а характеризуют длину петли
(626)
10
зависимости от расстояния между
ее прово- 8 или 10
920
дниками при расстоянии 40 мм длина петли
бб
равна 1000 мм, а при 50 мм она уменьшается
655
Рис. 5.22. Устройство
до 980 мм.
(651)
шестиэлементной
Длина элементов базисной915
структуры рас- директорной
антенны DL2RSX:
считана на рабочую область частот от 143,5
а — базисная структура;
до 145,5 МГц. При этом предполагается, что б — эскиз активного вибратора
диаметр элемента d = 8 мм, а сами элементы проходят внутри траверсы аквадратного сечения 22×22 мм (см.
рис. 5.12, б). Если элементы крепятся на траверсе (рис. 5.12, а), их надо
укоротить на 3 мм. При желании использовать элементы другого диаметра потребуются дополнительные поправки длины. Такие поправки применительно к базисной структуре на рис. 5.22, а приведены в
табл. 5.3. Петлевой вибратор (рис. 5.22, а) фиксируется на траверсе с
гальванической связью или через изолятор. Благодаря своей широкополосности вибратор одинаково удобен во всех вариантах конструкции
антенны без каких-либо поправок на длину. Однако его длина зависит
от ширины петли.
816_Antenni.indd 169
1000 (980)
4
8 или 10
28.09.2011 14:10:54
10
б
170
Антенны. Практическое руководство
Поправки к длине элементов в зависимости
от их диаметра и способа крепления к траверсе
Способ крепления
Таблица 5.3
Элемент проходит сквозь
траверсу (рис. 5.12, б)
Элемент наложен на траверсу
(рис. 5.12, а)
Диаметр элемента d, мм
6
8
10
12
6
8
10
12
Область частот 143,5—145,5 МГц
+5
0
−7
−14
+2
−3
−10
−17
Область частот 144,0—146,0 МГц
+2
−3
−10
−17
−1
−6
−13
−20
В простейшем случае установки одинарной антенны экран 75-омного
кабеля и внутренняя жила присоединяются прямо к петлевому вибратору. В полуметре от клемм питания кабель фиксируется на траверсе
металлической или липкой лентой, чтобы избежать его порчи на ветру.
Длина отвода произвольная. Экран кабеля соединяется с приемником в
точке общей массы или заземления. Это следует делать даже при гальванической связи петлевого вибратора с траверсой.
Практикуемое радиолюбителями прямое подключение симметричной антенны к несимметричному кабелю без всякого симметрирования специалистами воспринимается скептически. Во многих случаях — и это экспериментально доказано — антенна реагирует несимметрично, поверхностные волны заметны лишь на расстояниях до λ/2.
Диаграмма направленности также не обнаруживает значимой асимметрии. Поэтому в любительских условиях такую согласованность можно
считать достаточной. Однако преобразователь симметрии необходим
для структур из нескольких антенн. В пределах рабочей области частот
КСВ не превышает 1,25.
Эта антенна обладает замечательными свойствами, оптимизируется
на максимально возможное усиление и легко изготавливается благодаря точным данным. Поэтому нет смысла рассматривать другие длинные
директорные антенны этой размерной категории. Кроме того, антенна
DL2RSX лучше других подходит для формирования многоантенных систем. Надежность данных позволяет без особых затруднений формировать крупные антенные решетки с оптимальными межэтажными расстояниями.
Конструкция № 2. Длинная директорная сериальная антенна DL6WU
для диапазона 2 м. DL6WU разработал оптимизированную неоднородную структуру длинной директорной антенны, преимущество которой
состоит в том, что она легко укорачивается при удалении переднего директора.
Подобное изменение волноводной системы не оказывает заметного
влияния на центр излучения, слегка изменяет согласование и не затрагивает оптимизацию волноводной структуры. Диаграммы направленности
и усиление принимают новые форму и величину в соответствии с вы-
816_Antenni.indd 170
28.09.2011 14:10:54
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
R
S
D1
D2
D3
AR
D2
A1
D5
D6
D6
D7
D7
D8
D10
D11
ƒƒ
диаметр элементов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 мм;
D12
ƒƒ
траверса круглого или
квадратного сечения диаметром. . . . . 25 мм;
ƒƒ
элементы проходят сквозь траверсу
без изоляции (рис. 5.12, б);
ƒƒ
входное сопротивление . . . . . . . . . . . ≈200 Ом
симметричное;
ƒƒ
отношение прямого
излучения к обратному . . . . . . . . . . . . ≤ 22 дБ.
A5
A6
A6
A7
A7
A8
A6
A7
D8
A8
D9
A9
10 элем ентов
4,47 м
A8 ентов
10 элем
A9
10
элем
ентов
4,47 м
D10
A10
D11
A11
A10
A11
13 элем ентов
6,72 м
A11 ентов
13 элем
A12
6,72 м13 элем ентов
6,72 м14 элем ентов
A12
7,47 м
A12 ентов
14 элем
а
7,47 м14 элем ентов
D12
7,47
980 м
а
980
а
980
6
б
40
980
6
в
4,47 м
A10
D12
6
A5
A4
A5
D11
Механические и электрические данные:
A4
A3
A4
A9
D9
A3
A2
A3
D4
D5
A2
A1
A2
D3
D4
A1
AR
980
980
40
12
бранной длиной антенны. Имеются точныеS
оценки усиления и диаграмм, полученныеD1
D2
профессиональными средствами.
Наибольшей длиной обладает антеннаD
3
«Супер-Яги» из 14 элементов на траверсе
длиной 7,47 м (соответствует 3,63λ). ТакаяD4
длина служит лишь ориентировочным пределом механической реализуемости антеннD5
двухметрового диапазона. Можно создаD
вать экстремально длинные неоднородные6
директорные антенны с усилением, непреD
рывно нарастающим вслед за увеличением 7
длины. Часто цитируемое утверждение, что
рост усиления затем замедляется и при дли-D8
не около 6λ наступает насыщение, справедливо лишь для однородных директорныхD9
структур.
Устройство антенны продемонстрирова-D
10
но на рис. 5.23, а соответствующие размеры
приведены в табл. 5.4.
S
D1
40
12
a R
12
R
171
AR
б
600
600
AR = 360
A1 = 145
б
AR = 360
145
R AAR1==360
A1S= 145D
600
г
R
R
б
S
1
RD1
S в D1
R
Рис. 5.23.
Расчетная схема
директорной
вR
антенны вDL6WU:
а — устройство антенны;
б — эскиз петлевого вибратора;
в — эскиз развернутого вибратора;
г — расположение и размеры
двойного рефлектора
816_Antenni.indd 171
28.09.2011 14:10:54
172
Антенны. Практическое руководство
Размеры 14-элементной длинной антенны
Длина, мм
Таблица 5.4
Расстояния, мм
Рефлектор R
1032
AR
Излучатель S
980
-
Директор D1
935
А1
165
Директор D2
930
A2
375
Директор D3
925
А3
450
Директор D4
920
A4
525
Директор D5
910
A5
585
Директор D6
900
А6
630
Директор D7
890
A7
660
Директор D8
885 (880)
A8
690 (10 элементов)
390
Директор D9
880
A9
720
Директор D10
875
А10
750
Директор D11
870 (855)
А11
780 (13 элементов)
Директор D12
855
А12
750 (14 элементов)
Примечание.
Значения длины пассивных элементов необходимо уменьшить на 5 мм,
если они крепятся нa траверсе через изолирующую прокладку толщиной 4 мм.
Если активным элементом служит петлевой вибратор (рис. 5.23, б),
входное сопротивление любых модификаций антенны составляет 200 Ом.
Это позволяет подключать коаксиальный фидер через полуволновый
шлейф 4:1, соблюдая требования по симметрии и импедансу.
При использовании разрезного вибратора (см. рис. 5.23, в) той же
длины, но с диаметром элемента 12 мм, входное сопротивление становится симметричным и равным 50 Ом. В таком случае нужно симметрирующее устройство 1:1.
Для этой цели можно применить хорошо зарекомендовавший себя
способ питания с контуром-заградителем. Он позволяет подключать
коаксиальный кабель прямо к разрезному вибратору, если кабелю придать форму U-образного колена геометрической длиной λ/4 (517 мм). На
конце такого колена удаляется оболочка кабеля и его экран гальванически соединяется с траверсой.
Четвертьволновое колено действует подобно объемному заградительному контуру; на расстоянии λ/4 от клемм питания кабель образует
стык для поверхностных волн. Это простое трансформирующее устройство хорошо зарекомендовало себя на деле, но у него есть и недостаток:
целостность защитной оболочки кабеля нарушается, поэтому его следует
надежно защищать от проникновения влаги.
816_Antenni.indd 172
28.09.2011 14:10:54
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
173
В варианте с десятью элементами следует учесть, что длина директора
D8 равна лишь 880 мм; у 13-элементной антенны D11 должен иметь длину
855 мм (см. табл. 5.4, значения в скобках). Характеристики этой антенны
для разного количества элементов приведены в табл. 5.5.
Характеристики директорной антенны DL6WU
Вариант
Таблица 5.5
10 элементов 13 элементов 14 элементов
Длина антенны, мм
4470
6720
7470
Длина антенны, доли λ
2,17 λ
3,26 λ
3,63 λ
13,5—14,0
Усиление, dBd
11,5
13,1
Ширина диаграммы в горизонтальной плоскости αE, град.
36,0
30,5
29,5
Ширина диаграммы в вертикальной плоскости αH, град
39,0
33,0
31,0
Любой из вариантов антенны может оснащаться двойным рефлектором, что несколько повышает усиление и способствует подавлению обратного излучения. В таком случае расстояние AR должно быть уменьшено до 360 мм, A1 — до 145 мм. Двойные рефлекторы размещаются согласно рис. 5.23, г.
Примечание.
Если КСВ в кабеле недопустимо велик, а все размеры строго выдержаны,
причина, вероятно, кроется в активном элементе (иногда — в неправильно рассчитанном симметрирующем трансформаторе, длину и
положение которого надо исправить).
При этом нет необходимости менять положение и длину остальных
элементов. Оценки усиления точны, так как речь идет о минимальных,
но вполне достижимых значениях.
Конструкция № 3. Вариант антенны с семью элементами. Семиэлементный вариант (рис. 5.24) является производным от антенны DL6WU. Он очень
легок и особенно удобен для работы с переносной аппаратурой. За исключением активного вибратора, все элементы выполнены из алюминиевого прутка
диаметром 4 мм. Активным элементом служит разрезной вибратор.
Он монтируется под траверсой без гальванического соединения с ней
(см. рис. 5.24, б) и крепится с помощью составной фасонной детали из
синтетического материала. В качестве траверсы использован профиль
квадратного сечения 15×15 мм из легкого сплава, но можно применить
более распространенный профиль 16×16 мм. В этом случае все директоры и рефлектор необходимо удлинить на 2 мм, а расстояние между
продольными осями траверсы и активного элемента должно составить
16 мм. Коаксиальный кабель напрямую подсоединяется к разрезному вибратору. Здесь используется способ питания через U-образный шлейф.
816_Antenni.indd 173
28.09.2011 14:10:54
174
Антенны. Практическое руководство
390
1035
165
985
375
945
540
935
570
925
920
Рефлектор и директоры крепятся в
сквозных отверстиях траверсы. DL4AKK
предложил способ их крепления, меха15
нически и электрически весьма рациональный. Как показано
на рис. 5.24, в,
1,5
каждый
элемент
вставляется
со сторо15
ны буртика в пустотелую алюминиевую
12
заклепку внутренним диаметром 4 мм.
После закатывания кромки заклепки
элемент жестко фиксируется в теле траверсы, находясь в надежном электриче15
ском контакте
с ней.
4 Для осаживания заклепки применяется подходящий прессовый штамп.
П устотельная и электрические данные:
Механические
690
алю м иниевая
895
1035
390
375
945
15
1,5
15
12
540
935
925
б
690
570
15
920
895
4
П устотельная
алю м иниевая
заклепка
диам етром 4 м м
в
Рис. 5.24. Устройство
семиэлементной длинной
директорной антенны:
а — размеры элементов и расстояния
между ними; б — монтаж активного
элемента под траверсой;
в — крепление элемента
с помощью пустотелой заклепки
816_Antenni.indd 174
диам етром 4 м м
элемента 12 мм);
ƒƒ
элементы проходят сквозь траверсу, между
а
165
985
ƒƒ
диаметрзаклепка
элементов . . . . . . . 4 мм (активного
ними обеспечивается электрический контакт;
ƒƒ
траверса из легкого
сплава квадратного
сечения . . . . . . . . . . 15×15 мм или 16×16 мм;
ƒƒ
длина антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2750 мм
(соответствует 1,32λ);
ƒƒ
входное сопротивление . . . . . . . . 50—75 Ом;
ƒƒ
усиление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10,2 dBd;
ƒƒ
отношение прямого излучения
к обратному . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 дБ;
ƒƒ
ширина горизонтальной
диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αE ≈ 44°;
ƒƒ
ширина вертикальной
диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αH ≈ 51°.
Согласование оптимизируется смещениями активного элемента. Антенна
хорошо подходит для формирования
групп. Чтобы не сужать ширину диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, как правило, предпочитают многоэтажные комбинации антенн.
Оптимальное межэтажное расстояние
Dopt = 2,3 м. Данное значение подтверждается расчетами. Межэтажное расстоя-
28.09.2011 14:10:54
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
ние D должно быть не меньше 1,9 м и не
больше 2,4 м.
277 186
1135
323
960
944
621
435
926
621
894
621
889
828
885
875
аа
R
10
10
705
Конструкция № 4. Десятиэлементная
длинная директорная антенна OK1DE.
В некоторых странах распространена
длинная директорная антенна OK1DE. Это
отличный излучатель для двухметрового
диапазона, что постоянно подтверждают
пользователи. Антенну легко узнать по
тройному рефлектору. Ее схема показана
на рис. 5.25, а, а разрез центра возбуждения, по которому можно судить об устройстве тройного рефлектора, приведен на
рис. 5.25, б. Все три рефлектора имеют длину 1135 мм.
Используется мощная металлическая
траверса диаметром 28 мм с отверстиями, куда вставляются элементы из легкого сплава диаметром 10 мм. Необходимо
обеспечить их плотную посадку в отверстия, для того чтобы гарантировать надежность электрического контакта с траверсой. Желательно также дополнительно
зафиксировать их положение. Активным
элементом служит петлевой вибратор длиной 960 мм и шириной 63,5 мм по внешнему обводу.
175
28
R
63,5
223
277
бб
186
R
Рис. 5.25. Десятиэлементная
длинная директорная антенна
OK1DE:
а — общая схема; б — разрез центра
возбуждения с тройным рефлектором
Механические и электрические данные:
ƒƒ
диаметр элементов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 мм;
ƒƒ
диаметр траверсы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 мм;
ƒƒ
длина антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3812 мм (соответствует 1,84λ);
ƒƒ
входное сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Ом;
ƒƒ
усиление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 dBd;
ƒƒ
отношение прямого излучения к обратному . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 дБ;
ƒƒ
ширина горизонтальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αE ≈ 38°;
ƒƒ
ширина вертикальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αH ≈ 46°.
816_Antenni.indd 175
28.09.2011 14:10:55
176
Антенны. Практическое руководство
Длинные директорные антенны для диапазона 70 см
Безусловно, диапазон 70 см — это царство длинных директорных антенн, и не случайно в соседних частотных интервалах телевизионного вещания на дециметровых волнах почти всегда применяются именно эти
антенны. По-видимому, их параметры уже научились рассчитывать: к
настоящему времени выполнены обширные исследования и выяснилась
ошибочность некоторых прежних представлений.
Примечание.
Как свидетельствуют измерения, усиление длинных антенн Уда-Яги
обнаруживает тенденцию к насыщению с ростом длины антенны, так
что применять антенны длиннее 4λ кажется невыгодным.
Усиление, дБ
Однако это положение верно только по отношению к однородным
структурам с постоянными значениями длины директоров и расстояний
между ними.
Использование линейно-ступенчатой последовательности директоров, где, начиная с первого директора, каждый последующий элемент
короче предыдущего на постоянную величину, улучшает кривую усиления и сохраняет ширину частотной полосы даже при большой длине
антенны. Дальнейшее улучшение происходит при переходе от линейной
зависимости убывания длины директоров к логарифмической.
Уже с переходной зоны (рис. 5.21) длина директоров уменьшается равными шагами в соответствии с выбранным начальным приращением. При этом
в каждой паре соседних директоров должно сохраняться одно и то же отношение их длины. Здесь действует тот же принцип, что и при ступенчатом
изменении длины вибраторов логопериодической вибраторной антенны.
Благодаря логарифмическому профилю волноводной системы и оптимизации расстояний между директорами удается строить исключительно
длинные директорные антенны, обе20
спечивающие прирост усиления вели18
чиной 2,35 дБ при удвоении длины. Это
16
иллюстрируется графиком на рис. 5.26,
14
который был построен DL6WU по результатам собственных исследований.
12
Сравнивая график с кривой В на
10
рис. 5.9, легко заметить, что вплоть до
8
1
2
3 4 5 6 7 8 910
20 30
длины антенны 7λ практически достиД лина антенны , l
жимое усиление проходит несколько
ниже максимально возможного, причем
Рис. 5.26. Измеренное усиление
оптимизированных директорных
их разница убывает с длиной антенны.
антенн с логарифмическим
Следует отметить, что даже у очень
характером волноводной системы
длинных антенн сужение частотной
в зависимости от длины волны
816_Antenni.indd 176
28.09.2011 14:10:55
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
177
области не настолько значительно, чтобы применение антенны оказалась
бессмысленным. Обследованная антенна длиной 18λ обладала шириной
полосы 4% от рабочей частоты при ослаблении в 1 дБ на краях полосы
(около 17 МГц в диапазоне 70 см).
Если надо усилить подавление обратного излучения (например, для
работы на трассах Земля-Луна-Земля), можно улучшить компоновку
рефлектора без существенного изменения согласованности.
Как правило, применяют комбинацию из нескольких отражателей,
размещая их в одной плоскости, перпендикулярной траверсе антенны.
Длина такой комбинации выбирается несколько больше длины одиночного рефлектора. Вертикальное расстояние между двумя рефлекторами
составляет 0,3λ, а расстояние между их плоскостью и активным вибратором колеблется от 0,15λ до 0,20λ.
В комбинации из четырех рефлекторов расстояние между соседними
элементами равно 0,2λ, а их длина достигает 0,6λ. Аналогичное действие
оказывает плоский отражатель или металлическая решетка шириной
0,6λ. О тандемном рефлекторе, предложенном радиолюбителем K2RIW,
известно мало: был добавлен второй, несколько более длинный рефлектор на расстоянии 0,5—0,6λ позади первого. Любая из вышеназванных
улучшенных версий усиливала подавление обратного излучения максимум на 0,2 дБ.
Конструкция № 1. Длинная директорная антенна DL6WU для диапазона 70 см. С разработкой DL6WU длинной директорной антенны
для диапазона 70 см у радиолюбителей появилась основа для создания
директорных антенн произвольной длины в диапазоне 70 см. Эта серия
сконструирована на самых современных принципах. Начиная с базисной структуры длиной 7,2λ с 23 элементами, антенну можно укорачивать вплоть до длины 2λ, просто удаляя передние директоры. Размеры и
устройство антенны приведены на рис. 5.27.
Размеры петлевого вибратора некритичны. Антенна питается по коаксиальному кабелю через полуволновый шлейф. При необходимости
петлевой вибратор заменяется разрезным той же длины, и тогда симметричное входное сопротивление составляет 50 Ом.
При установке двойного рефлектора необходимо изменить его расстояние в соответствии с данными на рис. 5.27, в. В этом случае рефлекторы
должны быть удлинены до 340 мм, а прирост усиления не превысит 0,2 дБ.
Нет признаков заметного влияния рефлекторов на волноводную систему; она оптимизирована и ни в коем случае не должна подвергаться
изменениям. Согласование может быть слегка улучшено за счет осторожных изменений длины и расстояний в пределах центра возбуждения (вибраторрефлектор).
816_Antenni.indd 177
28.09.2011 14:10:55
178
Антенны. Практическое руководство
330
280 280 280 280 280 280 280 280 270 260 260 250 240 230 220 210 195 175 150 125 55 130
Рис. 5.27. Директорная антенна DL6WU:
325
295
290
285
280
275
275
270
270
10 элем .
(11,7 dBd)
265
265
265
13 элем .
(13 dBd)
14 элем .
(13,3 dBd)
260
260
260
260
258
258
19 элем .
(15 dBd)
258
255
255
250
23 элем .
(16 dBd)
а — схема антенны для диапазона 70 см; б — эскиз
активного элемента;
в — устройство двойного рефлектора (разрез)
а
аа
325
50
10
бб
б
200
В ертикально разнесенны е
реф лекторы
В ибратор
120
D1
D2 и т. д.
Д лина реф лектора 340 м м
вв
816_Antenni.indd 178
Рис. 5.28. Диаграмма
направленности
23-элементной антенны DL6WU:
а — горизонтальная диаграмма
(плоскость Е);
б — вертикальная диаграмма
(плоскость Н)
28.09.2011 14:10:55
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
179
На рис. 5.28 представлены диаграммы направленности 23-элементного
варианта антенны, измеренные в рупорной безотражательной камере.
Они свидетельствуют о возможности дальнейшего совершенствования
антенны.
Механические и электрические данные:
ƒƒ
диаметр элементов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 мм;
ƒƒ
траверса из легкого сплава квадратного сечения . . . . . . . . . . . . . . . . 20×20 мм;
ƒƒ
длина антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3812 мм (соответствует 1,84λ);
ƒƒ
элементы крепятся на траверсе через изолирующие прокладки толщиной 4 мм;
ƒƒ
входное сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . около 200 Ом, симметричное.
В табл. 5.6 приводятся размеры и характеристики нескольких вариантов антенн с разным количеством элементов.
Характеристики длинных директорных антенн DL6WU для диапазона 70 см
Параметры/количество элементов
Длина, мм
Таблица 5.6
10
13
14
19
23
1490
2240
2500
3890
5010
Длина, доли λ
2,15
3,22
3,6
5,6
7,2
Усиление, dBd
11,7
13
13,3
15
16,0
Ширина горизонтальной диаграммы направленности αЕ
37°
30,5°
30°
26,5°
24°
Ширина вертикальной диаграммы направленности αн
41°
33°
32°
28°
24,5°
Конструкция № 2. 18-элементная широкополосная длинная директорная антенна. Сконструированная в соответствии с современными
принципами, эта директорная антенна — пример того, что даже при широкой полосе частот можно добиться оптимального усиления и реально
обеспечить входное сопротивление около 240 Ом, несмотря на большое
количество элементов.
С помощью подобных современных излучателей радиолюбитель способен извлекать пользу из прогрессивных разработок антенной индустрии,
где такие конструкции используются при изготовлении телевизионных антенн. Хотя у любителя нет особой нужды в большой ширине полосы, она
окажется полезной, если, как и в предыдущем случае, стараться обеспечить
оптимальное усиление.
На рис. 5.29 показана замечательная антенна. Плотность размещения
элементов здесь больше, чем у антенн серии, разработанной DL6WU,
что означает повышенный расход материалов на децибел усиления.
Укорочение антенны или уменьшение количества элементов возможно
без всяких затруднений и без влияния на входное сопротивление.
Центр возбуждения и переходная зона (рис. 5.21) достигают третьего
директора. Это позволяет удалять любое количество директоров волноводной системы, считая от самого крайнего из них. При этом усиление си-
816_Antenni.indd 179
28.09.2011 14:10:55
180
Антенны. Практическое руководство
стемы соответственно уменьшается, а ширина диаграммы направленности растет.
85
104
276
273
178
286
272
203 203 203 203 203 203 203 203 203 202 189
385
30
473
270
269
268
267
266
Механические и электрические данные:
ƒƒ
диаметр элементов . . . . . . . . . . . . 6—10 мм;
ƒƒ
траверса диаметром 20—25 мм произ-
вольного профиля;
ƒƒ
элементы крепятся на траверсе без изо-
ляции;
ƒƒ
входное сопротивление . . . . . . . . . . 240 Ом,
симметричное;
ƒƒ
усиление. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14,5 dBd;
ƒƒ
отношение прямого
излучения к обратному . . . . . . . . . . . 24 дБ;
ƒƒ
ширина горизонтальной
диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αE ≈ 26°;
ƒƒ
ширина вертикальной
диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αH ≈ 29°.
Квадратно-рамочные
директорные антенны
816_Antenni.indd 180
45
6...10
203
203
Это «гибридная» антенна, образуемая
квадратной
рамкой (англ. Qubical Quad) в
265
центре возбуждения и последовательностью директоров длинной директорной
антенны.
264
Quagi — так назвали новую антенну — сочетает преимущества «родитеа
лей»: сравнительно широкий частотный
385
диапазон и простоту возбуждения, полученные от квадратно-рамочной антенны,
и экономичную простоту волноводной
8
системы при оптимальном усилении, доставшиеся от директорной.
б
При надлежащем выборе межэлеРис. 5.29. 18-элементная длинная
ментных
расстояний обеспечивается
широкополосная директорная
возможность питать антенну напрямую
антенна для диапазона 70 см:
а — устройство антенны;
через коаксиальный кабель, не прибеб — эскиз активного вибратора
гая к трансформаторам сопротивлений.
Симметрирующее устройство не требуется, а коррозионная стойкость антенны повышена, поскольку, кроме
клемм питания, в ней нет иных подключений, требующих пайки, винтовых или зажимных соединений. При сопоставлении обычной длинной
28.09.2011 14:10:55
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
181
антенны Яги и Quagi одинаковой длины последняя дает прирост усиления на 1 дБ.
Антенна представлена на рис. 5.30. Все размеры, необходимые для ее
создания, приведены в табл. 5.7, в том числе для любительского диапазона 70 см.
Размеры восьмиэлементной антенны Quagi
Таблица 5.7
Резонансная частота, МГц
Параметр
144,5
432
Периметр рефлектора RQ, мм
2200
711
Периметр активного элемента SQ, мм
2083
676
Длина директора D1, мм
913
299
Длина директора D2, мм
908
297
Длина директора D3, мм
903
295
Длина директора D4, мм
899
293
Длина директора D5, мм
894
292
Длина директора D6, мм
889
291
Расстояние АR, мм
533
178
Расстояние А1, мм
400
133
Расстояние А2, мм
838
279
Расстояние А3, мм
445
149
Промежуток с А4 по А6, мм
663
222
Длина антенны, мм
4205
1405
Входное сопротивление Х-Х составляет 60 Ом, что позволяет питать
антенну как по 50-омному, так и по 75-омному кабелю напрямую без всяких вредных последствий. Рамку выгибают из медной или алюминиевой
проволоки диаметром 2—3 мм; для изготовления директоров используется проволока из легкого сплава диаметром 3—3,5 мм или электродная
проволока.
В противоположность другим авторам K6YNB применяет траверсу из
сосновой или еловой древесины сечением 25×76 мм. Такая планка при
монтаже ставится на ребро, а директоры пропускаются через поперечные
RQ
/4
/4
SQ
D6
D5
D4
D3
D2
RQ
SQ
D1
A6
A5
A4
A3
A2
A1
SQ/4
x
R Q/4
x
AR
Рис. 5.30. Восьмиэлементная антенна Quagi K6YNB
816_Antenni.indd 181
28.09.2011 14:10:55
182
Антенны. Практическое руководство
отверстия в ней. Рамочные элементы крепятся к траверсе через пластиковые планки (рис. 5.30).
Примечание.
Деревянные траверсы в среде, богатой солями, служат дольше, чем
траверсы из легкого сплава, а стоят дешевле.
В качестве траверсы для антенны диапазона 70 см можно использовать штакетник для изгородей длиной по 1,45 м. Детали из древесины
нуждаются в пропитке. Как обычно, металлическая труба служит мачтой, на которой с помощью скобы крепится траверса. Применение металлической траверсы вместо деревянной при указанных здесь размерах
элементов антенны недопустимо.
Точные характеристики этой антенны пока неизвестны. Усиление оценивается величиной не менее 11,5 dBd; длина антенны составляет 2λ. При
использовании антенны в составе решетки рекомендуется межэтажное
расстояние 1,6λ.
Quagi недорога, проста в изготовлении и легко поддается повторению.
Это высокоэффективная антенная система, которая функционирует без
особых настроек, отличается широким частотным диапазоном и заслуживает внимания радиолюбителей.
5.4. Антенные решетки
Простейшая антенная группа
По сути, любое совместное включение одинаковых одиночных антенн
может считаться антенной группой, но радиолюбители придерживаются
иной классификации. Согласно их терминологии, антенная группа состоит из комбинации:
ŠŠколлинеарных вибраторов (вибра1l
торных рядов);
ŠŠвибраторов, расположенных друг над
l/4
другом (вибраторных колонок).
Причем предполагается, что такой ком- l/2
бинации свойственна горизонтальная поляризация. По этому определению простейшую антенную группу (решетку) образуют
М иним ум
М аксим ум
два волновых вибратора друг над другом напряж
напряж ения
ения
(рис. 5.31), в то время как каждый из них
Ф идер
представляет собой простейший вибраторный ряд (пару коллинеарных полуволновых Рис. 5.31. Четырехэлементная
вибраторов).
антенная решетка
816_Antenni.indd 182
28.09.2011 14:10:55
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
183
Волновые вибраторы возбуждаются синфазно. Вибраторную колонку
образуют несколько параллельных синфазно возбуждаемых волновых
вибраторов. Подобные группы антенн называют также фазовыми решетками.
Примечание.
Отличительный признак фазовых решеток — активные волновые
вибраторы в сочетании с характерной кабельной разводкой между
элементами (фазовыми линиями). Рефлекторы почти всегда входят в
состав фазовых решеток, а директоры — только в исключительных
случаях.
Многоэтажную директорную антенну образуют не коллинеарные
вибраторы, а активные полуволновые вибраторы или петлеобразные
элементы вместе с большим или меньшим количеством директоров.
Системы директорных антенн удалены друг от друга по вертикали на
значительное расстояние и связаны линиями, в которых почти всегда
используется коаксиальный кабель, незаметно проложенный вдоль несущих элементов конструкции.
Особенности антенных решеток
В радиолюбительской практике даже в крупных антенных группах
предпочитают применять простейшие вибраторные ряды. Иначе говоря, почти всегда несколько этажей решетки строят, размещая однотипные волновые вибраторы друг над другом. Независимо от числа этажей
горизонтальный угол раскрыва подобной антенной решетки определяется только свойствами используемого вибраторного ряда.
А поскольку он обычно состоит из единственного волнового вибратора, диаграмма направленности в горизонтальной плоскости такой антенной решетки горизонтальной поляризации составляет около 65°.
Примечание.
Чтобы улучшить однонаправленность и повысить усиление, УКВ и ДМВ
решетки часто оснащают настроенными пассивными полуволновыми
рефлекторами, а иногда — ненастроенным рефлекторным полотном.
Благодаря этому горизонтальная ширина диаграммы волнового вибратора, как и всей решетки, снижается до 60°.
Волновые вибраторы питаются в максимуме напряжения (рис. 5.31),
поэтому их входное сопротивление весьма велико и определяется степенью утолщения.
Кроме того, входное сопротивление волновых вибраторов несколько зависит от промежутка между клеммами питания, а в составе ан-
816_Antenni.indd 183
28.09.2011 14:10:55
184
Антенны. Практическое руководство
Коэф ф ициент укорочения
В ходное сопротивление, О м
тенной решетки — еще и
от
взаимной удаленности
0,95
параллельных вибраторов.
5000
0,93
Коэффициент укорочения
V
4000
0,91
волнового вибратора опреR0
3000
деляется отношением дли0,89
ны волны к его диаметру и
2000
0,87
может быть найден по кри1000
0,85
вым на графике рис. 5.32.
500
Высокое входное со50 80 100 200
500 1000 2000
5000 10000
О тнош ение l/d
противление волнового
вибратора благоприятно
Рис. 5.32. Входное сопротивление и коэффициент
сказывается на возможноукорочения волнового вибратора как функция
отношения длины волны к диаметру проводника
стях согласования в составе
(приблизительные значения)
антенной решетки, так как
при параллельном включении нескольких волновых вибраторов входное
сопротивление часто имеет величину, допускающую прямое подключение фидера.
Недостаток же состоит в том, что необходимо тщательно изолировать
клеммы питания, находящиеся в максимуме напряжения.
0,97
Совет.
Не рекомендуется выполнять механическое крепление вибратора
вблизи клемм питания: размещение там даже высококачественных
изоляторов может привести к заметным потерям в сырую погоду.
Минимум напряжения волнового вибратора удален от его концов
приблизительно на четверть длины волны, поэтому иногда эти точки используются для крепления элементов антенны в цельнометаллическом
исполнении. Однако этот минимум не так глубок, как у полуволнового, и
определенное напряжение возникает даже в тех точках, где теоретически
должны находится узлы напряжения. Поэтому металлическими креплениями элементов лучше не пользоваться, а в местах минимального напряжения применять деревянные детали с пропиткой.
Питание антенных решеток
Антенная решетка с подачей питания на нижний из вибраторов.
Поясним возбуждение и согласование антенной решетки на нескольких
примерах. На рис. 5.33 показана антенная решетка, которая состоит из
четырех этажей (четырех параллельных вибраторов) с парой коллинеарных синхронно возбуждаемых полуволновых элементов (волновых вибраторов) на каждом из них.
816_Antenni.indd 184
28.09.2011 14:10:56
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
185
Диаметр элемента d = 20 мм, рабочая длина
волны равна 2,07 м, так что отношение длины
волны к диаметру составляет
2070 мм / 20 мм ≈ 100.
Входное сопротивление отдельного волнового вибратора близко к 1100 Ом, а коэффициент укорочения равен 0,87. Отсюда геометрическая длина волнового вибратора составляет 2,07 × 0,87 ≈ 1,8 м.
При параллельном включении четырех волновых вибраторов с входным сопротивлением каждого по 1100 Ом входное
сопротивление на клеммах Х4 составляет
1100 /4 = 275 Ом. Таким образом, к зажимам Х4 (равно как и к X1, Х2, Х3) может быть
подключена двухпроводная линия произвольной длины с волновым сопротивлением
Рис. 5.33. Антенная решетка
240—300 Ом при незначительном КСВ.
с подачей питания на нижний
из вибраторов X1—X4
Для питания такой решетки по коаксиальс сопротивлением
ному кабелю требуется, как обычно, полупо 1100 Ом каждый
волновый шлейф. С его помощью выполняется требуемое преобразование сопротивления в пропорции 4:1, а также
симметрирование. Если бы величина сопротивления на входе питания
не допускала прямого соединения с фидером, пришлось бы подключить
соответствующее согласующее устройство.
Примечание.
Недостаток такой схемы питания решетки заключается в неодновременности возбуждения ее этажей. Этаж на максимальном удалении
от клемм питания получает энергию возбуждения позднее остальных,
а это приводит к изменению угла возвышения главного луча решетки,
и она «косит»; к тому же сужается частотная полоса диапазона.
Антенная решетка с центральным питанием. Электрически ра­цио­нальное питание той же решетки показано на рис. 5.34. Непере­
крещивающаяся линия, которая связывает второй и третий этажи, имеет
длину λ/2. Поскольку фидер подключен к геометрической середине этой
линии, ее можно рассматривать как параллельное включение двух четвертьволновых трансформаторов. В точках А и В импеданс составляет по
550 Ом как следствие параллельного включения двух элементов.
Если на клеммах XX входное сопротивление должно составлять
240 Ом, каждый четвертьволновый трансформатор осуществляет пре-
816_Antenni.indd 185
28.09.2011 14:10:56
186
Антенны. Практическое руководство
образование с 550 до 480 Ом. Для волнового
сопротивления Ζ линии связи А-В находим:
Ом.
Однако механическое изготовление трубчатой линии связи с волновым сопротивлением 510 Ом представляет определенные
трудности, так как необходимо значительное
расстояние между параллельными трубками,
а промежутки А и В между клеммами питания вибраторов оказываются недопустимо
большими. В этом случае волновое сопротивление линии А-В можно было бы определить по исключительно геометрическим
данным и согласовать входное сопротивление XX с волновым сопротивлением фидера
с помощью шлейфа (рис. 5.34). На практике
Рис. 5.34. Антенная решетка
условия согласования более благоприятны,
с центральным питанием
так как практически всегда используется настроенный рефлектор, с помощью которого, подбирая положение рефлектора, можно установить входное сопротивление каждого этажа на
определенное значение.
Широкополосное питание антенной решетки. На рис. 5.35 представлено особенно рациональное решение проблемы возбуждения без применения четвертьволновых трансформаторов. Вместо них на отрезках
XX-А и ХХ-В используются полуволновые линии. Как известно, они передают сопротивления в соотношении 1:1. В предыдущем случае в точках
А и В входные сопротивления составляли по 550 Ом.
Они относятся и к точке XX, но включены здесь параллельно, так что
суммарное сопротивление в точке XX равно 275 Ом. Если пренебречь
ничтожным рассогласованием, можно питать решетку по 240-омному кабелю. По направлениям тока ясно, что линии ХХ-А и ХХ-В не должны пересекаться. Волновое сопротивление этих линий некритично в широких
пределах, так как они являются настроенными линиями электрической
длины λ/2. Здесь применяются линия из параллельных проводов с воздушной изоляцией или плоский УКВ кабель, причем при расчете длины
необходимо учитывать соответствующий коэффициент укорочения.
Симметричное широкополосное питание для антенной решетки.
Пример полностью симметричного широкополосного питания для антенной решетки приведен на рис. 5.36. В этом случае принимается, что за
каждым активным полуволновым элементом имеется настроенный пассивный полуволновый рефлектор. Тогда входной импеданс отдельного
816_Antenni.indd 186
28.09.2011 14:10:56
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
Рис. 5.35. Широкополосное
питание антенной решетки
187
Рис. 5.36. Полностью симметричное
широкополосное питание антенной решетки
этажа убывает до 900 Ом. Используются исключительно нетрансформирующие полуволновые линии, поэтому на клеммах XX образуется входной импеданс 225 Ом как следствие параллельного включения четырех
сопротивлений.
Уже говорилось, что волновое сопротивление настроенной полуволновой линии не имеет существенного значения, однако надо учитывать
коэффициент укорочения V (для линии из параллельных проводов с воздушной изоляцией V = 0,975; для плоского УКВ кабеля V = 0,80 или 0,84).
К тому же этот способ питания позволяет довести межэтажный промежуток до оптимальной величины 0,7λ и повысить усиление.
Питание решеток с нечетным количеством параллельных вибраторов. Если антенная решетка образована нечетным числом параллельных
волновых вибраторов (например, в три или пять этажей), вышеописанные
способы питания неприменимы по конструктивным соображениям.
Из рис. 5.37 понятно, что в таком случае фидер должен подключаться
непосредственно к среднему вибратору. Если сопротивление на клеммах
питания принимает «неподходящее» значение, необходимо согласовать
волновое сопротивление фидера с помощью четвертьволнового трансформатора в точке XX.
При этом возбуждение волновых вибраторов оказывается неодновременным. Вероятность легкого искажения диаграммы направленности в
плоскости Η особенно велика в варианте решетки из пяти этажей.
816_Antenni.indd 187
28.09.2011 14:10:56
188
Антенны. Практическое руководство
а
б
Рис. 5.37. Питание
решеток с нечетным
количеством
параллельных
вибраторов:
а — три этажа,
сопротивление на клеммах
питания XX равно 1/3
сопротивления на входных
клеммах отдельного
волнового вибратора; б —
пять этажей, сопротивление
на клеммах питания XX
равно 1/5 сопротивления на
входных клеммах отдельного
волнового вибратора
816_Antenni.indd 188
Симметричное питание секционированной
антенной решетки с настроенными линиями
связи. Крупные системы решеток излучателей целесообразно делить на более мелкие секции и питать по схеме, изображенной на рис. 5.38. Такой
способ питания требует выполнения следующих
условий:
ŠŠотдельные секции должны быть полностью
тождественны друг другу электрически и
механически и обладать одинаковыми входными сопротивлениями на клеммах А, В, С
и D;
ŠŠдлина каждой из линий связи (А-ХХ, В-XX,
С-ХХ и D-XX) должна быть кратной целому
числу полуволн (λ/2) с учетом коэффициента
укорочения, причем значения их длины должны быть строго равны между собой;
ŠŠэти линии не должны пересекаться или быть
скрученными, поэтому надо следить за тем,
чтобы в точках XX всегда соединялись подобные друг другу половинки излучателей.
Сопротивление на клеммах питания XX на схеме (рис. 5.38) при параллельном включении четырех одинаковых секций вибраторов равняется 1/4
входного сопротивления отдельной секции. Если
входное сопротивление в точках А, В, С и D составляет по 240 Ом, то сопротивление на клеммах
XX равно 60 Ом.
Четыре линии связи — это настроенные линии, так что их волновое сопротивление практически не играет роли, зато возрастает достижимое усиление, поскольку отдельные вибраторные
секции могут отстоять друг от друга дальше, чем
при более плотной конфигурации без секционирования решетки. Следуя указанным правилам,
такой способ можно использовать для питания
весьма протяженных вибраторных плоскостей.
Симметричное возбуждение секционированной антенной решетки через согласованные линии. Имеется, однако, и другой метод возбуждения, который основан на применении не настроенных, а согласованных линий межсекционной
28.09.2011 14:10:57
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
189
связи. Метод дает ряд механических и электрических
преимуществ. В этом случае
(рис. 5.39) формируются
такие же секции, как и те,
что показаны на рис. 5.38.
Согласованные линии Ζ 1
Ζ2, Ζ3 и Ζ4 могут быть любого размера независимо от
длины волны, однако значения их собственной длины
должны быть одинаковы.
Этот метод возбуждения
5.38. Симметричное питание секционированной
часто применяют для мно- Рис.
антенной решетки с настроенными линиями связи
гоэтажных директорных
систем при выполнении
следующих требований:
секции
ŠŠотдельные
должны быть полностью идентичны друг
другу по механическим и электрическим
параметрам, в том
числе обладать одинаковыми входными
сопротивлениями на
входах питания А, В,
С и D;
ŠŠволновые сопротивлеРис. 5.39. Симметричное возбуждение
секционированной
антенной решетки
ния линий связи Ζ1, Z2,
через согласованные линии
Z3 и Z4 должны строго
равняться сопротивлениям в точках А, В, С и D или быть согласованными с ними посредством одинаковых согласующих устройств;
ŠŠлинии межсекционной связи не должны пересекаться или скручиваться, поэтому надо следить, чтобы через точки XX соединялись
только подобные друг другу половинки излучателей.
Поскольку в данном случае в точках XX параллельно включены четыре симметричных линии равного волнового сопротивления, входной
импеданс составляет там 1/4 от волнового сопротивления используемых
линий связи.
Если входное сопротивление каждой из секций А, В, С и D составляет,
например, по 240 Ом, в качестве линий Ζ1, Ζ2, Ζ3 и Ζ4 должны использо-
816_Antenni.indd 189
28.09.2011 14:10:57
190
Антенны. Практическое руководство
ваться 240-омные отрезки равной длины. Тогда импеданс в точках XX составит 60 Ом, что удобно для подключения симметрирующего элемента.
Импеданс согласуется также и с другими требуемыми значениями сопротивления фидера посредством устройства Q-согласования.
Вывод.
Хорошо продуманные сочетания настроенных и согласованных линий
связи наряду с четвертьволновыми трансформаторами позволяют
обеспечить возбуждение и питание протяженных вибраторных полей
с соблюдением правильности фаз и при согласованности импедансов.
К тому же согласованные линии предпочтительнее частотнозависимых элементов, которые могут вызывать сужение полосы частот.
Впрочем, в любительских, сравнительно узких интервалах частот проблема широкополосности стоит не так остро, как, например, в случае антенн
для телевизионного вещания.
Антенные решетки с рефлекторами
Двунаправленное излучение по нормали к плоскости антенной решетки превращается в однонаправленное с помощью рефлекторов, что дает
теоретический прирост усиления на 3 дБ. Кроме того, наличие рефлекторов изменяет входное сопротивление системы.
Обычно рефлекторы устанавливают на расстоянии от 0,1 до 0,3λ от активных вибраторов. При уменьшении расстояния с 0,3 до 0,25λ входное
сопротивление устройства снижается ориентировочно лишь на 20%, тогда как при дальнейшем уменьшении до 0,1λ падение входного сопротивления достигает 75%. Максимальное усиление возникает при расстоянии
0,15λ. В интервале 0,1—0,3λ усиление изменяется не более чем на 0,8 дБ.
Варьируя этот размер, допустимо дополнительно корректировать
входной импеданс антенной решетки. Однако это нельзя использовать в
нижеследующих примерах. Полуволновый настроенный рефлектор должен быть предусмотрен для каждого полуволнового сегмента в каждом
этаже вибраторов. Из-за невозможности синфазного возбуждения здесь
не применяются цельные волновые элементы. Геометрическая длина lR
полуволнового рефлектора из прутка в диапазонах УКВ и ДМВ рассчитывается по приближенной формуле
.
Как правило, рефлектор и активный элемент выполняются из одного
и того же материала и имеют одинаковые диаметры.
816_Antenni.indd 190
28.09.2011 14:10:57
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
191
Антенные решетки с рефлекторным полотном
В диапазоне метровых волн рефлекторные плоскости слишком громоздки. Их применяют, главным образом, в дециметровом диапазоне.
Металлическая стенка за плоскостью вибраторов должна превосходить
эту плоскость по всем направлениям, по крайней мере, на λ/2.
В противоположность рефлектору в виде прутка рефлекторное полотно никак не связано с рабочей длиной волны. Поэтому перед одинаковыми рефлекторными полотнами можно располагать множество излучателей, рассчитанных на разные рабочие частоты. Рефлекторные полотна из
жести обеспечивают наилучшее подавление обратного излучения.
Но поскольку у них большая масса и значительная парусность, обычно
применяют рефлекторные полотна из проволочной сетки или рамки из
горизонтальных прутков. При этом ячейка сетки не должна превышать
λ/20, а проволоку в узлах ячеек пропаивают для обеспечения надежного
электрического контакта.
Совет.
По возможности сетку надо растянуть так, чтобы проволока шла
параллельно направлению излучателя (то есть горизонтально при
горизонтальной поляризации).
Рефлекторное полотно из параллельных трубок радиолюбители применяют редко: оно дорого и не дает никаких преимуществ по электрическим
характеристикам в сравнении с более дешевой проволочной сеткой.
Примечание.
Наибольшее усиление возникает, когда рефлекторное полотно
отстоит от плоскости активных вибраторов на 0,65λ.
Однако в таком случае подавление обратного излучения оказывается
не максимальным: из-за сравнительно большого расстояния до излучателей часть излучения «обходит» плоскость рефлекторов. Обычно это расстояние выбирают равным от 0,1 до 0,3λ как обеспечивающее простоту
конструкции и оптимальное подавление обратного излучения. Стоит
отметить, что при расстоянии между излучателем и рефлекторным полотном ≥0,2λ, входное сопротивление излучательной системы почти не
зависит от него, в то время как при меньших расстояниях входное сопротивление убывает.
Если настроенные рефлекторы из стержней обеспечивают средний
расчетный прирост усиления на 3 дБ, то рефлекторное полотно достаточных размеров способно увеличить его на 7 дБ. Еще больший прирост
получается при использовании полотен из уголковых, параболических и
иных специальных типов рефлекторов.
816_Antenni.indd 191
28.09.2011 14:10:57
192
Антенны. Практическое руководство
Практика антенных решеток
Радиолюбители, работающие в двухметровом диапазоне, из всех возможных вариантов выбрали стандартную систему в виде 16-элементной
решетки. Гораздо реже обращаются к 12-элементной решетке, а уж 24-,
32- и 48-элементные решетки изготавливаются в единичных случаях.
Ведь с ростом количества элементов отношение материальных затрат к
эффективности антенны становится все менее выгодным:
ŠŠтребуются особо стабильные несущие конструкции;
ŠŠрастет ветровое сопротивление;
ŠŠочень трудно обеспечить вращение столь больших устройств.
Создание подобных гигантов не связано с преодолением сложностей
по электрическим характеристикам — речь идет о рациональном объединении 12- или 16-элементных секций.
Конструкция № 1. 12-элементная антенная решетка. 12-элементная
решетка состоит из трех волновых вибраторов, расположенных в три этажа с межэтажным промежутком λ/2 и с настроенными полуволновыми
рефлекторами (рис. 5.40). Рефлекторы устанавливаются на расстоянии
0,15λ от вибраторов, усиление достигает 9,5 dBd, входное сопротивление
на клеммах XX приблизительно
равно 240 Ом.
У такой решетки с центральным
питанием, рассчитанной на частоту
145 МГц, ширина полосы составляет 15 МГц, значительно превышая
ширину 2 МГц собственно любительского диапазона. Межэтажные
линии связи пересекаются и должны тщательно изолироваться в местах пересечения.
Поскольку речь идет о настроенных линиях длиной по λ/2, диаметр проводников и расстояние
между ними не имеют особого
значения. С другой стороны, сечение проводников не должно быть
Рис. 5.40. 12-элементная антенная
слишком малым, иначе возникнут
решетка для диапазона 2 м
стоячие волны.
Механические и электрические данные:
ƒƒ
диаметр элемента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6—10 мм;
ƒƒ
диаметр проводника линии связи 3 мм (некритичен);
816_Antenni.indd 192
28.09.2011 14:10:57
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
193
ƒƒ
высота антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . около 2000 мм (соответствует 1λ);
ƒƒ
входное сопротивление XX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 Ом симметричное;
ƒƒ
усиление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9,5 dBd;
ƒƒ
подавление обратного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 дБ;
ƒƒ
ширина горизонтальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αΕ ≈ 60°;
ƒƒ
ширина вертикальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αΗ ≈ 50°.
Совет.
Желательно соблюдать указанный диаметр элемента, поскольку входное
сопротивление и длина излучателя волновых вибраторов сильно зависят
от степени утолщения. Как правило, материалом для изготовления элементов служат алюминиевый пруток или трубки легкого сплава.
В этом случае проводник линии связи также должен быть сделан из проволоки легкого сплава диаметром 3—6 мм, иначе места соединения меди с
алюминием подвергнутся электролитической коррозии. Особое внимание
следует уделить надежности соединений и их защите от воздействия влаги:
покрыть лаком, обмотать синтетическими материалами и т. п.
Применение меди для активных элементов требует использования
медных проводников в линиях связи. В этом случае они соединяются с
элементами при помощи пайки. Рефлекторы из легкого сплава могут работать в сочетании с медными элементами.
Обычно в фидере обеспечивается величина КСВ около 1,5. Ее можно
улучшить, подобрав оптимальное удаление рефлекторов от излучателей.
Примечание.
Электрически и механически рационально
применять деревянные
несущие детали, так
как элементы должны
крепиться в точках
минимума напряжения
на диэлектрике.
Используется просушенный, бессучковый, строганый
еловый брусок, хорошо пропитанный защитным составом.
На рис. 5.41 приведены два
варианта исполнения несущей
конструкции решетки.
Подобные 12-элементные
секции можно сводить в более
крупные образования и питать
их через согласованные линии.
816_Antenni.indd 193
Реф лектор
О тверстия
для элем ентов
а
О тверстия
для элем ентов
И злучатель
б
Рис. 5.41. Несущие конструкции
12-элементной антенной решетки:
а — каркас повышенной жесткости;
б — облегченный каркас
28.09.2011 14:10:57
194
Антенны. Практическое руководство
Конструкция № 2. 16-элементная антенная решетка. Такая решетка получается после добавления еще одного этажа к 12-элементной решетке (рис. 5.42).
При этом ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости
останется прежней, в вертикальной —
уменьшится, а усиление возрастет приблизительно до 10,5 дБ.
Линия связи А-В между вторым и
третьим этажами не перекрещивается
и образует уже знакомое параллельное соединение двух четвертьволновых
трансформаторов. Их параметры должны быть точно выдержаны, так как в
точках XX необходимо обеспечить согласование системы излучателей с фидером. Если входное сопротивление
Рис. 5.42. 16-элементная антенная
решетка: диаметр каждого элемента в XX установить, как обычно, равным
d = 10 мм, промежуток D между
240 Ом, линию А-В следует выполнить
ветвями вибратора определяется
из проволоки или трубок, диаметр копараметрами линии А-В
торых относится к расстоянию между
их осями как 1:18. Таким образом, при диаметре проводов 3 мм расстояние между осями составит 54 мм.
Можно питать решетку через 60-омный коаксиальный кабель, оставив
входной импеданс решетки равным 240 Ом и подключив кабель через полуволновый шлейф.
Другая возможность заключается в том, чтобы уже линией А-В привести импеданс на клеммах XX к величине 60 Ом. Для этого отношение
межпроводного расстояния к диаметру проводов линии связи надо сделать равным 3:1 и осуществить симметрирование с помощью четвертьволнового объемного заградительного контура или иного устройства.
Затраты на реализацию этих способов почти одинаковы.
Кабель и симметрирующее звено отводятся от линии связи под прямым
углом, чтобы избежать влияния волнового сопротивления на трансформирующую линию А-В. Конструктивные данные 12-элементной решетки
сохраняются и в случае 16-элементной секции.
Механические и электрические данные:
ƒƒ
диаметр элемента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 или 12 мм;
ƒƒ
диаметр проводника перекрещивающейся линии связи . . . . . . . . . . . . . . 3 мм;
ƒƒ
линия А-В: отношение диаметра к расстоянию 1:18 (например, 3 мм и 54 мм);
816_Antenni.indd 194
28.09.2011 14:10:57
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
195
ƒƒ
высота антенны около . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3000 мм (соответствует 1,5λ);
ƒƒ
входное сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 Ом, симметричное;
ƒƒ
усиление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10,5 dBd;
ƒƒ
подавление обратного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 дБ;
ƒƒ
ширина горизонтальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αE ≈ 60°;
ƒƒ
ширина вертикальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αH ≈ 42°.
Заключительные советы. Сущест­вует множество вариантов изготовления и питания антенных решеток. Опираясь на примеры и теоретические соображения, приведенные ранее, радиолюбитель может приступить к созданию собственных конструкций. Вот лишь несколько заключительных советов.
В обеих конструкциях межэтажное расстояние принималось равным λ/2,
потому что оно задается выбранными полуволновыми линиями связи.
Примечание.
Однако максимальным усиление становится тогда, когда расстояние
между двумя параллельными полуволновыми или волновыми вибраторами равно приблизительно 0,65λ.
Этот промежуток зависит от количества этажей следующим образом:
ŠŠ2 этажа — расстояние 0,65λ;
ŠŠ5 этажей — расстояние 0,83λ;
ŠŠ3 этажа — расстояние 0,75λ;
ŠŠ6 этажей — расстояние 0,86λ;
ŠŠ4 этажа — расстояние 0,80λ;
ŠŠ8 этажей — расстояние 0,90λ.
Реф лектор
Расстояние 0,75l
Л иния связи
длиной 1l
О порны й
изолятор
4
816_Antenni.indd 195
И злучатель
l/
И зляторы
И злучатель
l/
4
Разумеется, все это приближенные значения. Такие наивыгоднейшие межэтажные промежутки осуществимы с помощью
волновых линий связи. Но поскольку расстояние между этажами всегда меньше 1λ,
волновые линии прокладываются по удлиненной траектории, «съедающей» избыточную длину линий.
Два примера, подтверждающие это положение, приведены на рис. 5.43. Способ,
представленный на рис. 5.43, а, имеет некоторое преимущество перед вариантом на
рис. 5.43, б, так как двухпроводная линия
крепится через каждые четверть длины
волны, то есть в минимумах напряжения.
Такой прием позволяет применять более короткие изоляторы без особых требований к их добротности. Во втором случае
(рис. 5.43, б) точка крепления линии при-
Реф лектор
И злучатель
а
б
Рис. 5.43. Прокладка волновой
линии связи при оптимальных
междуэтажных расстояниях:
а, б — примеры конструкций
28.09.2011 14:10:58
196
Антенны. Практическое руководство
ходится на λ/2, то есть на максимум напряжения, и потому требуются
высококачественные опорные изоляторы.
При построении волновых линий необходимо учитывать коэффициент укорочения. У двухпроводных линий с воздушной изоляцией он составляет 0,975, у линий из более толстых параллельных трубок — 0,95.
Здесь применимы также:
ŠŠплоский УКВ кабель;
ŠŠдвужильный шланговый кабель;
ŠŠэкранированная симметричная двухпроводная линия.
Их коэффициенты укорочения V дают возможность уменьшить длину
линии связи настолько, чтобы она прокладывалась по прямой (в зависимости от типа кабеля 0,65<V<0,85). В отличие от полуволновой линии,
при синфазном возбуждении этажей волновая линия связи не должна
перекрещиваться.
При добавлении этажей решетки из полуволновых вибраторов ее
входное сопротивление уменьшается и становится минимальным при
оптимальном межэтажном расстоянии. Если использовать волновые
вибраторы, из которых преимущественно строятся антенные решетки,
можно получить обратный процесс: с ростом этажности входное сопротивление будет увеличиваться.
Конструкция № 3. 12-элементная антенная решетка для диапазона
70 см. Антенные решетки применяются также в диапазоне 70 см. Здесь
полоса пропускания решетки достигает 50 МГц, однако из-за довольно
значительных затрат на изготовление такая разновидность антенных систем в дециметровом диапазоне используется
редко.
Принципиально важно учитывать, что
на входе питания линии связи недопустимы
какие-либо изоляторы, кроме воздушного,
поскольку там максимальное напряжение.
Кроме того, секция должна монтироваться
перед обеими вертикальными несущими деталями в соответствии с рис. 5.14, в. Размеры
конструкции 12-элементной антенной решетРис. 5.44. 12-элементная
ки приведены на рис. 5.44. Варианты исполнеантенная решетка для
диапазона 70 см
ния подходят и для решеток диапазона ДМВ.
Механические и электрические данные:
ƒƒ
диаметр элемента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3—5 мм;
ƒƒ
диаметр проводника линии связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1—3 мм;
ƒƒ
высота антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 680 мм;
816_Antenni.indd 196
28.09.2011 14:10:58
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
197
ƒƒ
входное сопротивление XX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 Ом симметричное;
ƒƒ
усиление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9,5 dBd;
ƒƒ
подавление обратного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 дБ;
ƒƒ
ширина горизонтальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αE ≈ 60°;
ƒƒ
ширина вертикальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αH ≈ 50°.
Конструкция № 4. Антенная решетка HB9CV. Отличительными особенностями антенны HB9CV являются высокое усиление в сочетании с
незначительной парусностью и небольшие затраты на изготовление. Поэтому естественно воспользоваться таким излучателем для построения
антенной решетки. DL1RWD сконструировал счетверенную секцию из
антенн HB9CV, равноценную образцовой директорной антенне формата
9×9, но требующую намного меньше расходных материалов.
Использованные системы HB9CV выполнены по схеме, приведенной
на рис. 5.12, с входным сопротивлением 60 Ом. В решетке (рис. 5.45, а)
вертикальные расстояния между элементами А и В, а также С и D составляют по 1250 мм каждое и соответствуют 0,6λ, то есть близко к оптимальному (минимальный равен 0,5λ). Горизонтальное расстояние между
центрами элементов А и С или В и D выбрано равным 2060 мм (соответствует 1λ).
Такую секцию из четырех антенн в цельнометаллическом исполнении
легко запитать через 60-омный коаксиальный кабель с соблюдением всех
требований по симметрии и импедансу. Рис. 5.45, б и рис.5.45, в иллюстрируют способ возбуждения системы.
Примечание.
Для простоты здесь показаны только линии, к концам Х1 и Х2 которых
подключаются антенны HJB9CV.
Сегментами линий служат одинаковые отрезки 60-омного коаксиального кабеля. Такой же кабель применяется в качестве фидера, подключаемого к центральной точке питания G.
Предполагается, что входное сопротивление каждой из четырех систем А, В, С и D равно 60 Ом. Следовательно, отрезки кабеля а, b, с и d
можно подключать к соответствующим клеммам питания X1 и Х2, при
этом соблюдается согласованность по сопротивлениям; входные сопротивления на концах Ε и F также не зависят от длины линий.
Примечание.
Длина отрезков кабеля а, b, с и d произвольна. Выбирается в соответствии с конструктивными требованиями. Однако важно, чтобы они
были строго одинаковой длины, иначе не избежать запаздывания и, как
следствие, сдвига фаз.
816_Antenni.indd 197
28.09.2011 14:10:58
198
Антенны. Практическое руководство
C
625
A
x1 x2
1250
М аксм ум
2060
625
x1 x2
x1 x2 B
x1 x2 D
а
а
x2
x1
x1 x2
A
a
330
330
E
C
c
F
G
l/4·V
b
B
x1
d
x1
x2
x2
D
бб
A
C
x2
x1
c
a
x1 x2
990 (=3/4l·V)
990 (=3/4l·V)
G
E
d
b
F
x1
B
D
x2
x1
вв
Рис. 5.45. Секция HB9CV горизонтальной поляризации:
а — конструкция; б, в — системы питания
816_Antenni.indd 198
28.09.2011 14:10:58
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
199
На практике длина отрезков, например, а, b, с и d, составляет по
1285 мм для варианта, представленного на рис. 5.45, б, или по 625 мм для
варианта, данного на рис. 5.45, в.
В точках Ε или F отрезки а и b или с и d подключены параллельно друг
другу. В результате параллельного включения двух импедансов по 60 Ом
в точках Ε и F образуются сопротивления по 30 Ом.
Теперь между Ε и G или F и G включено по одному четвертьволновому трансформатору. Они образованы отрезками коаксиального кабеля с электрической длиной λ/4 (рис. 5.45, б). Аналогичными свойствами
трансформаторов обладают линии с электрической длиной, кратной нечетному числу λ/4, что позволило применить отрезки кабеля длиной 3λ/4
в качестве трансформаторов в варианте, представленном на рис. 5.45, в.
С учетом коэффициента укорочения V = 0,66 (60-омный коаксиальный кабель со сплошным полиэтиленовым диэлектриком) получим геометрическую длину линий для каждого из четвертьволновых трансформаторов по 330 мм (0,66 × λ/4) — см. рис. 5.45, б. Та же длина в варианте,
приведенном на рис. 5.45, б, составит по 990 мм (0,66 × 3λ/4). Из соотношения для четвертьволновых трансформаторов
следует, что каждый трансформатор приводит импеданс ΖА к 120 Ом в
точке G (ΖΑ = 602/30 = 120 Ом). Но поскольку на входе питания G оба импеданса параллельны, центральное входное сопротивление оказывается
равным 60 Ом.
Это позволяет подключать 60-омный фидер к точке G в соответствии с
входным сопротивлением и обеспечивает согласование и синфазное возбуждение для четырех отдельных систем. При синфазном возбуждении
важно проследить за тем, чтобы гамма-образные цепочки, ближайшие к
каждой из антенн HB9CV, были обращены в одну и ту же сторону.
В соединениях Е, F и G все подключаемые экраны и внутренние жилы
связываются друг с другом, поэтому надо обеспечить защиту этих мест от
коррозии (скажем, с помощью синтетического клея или литьевой смолы).
Электрически равноценный вариант возбуждения по схеме на рис. 5.45, в
более удобен, так как на его реализацию расходуется меньше кабеля.
Примечание.
При разнесении антенн по горизонтали А-С и В-D на расстояние, равное
1λ, достигается ширина диаграммы направленности решетки в горизонтальной плоскости по половинной мощности всего 30°, а слишком
большой разнос вызывает появление мощных боковых лепестков.
816_Antenni.indd 199
28.09.2011 14:10:58
200
Антенны. Практическое руководство
x1
B
A
625
x2
G
625
990 (=3/4l·V)
C
x1
B
М аксим ум 2060
A
a
E
990 (=3/4l·V)
x2
1250
b
D
C
x2
x1
c
Ф идер
D
F
d
x2
x1
Рис. 5.46. Секция из четырех антенн HB9CV вертикальной поляризации
Поэтому выгодно сузить это расстояние до 0,6—0,7λ (соответствует
1250—1450 мм): тогда исчезнут боковые лепестки, а ширина диаграммы
возрастет до 40°. С уменьшением габаритов системы снизится ее ветровое сопротивление. Ширина диаграммы решетки в вертикальной плоскости составляет около 55°, а усиление достигает 11 dBd.
Не менее перспективно использование секции из четырех антенн
HB9CV при вертикальной поляризации. Ее конфигурация, представленная на рис. 5.46, гарантирует отсутствие отрицательных воздействий
на диаграмму направленности со стороны металлических несущих конструкций.
Здесь также выгодно сократить вертикальный межэтажный разнос
антенн с 2060 мм до 1450 мм и по конструктивным соображениям в соответствии с рис. 5.45, б придать трансформирующим сегментам линий
электрическую длину λ/4 (по 330 мм). При вертикальной поляризации
ширина диаграммы в горизонтальной плоскости составляет 55°, а в вертикальной — около 40°. Вероятное усиление равно 11 dBd.
5.5. Многоэтажные директорные антенны
для УКВ и ДМВ диапазонов
Почему нужны многоэтажные антенны
Высокое усиление, столь важное в особых случаях (например, в режиме связи через трассу Земля-Луна-Земля), обеспечивается предельно
длинными директорными антеннами. Основой тому служат неоднород-
816_Antenni.indd 200
28.09.2011 14:10:58
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
201
ные структуры с логарифмически-ступенчатым волноводным профилем,
дающие прирост усиления на 2,35 дБ при удвоении длины антенны.
Примечание.
К сожалению, практическое применение этой важной идеи ограничено
возможностями механического воплощения таких структур.
В самом деле, чтобы добиться усиления 16 dBd в двухметровом диапазоне, понадобилась бы траверса длиной 14 м (7,5λ), для диапазона 70 см
пришлось бы взять антенну длиной 5 м. И только на еще более высоких
частотах значения длины антенн получаются в пределах разумного.
Вслед за длиной антенны растут требования к соблюдению ее размеров, к точности наведения на станцию-мишень и значительно сужается
ширина ее диаграммы в горизонтальной плоскости.
Как правило, увеличение длины антенны ведет к сужению полосы частот,
а погодные условия (в частности, обледенение) вызывают заметную расстройку системы. И наконец, предельно длинные траверсы требуют особых
конструкторских решений и затрудняют работу поворотных устройств.
Теоретически можно построить антенные системы очень высокого
усиления в виде устройств на основе коллинеарных вибраторов. Но поскольку усиление отдельного элемента (волнового вибратора с рефлектором) дает лишь малый вклад в усиление всей антенны, потребовалось бы
объединить множество таких элементов. Пример тому — вибраторные
стенки, поставляемые промышленностью.
Большое количество активных вибраторов требует огромных расходов на прокладку линий с многочисленными разъемами, подверженными коррозии, и на строительство громадных несущих конструкций.
В любительской практике зафиксированы лишь отдельные случаи создания подобных монстров. Чтобы такое устройство обеспечило усиление
16 дБ, оно должно состоять приблизительно из 100 элементов.
Примечание.
Для радиолюбителя самый экономный путь к высокому усилению
заключается в создании комбинаций высокоэффективных директорных антенн средней длины.
Если за основу взять, например, шестиэлементную директорную
антенну с усилением 11 dBd и свести четыре таких антенны в много­
этажную группу с оптимальными межэтажными расстояниями, можно
рассчитывать на усиление 16 dBd. С таким устройством еще несложно
справиться с механической и электрической точек зрения, расход материалов на 24 элемента сравнительно невелик, а на диаграмму направленности излучения группы в целом можно влиять, изменяя способы
ее формирования.
816_Antenni.indd 201
28.09.2011 14:10:58
202
Антенны. Практическое руководство
Принцип наложения
Объединение отдельных антенн или антенных систем в общую схему
основывается на принципе наложения (суперпозиции). Он всегда выступает подлинной физической причиной того, каким образом формируется диаграмма направленности и почему она отклоняется от равномерного распределения излучения по всем направлениям.
Применительно к конструкторской деятельности радиолюбителей
принцип суперпозиции формулируется так.
Правило.
Суммарная диаграмма направленности системы равна диаграмме
отдельного излучателя (отдельной антенны), умноженной на диаграмму группы изотропных излучателей, которая находится в том же
месте, что и одиночный излучатель, и питается с теми же амплитудой и фазой.
Законы суперпозиции объясняют, в частности:
ŠŠпочему диаграмма направленности полуволнового вибратора в
плоскости Ε имеет форму восьмерки;
ŠŠпочему рефлектор подавляет обратное излучение и почему прямое
излучение у директорной антенны характеризуется острой направленностью и грушевидным распределением.
При этом речь всегда идет о наложении волновых фронтов на удаленной мишени, когда в зависимости от фазы разыгрываются различные
процессы — от сложения волн (при синфазности) до взаимного их гашения (при сдвиге фаз на 180°).
Для объединения множества одинаковых источников излучения
принципиально важно знать диаграмму направленности отдельного источника. Тогда суммарная диаграмма рассчитывается по правилам суперпозиции. Появляется возможность наделять совокупность источников
определенными свойствами, к которым относятся:
ŠŠобеспечение оптимального усиления (как правило, самое важное
для радиолюбителя);
ŠŠформирование диаграмм направленности заданной формы (например, для береговых радиостанций и УКВ радаров);
ŠŠсоздание диаграммы без боковых лепестков (биномиальное питание);
ŠŠнамеренное образование на диаграмме нулевых точек для подавления помех при УКВ или телевизионном приеме.
Обычно радиолюбитель ограничивается объединением двух (реже четырех) одинаковых директорных систем с расстояниями, оптимизированными по усилению. В таких случаях нет необходимости углубляться
в математику.
816_Antenni.indd 202
28.09.2011 14:10:59
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
203
Совет.
Нужно достичь цели, руководствуясь простыми соображениями. Повы­
сить усиление можно только за счет уменьшения ширины диаграммы
направленности. Сузив ее вдвое, усиление удваивают (3 дБ).
Если разместить одинаковые антенные системы (например, директорные антенны) в два этажа и возбуждать их с одинаковыми фазой и
амплитудой, то при определенном межэтажном расстоянии (его можно
назвать оптимальным по усилению) происходит удвоение эффективности в направлении главного луча.
Рост усиления, приведенный к отдельному источнику, составляет
3 дБ. На практике такое усиление за счет многоэтажности не достигается, оставаясь в среднем на уровне 2,5 дБ и лишь в особых случаях приближаясь к 2,9 дБ.
Правило.
Прибавка усиления благодаря этажности тем больше, чем ближе диаграмма направленности отдельной системы к идеалу (отсутствие
боковых лепестков, полностью подавленное обратное излучение).
Фактически боковые лепестки всегда присутствуют, отбирая энергию
из главного лепестка и соответственно ослабляя его. Чтобы добиться предельно высокого усиления группы антенн, необходимо уже при ее планировании позаботиться о наибольшем ослаблении боковых лепестков
на диаграммах излучения каждой из участвующих систем. Ослабление
должно составлять не менее 15 дБ, что недостижимо для многих типов
длинных директорных антенн.
Формирование антенных групп с оптимальными расстояниями
Возможности компоновки антенных групп из директорных антенн показаны на рис. 5.47 и рис. 5.48. Каждая антенная система представлена
только активным петлевым вибратором.
DH
Самым распространенным типом группы является «двойка» (рис. 5.47, а). Она
образована парой директорных антенн
DH
горизонтальной поляризации, расположенных в два этажа с расстоянием DH
между ними, и фокусирует излучение
в плоскости Η благодаря сужению вера
б
тикальной диаграммы направленности.
Рис. 5.47. Образование этажей
При этом ширина диаграммы в горирешетки в плоскости Н:
зонтальной плоскости остается той же,
а — горизонтальной поляризации;
что и у отдельной антенны. Гораздо реже
б — вертикальной поляризации
816_Antenni.indd 203
28.09.2011 14:10:59
204
Антенны. Практическое руководство
применяется вертикальная поляризация (рис. 5.47, б), при которой действуют аналогичные соотношения, но с разворотом на 90° соответственно повороту самой группы относительно конфигурации на рис. 5.47, а.
Конфигурация, представленная на рис. 5.48, а, фокусирует излучение в
плоскости Е, уменьшая тем самым ширину горизонтальной диаграммы и не
изменяя ширину вертикальной (в плоскости Н). Ряд из директорных антенн
вертикальной поляризации на рис. 5.48, б используется, как правило, только
в составе решеток вертикальной поляризации более высокого порядка.
Легко заметить, что четыре антенны горизонтальной поляризации
на рис. 5.49 фокусируют излучение в плоскости Ε благодаря рядной
конфигурации (3 дБ), что может обеспечить прирост усиления на 6 дБ
относительно одиночной директорной антенны. Но реально можно рассчитывать лишь на 5 дБ, если расстояния между элементами решетки
оптимизированы по усилению. Вертикальная поляризация с аналогичными свойствами излучения возникает при развороте решетки на 90°,
когда все элементы занимают вертикальное положение.
Простейшую и самую распространенную конфигурацию из двух девятиэлементных директорных антенн горизонтальной поляризации, расположенных в два этажа (рис. 5.47, а), отличают по числу имеющихся
элементов и говорят, например, о решетке «девять над девятью».
При размещении тех же антенн в виде ряда (рис. 5.48, а) следовало бы
говорить о решетке «девять рядом с девятью». Для групп более высокого
порядка нет строгих обозначений, и указывается только количество директорных антенн (например, решетка из четырех-шести антенн и т. д.).
Примечание.
Для заблаговременного расчета оптимального расстояния Dopt в группе
директорных антенн необходимо знать ширину диаграмм направленности применяемых одинаковых базисных антенн.
DE
DE
DE
а
DН
б
Рис. 5.48. Образование рядов решетки
в плоскости Е:
а — горизонтальной поляризации;
б — вертикальной поляризации
816_Antenni.indd 204
DН
DE
Рис. 5.49. Четырехэлементная
решетка из двух рядов и двух
этажей антенн горизонтальной
поляризации
28.09.2011 14:10:59
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
205
Правила большого пальца, исходящие из количества элементов или
длины антенны, крайне неточны и не позволяют добиться оптимизации
по усилению. Самая распространенная формула, основанная на принципе суперпозиции, записывается в виде
,
где α/2 соответствует половине ширины диаграммы направленности, а
результат выражается в метрах.
Еще проще пользоваться эмпирическим выражением
.
Примечание.
Формулы дают различные результаты, но получаемые по ним оценки
Dopt вполне достаточны для практических целей.
Усиление, дБ
При конфигурации, показанной на рис. 5.47, в формулы подставляют
ширину диаграммы в плоскости Н, а для ряда по рис. 5.48 — ширину в плоскости Е. Расстояния DE и DH в решетке из четырех антенн (рис. 5.49) рассчитываются порознь в соответствии с различиями ширины диаграмм.
Промежуток Dopt считается оптимальным не потому, что при нем реализуется максимальное усиление, а как компромисс между подавлением
боковых лепестков и вытянутостью главного. Поэтому он равен тому минимальному расстоянию, при котором усиление приблизительно удваивается. График найденной DL6WU зависимости представлен на рис. 5.50.
С увеличением разноса между
3,0
антеннами сверх Dopt боковые ле2,8
пестки становятся больше, главный
2,6
лепесток сужается, прирост усиле2,4
ния замедляется, а при очень боль2,2
ших расстояниях наступает спад
2,0
усиления.
1,8
1,6
Примечание.
1,4
Быстрый рост усиления при
1,2
увеличении расстояния между
1,0
этажами происходит, когда
1,4
0,6
0,8
1,0
1,2
D/Dopt
оно намного меньше величины
Dopt, причем одновременно
Рис. 5.50. Усиление при поэтажном
происходит сжатие боковых расположении двух антенн в зависимости
лепестков.
от отклонения межэтажного расстояния
от оптимальной величины Dopt
816_Antenni.indd 205
28.09.2011 14:10:59
206
Антенны. Практическое руководство
Ради «чистоты» диаграммы направленности группы из длинных директорных антенн нередко советуют применять межэтажный разнос, составляющий 70% от расчетной величины Dг.
Если решетка образована сравнительно короткими директорными
антеннами (например, трехэлементными), рассчитанное значение Dopt не
выходит на допустимую величину, и потому найденное расстояние между этажами следует увеличить на 30%. В группах более высокого порядка
(из четырех, шести и более антенн) рекомендуются несколько большие
значения разноса, нежели необходимые для секции из двух антенн.
При коллинеарной конфигурации антенн в плоскости Ε (рис. 5.48)
достижимое усиление приблизительно на 0,5 дБ меньше усиления поэтажной конфигурации (см. рис. 5.47) в плоскости Н. Поэтому система из
четырех поэтажно расположенных антенн дает несколько большее усиление, нежели система с размещением антенн по схеме на рис. 5.49.
Вывод.
При групповой конфигурации, когда однотипные одиночные системы
возбуждаются с одинаковыми для всех фазами и амплитудами, суммарные диаграммы направленности образуются из диаграмм отдельных
систем, которые находятся внутри группы.
Возбуждение групповых директорных антенн
При объединении нескольких директорных антенн в группу питание
ее элементов нужно производить одинаково по фазе и амплитуде. Это
значит следущее.
Правило.
Все проложенные от общего фидера к отдельным директорным антеннам соединительные линии должны быть строго одинаковой длины
(то есть характеризоваться одним временем прохождения) и подключаться с одинаковой полярностью ко всем системам группы.
Применительно к подключениям здесь действуют правила:
ŠŠдля горизонтальной поляризации «левое — к левому, правое — к
правому»;
ŠŠдля вертикальной поляризации «верхнее — к верхнему, нижнее —
к нижнему».
Такие соображения справедливы и по отношению к петлевым вибраторам независимо от положения их разрыва (рис. 5.51). Аналогичным
образом должна соблюдаться полярность при наличии симметрирующих
трансформаторов на входах, составляющих группу систем (скажем, полуволновой петли или шлейфа ΕΜΙ).
816_Antenni.indd 206
28.09.2011 14:10:59
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
207
816_Antenni.indd 207
DH
DH
Z = 240 О м
Z = 240 О м
На практике применяются
следующие способы возбужa
b L
b L1
a
дения:
1
Z = 120 О м
Z = 120 О м
ŠŠспособ 1, через настроb
a
L1 = L 2
a
b
L2
енные соединительные
L2
линии, выполненные отa
b
части как трансформиa
b
рующие цепочки и обеZ = 240 О м
Z = 240 О м
спечивающие требуемый
5.51. Синфазное возбуждение двух поэтажно
импеданс на централь- Рис.
расположенных директорных антенн через
ном входе антенны;
ненастроенные соединительные линии
и тождественность подключения
ŠŠспособ 2, через ненапри различной ориентации
строенные (согласованные) соединительные линии соответствующего волнового сопротивления без функций трансформирования;
ŠŠспособ 3, через ненастроенные (согласованные) соединительные
линии в сочетании с трансформирующими цепочками (как правило, с четвертьволновыми трансформаторами); этот способ — самый распространенный;
ŠŠспособ 4, через настроенные соединительные линии, который используется, главным образом, в решетках излучателей.
Возбуждение поэтажно расположенных директорных антенн через
ненастроенные согласованные соединительные линии наиболее целесообразно, поскольку позволяет выбирать межэтажные расстояния произвольно и без лишних конструктивных трудностей.
К тому же функционирование согласованных линий не зависит от
частоты, что предотвращает сужение полосы частот группы в целом.
Простой пример применения такого способа возбуждения приведен на
рис. 5.51.
К рассматриваемой конструкции предъявляются следующие общие
требования:
ŠŠвходные сопротивления отдельных антенн должны быть равны (в
данном случае они составляют по 240 Ом);
ŠŠволновое сопротивление Ζ соединительных линий должно равняться входномусопротивлению каждой из антенн (Ζ = 240 Ом в
примере на рис. 5.51);
ŠŠдлина соединительных линий произвольна и не должна препятствовать выбору нужного межэтажного расстояния;
ŠŠгеометрическая и электрическая длины (l1 = l2 в примере на
рис. 5.51) всех соединительных линий, прокладываемых к центральным клеммам питания, должны быть равны;
28.09.2011 14:10:59
208
Антенны. Практическое руководство
ŠŠдля обеспечения синфазности возбуждения вибраторы необходи-
мо подключать равнозначно (в примере на рис. 5.51 соединяются
клеммы а и a, b и b).
К центральному входу группы импедансы обеих антенн подключены
параллельно, так что импеданс группы оказывается вдвое меньшим (в
данном примере он составляет 120 Ом). У многоэтажной группы импеданс центрального входа уменьшается относительно входного сопротивления отдельной антенны с кратностью, равной количеству этажей.
Например, при поэтажном расположении четырех директорных антенн (или в рассмотренной ранее конфигурации на рис. 5.49), входное
сопротивление каждой из которых равно 240 Ом, импеданс центрального
входа группы составит 60 Ом (240:4).
Вывод.
Это делает возможным прямое питание группы по коаксиальному
кабелю через симметрирующий трансформатор. Все сказанное справедливо и для коллинеарных вибраторных групп (рис. 5.48).
Часто импеданс центрального входа группы не соответствует волновому сопротивлению выбранного кабеля питания. В этом случае требуемое
входное сопротивление обеспечивается посредством известных трансформирующих цепочек, преимущественно с помощью четвертьволнового трансформатора.
Группы (решетки) директорных антенн более высокого порядка
(в основном из четырех антенн) также могут возбуждаться посредством
a
a
b
x
L3
a
a
L1 L 2
x
b
b
a
DH
L1
a
DH
L4
b
a
b
a
b
DH
L1 = L2 = L3 = L4
L1
b
L2
x
L3
x
DH
DE
DE
b
DE
L2
L4
DE
L3
L4
x x
Рис. 5.52. Широкополосное возбуждение комбинаций из четырех директорных
антенн при последовательно-параллельном включении
816_Antenni.indd 208
28.09.2011 14:10:59
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
209
широкополосного питания при условии, когда входное сопротивление
отдельной антенны играет роль входного сопротивления центрального
входа питания XX той же величины (рис. 5.52). Сопротивление в точках
XX равно входному сопротивлению одной антенны
При этом в каждой паре антенны соединяются параллельно (Z/2), а
пары между собой — последовательно (Ζ/2 + Ζ/2 = Z). Такая схема включения широко используется для приемных антенн телевизионного вещания. Радиолюбители предпочитают чисто параллельное соединение этажей и при необходимости включают четвертьволновые трансформаторы.
Причем для соединительных линий и трансформирующих цепочек почти
всегда применяется коаксиальный кабель.
Практика построения групповых директорных антенн
Обдумывание консрукции. Экономичное построение групп из директорных антенн требует предусмотрительности. Сначала надо продумать,
какого типа директорную антенну взять за основу. Использовать очень
короткие директорные антенны в группах нерационально, значительно
удобнее применять оптимизированные длинные директорные антенны.
Однако их размер должен быть не слишком большим.
С образованием группы увеличивается количество и размер боковых
лепестков суммарной диаграммы направленности, поскольку происходит наложение неизбежных боковых лепестков суммарной диаграммы и
диаграмм отдельных антенн.
Примечание.
Поэтому очень важно в максимальной степени подавить боковые
лепестки на диаграммах отдельных антенн группы. И, разумеется,
необходимо как можно точнее знать входное сопротивление отдельных антенн: именно оно определяет питание всей решетки; номинальное значение входного сопротивления нередко оказывается всего лишь
ориентировочной величиной.
Дальняя связь в диапазонах 2 м и 70 см осуществляется почти исключительно при горизонтальной поляризации; группы вряд ли понадобятся
для передачи радиорелейных частотно-модулированных сигналов вертикальной поляризации.
Поэтому далее рассматриваются примеры расчетов только для
устройств горизонтальной поляризации. Для получения вертикальной
поляризации достаточно повернуть решетку вокруг оси на 90°.
Конструкция № 1. Групповые антенны на базе шестиэлементной
длинной директорной антенны DL2RSX. Приводимые электрические
816_Antenni.indd 209
28.09.2011 14:10:59
210
Антенны. Практическое руководство
D H = 2,0 м
параметры получены путем измерений. Хотя все соединительные линии
выполнены из коаксиального кабеля, в устройстве нет симметрирующих
трансформаторов. Связанная с этим асимметрия диаграммы направленности невелика, и ею можно пренебречь.
Рассмотрим группу из двух длинных шестиэлементных директорных
антенн DL2RSX для диапазона 2 м. Базисная шестиэлементная антенна
показана на рис. 5.22 со всеми размерами. Для ясности изложения особенностей группы антенна в ней представлена только петлевым вибратором.
При поэтажном расположении антенн в плоскости Η расстояние
Dopt = 2,62 м (≈1,27λ). Но при таком разносе слишком много мощности
тратится на боковые лепестки. Было найдено, что расстояние DH = 2 м
(≈1λ) обеспечивает наилучший компромисс между узкой диаграммой направленности и степенью подавления боко75 О м
вых лепестков.
a
b
Схема группы приведена на рис. 5.53.
L1
Здесь
l1 и l2 являются согласованными линиZ = 75 О м
ями
(Z
= 75 Ом), их суммарная длина проl/4·V
Ф идер
извольна,
но равенство между ними (l1 = l2)
Z = 37,5 О м
обязательно.
Импеданс в центральной точке
Z = 50 О м Z = 75 О м
схемы составляет 37,5 Ом (вследствие паL2
Z = 75 О м
L1 = L 2
раллельного соединения сопротивлений).
Подключенный четвертьволновый трансa
b
форматор предназначается для приведения
75 О м
входного сопротивления 37,5 Ом к величине, позволяющей использовать стандартный
Рис. 5.53. Возбуждение двух
шестиэлементных длинных
коаксиальный кабель. Для 75-омного фидедиректорных антенн,
ра произвольной длины волновое сопротиврасположенных поэтажно
ление трансформатора должно быть равным
в плоскости Η
50 Ом (точнее,
Ом).
В этой связи стоит напомнить, что у коаксиального кабеля для бытового применения допуск на волновое сопротивление составляет около
±5% и лишь специальные кабели выпускаются с меньшим допуском.
Были получены следующие характеристики группы:
ƒƒ
расстояние между этажами . . . . . . . . . . . . DH = Dopt = 2,0 м (соответствует 1λ);
ƒƒ
ширина горизонтальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αE ≈ 39°;
ƒƒ
ширина вертикальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αH ≈ 22°,
ƒƒ
усиление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ≥13,5 dBd.
Схема включения антенны представлена на рис. 5.54. Она основана
на тех же принципах согласования и трансформирования, что и схема на
рис. 5.53.
816_Antenni.indd 210
28.09.2011 14:11:00
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
Были получены следующие характеристики группы:
ƒƒ
расстояние между рядами DE = Dopt =
= 2,5 м (соответствует 1,25λ);
ƒƒ
ширина горизонтальной
диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . αΕ ≈ 20°;
ƒƒ
ширина вертикальной
диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . αΗ ≈ 45°,
ƒƒ
усиление . . . . . . . . . . . . . . . . . . ≥13 dBd.
Z = 75 О м
a
211
D Е = 2,5 м
b
Z=
L1 = L 2
a
Z = 37,5 О м
L2
L1
75
Ом
Z = 75 О м
b
Ом
75
Z=
l/4·V
Z = 50 О м
Ф идер
Z = 75 О м
816_Antenni.indd 211
75 О м
0,75lV
Z = 75 О м
0,75lV
Z = 75 О м
D H = 2,25 м
D H = 2,25 м
D H = 2,25 м
Рис. 5.54. Возбуждение двух
Конструкция № 2. Группа из чеколлинеарных шестиэлементных
тырех длинных шестиэлементных
длинных директорных антенн Y23RD,
директорных антенн. Такие группы
расположенных в плоскости Ε
с четырьмя директорными антеннами, расположенными коллинеарно в плоскости Е, не пользуются популярностью у радиолюбителей из-за необходимости использовать неметаллические трудно изготавливаемые поперечины. К тому же антенны
отличаются очень узкой диаграммой направленности в горизонтальной
плоскости, что в большинстве случаев нежелательно.
Для группы из четырех поэтажно расположенных шестиэлементных
длинных директорных антенн Y23RD (рис. 5.22) рекомендуются оптимальные расстояния DH по 2,25 м. Упрощенная схема возбуждения изображена на рис. 5.55.
Все соединительные линии на схеме
показаны как двухпроводные, но реально
75 О м
a
b
они выполнены из коаксиального кабеля.
L1
Z = 375 О м
Отрезки l1 и l2, а также l3 и l4 включены паZ = 75 О м
A
раллельно (ср. рис. 5.53), так что импеданс
в точках подключения А и В составляет по
L2
37,5 Ом. От А к XX и от В к XX проложен
a
b
75 О м
удлиненный четвертьволновый трансx
x
форматор с волновым сопротивлением
75 Ом.
a 75 О м b
Реальная электрическая длина трансL3
форматоров по механическим соображеZ = 75 О м
B
ниям сделана равной 3λ/4. При этом исходят из того, что линии, электрическая
Z = 37,5 О м
L4
длина которых кратна нечетному числу
a
b
L 1 = L 2 = L 3 =L 4
75 О м
значений λ/4, обладают теми же способностями преобразования, что и четвертьРис. 5.55. Схема возбуждения
четырех шестиэлементных
волновый трансформатор.
длинных директорных антенн
Входные сопротивления по 37,5 Ом из
расположенных поэтажно
точек А и В приводятся к 150 Ом в точках
в плоскости Η
28.09.2011 14:11:00
212
Антенны. Практическое руководство
XX. Поскольку эти сопротивления включены параллельно, там получается требуемое входное сопротивление величиной 75 Ом.
Были получены следующие характеристики группы:
ƒƒ
расстояние между этажами . . . . . . . . DH = Dopt = 2,25 м (соответствует 1,09λ);
ƒƒ
ширина горизонтальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αΕ ≈ 39°;
ƒƒ
ширина вертикальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αΗ ≈ 12°;
ƒƒ
усиление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ≥16 dBd.
Решетка из четырех антенн на рис. 5.56 фокусирует излучение в плоскостях Ε и Н. Все антенны подключены параллельно к центральному
входу с суммарным импедансом 75/4 = 18,75 Ом. Поэтому используемый
четвертьволновый трансформатор должен преобразовать 18,75 Ом в
75 Ом. Его волновое сопротивление
Ом.
Это значение нестандартно, но может быть легко получено, если включить параллельно два отрезка 75-омно го коаксиального кабеля с электрической длиной λ/4 (как показано на рисунке, попарно соединяются
экран с экраном и внутренние жилы отрезков). Если ту же решетку надо
питать через 50-омный кабель, волновое сопротивление трансформатора должно быть 30,6 Ом. Такое значение необходимо при параллельном
соединении пары отрезков 60-омного коаксиального кабеля.
Были получены следующие характеристики решетки:
ƒƒ
расстояние между рядами . . . . . . . . . . . DE = Dopt = 2,5 м (соответствует 1,25λ);
ƒƒ
расстояние между этажами . . . . . . . . . . . . DH = Dopt = 2,0 м (соответствует 1λ);
ƒƒ
ширина горизонтальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αF ≈ 20°;
ƒƒ
ширина вертикальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αH ≈ 22°;
ƒƒ
усиление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ≥16 dBd.
D E = 2,5 м
b
a
L2
L1
D H = 2,0 м
Z = 75 О м
Z = 1875 О м
L3
Z = 75 О м
a
Z = 75 О м
Z = 75 О м
l/4·V
D E = 2,5 м
Z = 75 О м
Z = 37,5 О м
L4
a
b
b
D H = 2,0 м
a
b
L 1 = L 2 = L 3 =L 4
Рис. 5.56. Возбуждение решетки из четырех шестиэлементных
длинных директорных антенн (по две коллинеарных антенны
в плоскости Ε расположенные друг над другом в плоскости Н)
816_Antenni.indd 212
28.09.2011 14:11:00
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
213
Конструкция № 3. Решетка из шести длинных шестиэлементных директорных антенн.
Это высокоэффективная решетка из шести
антенн DL2RSX, расположенных в три этажа
a E »19°
aH »15°
и два ряда. В основу вновь положен тип шестиэлементной длинной директорной антенны (рис. 5.22). Впечатляющий внешний вид
решетки с конструктивными решениями неРазм ах
0,57 дБ
сущих узлов представлен на рис. 5.57.
Принципиальная схема возбуждения через 75-омный кабель (рис. 5.58, а) позволяет разобраться в соотношениях импедансов.
Здесь параллельно подсоединены три этажа с
Разм ах 0,15 дБ
входным сопротивлением по 75 Ом каждый,
так что в точках А импеданс составляет 75/3 =
а
б
25 Ом Подключенные в них четвертьволновые
Рис.
5.57.
Измеренные
трансформаторы предназначены для преобрадиаграммы направленности
зования сопротивления из 25 в 150 Ом, и порешетки из шести
тому их волновое сопротивление равно 60 Ом шестиэлементных длинных
директорных антенн:
(точнее,
Ом)
а — горизонтальная диаграмма
Выходы трансформаторов с сопротивле- (плоскость Е); б — вертикальная
диаграмма (плоскость Н)
нием 150 Ом подключены параллельно к центральным входным клеммам, чем обеспечивается требуемое входное сопротивление 75 Ом. Если фидером служит
50-омный кабель, волновое сопротивление четвертьволновых трансформаторов должно быть равным 50 Ом (
Ом).
При изготовлении решетки DL2RSX выбрал способ возбуждения,
понять который помогает раскладка кабеля на рис. 5.58, б. За исключением обоих четвертьволновых трансформаторов, все линии выполнены из 75-омного коаксиального кабеля. С учетом коэффициента
укорочения V соединительные линии удобно монтируются, придавая
симметрию устройству решетки. Величина l является минимальной
длиной линии.
Примечание.
На рис. 5.58 обозначены подключения только внутренней жилы кабеля.
Для электрической симметрии все внутренние жилы соединяются
только с внешними клеммами излучателей. Все экраны подключаются
к противоположным клеммам излучателей. Чтобы при этом сохранить
синфазность возбуждения правой и левой частей решетки, соединительные линии правой половины должны быть электрически длиннее линий
816_Antenni.indd 213
28.09.2011 14:11:00
214
Антенны. Практическое руководство
75 О м
75 О м
L1
а
L2
75 О м
L4
l/4·V
l/4·V
Z =60 О м
Z =60 О м
A
A
L5
75 О м
L6
L3
75 О м
Ф идер
75 О м
75 О м
D E = 2,70 м
L
L
l/4·V
l/4·V
Z =60 О м
Z =60 О м
75 О м
L+0,5l·V
L+0,5l·V
D H = 2,25 м
L+2,5l·V
L+2l·V
D H = 2,25 м
б
Ф идер
Рис. 5.58. Возбуждение решетки
из шести шестиэлементных длинных директорных антенн:
а — принципиальная схема импедансов; б — схема варианта возбуждения решетки
левой половины на λ/2. Соединительные линии, проложенные от верхнего этажа, делаются длиннее на 2λ по конструктивным соображениям. Это
не влияет на импеданс и соотношения фаз.
Были получены следующие характеристики решетки:
ƒƒ
расстояние между рядами DE = Dopt = 2,7 м (соответствует 1,3λ);
ƒƒ
расстояние между этажами DH = Dopt = 2,25 м (соответствует 1,1λ);
ƒƒ
ширина горизонтальной диаграммы αF ≈ 19°;
ƒƒ
ширина вертикальной диаграммы αH ≈ 15°;
ƒƒ
усиление ≥17,5 dBd.
Конструкция № 4. Групповая длинная директорная антенна для диапазона 70 см. Изготовление высокоэффективных антенн для диапазона
70 см обходится дешевле постройки антенн для диапазона 2 м, поскольку
их размеры сокращаются на треть по сравнению с величиной аналогичных антенн двухметрового диапазона.
816_Antenni.indd 214
28.09.2011 14:11:00
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
215
Если размер одинарной длинной директорной антенны уже достиг
разумных пределов (они индивидуальны), а усиление все еще недостаточно, остается прибегнуть к созданию групповых антенн. Их использование стало правилом на трассах связи Земля-Луна-Земля.
Нетрудно рассчитать собственную конструкцию, если учитывать ранее описанные реализации идей антенных решеток.
Примечание.
Успех во многом зависит от выбора базисной антенны, свойства и
параметры которой должны быть хорошо известны.
Такого рода оптимальные длинные директорные антенны имеются и в
70-сантиметровом диапазоне. Для создания решетки рекомендуется также 18-элементная широкополосная длинная директорная антенна, рассмотрення ранее.
Если при самостоятельном проектировании расстояние Dopt рассчитывается по формулам
или
и нет возможности измерить диаграмму направленности решетки в сборе, необходимо ради надежности уменьшить расчетные величины разноса на 10%. Это предотвратит образование крупных боковых лепестков,
но не скажется на усилении (см. рис. 5.50).
Рекомендуемые базисные антенны характеризуются входными сопротивлениями 200—240 Ом. Это позволяет для каждой антенной решетки
применить полуволновый шлейф в качестве преобразователя симметрии
и импеданса и возбуждать всю решетку через коаксиальный кабель.
Особые типы многоэтажных директорных антенн
Разработаны особые типы групп из директорных антенн, система возбуждения которых отличается от стандартных вариантов. Отличительный
признак таких систем — применение общего элемента возбуждения для
обоих этажей директорных антенн. Обычно он образуется поэтажно расположенными волновыми петлями и отвечает требованию центрального
синфазного возбуждения этажей без соединительных линий.
Конструкция № 1. Многоэтажная директорная антенна 6×6 OH2EW.
Двухэтажная директорная антенна, изображенная на рис. 5.59, обращает
на себя внимание необычным способом возбуждения, часто неправильно
называемым каркасно-щелевым, который особенно широко используют
британские радиолюбители.
816_Antenni.indd 215
28.09.2011 14:11:01
216
Антенны. Практическое руководство
00
21
2
51
2
51
2
5
6
25
1144
51
12
D4
D3
D2
87
0
D1
R
900
912
101
888
5
Рис. 5.59. Директорная антенная группа 6×6
OH2EW
5
24 20
572
572
20
380
380
572
в
0,75l
а
200
20
380
24
20
5
б
г
Рис. 5.60. Активный элемент группы 6×6:
а — прямоугольный элемент; б — Y-образная
линия; в — полусегмент активного элемента;
г — распределение тока в элементе
816_Antenni.indd 216
Активный элемент этой
группы представлен на рис. 5.60.
Периметр прямоугольника равен 3048 мм. Назначение антенны — работа в двухметровом
диапазоне, так что периметр
элемента составляет 1,5λ, а его
половина — 0,75λ. В таких условиях невозможно синфазное
возбуждение обоих этажей.
Это утверждение станет понятнее, если верхнюю и нижнюю половины прямоугольника рассматривать порознь с
учетом размеров Y-образной
линии (рис. 5.60, в). Нетрудно
убедиться, что эта линия длиной 570 мм (два плеча по 285 мм
каждое) представляет собой
четвертьволновый отрезок, недостающий полупериметру до
длины 1λ.
Поскольку Y-образная линия
действует как в верхнем, так и в
нижнем сегментах, активный элемент фактически состоит из двух
квадратных рамок, периметр
каждой из которых равен 1λ.
На рис. 5.60, г показан активный элемент в целом с направлениями тока в нем. Все горизонтальные отрезки возбуждаются синфазно.
Межэтажное расстояние задается возбуждающим элементом и близко к 0,6λ (1144 мм).
Следовательно, расчетное усиление, благодаря поэтажному
расположению антенн, достигает 2,3 дБ. Длина траверсы 1λ в
сочетании с относительно большими промежутками между ди-
28.09.2011 14:11:01
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
217
ректорами указывает на длинную директорную антенну как принципиальную основу данной группы.
Длина элементов и промежутков между ними приведена на рис. 5.59,
а размеры активного элемента и Y-образной линии — на рис. 5.60.
Материалом для изготовления пассивных элементов служит алюминиевый пруток диаметром 5 мм, а для активного сегмента и Y-образной линии — диаметром 8 мм.
У оригинальной решетки обе траверсы выполнены из дюралевого
швеллера 20×2 мм. Соблюдать точное выполнение всех указанных сечений
деталей необязательно: допустимые отклонения составляют до ±20%.
Механические и электрические данные:
ƒƒ
диаметр металлических траверс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20—30 мм;
ƒƒ
длина антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2100 мм;
ƒƒ
расстояние между этажами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1144 мм;
ƒƒ
входное сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Ом, симметричное;
ƒƒ
усиление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 dBd;
ƒƒ
подавление обратного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 дБ;
ƒƒ
ширина горизонтальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αE ≈ 50°;
ƒƒ
ширина вертикальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αΗ ≈ 35°.
При подключении симметрирующего трансформатора антенну можно
питать напрямую по стандартному коаксиальному кабелю.
Конструкция № 2. Многоэтажная короткая директорная антенна
4×4. Группа из коротких директорных антенн, которая также работает
по принципу каркасно-щелевого возбуждения, показана на рис. 5.61. Активный элемент имеет те же размеры, что и в примере с решеткой 6×6,
пассивные элементы отличаются длиной и промежутками.
Входное сопротивление близко к 75 Ом, так что при наличии симметрирующего трансформатора антенну можно питать непосредственно
через коаксиальный кабель.
Механические и электрические данные:
ƒƒ
диаметр элемента. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6—8 мм;
ƒƒ
металлические трубчатые траверсы диаметром . . . . . . . . . . . . . . . . . 15—30 мм;
ƒƒ
длина антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1230 мм;
ƒƒ
расстояние между этажами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1144 мм;
ƒƒ
входное сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Ом симметричное;
ƒƒ
усиление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 dBd;
ƒƒ
подавление обратного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 дБ;
ƒƒ
ширина горизонтальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αΕ ≈ 60°;
ƒƒ
ширина вертикальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αΗ ≈ 55°.
Конструкция № 3. Остронаправленная антенна DL7KM для диапазона 2 м. DL7KM разработал и успешно применил в диапазонах 2 м и
816_Antenni.indd 217
28.09.2011 14:11:01
218
Антенны. Практическое руководство
R
R
S
D1
S
D2
D1
D2
М ачта
М ачта
R
хх
R
хSх
D1
S
D2
D1
D2
аа
а
1022
1022
380
406 406
921
814
814
290
290
0
29
0
x x
»75
x Оx м
»75 О м
406 406
921
29
11441144
380
380
572 572
406 406
380
вб
б
в
Рис. 5.61. Группа
из коротких директорных
б
в антенн 4×4:
а — общий вид; б — размеры и расстояния; в — эскиз активного элемента
A3
0
AR
c
D2
e
D1
R2
м
м
D6
R3
D7
c
b
D8
5
D4
D5
20
Клем м ы
питания
60 О м
=
A RR
D3
D8
90°
90°
a
b
51
A1
A2
A RR
A7
A8
A4
A5
R1
0
A6
D3
D4
D1
51
D6
D7
D5
D2
d
а
а
бб
Рис. 5.62. Остронаправленная антенна DL7KM для диапазона 2 м:
а — устройство; б — форма активного двойного квадратного элемента
816_Antenni.indd 218
28.09.2011 14:11:01
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
219
70 см парные квадратно-рамочные элементы как систему возбуждения в
сочетании с пассивными стержневыми рефлекторами. Такие сдвоенные
рамочные элементы позволяют реализовать решения, весьма рациональные с механической и электрической точек зрения, для создания секционированных систем возбуждения. Этим и обусловлено их использование
в групповых антеннах.
Устройство антенны приведено на рис. 5.62, а. Двойной рамочный элемент (рис. 5.62, б) — это двухэтажная вибраторная система с центральным питанием, которая фокусирует излучение в плоскости Η и благодаря
этому обеспечивает усиление величиной 3 дБ, приведенное к резонансному полуволновому вибратору. В отсутствие пассивных элементов входное сопротивление приблизительно равно 270 Ом.
Примечание.
Как известно, входное сопротивление простой квадратной рамки
составляет 120 Ом и более чем вдвое уступает входному сопротивлению двойной рамки.
Теоретически это можно объяснить, рассматривая квадратнорамочные элементы как особую форму петлевых антенн. В обоих случаях имеют дело с волновыми петлями. Квадратный элемент получается из
петлевого вибратора, если растянуть его по вертикали.
При этом распределение тока в петле остается прежним. Но оба противостоящих максимума тока, которые прежде находились по соседству,
оказываются разнесенными на 0,35λ. Увеличение промежутка между максимумами приводит к тому, что квадратный элемент начинает излучать
как вертикально-секционированная вибраторная система. Причем благодаря фокусировке по вертикали достигается
прирост усиления на 1 дБ относительно петлевого вибратора, а входное сопротивление
убывает с 240 до 120 Ом.
В соответствии с рис. 5.63 двойной квадратный элемент образуется из двойного
петлевого (или трехпроводного) вибратора.
В то время как у простого петлевого вибратора вследствие распределения тока по двум
сегментам входное сопротивление четырехкратно возрастает относительно разрезного
вибратора (4×60 Ом = 240 Ом), ток двойного петлевого вибратора распределяется по
Рис. 5.63. Образование
двум параллельным вибраторам, и входное
двойного квадратного
сопротивление возрастает девятикратно
элемента из двойного
(9×60 Ом = 540 Ом).
петлевого вибратора
816_Antenni.indd 219
28.09.2011 14:11:01
220
Антенны. Практическое руководство
При переходе к двойному квадрату следует иметь в виду, что его входное сопротивление более чем удваивается относительно простой квадратной петли. Это допущение подтверждается на практике.
После того как двойной квадратный элемент отлично проявил себя в
антеннах самых разных типов, DL7KM разработал секционную длинную
директорную антенну для диапазона 2 м, возбуждаемую как целое с помощью двойного квадрата с центральным питанием (рис. 5.62).
При сравнении с аналогичными антеннами, возбуждаемыми обычным
способом, нетрудно заметить:
ŠŠчто в варианте DL7KM отсутствуют чреватые потерями соединительные линии, согласующие или трансформирующие цепочки;
ŠŠместа паек или механических соединений, которые подвержены
воздействию погодных условий.
Благодаря двойному квадратному элементу пространство между этажами антенны занято синфазно возбуждаемыми излучающими вибраторами.
Из рис. 5.62 видно, что в антенне DL7KM имеется 23 полуволновых
элемента, участвующих в излучении, из них четыре входят в состав активного двойного квадрата. Длина траверсы, несущей элементы, — 4,1 м,
что дает относительную длину антенны 2λ. Сравнительно небольшой
разнос между этажами 0,6λ (соответствует 1,20 м) препятствует образованию боковых лепестков на диаграмме направленности.
Электрические параметры:
ƒƒ
входное сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Ом симметричное;
ƒƒ
усиление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ≥13 dBd;
ƒƒ
подавление обратного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ≈25 дБ;
ƒƒ
ширина горизонтальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αΕ ≈ 35°;
ƒƒ
ширина вертикальной диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . αH ≈ 32°.
На густо застроенной местности хорошая фокусировка в плоскости
Η дает особые преимущества, так как благодаря этой фокусировке существенно ослабляются помехи от источников, находящихся ниже антенны.
Подавление обратного излучения на 25 дБ заслуживает особого внимания. DL7KM дает следующие рекомендации по устройству антенны.
Все директоры и рефлекторы изготавливаются из алюминиевой трубки диаметром 6—8 мм. Потребуются:
ŠŠ3 трубки длиной по 1050 мм (R1, R2, R3);
ŠŠ2 трубки длиной по 935 мм (D1);
ŠŠ2 трубки длиной по 930 мм (D2);
ŠŠ2 трубки длиной по 925 мм (D3);
ŠŠ2 трубки длиной по 920 мм (D4);
ŠŠ2 трубки длиной по 915 мм (D5);
816_Antenni.indd 220
28.09.2011 14:11:01
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
221
ŠŠ2 трубки длиной по 910 мм (D6);
ŠŠ2 трубки длиной по 905 мм (D7);
ŠŠ2 трубки длиной по 890 мм (D8).
Промежутки составляют: АRR = 600 мм; АR = 460 мм; А1 = 300 мм; А2 =
300 мм; А3 = 330 мм; А4 = 500 мм; с А5 по A6 = 520 мм. Этажи директоров
тождественны друг другу.
Директоры и рефлекторы закреплены на траверсах теми же средствами, что и у антенн промышленного изготовления. Подходящие зажимы
можно купить или сделать самостоятельно. Во избежание потерь из-за
плохих контактов не рекомендуется просверливать отверстия в траверсах. Если же это сделано, элементы в отверстиях надо пропаять или приварить.
Активный двойной квадрат можно сделать из голого медного провода длиной 4120 мм и диаметром не более 5 мм (сечением до 19 мм2), выгнутого так, чтобы длина каждой из сторон квадратов равнялась 510 мм
(8 × 510 мм = 4080 мм). Избыточные 40 мм идут на пайку концов внахлест. Проволока рамки должна быть защищена от коррозии лаковым покрытием. Диаметр проволоки некритичен.
Примечание.
Разумеется, рамку можно сделать из алюминия подходящего качества,
тогда надобность в покрытии рамки защитным лаком не возникнет.
Материалом опорной мачты служит трубка квадратного сечения со
стороной 35 мм и толщиной стенки 3 мм. К мачте привинчены траверсы
b с элементами (сторона сечения траверсы 15 мм, толщина стенки 2 мм).
Усиливающие балки (с) из того же материала поддерживают траверсы
вблизи центра тяжести. Вертикальная несущая трубка d для крепления
двойного квадратного элемента имеет длину 1600 мм и сечение 10×10 мм
при толщине стенки 2 мм. В траверсах b имеются сквозные отверстия, в
которые вставляется и надежно крепится вертикальная несущая трубка
d. Отросток е длиной 450 мм служит для крепления рефлектора R2.
Примечание.
Необходимо обеспечить изоляцию двойного квадратного элемента в
точках его крепления.
Из-за мелких неточностей сборки, а также из-за погодных условий может возникать асимметрия и, следовательно, смещение точек нулевого
напряжения. Это происходит и при питании симметричной антенны напрямую через несимметричный коаксиальный кабель. Поэтому использование цельнометаллической конструкции с обязательным заземлением в
вершинах квадратов приведет к потерям. Здесь не требуются высококачественные изоляторы, так как в точках крепления напряжение невелико.
816_Antenni.indd 221
28.09.2011 14:11:02
222
Антенны. Практическое руководство
Подойдут любые влагостойкие изоляторы, особенно блоки из литьевой смолы. В зависимости от толщины изоляторов активный элемент
находится в 10—30 мм перед своей несущей трубкой. Это надо учесть
при разметке, чтобы соблюсти расстояния до рефлектора AR = 460 мм и
директора D1 = 300 мм.
Входное сопротивление центрального входа антенны симметрично и
составляет 60 Ом, что позволяет непосредственно подключать кабель с
волновым сопротивлением от 50 до 75 Ом. Монтаж двойного квадратного излучателя на изоляторах позволяет отказаться от симметрирования
на входе антенны. Прямое возбуждение через несимметричный коаксиальный кабель приводит к некоторому «разбуханию» одной стороны
главного лепестка диаграммы направленности в плоскости Ε и соответствующему уплощению другой.
Все прочие параметры (усиление, направление главного луча, диаграмма направленности в плоскости Η и подавление обратного излучения) остаются неизменными.
Примечание.
Необходимая подстройка входного сопротивления осуществляется
не как обычно, путем изменения расстояния до рефлектора, а небольшими горизонтальными смещениями узла двойного квадратного элемента вместе с рефлектором относительно первого директора.
Во время этой процедуры антенна должна быть установлена на реальной строительной высоте или, по крайней мере, в 2,5λ над грунтом.
Рекомендуется применить рефлекторное полотно из семи стержнейрефлекторов длиной по 1050 мм с разносом их на 300 мм. В таком случае
расстояние от первого директора до активного двойного квадратного
элемента нужно уменьшить до 190 мм.
Для подстройки на минимум КСВ необходимо обеспечить возможность менять это расстояние в небольших пределах путем смещения узла
двойного квадратного элемента вместе с рефлектором.
Длина стороны квадрата 520 мм, указанная в первой публикации,
оказалась слишком большой, и резонанс лежал на частоте 143 МГц. С
уменьшением длины до 510 мм максимум усиления пришелся на начало
диапазона. Пассивные элементы не изменялись. Затраты на эту антенну
относительно велики, если сопоставить их с достижимым усилением.
Конструкция № 4. Остронаправленная антенна DL7KM для диапазона 70 см. Остронаправленная антенна DL7KM для диапазона 70 см получается из ее двухметрового варианта, если все размеры последнего уменьшить в три раза. В авторском варианте DB8NP используется рефлекторное полотно из семи стержней длиной по 350 мм с разносом между ними
816_Antenni.indd 222
28.09.2011 14:11:02
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
223
173
173
173
173
167
110
100 35
215
100
100
100
400
100
100
100
1319
250
Рис. 5.64. Схема устройства остронаправленной антенны DL7KM
диапазона 70 см по версии DB8NP
ARR по 100 мм. Стороны двойного квадратного элемента имеют длину по
175 мм. Все остальное — как на принципиальной схеме (рис. 5.62).
Эскиз устройства антенны представлен на рис. 5.64. Длина элементов
составляет: R1...R7 = 100 мм; D1 = 312 мм; D2 = 310 мм; D3 = 308 мм; D4 =
307 мм; D5 = 305 мм; D6 = 303 мм; D7 = 302 мм; D8 = 297 мм.
Для построения антенны используются элементы диаметром 6—8 мм.
Обе горизонтальные траверсы выполнены из трубок легкого сплава квадратного сечения со сторонами по 20 мм. Сечение вертикальной штанги для крепления рефлекторов составляет 20×20 мм. Все элементы диаметром 6—8 мм
проходят сквозь траверсы и связаны с ней гальванически (рис. 5.12, б).
Для настройки на минимум КСВ ≈ 1,2 промежуток между первым директором D1 и узлом двойного квадратного элемента в сборе с рефлектором
должен быть регулируемым. Экспериментальные оценки влияния рефлекторного полотна на усиление и диаграмму направленности отсутствуют.
5.6. Антенны кругового излучения вертикальной
поляризации для УКВ и ДМВ диапазонов
Использование поляризации различных видов
Иногда желательно иметь круговой излучатель, то есть антенну, у которой диаграмма направленности в горизонтальной плоскости выглядит
почти как правильная окружность.
Нетрудно изготовить УКВ круговой излучатель вертикальной поляризации, поскольку любой вертикальный полуволновый вибратор излучает радиоволны одинаково во все стороны по нормали к своей оси в
горизонтальной плоскости.
816_Antenni.indd 223
28.09.2011 14:11:02
224
Антенны. Практическое руководство
Подобные круговые излучатели вертикальной поляризации обычно
используются для радиосвязи на транспорте и с любыми подвижными
радиостанциями. В двухметровом любительском диапазоне также растет
применение вертикальной поляризации, так как радиорелейные станции
с частотной модуляцией сигнала строятся в расчете на круговое вертикально поляризованное излучение.
Гораздо труднее, а для радиолюбителя практически невозможно сконструировать антенну горизонтальной поляризации с диаграммой направленности в виде правильной окружности. Но идеальная круговая
диаграмма в большинстве случаев попросту не нужна, поэтому круговым
излучателем обычно называют антенну, которая по всем направлениям
горизонтальной плоскости излучает более или менее хорошо, причем на
горизонтальной диаграмме не должно быть нулевых точек или максимумов излучения.
Критерии выбора излучателя вертикальной поляризации
Разрезной (прямой) полуволновый вибратор, петлевой вибратор или
антенна типа Groundplane, будучи установлены вертикально, характеризуются круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости. Однако антенны такого типа в УКВ диапазоне не всегда позволяют
добиться требуемого КПД. Прежде всего, это относится к вибраторам с
центральным питанием, фидер которых должен прокладываться от входа
антенны по горизонтали.
Примечание.
Следует отметить, что фидер влияет на свойства излучения, и чем
выше частота, тем труднее согласовать кабель с излучателем без
переходных звеньев. К тому же из-за асимметрии могут возникать
поверхностные волны на коаксиальном кабеле фидера, что приводит
к росту излучательных потерь и, как правило, к большей крутизне угла
возвышения главного луча.
Но требуется как раз «плоское» излучение волн, когда главный луч испускается в направлениях, близких перпендикуляру к излучателю. Таким
образом, критерием выбора излучателя вертикальной поляризации служит способ его питания. В результате были созданы типы антенн, питание которых позволяло без особых затрат реализовать хорошее согласование и безупречное симметрирование, пользуясь преимущественно
коаксиальным кабелем.
Круговым излучателем вертикальной поляризации простейшего типа
является антенна Groundplane, популярная в KB диапазонах. В областях
УКВ и ДМВ она мало распространена среди стационарных установок.
816_Antenni.indd 224
28.09.2011 14:11:02
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
225
В автомобильном варианте четвертьволновый излучатель обычно работает по принципу антенны Маркони, причем металлические части автомобиля служат несовершенным противовесом.
Еще одной разновидностью таких антенн являются излучатели переносных радиотелефонов, представляющие собой спиральные антенны с очень малым диаметром и мелким шагом витков спирали. Как и
полуволновому излучателю, им свойственно радиальное излучение.
Промышленность выпускает множество разновидностей таких антенн,
очень коротких и гибких.
Геометрическая длина варианта для двухметрового диапазона приблизительно равна 200 мм (≈0,4λ/4). Излучатель образован металлической
спиралью в диэлектрической защитной оболочке из синтетики. На рабочей частоте КСВ можно свести к 1,2. У основания некоторых изделий
имеется пара подстроечных конденсаторов, с помощью которых регулируется рабочая частота и устанавливается минимальный КСВ. Усиление,
приведенное к полноразмерному четвертьволновому излучателю, составляет от −3 до −6 дБ.
Как известно, любой четвертьволновый излучатель нуждается в противовесе (радиальном или в виде сети заземления). Но антенна радиотелефона крепится на самом аппарате, представляющем собой весьма
несовершенный противовес, отсюда дополнительные потери. Удобные и
прочные портативные антенны используются только для ближней связи. Изготовить их самостоятельно проблематично, поскольку параметры
сильно зависят от применяемых материалов.
Коаксиальная антенна
Коаксиальная антенна — это УКВ вариант антенны с коаксиальным экраном, которая служит
круговым излучателем вертикальной поляризации для мобильных станций.
У коаксиального кабеля с возможно более
толстой центральной жилой удаляют внешнюю
оболочку, экран и диэлектрик на электрическую
длину λ/4 (точнее, 0,97λ/4), оставляя только голую внутреннюю жилу. Затем кабель продевают
сквозь медную или латунную трубку с электрической длиной также λ/4, а экран кабеля припаивают к ней (рис. 5.65).
Коэффициент укорочения этой трубки выбирается равным 0,95, так как с коаксиальным
кабелем связана емкостная концевая нагрузка
большей величины. Диаметр трубки произволен,
816_Antenni.indd 225
Рис. 5.65. Коаксиальная
антенна
28.09.2011 14:11:02
226
Антенны. Практическое руководство
но ее внутренний просвет должен быть достаточным для продевания кабеля.
По сути, это вертикальный полуволновый вибратор, нижний сегмент которого длиной λ/4 одновременно образует четвертьволновый
заградительный объемный контур для обеспечения симметрирования.
Согласование и симметрирование почти идеальны. Поэтому коаксиальная антенна отличается малым углом возвышения главного луча и диаграммой направленности, близкой к правильной окружности.
Если механические нагрузки на конструкцию значительны, что всегда
происходит с автомобильными антеннами, свободный отрезок внутренней жилы кабеля длиной λ/4 рекомендуется заменить гибким металлическим штырем автоантенны или другим подходящим материалом.
J-образная антенна
Вертикальный полуволновый излучатель по сравнению с четвертьволновым характеризуется меньшей шириной диаграммы направленности в
вертикальной плоскости и усилением, большим на 1,7 дБ. Однако возбуждение вертикального полуволнового излучателя проблематично.
Если запитать его в разрыве в средней части, как это делается с вибраторами горизонтальной поляризации, кабель фидера придется отводить от клемм питания по горизонтали на длину не менее λ/2, иначе не
избежать рассогласований и грубых искажений диаграммы направленности.
По этим же причинам с подобным вертикальным вибратором нельзя
использовать вертикальные металлические или заземленные несущие
конструкции, детали которых оказываются в поле его излучения. Монтаж
на предельно длинной поперечине перед мачтой также непросто осуществить по механическим и электрическим причинам.
Гораздо рациональней было бы подавать напряжение питания на нижний конец вибратора. Однако на него приходится максимум напряжения
с входным сопротивлением в несколько тысяч ом, зависящим от степени
утолщения излучателя. Столь высокий импеданс надо привести к величине, отвечающей волновому сопротивлению предполагаемого кабеля.
Простейший способ согласовать сопротивления состоит в том, чтобы
воспользоваться замкнутой четвертьволновой линией, что и приводит
к появлению J-образной антенны. На четвертьволновой линии из двух
параллельных трубок, смонтированной на конце полуволнового излучателя, представлены все импедансы от нуля (короткозамкнутый конец) до
нескольких тысяч ом (разомкнутый конец).
Сделав соответствующий отвод, можно согласовать любой кабель
фидера. Расстояние между трубками равно 10—20 мм, и кабель легко
816_Antenni.indd 226
28.09.2011 14:11:02
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
227
укладывается в таком просвете. Электрически это расстояние и диаметр
параллельных трубок необязательно выдерживать точно, но их длина
должна быть равной λ/4. Короткозамкнутый конец заземляется, и вся
антенна приобретает потенциал «земли». В результате при общей длине
почти в 1,5 м получается самонесущая конструкция антенны двухметрового диапазона, когда и антенна, и несущая мачта образуют единое целое.
Коэффициент укорочения V, который должен учитываться в расчетах
размеров антенны, зависит от отношения λ/d излучателя.
Как показали практические опыты, в этом варианте J-образного исполнения невозможно добиться полного согласования кабеля питания.
Примечание.
Причина состоит в том, что четвертьволновая линия из пары трубок
сама излучает радиоволны, а на участке мачты под ней образуются
стоячие волны.
Для устранения недостатков четвертьволновую линию нужно выполнить в виде коаксиального заграждающего объемного контура.
На рис. 5.66, а представлен такой вариант J-образной антенны,
улучшенный по своим механическим и электрическим свойствам.
Радиолюбители часто неправильно называют ее антенной с заграждающим объемным контуром.
Свободный конец полуволнового отрезка имеет длину 960 мм у тонких антенных штырей (например, у телескопических антенн), а у тола
б
в
Рис. 5.66. J-образная антенна:
а — устройство; б — эскиз заграждающего контура;
в — подключение кабеля с подавлением поверхностных волн
816_Antenni.indd 227
28.09.2011 14:11:02
228
Антенны. Практическое руководство
стых трубок диаметром от 10 мм и более его длина составляет 950 мм.
Излучатель крепится к внутренней трубке контура резьбовым соединением или припаивается. При наличии подходящего материала возможно
телескопическое соединение внутренней трубки с излучателем.
На рис. 5.66, б показан вариант устройства четвертьволнового контура. Здесь все размеры, кроме внутренней длины 495 мм, можно изменять
в зависимости от наличия тех или иных материалов. Целесообразно выбирать отношение D/d от 3:1 до 4:1 (например, D = 28 мм, a d = 8 мм).
Верхний незамкнутый конец контура закрывается круглой пластиковой крышкой А. Она центрирует внутренний проводник и предотвращает попадание влаги в полость контура. Дном контура служит круглая
металлическая шайба, которая центрирует внутренний проводник и припаивается к нему. Через одно из отверстий в шайбе пропускается коаксиальный кабель, другое служит для стока конденсата и дождевой воды.
Шайбы и крышки крепятся к внешней трубке тремя винтами каждая.
Перед сборкой контура внутренняя жила кабеля питания припаивается к внутреннему проводнику контура на 100 мм выше шайбы-основания.
На той же высоте делается отверстие во внешней трубке и сквозь него
пропускается проводник, конец которого припаян к экрану кабеля. При
сборке, надвигая внешнюю трубку, этот проводник вытягивают до тех
пор, пока оплетка экрана кабеля не пройдет через отверстие, к которому
она припаивается после сборки. Только здесь допустима гальваническая
связь оплетки с контуром.
К сожалению, прокладка фидера сквозь шайбу-основание контура без
электрического контакта способствует появлению поверхностных волн.
При таком включении экран кабеля соединен с внутренней стенкой контура, которая не имеет отношения к высокочастотной массе. Поэтому в
соответствии с рис. 5.66, в при установке гнезда коаксиального кабеля на
шайбе-основании контура рекомендуется обеспечить надежный контакт
экрана кабеля с шайбой (высокочастотной массой). В этом случае внутренняя жила кабеля соединяется с внутренней стенкой контура.
Внешняя и внутренняя трубки контура изготавливаются из меди или
латуни. Подходят и стальные гладкостенные трубки, если их омеднить или
хотя бы защитить от коррозии. Используя зажимную скобу для монтажа
(рис. 5.66, а), надо зафиксировать ее как можно ближе к шайбе-основанию
контура. В крайнем случае, скоба должна располагаться в 250 мм от шайбы.
Совет.
Для оптимизации согласования с любым коаксиальным кабелем следует подобрать наиболее благоприятное положение клеммы питания
Е, а при необходимости слегка изменить длину свободного конца излучателя.
816_Antenni.indd 228
28.09.2011 14:11:02
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
229
Разумеется, применение объемного заградительного четвертьволнового контура не ограничивается возбуждением вертикальных полуволновых излучателей с учетом требований по импедансу. Тот же контур
может использоваться в разных директорных антеннах вертикальной
поляризации.
Поскольку в геометрическом центре свободного полуволнового элемента имеется минимум напряжения, сюда можно крепить металлическую поперечину и размещать на ней директоры и рефлекторы.
Оптимальный отвод фидера Ε в объемном контуре многоэлементных
антенн лежит несколько дальше от точки короткого замыкания, чем у
простой полуволновой вертикальной антенны. В любом случае наиболее
благоприятное положение отвода определяется экспериментально с помощью рефлектометра.
Конструкция № 1. J-образная антенна для диапазона 2 м Slim-Jim
(Jim, J-type Integrated Matching stub — J-образная со встроенным согласующим шлейфом). Это петлевой вибратор, который питается с одной стороны через четвертьволновую линию. Устройство на рис. 5.67 рассчитано на двухметровый диапазон.
Эта антенна исследовалась и
модифицировалась в университете г. Салоники с использованием метода моментов.
Есть несколько вариантов Рис. 5.67. J-образная антенна для диапазона 2 м
питания J-образной антенны:
ŠŠпараллельное питание менее целесообразно вследствие поверхностных волн в фидере. Из-за них приходится применять симметрирующее устройство (симметрирующую или заграждающую цепочку); к тому же антенну труднее настраивать;
ŠŠпоследовательное питание — способ питания без отвода непосредственно на нижнем конце четвертьволновой линии. Заметно улучшается изоляция отвода по высокой частоте, несколько расширяется полоса частот. Антенна в меньшей степени зависит от внешних
условий и легче настраивается;
ŠŠпитание с использованием петли индуктивной связи.
Простая J-образная антенна для двухметрового диапазона работает
также на третьей гармонике в диапазоне 70 см при малом КСВ.
Конструкция № 2. J-образная антенна на плоском кабеле для двухметрового диапазона. Упрощенная J-образная антенна состоит из плоского
УКВ кабеля с волновым сопротивлением 240—300 Ом.
816_Antenni.indd 229
28.09.2011 14:11:02
230
Антенны. Практическое руководство
На рис. 5.68 представлена схема и
размеры J-образной антенны на плоском кабеле для двухметрового диапазона.
Для частоты 145 МГц длина анРис. 5.68. J-образная антенна на плоском
кабеле для диапазона 2 м
тенны составляет 1427 мм. Полу­
волновый излучатель имеет длину
998 мм, а четвертьволновая линия равна 429 мм. Чтобы входное сопротивление равнялось 50 Ом, коаксиальный кабель должен подключаться
на расстоянии 28 мм от нижнего конца плоского кабеля.
В диапазоне 2 м величина КСВ не должна превышать 1,5. По своим механическим свойствам антенна является вспомогательной и используется для работы с переносной аппаратурой. При благоприятных погодных
условиях она почти не уступает по эффективности обычной J-образной
антенне, выполненной в виде жесткой конструкции.
Более того, она намного превосходит спиральную антенну радиотелефонов. На практике ее можно приклеить к деревянной планке или прикрепить к мачте.
Вертикальная антенна длиной 5λ/8
При удлинении штыревой антенны вертикальной поляризации сверх
λ/2 на вертикальной диаграмме появляется второй лепесток с большим
углом возвышения и одновременно усиливается главный лепесток с малым углом. Пологое излучение становится максимальным при длине излучателя 5λ/8.
С дальнейшим удлинением излучателя главный лепесток диаграммы
вновь убывает, а второй лепесток продолжает расти. Вертикальному штырю длиной 5λ/8 свойствен минимальный угол возвышения, который не
может быть достигнут простой вертикальной антенной. Одновременно
ширина вертикальной диаграммы направленности уменьшается по сравнению с вертикальным полуволновым излучателем, откуда и возникает
усиление 1,37 дБ, приведенное к полуволновой вертикальной антенне.
Для антенны длиной 5λ/8 часто указывают усиление 3 дБ, но это оценка относительно четвертьволновой вертикальной антенны (антенны
Маркони). Для практических нужд доказательность таких оценок усиления невелика, так как они сделаны для чисто теоретических согласованных вертикальных антенн без потерь над идеальным грунтом.
Их можно использовать только для сопоставлений, особенно если
известна диаграмма направленности. Фактически всегда имеют место
потери в земле, из-за чего излучение в главном лепестке изменяется с
расстоянием. Вблизи грунта напряженность поля убывает пропорцио-
816_Antenni.indd 230
28.09.2011 14:11:03
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
231
нально квадрату расстояния. Этот эффект
тем сильнее, чем выше частота и чем хуже
проводимость грунта.
Однако 5λ/8 не является резонансной
длиной. Поэтому излучатель такой длины следует нарастить до электрической
длины 3λ/4, подключив к нему индуктивность. Длина λ/4, которой не хватает для
соблюдения условий волнового резонанса, обеспечивается за счет радиальных
противовесов подобно тому, как это делается с антеннами типа Groundplane.
На рис. 5.69 показана схема излучателя
длиной 5λ/8 для двухметрового диапазо- Рис. 5.69. Излучатель длиной 5λ/8
для диапазона 2 м
на. Общая протяженность вертикальной
части равна 1215 мм, четыре радиальных
противовеса — по 490 мм. Удлиняющая катушка, навитая на непроводящий участок диаметром 8 мм, образована 11 витками проволоки толщиной 1,6 мм. Витки катушки равномерно распределяются на отрезке 38 мм.
Резонансную частоту регулируют путем смещения витков катушки; ее
можно варьировать в еще большей степени, удаляя или добавляя витки.
Проводник антенны рекомендуется крепить на штыре («удилище») из полиэфирной смолы, армированной стекловолокном. Витки удлиняющей
катушки прямо наматываются на такой штырь. Все размеры для антенны
двухметрового диапазона представлены на рис. 5.69. Конструкция особенно удобна для работы в мобильном режиме.
В промышленности различные модификации таких антенн выпускаются прежде всего для мобильных применений. При этом удлиняющую
катушку обычно делают в виде гибкого спирального основания антенны.
Многоэтажный круговой излучатель вертикальной поляризации
Полуволновые элементы могут быть расположены поэтажно в виде
вертикального вибраторного ряда. Круговое излучение в горизонтальной
плоскости при этом сохраняется, а ширина диаграммы направленности
в вертикальной плоскости уменьшается, следовательно, возрастает усиление, приведенное к одиночному вертикальному полуволновому вибратору. Одновременно предполагается синфазность возбуждения всех полуволновых элементов вертикального вибраторного ряда.
Конструкция № 1. Вертикальный вибраторный ряд из трех элементов для диапазона 2 м. В качестве примера на рис. 5.70 показан такой ряд
816_Antenni.indd 231
28.09.2011 14:11:03
232
Антенны. Практическое руководство
из трех синфазно возбуждаемых полуволновых элементов для работы в
диапазоне 2 м. Антенна имеет центральное питание, ее следует размещать на деревянной мачте.
Примечание.
При вертикальной поляризации вертикальная металлическая мачта
вызывает нежелательные взаимовлияния и потери излучения. По тем
же причинам на деревянной мачте не должно быть обычного провода
заземления.
Фидер нужно горизонтально отвести от мачты на длину не менее
λ/2, иначе появятся искажения диаграммы направленности. Поэтому не
удастся устранить стоячие волны на согласованном фидере.
Синфазное возбуждение полуволновых секций осуществляется с помощью промежуточных четвертьволновых элементов, разворачивающих фазу на 180°. На короткозамкнутые
концы этих линий приходятся минимумы
напряжения, поэтому их можно располагать прямо на мачте. Для упрощения монтажа линиям придают кольцевую форму.
Элементы крепятся на деревянной мачте
через изоляторы-распорки. При размещении изоляторов в геометрических центрах
полуволновых элементов с минимумом напряжения качество изоляторов не играет
особой роли.
Для изготовления элементов хорошо
подходит алюминиевая грозозащитная
проволока диаметром 8—10 мм. Паре отрезков проволоки длиной по 2,46 м придают такую форму, чтобы верхняя и нижняя
половинки антенны образовали единое
целое (см. рис. 5.70, б). Тем самым обеспечиваются жесткость конструкции, отсутствие коррозионно-опасных соединений и
б
простота крепления на несущей мачте.
Входное сопротивление антенны составляет около 240 Ом. Целесообразно
а
подключить полуволновый шлейф и питать систему по коаксиальному кабелю.
Рис. 5.70. Вертикальный
вибраторный ряд из трех
Благодаря уменьшению ширины вертиэлементов для диапазона 2 м:
кальной диаграммы направленности усиа — схема устройства; б — шаблон
ление достигает 3,2 dBd.
для выгибания половинки антенны
816_Antenni.indd 232
28.09.2011 14:11:03
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
233
Конструкция № 2. Ряд из четырех полуволновых коллинеарных элементов на рис. 5.71 отличается от трехэлементного варианта способом
питания.
Поскольку вход антенны в геометрическом
центре системы является высокоомным, там, в
лучшем случае, можно было бы подключать напрямую настроенный фидер. Но поскольку на короткозамкнутой четвертьволновой линии имеют
место любые импедансы от максимального до нулевого, на поверхности проводника можно найти
точки, где импеданс соответствует волновому сопротивлению фидера. В данном случае точка подключения симметричного 240-омного фидера XX
находится на расстоянии 75 мм от короткозамкнутого конца линии. Для этой антенны также
рекомендуется питание через систему симметрирующего шлейфа и коаксиального кабеля.
Расчетное усиление этой коллинеарной четырехэлементной антенны составляет 4,3 dBd. При
ее разработке и монтаже следует учитывать укаРис. 5.71. Вертикальный
зания относительно трехэлементного варианта.
вибраторный ряд из
четырех элементов для
У данной и следующей пятиэлементной антенн
диапазона 2 м
внешние полуволновые элементы имеют несколько меньшие размеры, чем внутренние. Это связано с влиянием концевых
емкостей, которому внешние элементы подвергаются сильнее внутренних, и потому должны быть укорочены в большей степени.
Конструкция № 3. Усиление пятиэлементного вибраторного ряда
(рис. 5.72) достигает 5,2 dBd исключительно за счет сужения вертикальной диаграммы направленности.
По способу возбуждения этот круговой излучатель соответствует трехэлементному варианту антенны (рис. 5.70). Однако если к центральному входу прямо подключить 240-омный фидер, как показано на рис. 5.70, придется
смириться с величиной КСВ, равной двум. Поэтому между входом антенны
и фидером включают слегка удлиненный четвертьволновый трансформатор
с волновым сопротивлением около 330 Ом, что снижает КСВ до 1,1.
При этом предполагается, что диаметр полуволновых элементов не
выходит за пределы 3—9 мм. Четыре замкнутых четвертьволновых шлейфа делаются из проволоки диаметром от 2 до 6 мм. Напротив, у согласующего трансформатора на входе антенны необходимо как можно точнее
соблюсти отношение расстояния между осями проводов к их диаметру,
816_Antenni.indd 233
28.09.2011 14:11:03
234
Антенны. Практическое руководство
равное 8:1, так как от него зависит
волновое сопротивление.
Примечание.
Это значит, что при расстоянии 25 мм, указанном на
рис. 5.72, а, диаметр провода
должен быть около 3 мм. При
выборе другого расстояния,
что вполне допустимо, необходимо изменить и диаметр провода в указанной пропорции.
Рациональный вариант монтажа антенны представлен на рис. 5.72, б. Как
показано на рисунке, замкнутым четвертьволновым шлейфам без всякого
ущерба можно придавать кольцевую
форму и привинчивать замкнутые концы прямо к мачте. При этом диаметр
кольца составляет около 160 мм, что
обеспечивает механическую стабильность и компактность конструкции.
Конструкция № 4. Вертикальный
вибраторный ряд из четырех поэтажб
но расположенных полуволновых виРис. 5.72. Вертикальный вибраторный
ряд из пяти элементов для диапазона 2 м: браторов. Поэтажное расположение
а — размеры антенны; б — вариант
вертикальных вибраторов вовсе не явисполнения
ляется идеальным решением по механическим и электрическим свойствам. На деревянной мачте нельзя прокладывать провод заземления, а это затрудняет грозозащиту. Даже если фидер
проложен от входа питания вдоль горизонтального отрезка на расстояние
более λ/2, его индуктивная связь с вибраторами полностью не устраняется.
Поэтому при изготовлении подобных вертикальных антенн в промышленных конструкциях ориентируются на металлические опорные
устройства как на более стойкие. Кроме того, здесь требуется довольно
значительная длина мачты, поскольку вертикальные вибраторы должны
располагаться на высоте не менее 5λ в свободном пространстве.
При установке вертикального полуволнового вибратора перед отвесной
металлической мачтой его электрические свойства изменяются по сравнению с вибратором, находящимся в свободном пространстве. Это обусловлено более или менее сильной связью между вибратором и мачтой.
а
816_Antenni.indd 234
28.09.2011 14:11:03
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
a=454
235
S=1500
L1
22
a=454
60
L2
L5
L4
П риваренны е
ш лейф ы EMI
S=1500
465
410
L6
Заж им ная
скоба из
алю м иниевого
ш веллера
100
952
22
S=1500
L3
465
М еталлическая
м ачта
Заливка
в блоки
эпоксидной
см олы
100
548
952
465 22 465
60
Коаксиальны й
кабель 60 О м
б
L1 = L6 = 2718
L2 = L5 = 1359
L3 = L4 = 340
Коаксиальны й кабель 60 О М
V = 0,66
71
а
Рис. 5.73. Вертикальный вибраторный ряд из четырех поэтажно расположенных
полуволновых вибраторов:
а — устройство и схема возбуждения; б — детали вибратора со шлейфом ΕΜΙ
Влиянию подвержены, в первую очередь, диаграмма направленности и
входное сопротивление вертикального вибратора, причем по-разному —
в зависимости от расстояния между вибратором и мачтой, а также от ее
диаметра. Все это поддается лишь приблизительным расчетам.
Воздействие вертикальной мачты на электрические свойства смонтированного перед ней вибратора вертикальной поляризации сохраняется
и в случае вибраторного ряда.
Примечание.
При этом можно поступать так, как показано на рис. 5.70—5.72, то
есть расположить полуволновые элементы без промежутков в виде
вертикального вибраторного ряда и возбуждать их синфазно, питая в
центре ряда.
816_Antenni.indd 235
28.09.2011 14:11:03
236
Антенны. Практическое руководство
Если же разместить вибраторы на определенном расстоянии друг от
друга, усиление возрастет в зависимости от межэтажных промежутков.
Устройство кругового излучателя вертикальной поляризации, состоящего из четырех поэтажно расположенных полуволновых вибраторов с
межцентровыми расстояниями S по 0,75λ, показано на рис. 5.73. Данная
антенна, разработанная и исследованная Y23RD, рассчитана на частоту
145,4 МГц и особенно эффективна в качестве передающей антенны радиорелейной ЧМ станции.
Просвет а между полуволновым вибратором и металлической мачтой
составляет 454 мм (соответствует 0,22λ), межэтажное расстояние S между
центрами вибраторов равно 1500 мм (0,75λ), а промежутки между соседними концами вибраторов составляют по 548 мм (≈0,26λ). Вибраторный
ряд возбуждается синфазно по коаксиальному кабелю. Преобразование
симметрии (симметричный вибратор — асимметричный коаксиальный
кабель) осуществляется посредством шлейфов ΕΜΙ.
Устройство вибратора вместе со шлейфами ΕΜΙ показано на
рис. 5.73, б. Материалом для изготовления элементов и шлейфов ΕΜΙ служит алюминиевая трубка квадратного сечения 22×22 мм. Концы шлейфов ΕΜΙ приварены к зажимным скобам мачты, так что все металлические детали антенны заземлены. Для обеспечения жесткости и изоляции
средние части вибраторов заделаны в блоки из эпоксидной смолы.
Все диполи рассчитаны на резонансную частоту 145,4 МГц, их входные сопротивления составляют по 60 Ом. Кабельные соединения и фидер выполнены из одинакового коаксиального кабеля с коэффициентом
укорочения V = 0,66.
Отрезки L1 и L6 имеют электрическую длину по 2λ, а электрическая длина отрезков L2 и L5 составляет по 1λ. В точках подключения L1 включен параллельно L2, а L5 — параллельно L6. Поэтому импеданс в каждой из точек
равен 30 Ом. Далее следуют четвертьволновые трансформаторы L3 и L4 с
волновым сопротивлением 60 Ом. По формуле рассчитывается ΖΕ:
Ом.
Оба четвертьволновых трансформатора включены параллельно центральному входу, благодаря чему входное сопротивление системы составляет 60 Ом.
Примечание.
Необходимо обеспечить синфазное возбуждение всех вибраторов. Для
этого экраны всех отрезков кабелей должны соединяться с верхними
половинками вибраторов, а внутренние жилы — с нижними. Или наоборот: экраны — с нижними, внутренние жилы — с верхними.
816_Antenni.indd 236
28.09.2011 14:11:03
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
237
816_Antenni.indd 237
100...115
38
13
107
490
1250
3160
218
38
Конструкция № 1. Удлиненный двойной «Цеппелин». Два коллинеарных синфазно возбуждаемых излучателя вертикальной поляризации длиной 5λ/8 могут быть настроены как излучатели
длиной 5λ/4 или 1,25λ. Вообще говоря, такие антенны известны как удлиненный двойной «Цеппелин». Теоретически диаграмма направленности
в плоскости Η является круговой, но она искажается под влиянием несущей мачты и фидера. Рассмотрим удлиненный двойной «Цеппелин» вертикальной поляризации с концевым питанием для
диапазона 2 м, смонтированный на расстоянии
0,20λ перед решетчатой опорой.
Речь идет о варианте с концевым питанием и фазовращательным элементом в середине излучателя
(рис. 5.74), который одновременно поддерживает
удлинение обоих сегментов излучателя с геометрической длины 0,64λ до электрической длины 0,75λ.
Материалом этой короткозамкнутой линии из параллельных проводов служит алюминиевая проволока диаметром 3—4 мм. Ее электрическая длина
415
25
Многоэтажный излучатель длиной 5λ/8
13
Алю м иниевы й
провод,
50 диам етр 3–4 м м
Примечание.
Как подчеркивает разработчик антенны
Y23RD, хорошие электрические параметры
антенны реализуются, только если она удалена от земли не менее чем на 10λ и находится в свободном пространстве.
1250
Как показали измерения, диаграмма направленности в плоскости Η
по своей форме очень близка диаграмме одиночного вибратора на расстоянии 0,25λ от мачты. Расчетное усиление достигает 9 дБ в преимущественном направлении, убывая в минимуме до 2 дБ. Ширина диаграммы
направленности в вертикальной плоскости (плоскость Е) составила 16°.
Благодаря широкополосному питанию антенна, рассчитанная на частоту 145,4 МГц, обладает широкой полосой пропускания ±5 МГц, что
облегчает согласование. На частоте 145,4 МГц наблюдалось идеальное
согласование при КСВ = 1,0.
При изменении частоты в пределах ±1 МГц КСВ не превышал 1,15, а в
пределах ±5 МГц оставался меньше 1,5.
50-ом ны й ф идер
Рис. 5.74. Устройство
и размеры удлиненного
двойного «Цеппелина»,
рассчитанного на
двухметровый диапазон
и установленного перед
решетчатой мачтой
28.09.2011 14:11:04
238
Антенны. Практическое руководство
39
230
K
1420
29
45
6
1290
R – горизонтальное
проволочное
кольцо Ж 125 м м
K – изолятор из
синтетического
м атериала
S – разом кнуты й
отрезок кабеля
длиной 65 м м
S
K
400
35
R
Рис. 5.75. Устройство антенны
Ringo Ranger на 145 МГц
равна 0,11λ, благодаря чему обе половины излучателя длиной по 0,64λ настраиваются на
3λ/4 резонанс.
В данном случае питание осуществляется через короткозамкнутую четвертьволновую линию, подключенную к нижнему
концу излучателя, на которой можно найти
место с требуемым импедансом. Например,
для 50 Ом место подключения находится в
100—115 мм от короткозамкнутого конца.
При использовании коаксиального кабеля
понадобится применять симметрирование.
Если опорой служит металлическая
мачта, концевое возбуждение в стиле
J-образной антенны становится нерациональным и лучше перейти к центральному питанию. Тогда отпадает надобность в
четвертьволновом элементе, и фидер подключается к отводу центральной линии из
параллельных проводов.
В свободном пространстве усиление
такого устройства составляет 3 dBd. Если
смонтировать его на расстоянии 0,2λ от металлической мачты, она сработает как рефлектор, и усиление возрастет на 1—1,5 дБ в
преимущественном направлении и соответственно уменьшится в противоположном.
Конструкция № 2. Антенна Ringo Ranger. Под таким названием известна антенна кругового излучения, выпускаемая промышленностью.
Она также является удлиненным двойным «Цеппелином» с концевым
питанием (рис. 5.75).
Непросто описать согласование этой антенны посредством кольцевого проводника. Вероятно, здесь должен иметь место параллельный
резонансный контур, настроенный на частоту 145 МГц и образованный
кольцевым проводником в сочетании с разомкнутым коаксиальным кабелем.
По ориентировочным расчетам его отрезок должен обладать емкостью около 5 пФ, а индуктивность проволочного кольца близка 0,24 мкГн.
Сходство с возбуждением антенны для «охоты на лис» очевидно.
816_Antenni.indd 238
28.09.2011 14:11:04
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
239
Величину импеданса, отвечающую волновому сопротивлению фидера,
находят, подбирая положение отвода на кольцевом проводнике.
Излучатель имеет телескопическую конструкцию. Диаметр трубки
в нижней части равен 12 мм, в средней и верхней — по 10 и 7 мм соответственно. Сдвигая или раздвигая антенну, нетрудно изменять длину отдельных сегментов. Электрическая длина линии из параллельных
проводов равна 0,11λ, она может механически регулироваться. Антенне
также свойственны усиление 3 dBd и приемлемая круговая диаграмма
направленности в плоскости Н.
l/4
l/4
5/8l
5/8l
Конструкция № 3. Антенна ISOPOLE. Антенна ISOPOLE также была
разработана в промышленности и представляет собой электрически улучшенный вариант удлиненного двойного «Цеппелина» для работы в режиме вертикального излучателя. Это антенна стационарной радиостанции
в виде вертикальной коаксиальной антенны с центральным питанием и
двойной развязкой на объемном заграждающем контуре (рис. 5.76).
Излучающий сегмент антенны ISOPOLE имеет длину 2×5λ/8 (точнее,
1,28λ). Посередине излучателя включена LC-цепочка, согласующая антенну с коаксиальным кабелем фидера. Нижняя половина излучателя с
первым конусом действует как коаксиальный противовес длиной 5λ/8,
благодаря чему формируется существенно синфазное распределение тока на
рис. 5.76, в.
Оба конуса длиной по λ/4 обеспечивают развязку фидера и мачты. Путем сравнительных измерений было установлено,
что у антенны без развязки длиной 2×5λ/8
главный лепесток вертикальной диаграммы направлен под большим углом, так
что двойная развязка антенны ISOPOLE
надежно устраняет этот недостаток.
Изготовитель не приводит точных
сведений об усилении, но можно предполагать, что оно равно 3 dBd. Антенна
ISOPOLE, рассчитанная на частот у
146 МГц, характеризуется частотным инб
в
тервалом ±4 МГц, в котором величина а
КСВ не превышает 2.
Рис. 5.76. Устройство и принцип
действия кругового излучателя
ISOPOLE:
а — внешний вид; б — принцип действия;
в — распределение тока
816_Antenni.indd 239
28.09.2011 14:11:04
240
Антенны. Практическое руководство
Антенна DDRR на частоту 145 МГц
Эта антенна может использоваться как коротковолновая, но ее можно
построить и для работы в УКВ диапазонах в виде кругового излучателя вертикальной поляризации.
d2 = d1 +25%
Вариант для двухметрового диапазона (рис. 5.77) характеризуется следующими размерами:
И золяторы
D = 160 мм; Η ≥ 15 мм; А = 10 мм;
d
d = 5—10 мм и C1 = 5 пФ.
d3
Это всего лишь приближенX A
ные значения. Но в совокупноH
сти, благодаря широкополосноС 1 И золятор
И золятор
сти излучателя, они некритичны.
С
В
Оптимальное место подключения внутренней жилы кабеля
Коаксиальны й кабель
Рис. 5.77. Схема антенны DDRR
питания определяется опытным
путем.
Совет.
Разрабатывая вариант для двухметрового диапазона, не стоит экономить на плите заземления: чем больше диаметр противовеса, тем
меньше угол возвышения главного луча. Поэтому нелишне иметь дискпротивовес диаметром не менее 500 мм.
Дисконусный широкополосный круговой излучатель
Дисконусная антенна — это еще один круговой излучатель вертикальной
поляризации с питанием по образцу коаксиальной антенны. Она отличается особой широкополосностью (рис. 5.78). В диапазоне УКВ в основном используется каркасная конструкция (рис. 5.79, б), тогда как на дециметровых
волнах больше применяют классический полноразмерный конус.
Дисконусный излучатель, изображенный на рис. 5.78, питается напрямую через 50-омный коаксиальный кабель, а его частотная область при
указанных размерах простирается от 144 до 600 и более мегагерц, охватывая диапазоны 2 м и 70 см.
Конус выполнен из медного листа, выгнутого в форме воронки. Диск
также изготавливают из любого листового металла, толщина которого никак не влияет на электрические свойства антенны. Фидер прокладывается
снизу через раскрыв конуса, а экран фидера припаивают к его вершине.
На расстоянии около 100 мм от вершины центральная жила кабеля
соединяется с центром горизонтального диска. Он обязательно крепится к конусу через соответствующие изоляторы. Конечно, здесь также
816_Antenni.indd 240
28.09.2011 14:11:04
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
241
550
100
П рипаять
экран
кабеля
0
73
730
П рипаять
центральную
ж илу кабеля
О порны е
изоляторы
а
б
в
Рис. 5.79. Разновидности
дисконусной антенны:
730
50-ом ны й
коаксиальны й кабель
a — однородная; б — скелетная; в — смешанная
Рис. 5.78. Дисконусная антенна
600
500
400
0,70
Частота f, М Гц
D
может применяться каркасная
300
250
конструкция антенны из метал200
лических прутков или трубок
D
D
150
(рис. 5.79, б).
100
Она легче, дешевле и отли80
чается меньшей парусностью
70
60
по сравнению с массивной кон50
40
струкцией из листового металла.
30
Достаточно использовать восемь
100
200 300 400 500
1000
2000 3000
прутков, причем без изменения
Д лина D, м м
размеров.
Рис. 5.80. График для определения
При изготовлении дисконусразмера D дисконусного излучателя
в зависимости от минимальной рабочей
ной антенны для других областей
частоты f (в мегагерцах)
частот ее размер D устанавливают по рис. 5.80 равным для 1/3 наибольшей рабочей длины волны, тогда
как диаметр верхней части в виде диска должен составлять 0,7 D.
При таких условиях можно рассчитывать на область частот с отношением пределов 1:8, но на практике довольствуются отношением 1:4, так
как выше четырехкратного предела частоты диаграмма направленности
изменяется слишком значительно.
В пределах указанной области частот величина КСВ не превышает 1,5,
но наблюдается изменение угла возвышения с частотой в максимуме диаграммы направленности.
816_Antenni.indd 241
28.09.2011 14:11:04
242
Антенны. Практическое руководство
5.7. Антенны кругового излучения горизонтальной
поляризации для УКВ и ДМВ диапазонов
Прямой вибратор
Антенна горизонтально поляризованного кругового излучения требует определенных усилий, когда необходимо получить диаграмму направленности в форме правильной окружности. Если не обращаться к
многоэтажным системам и прочим комбинациям излучателей, круговая
диаграмма направленности всегда дается ценой потерь относительно
главного луча вибратора.
Как известно, прямой вибратор уже является направленной антенной, излучающей преимущественно перпендикулярно своей продольной
оси (диаграмма в виде восьмерки) и обладающей ярко выраженными нулевыми точками на диаграмме.
Если всю доступную мощность равномерно распределять по всем направлениям в горизонтальной плоскости, ясно, что такое распределение
ляжет нагрузкой на главный луч, за счет мощности которого будут заполняться минимумы диаграммы. Поэтому о потерях можно говорить
только в переносном смысле.
Кольцевой вибратор
Кольцевой вибратор — это очень изящный горизонтальный кольцевой излучатель, который также называют гало-антенной (Halo, Halfwave
Loop — полуволновая петля). Применяют кольцевой вибратор преимущественно в автомобильных радиостанциях. Из рис. 5.81 видно, что речь
идет о полуволновом вибраторе, оба плеча которого изогнуты в горизонтальной плоскости так, что образуется незамкнутое кольцо. Если кольцевую антенну превратить в четырехугольную со сторонами по λ/2, получим антенну, известную как Squalo (Square Loop — квадратная петля).
Впрочем, форма горизонтальной диаграммы направленности горизонтального кольцевого вибратора ближе к эллипсу, а не к окружности.
Усиление гало-антенны относительно прямого вибратора по его главному лучу составляет 3 дБ, а в минимумах по нормали к нему — 6 дБ.
На рис. 5.81 показан кольцевой вибратор для диапазона 2 м со всеми
необходимыми размерами и гамма-согласованием, которое обеспечивает соответствие подключаемого 50- или 75-омного коаксиального кабеля
импедансу антенны и избавляет от необходимости устраивать разрыв вибратора на входе антенны, что способствует механической стабильности
конструкции. Экран коаксиального кабеля соединяется с геометрической
серединой вибратора, а внутренняя жила — с гамма-звеном.
816_Antenni.indd 242
28.09.2011 14:11:04
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
Примечание.
Концы вибратора не должны соприкасаться. Расстояние между ними
следует устанавливать не менее 30
мм, иначе возникает сильное емкостное взаимодействие, из-за которого
смещается резонансная частота и
изменяется входное сопротивление.
243
Д иам етр кольца 310 м м
(длина окруж ности 975 м м )
30
В ертикальны й
несущ ий ш ты рь
П олоса из
пластика
Иногда намеренно увеличивают емкост50
Трубка
ную концевую нагрузку, закрепляя на конЖ 6...8 м м
0
1
1
цах вибратора металлические пластины
наподобие конденсатора. Такое действие
смещает резонанс к низким частотам и поФ идер
зволяет уменьшить диаметр кольца.
60...70 О м
Сопротивление излучения гало-антенны
в описываемом варианте составляет около
Рис. 5.81. Кольцевой вибратор
15 Ом, то есть оно ниже, чем у прямого
для 145 МГц, вид сверху
вибратора. Поскольку на концах вибратора всегда имеется максимум напряжения,
даже при использовании высококачественД иэлектрические
ных изоляторов нельзя пренебрегать потестерж ни-держ атели
рями. Они могут существенно возрастать
при большой влажности воздуха, снегопаде или изморози.
В ертикальная
Кольцевой вибратор создавался специнесущ ая м ачта
ально для работы в мобильном режиме,
поэтому концы вибратора для механической стабильности заделаны в высококачественный изоляционный материал.
Однако существует не столь стабильная,
Рис. 5.82. Рациональное
крепление кольцевого
но электрически более целесообразная
вибратора
конструкция. В ней нет изолятора на концах вибратора, а вместо диаметральной планки для фиксации кольца
применены несколько спиц в виде стержней из синтетического материала (рис. 5.82).
Горизонтальные кольцевые вибраторы могут размещаться друг над
другом в несколько этажей, а излучение остается круговым в горизонтальной плоскости. Из-за сужения вертикальной диаграммы направленности усиление растет, но вышеуказанные потери усиления величиной 6 дБ
компенсируются при конструкции вибраторов в четыре и более этажей.
Представления о питании поэтажно расположенных вибраторов с соблюдением требований к фазировке применимы и к кольцевому вибратору.
816_Antenni.indd 243
28.09.2011 14:11:04
244
Антенны. Практическое руководство
Труба из ПВХ служит хорошей несущей опорой антенны в мобильном
режиме. Внутри трубы удобно и незаметно прокладывается коаксиальный кабель. Очевидно, что кольцевой вибратор обладает сравнительно
хорошей круговой характеристикой.
Угловой вибратор
Широкое применение на транспорте нашел петлевой вибратор с изломом. Он делается из прямого петлевого вибратора, половинки которого
сгибают так, чтобы они служили сторонами угла, приблизительно равного 90°. Входное сопротивление при этом остается ≈240 Ом, но диаграмма
направленности в плоскости Ε принимает форму эллипса.
Известно, что полуволновый петлевой вибратор, как и прямой разрезной, характеризуется диаграммой направленности в плоскости Ε из двух
окружностей с максимумами по нормали к оси вибратора и с минимумами излучения примерно на уровне 1 дБ.
Примечание.
Это означает, что около 90% максимального сигнала, выдаваемого
прямым полуволновым вибратором, поступает на вход приемника.
Напротив, при изломе плеч вибратора происходит заполнение нулевых точек, и на минимумы приходится 35% напряжения. Прирост напряжения на углах 90° и 270° достигает 9 дБ.
На рис. 5.83 показан угловой петлевой
вибратор с углом раскрыва 45°. Он характеризуется усилением —2 dBd и приростом
напряжения 6 dBd на углах 90° и 270°.
Хотя разрезной угловой вибратор обладает теми же свойствами излучения, что
и петлевой угловой, последний оказывается предпочтительнее благодаря своему
более высокому входному сопротивлению
Рис. 5.83. Внешний вид петлевого
вибратора с изломом
240 Ом.
Если угловой петлевой вибратор питается не через 240-омный плоский кабель, а по коаксиальному кабелю, необходимо ввести полуволновый шлейф. В данном случае можно было бы воспользоваться угловым
вибратором с одним проводником, к которому через короткий гаммаобразный согласователь напрямую подключается коаксиальный кабель,
но по механическим и электрическим причинам целесообразнее выбрать
петлевой вариант.
Угловым вибраторам свойственно более или менее выраженное преобладающее направление излучения, поэтому о них говорят как о круговых
816_Antenni.indd 244
28.09.2011 14:11:05
180°
1l
l/2
245
1
135°
135°
2
90°
излучателях с преимущественным направлением. Диаграмма
в плоскости Ε может быть изменена подбором угла раскрыва между плечами вибратора.
На рис. 5.84, а видно, что чем
острее этот угол, тем лучше заполнены минимумы на диаграмме. Встречаются также вибраторы с U-, S- или Ζ-образными изломами, но у них нет коренных
отличий от углового петлевого
вибратора. Скорее здесь речь
идет не только о том, чтобы придать антенне приблизительно
круговую диаграмму, но и причудливый вид.
180°
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
3
90°
90°
Турникетная антенна
90°
Турникетная антенна обладает почти круговой диаграм4
мой в горизонтальной плоскоа
б
сти. Она состоит из двух взаима
б
Рис.
5.84.
Горизонтальные
диаграммы
но перпендикулярных прямых
направленности угловых вибраторов
полуволновых или петлевых
90°
вибраторов (рис. 5.85).
Чтобы добиться круговой диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, требуетZ·l/4
ся питать вибраторы с фазовым сдвигом 90°. Его
Ш лейф
формируют с помощью шлейфа между вибратоZ=60 О м
рами. Электрическая длина шлейфа равна λ/4 (необходимо учитывать коэффициент укорочения
Ф идер 30 О м
V), а волновое сопротивление близко сопротивлению отдельного вибратора.
Следовательно, волновое сопротивление четРис. 5.85. Турникетная
антенна
вертьволнового шлейфа должно составлять:
ŠŠ60 Ом, если турникетная антенна образована разрезными полуволновыми вибраторами;
ŠŠ240 Ом, когда она составлена из скрещенных петлевых вибраторов.
Поскольку вибраторы включены параллельно друг другу, их суммарное сопротивление на входе антенны получается вдвое меньшим:
816_Antenni.indd 245
28.09.2011 14:11:05
246
Антенны. Практическое руководство
ŠŠ30 Ом у антенны из разрезных вибраторов;
ŠŠ120 Ом в случае петлевых вибраторов.
Из-за сложностей питания радиолюбители редко применяют турникетные антенны в качестве горизонтальных круговых излучателей, тем более
что простые угловые вибраторы дают достаточно хорошие результаты при
меньших затратах. К тому же турникетные антенны относительно узкополосны из-за частотной зависимости линий связи.
Гораздо важнее использование турникетных антенн в роли активных
элементов антенн круговой поляризации (например, турникетные директорные антенны), поскольку их излучение в направлении своих осей поляризовано по кругу.
Усиление турникетных антенн составляет −3 dBd. Общая мощность
распределяется между двумя вибраторами, так что каждый из них получает половину мощности (−3 дБ).
Примечание.
Соответственно, в направлении главного луча одного из вибраторов
другой вибратор не излучает, а в промежуточных положениях оба вносят свои составляющие в излучение.
Они складываются векторно, но не достигают максимальной величины. Если энергия сигнала делится между вибраторами поровну и сдвиг
фаз точно равен 90°, диаграмма направленности в горизонтальной плоскости представляет собой окружность без максимумов и минимумов.
Турникетные антенны для УКВ и телевизионного приема строятся
преимущественно в виде скрещенных петлевых вибраторов. Ранее такие
антенны использовались вместе с УКВ радиовещательными передатчиками в качестве всенаправленных излучателей, но, как правило, в виде
многоэтажных конструкций.
При вертикальном поэтажном расположении турникетных антенн
удается повысить усиление за счет фокусировки излучения в вертикальной плоскости без ухудшения горизонтальной диаграммы направленности в форме скругленного квадрата. В табл. 5.8 показано, как изменяется
достижимое усиление при оптимальном межэтажном расстоянии в зависимости от количества этажей.
Усиление многоэтажной турникетной антенны в зависимости
от количества этажей
Таблица 5.8
Количество этажей
Усиление, dBd
(округленно)
Количество этажей
Усиление, dBd
(округленно)
1
−3,0
5
5,4
2
1,0
6
6,3
3
3,0
7
7,0
4
4,4
8
7,6
816_Antenni.indd 246
28.09.2011 14:11:05
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
247
l/4
Рамочная антенна Алфорда
Рамочная антенна, известная за рубежом как петля Алфорда (Alford
loop), в принципе состоит из двух взаимно перпендикулярных полуволновых вибраторов, каждый из которых изогнут в форме буквы Ζ, и расположенных в горизонтальной плоскости так, чтобы образовался квадрат (рис. 5.86).
l/4
Петля возбуждается в своем центре в
точках XX с пересечением одного из проводов возбуждения другим. Одновременно
формируется распределение тока, показанное стрелками на рисунке, и таким пух
тем обеспечивается равенство фаз у всех
х
излучающих отрезков антенны.
Примечание.
Чтобы максимально приблизить
форму горизонтальной диаграммы
к окружности, излучающие сегменты сделаны короче λ/4, а концы
вибраторов загнуты так, чтобы
получились пары параллельных проводников.
Рис. 5.86. Принципиальная схема
рамочной антенны Алфорда
и распределение тока
Они, являясь неизлучающими отрезками линий, создают емкостную
концевую нагрузку. Подбирая длину отрезков, соответствующую требуемым емкостям, выводят максимумы синусоидального распределения
тока на середину излучающих сегментов. Полученное таким способом
распределение тока приобретает форму локальной стоячей волны, смещающейся с течением времени. Сопротивление излучения рамочной антенны составляет 25 Ом. Импеданс на входе антенны XX содержит реактивные составляющие, поэтому рекомендуется включить там четвертьволновую согласующую линию (шлейф).
Раньше этот горизонтальный круговой излучатель широко применялся в качестве антенны передатчиков ЧМ радиовещания и телевидения; в
наши дни антенна все еще используется в авиационных всенаправленных
круговых радиомаяках.
Оптимальная настройка такой системы едва ли под силу радиолюбителю с ограниченными измерительными средствами. Вместо рамочной
антенны можно было бы воспользоваться волновым угловым вибратором (рис. 5.84, б), который обладает почти равноценными свойствами
излучения, не так сложен по питанию и требует меньших затрат.
816_Antenni.indd 247
28.09.2011 14:11:05
248
Антенны. Практическое руководство
Антенна «мальтийский крест»
Антенна типа «мальтийский крест» — это горизонтальный круговой
излучатель, отличающийся почти безупречной симметрией, едва ли не
идеальной круговой диаграммой направленности и простотой питания.
Он с успехом использовался в качестве антенны радиовещательных УКВ
ЧМ передатчиков.
На рис. 5.87 показаны схемы антенн типа «мальтийский крест» и «клеверный лист». Принцип их действия одинаков.
Примечание.
Не следует путать «клеверный лист», образуемый из «мальтийского
креста», с другой одноименной антенной, действующей на другом
принципе и ранее широко распространенной в качестве передающей
антенны для ЧМ вещания.
l/2
l/
2
l/2
4
l/
2
l/
«Мальтийский крест» имеет
форму квадрата, образованного
l/4
четырьмя полуволновыми вибраl/4
торами. Поэтому его также называют вибраторным квадратом.
Каждый из полуволновых вибраторов замыкается четвертьволноМ альтийский крест
Клеверны й лист
вой линией (шлейфом). По стрелРис. 5.87. Антенны «Мальтийский крест»
кам тока видно, как возбуждается
и «клеверный лист»
отдельный вибратор.
Следовательно, возникает круговая диаграмма направленности в
горизонтальной плоскости. Все шлейфы снабжены закорачивающими
перемычками, с помощью которых система настраивается в резонанс.
Поэтому внешние полуволновые сегменты не требуют слишком точного
соблюдения размеров: всегда есть возможность настроиться в резонанс,
смещая закорачивающие перемычки.
Четвертьволновые шлейфы являются настроенными линиями, и потому их волновое сопротивление также не имеет особого значения. Это
позволяет выбирать расстояние между проводниками шлейфа в соответствии с конструктивными требованиями. Расстояние 20 мм приведено на
рис. 5.88 всего лишь как ориентировочная величина. Размеры элементов
антенны на рис. 5.88 рассчитаны на диапазоны 2 м и 70 см.
4
l/
Примечание.
При настройке надо стремиться к симметричному расположению
закорачивающих перемычек. Поскольку четыре элемента антенны связаны один с другим, смещение отдельной перемычки влияет не только
на состояние «своего» элемента, но и других.
816_Antenni.indd 248
28.09.2011 14:11:05
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
249
Рис. 5.88. Размеры антенн «мальтийский крест» на 432 и 145 МГц
Диаграмму направленности можно несколько изменять путем перемещения перемычек. Четвертьволновые линии необходимы для вращения
фазы на 180°. Усиление этой антенны составляет около 1,5 dBd.
«Мальтийский крест» питается через одну из четвертьволновых линий,
причем на ней надо найти точки, между которыми импеданс соответствует
волновому сопротивлению используемого симметричного фидера.
Для 240-омного кабеля эта точка находится в 100 мм от перемычки в
излучателе диапазона 70 мм, тогда как у излучателя двухметрового диапазона она должна быть примерно посредине четвертьволновой линии.
За перемычкой эти линии протягивают вплоть до трубы мачты и припаивают к ней. В качестве материала для элементов и шлейфов рекомендуется медный пруток диаметром 6 мм. Для антенны двухметрового диапазона пригоден также алюминиевый пруток диаметром 8—12 мм.
816_Antenni.indd 249
250
»150
П рипаять
»45
»55
Два этажа на расстоянии
0,7λ обеспечивают максимальное усиление около 1,5 dBd.
Двухэтажный «мальтийский
крест» для диапазона 432 МГц
представлен на рис. 5.89.
Соединительная линия
длиной 500 мм выполнена из
пары медных проводов диаметром 3 мм с расстоянием
между ними 20 мм и обладает
М ачта
60 – ом ны й
кабель
питания
20
20
М едны й
провод
дам етром
3 мм
500
Совет.
Из антенн типа «мальтийский крест» целесообразно строить многоэтажные решетки.
Z=300 О м
80
Рис. 5.89. Двухэтажная антенна «мальтийский
крест» на 432 МГц
28.09.2011 14:11:05
250
Антенны. Практическое руководство
волновым сопротивлением 300 Ом. Эта линия является не настроенной,
а согласованной, и потому ее длина не важна.
В геометрическом центре линии к ней подключен тупиковый шлейф,
прикрепленный к несущей мачте. Сюда же подключается коаксиальный
кабель для питания всего устройства. Все сказанное в равной мере относится и к антенне типа «клеверный лист», поскольку она не имеет принципиальных отличий от «мальтийского креста».
Антенна Big Wheel
l/2
l/4
Это круговой излучатель горизонтальной поляризации с большим
усилением, который разработали W1IJD и W1FVY. Они назвали его The
Big Wheel — Большое колесо. Оно было испытано в виде одноэтажной
конструкции как автомобильная антенна. И в этом режиме развило усиление 5,7 дБ относительно простой турникетной антенны, а также существенно ослабило «мерцание» принимаемого сигнала, столь характерное
для работы в мобильном режиме.
Поскольку «усиление» турникетной антенны, приведенное к полуволновому вибратору, составляет −3 дБ (фактически — ослабление на 3 дБ),
антенна Big Wheel оказывается на 2,7 дБ лучше полуволнового излучателя. Однако фирма CUSH CRAFT оценивает усиление антенны величиной
1 dBd, что вполне реально при ее практическом применении.
Схема антенны Big Wheel приведена на рис. 5.90. Она очень похожа на
«мальтийский крест» или «клеверный лист», но образована не четырьмя, а тремя петлями. Основное различие между ними кроется в способе
питания. Если у «креста» и «листа» излучающие элементы включены последовательно, то в антенне Big Wheel они параллельны.
Отсюда еще одна особенность —
низкое входное сопротивление этой
антенны. Чтобы не загромождать схеРадиус 152
му, на рис. 5.90 не показано, как соединены и возбуждаются элементы Big
Wheel. Это сделано на рис. 5.91.
A
На схеме видно, что периметр отE
E
A
дельной петли равен 1λ и для двухE A
метрового диапазона составляет 2050
4
/
l
мм. Каждая петля выгнута так, что
свободные плечи у точек А и Ε служат
сторонами угла 110°. Радиус кривизны
на сгибах петель — 152 мм. Плечи А
и Ε соседних петель взаимно параллельны на отрезке длиной λ/4. По ним
Рис. 5.90. Антенна Big Wheel
610
°
0
70
816_Antenni.indd 250
28.09.2011 14:11:05
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
A
A
E
A
E
E
E A
38 м м
A
E
127 или 153
Ш лейф
A
E
251
Алю м иниевая
лента 20 х 1,5
50–О м ны й
кабель питания
б
б
вв
а
Рис. 5.91.аСхема возбуждения и питания антенны Big Wheel:
а — распределение тока; б — питание; в — шлейф
текут разнонаправленные токи, и поэтому четвертьволновые отрезки не
излучают (рис. 5.91, а).
Все концы петель, помеченные литерой А, соединены между собой.
Точно так же соединены концы с литерой Е. Тем самым петли включены
параллельно друг другу, причем так, что все излучающие полуволновые
отрезки возбуждаются синфазно (стрелки на рис. 5.91, а). Из-за параллельности петель входное сопротивление антенны составляет всего лишь
около 10 Ом.
Чтобы питать систему через стандартный коаксиальный кабель, волновые петли слегка укорочены; в результате появляется емкостная реактивная составляющая, которая компенсируется индуктивным шлейфом
на входе антенны. Это позволяет питать ее по произвольно длинному
кабелю.
Длина развернутого шлейфа равна 127 мм в расчете на резонанс в диапазоне 2 м.
Совет.
Если антенну Big Wheel предполагается эксплуатировать на небольшой высоте над крышей автомобиля, целесообразно довести длину
развернутого шлейфа до 153 мм.
Шлейф изготавливается из алюминиевой ленты шириной 20 мм и толщиной 1,5 мм.
Выбор материала для изготовления волновых петель целиком определяется механическими требованиями, ведь внешние обводы антенны
достигают 600 мм. В прототипной антенне применена дюралюминиевая
трубка диаметром 9,5 мм, в торцы которой вставлялись деревянные или
алюминиевые заглушки на глубину не менее 50 мм.
Сплошная проволока гнется легче трубки. Трубчатый проводник заполняют сухим песком и вставляют плотные пробки, после чего он под-
816_Antenni.indd 251
28.09.2011 14:11:06
252
Антенны. Практическое руководство
120°
П ластина А
40
c
B
70
а
Ш лейф
Ш лейф
A
90
b
130
90
70
a
A
A
П ластина Е
М ачта
Ф идер
В нутренняя ж ила кабеля
б
в
б Wheel (размеры в миллиметрах)
в
Рис. 5.92.аКрепление антенны Big
дается сгибанию без изломов и других дефектов. Для громоотвода вполне
подойдет алюминиевая проволока диаметром 8—10 мм.
Механическое крепление петель и их правильное включение требуют
некоторых пояснений.
Вариант конструкции показан на рис. 5.92. Держатель антенны состоит из прямоугольной металлической плиты-основания Ε размером
130×70 мм (рис. 5.92, а), которая сгибается под прямым углом на расстоянии 40 мм от края (пунктирная линия). Отогнутая часть плиты крепится
к мачте скобой с винтом и заземляется.
К плите-основанию Ε надежно привинчиваются концы Ε всех петель
и короткое плечо шлейфа. К плите же припаивается экран коаксиального
фидера. Вторую пластину А из пластика монтируют на небольшой высоте над пластиной Е. На пластине А крепятся и соединяются концы А всех
петель, длинное плечо шлейфа и внутренняя жила кабеля. Необходимо
обеспечить надежную гальваническую связь соединяемых элементов.
Антенна Big Wheel отличается широким частотным диапазоном.
Двухметровый вариант антенны характеризуется величиной КСВ ниже 1,5
в частотном интервале 142—150 МГц. Следовательно, размеры антенны некритичны. На диаграмме направленности одноэтажной версии антенны в
направлении четвертьволновых отрезков имеются «вогнутости» величиной до 3 дБ (рис. 5.93).
В двухэтажном варианте этой антенны ее достоинства проявляются особенно ощутимо. При оптимальном межэтажном расстоянии 5λ/8 усиление,
приведенное к одиночной антенне, возрастает на
2,5 дБ, а горизонтальная диаграмма направленноД иаграм м а
Антенна
направленности
сти остается неизменной, так что прирост усиления
Рис. 5.93. Диаграмма
вызывается сужением вертикальной диаграммы.
направленности
Благодаря этому существенно ослабляются помехи
одиночной антенны
от систем зажигания двигателей.
Big Wheel
816_Antenni.indd 252
28.09.2011 14:11:06
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
253
Входное сопротивление отдельного этажа равно 50 Ом, но соединение
двух этажей приводит к падению сопротивления на их общем входе до
25 Ом. И потому соединительная линия должна обеспечить преобразование, способное восстановить импеданс общего входа до 50 Ом. Обычно
это делается с помощью четвертьволнового трансформатора.
Подобные трансформаторы, будучи включены на каждом этаже,
должны преобразовывать входное сопротивление этажа с 50 до 100 Ом,
в результате чего при параллельном включении импедансов сопротивление их общего входа оказывается равным 50 Ом. Для этого волновое
сопротивление четвертьволновой линии Ζ должно быть
Ом.
3/4l·V = 1024 м м
В качестве трансформирующей линии можно применить 75-омный
кабель. Тогда входной импеданс преобразуется с 50 до 120 Ом, а сопротивление общего входа антенны получается равным 60 Ом.
На практике для соединительных и трансфорВ ерхний этаж
мирующих линий используют коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 70 или 75 Ом,
Коаксиальная
соединительная
строго равный 1λ по длине. Тогда, с учетом обычлиния 70 (75) О м ,
ного коэффициента укорочения 0,66, геометриче1365 м м
ская длина равна 2070 × 0,66 = 1365 мм.
Коаксиальны й
кабель питания
Оптимальное межэтажное расстояние 5λ/8 в
произвольной длины
двухметровом диапазоне составляет 1300 мм, что
50 (60) О м
вполне приемлемо. Однако линия длиной 1λ не
обладает свойствами трансформатора. Они при1/4l·V = 1024 м м
сущи только четвертьволновым линиям или линиям, длина которых кратна нечетному числу четН иж ний этаж
вертьволновых отрезков (3λ/4, 5λ/4 и т. д.).
Рис. 5.94. Возбуждение
На этот случай есть простая уловка: волно- двухэтажной антенны
вую линию делят на два отрезка по λ/4 и 3λ/4
Big Wheel (размеры для
резонансной частоты
(рис. 5.94). Ввод питания всей системы делается
145 МГц)
на расстоянии λ/4 от нижнего этажа. Но здесь
надо учитывать следующее обстоятельство:
ŠŠнижний этаж питается через четвертьволновую трансформирующую линию;
ŠŠверхний этаж питается через аналогичную, но втрое более длинную.
А это значит, что этажи будут возбуждаться в противофазе со сдвигом 180°. Чтобы восстановить необходимую синфазность, оба этажа надо
взаимно сдвинуть по фазе на 180°.
816_Antenni.indd 253
28.09.2011 14:11:06
254
Антенны. Практическое руководство
Совет.
Сделать это несложно, если на верхнем этаже переключить концы
петель Ε так, чтобы они подключались подобно концам петель А на
нижнем этаже антенны.
Полностью симметричное возбуждение обоих этажей обеспечивается
с помощью соединительной линии с электрической длиной 1,5λ, в геометрическом центре которой устроен общий вход антенны. Тем самым
каждому этажу отводится по отрезку кабеля электрической длиной 3λ/4,
действующему как четвертьволновый трансформатор, и оба этажа возбуждаются синфазно.
С учетом коэффициента укорочения 0,66 длина полутораволновой
линии в двухметровом диапазоне составляет 3100 × 0,66 = 2046 мм.
Поскольку межэтажное расстояние должно быть равно только 1300 мм,
соединительная линия прокладывается не по прямой, а с отклонением
к мачте, и появляется возможность улучшить механическую прочность
конструкции антенного входа.
Как выяснилось, вследствие взаимосвязи этажей антенны частота ее
резонанса смещается к верхнему пределу. Для компенсации этого эффекта длина каждого шлейфа увеличивается до 152 мм. Вполне реально расширить антенну Big Wheel до 4 этажей, но прирост усиления относительно двухэтажной антенны составит только 2 дБ, что не окупает лишние
затраты.
В заключение стоит отметить, что одиночная антенна Big Wheel представляет собой отличный, хотя и несколько громоздкий излучатель для
работы в мобильном режиме в диапазоне 2 м. Два этажа такой антенны
образуют очень хороший круговой излучатель горизонтальной поляризации с приличным усилением для работы в стационарных условиях.
Антенну можно изготовить в обычных условиях, а допуски на ее размеры не слишком строги благодаря большой ширине частотного диапазона.
При соблюдении указанных размеров специальная настройка антенны не
требуется.
Антенна Batwing и супертурникетная антенна
Антенной Batwing (англ. — крыло летучей мыши) называют плоскую
широкополосную антенну, плечи которой образуют фигуру, напоминающую крыло летучей мыши.
Этапы формирования такой антенны представлены на рис. 5.95. Если
исходить из разрезного полуволнового вибратора и стараться придать
ему широкий частотный диапазон, надо превратить его в «толстый» вибратор. Для этого плечо вибратора выполняется в виде треугольной плоскости (рис. 5.95, а).
816_Antenni.indd 254
28.09.2011 14:11:06
75 О м
l/4
б
Примечание.
»0,5l
Возбуждение осуществляется в геометрической середине щели. В принципе
это щелевой излучатель, отличающийся тем, что вертикальная щель
дает горизонтальную поляризацию.
Стрелки показывают направление
тока в плоскостях вибратора.
»0,2l
75 О м
75 О м
75 О м
l/4
б
вв
»0,5l
в
»0,5l
г
гг
»0,6l
б
»0,6l
l/4
а
в
75 О м
б
l/4
а
»0,6l
а
l/4
Такие вибраторы известны в области УКВ
как широкополосные излучатели. Можно
еще больше расширить полосу частот вибратора, если добавить два взаимно параллельных короткозамкнутых четвертьволновых
проводника (рис. 5.95, б). Следующий шаг
приводит к фигурам на рис. 5.95, в, где треугольники дополнены до прямоугольников,
а оба проводника образуют полуволновую
а
щель между ними.
255
l/4
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
»0,2l
д
»0,2l
д
д
Чтобы улучшить распределение тока и
Рис. 5.95. Формирование
частотную характеристику, плечо вибрато-д
антенны Batwing
ра прогибают, и его контур начинает напоминать крыло летучей мыши при взмахе (рис. 5.95, г). Наконец, плечо
вибратора вместо сплошного делается решетчатым, и антенна принимает
свой окончательный вид (рис. 5.95, д).
Полагая, что механизм действия этой антенны аналогичен действию
щелевого излучателя, можно воспользоваться принципом Бобине для
объяснения ее работы.
Антенна Batwing обладает весьма широким частотным диапазоном.
Ее входное сопротивление составляет 70 Ом и зависит от ширины щели.
Чтобы обеспечить всенаправленность излучения, сооружают конструкцию по типу турникетной антенны из двух взаимно перпендикулярных
антенн Batwing и питают их с взаимным смещением фазы на 90°.
Для коммерческих целей строятся многоэтажные антенны Batwing (их называют супертурникетными), которые часто используются в качестве передающих антенн широковещательных УКВ станций и телевизионных антенн,
однако они не представляют особого интереса для радиолюбителей.
Антенна кругового излучения с парной спиралью
Антенна с парной спиралью относится к классу спиральных антенн.
Установленная вертикально, она служит весьма эффективным круговым
816_Antenni.indd 255
28.09.2011 14:11:06
256
Антенны. Практическое руководство
D=0,63l
В вод питания
50 О м
S=0,5l
0,23l
0,2l
Рис. 5.96. Антенна
кругового излучения
с парной спиралью
излучателем горизонтальной поляризации с острой
фокусировкой в вертикальной плоскости. К тому же
устройство этой антенны имеет ряд преимуществ перед
конструкциями других круговых излучателей, поэтому
она и ее комбинации часто применяются в качестве излучателей в телевизионных и УКВ передатчиках.
Схема антенны приведена на рис. 5.96. Длина витка
спирали равна 2λ, что соответствует диаметру спирали
D = 0,63λ. Шаг витков S должен быть равен 0,5λ. Вход
питания устроен посредине между спиралями. От него
витки спиралей накручиваются вверх и вниз вокруг
мачты в противоположных направлениях.
Как правило, делаются спирали из пяти, максимум
из десяти витков. Радиоволны излучаются перпендикулярно оси спиралей. Рефлектор вдоль оси поддерживает поперечное излучение и подавляет остаточное
излучение вдоль оси. Рефлектор выполняется в виде
коаксиального металлического цилиндра и одновременно служит несущей трубой антенны.
Примечание.
С ростом количества витков быстро сужается полезный диапазон
частот, и потому антенны с числом витков больше пяти на одну спираль достаточно редки.
Антенне с бифилярной намоткой 2×5 витков нужна труба рефлектора
внешним диаметром 0,23λ. Строительная высота такой версии составляет
5λ при усилении 7 дБ. Кабель питания прокладывается внутри рефлектора
вплоть до центрального входа антенны. Входное сопротивление антенны составляет 50—100 Ом.
Круговой излучатель с двойной рамкой DL7QZ
Двойной квадратно-рамочный элемент DL7KM (рис. 5.62, б) по своему электрическому устройству представляет собой четверку поэтажно
расположенных синфазно возбуждаемых полуволновых полноразмерных вибраторов с центральным питанием.
Неоспоримы электрические и механические достоинства такого излучателя: многоэтажная система обходится без соединительных линий с
присущими им потерями и мест паек с пониженной коррозионной стойкостью. Она образована только излучающими сегментами проводников
с единственным местом пайки на входе антенны.
816_Antenni.indd 256
28.09.2011 14:11:06
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
257
850 м м (0,41l)
B
a
xa
b
A
a
a
C
xb
b
850 м м (0,41l)
b
a
b
D
Рис. 5.97. Двойная квадратно-рамочная
антенна кругового излучения и ее
несущий каркас
Рис. 5.98. Возбуждение двойного
квадратно-рамочного кругового
излучателя
DL7QZ воспользовался четырьмя двойными квадратно-рамочными
элементами для создания кругового излучателя горизонтальной поляризации (рис. 5.97). Если посмотреть на систему сверху, увидим квадрат,
стороны которого длиной по 850 мм (0,41λ) образованы указанными элементами, расположенными вертикально.
Усиление отдельного элемента формируется исключительно за счет
фокусировки по вертикали в плоскости Н. Ширина горизонтальной диаграммы соответствует ширине диаграммы полуволнового вибратора и
равна 80°. Поэтому от четырех таких элементов можно ожидать приблизительно круговое излучение в плоскости Ε при ширине вертикальной
диаграммы до 60°.
Чтобы понять принцип действия этого кругового излучателя, рассмотрим процесс его возбуждения. На рис. 5.98 показана горизонтальная
проекция четырех двойных квадратно-рамочных элементов А, В, С и D
вместе с их линиями возбуждения. Начиная с центрального входа антенны Ха−Хb' все четыре элемента возбуждаются через отдельные двойные
линии одинаковой длины. Это значит, что входные сопротивления А, В,
С и D величиной по 300 Ом на входе антенны Ха−Хb включены параллельно, в силу чего входной симметричный импеданс антенны равен 75 Ом.
На рис. 5.98 видно, что левые клеммы у всех элементов обозначены
литерами а, тогда как правые — литерами b. Проследив за ходом линий
816_Antenni.indd 257
28.09.2011 14:11:07
258
Антенны. Практическое руководство
возбуждения, нетрудно заметить, что все клеммы а соединены с Ха, а все
b — с Xb.
Примечание.
При этом надо учесть, что линии от А к Аа−Хb и от В к Ха−Хb перекрещены, то есть должны быть развернуты вокруг оси на 180°. В таких
условиях в линиях возбуждения и элементах формируется распределение тока, показанное на схеме стрелками. Здесь попарно параллельные
рамки (А-С или B-D) возбуждаются в противофазе.
К сожалению, надежды на величину усиления двойного квадратнорамочного кругового излучателя не оправдались. DL2RSX исследовал
эту антенну на специальном стенде. В отличие от DL7QZ, в изучаемом
образце были выбраны оптимальные расстояния между элементами
λ/2 = 1 м.
Линиями связи служили отрезки симметричного 300-омного плоского кабеля равной длины, проложенные к центральным клеммам Ха−Хb в
соответствии с рис. 5.98, куда непосредственно подключался 75-омный
кабель. Как выяснилось, для питания квадратно-рамочных элементов
симметрирования не требуется. После обеспечения хорошего широкополосного согласования с 75-омным кабелем по всему двухметровому
диапазону величина КСВ не превышала 1,1.
Горизонтальная диаграмма направленности в плоскости Ε в области от 142,5 до 146,5 МГц выглядит как скругленный квадрат с плавными углублениями максимум до 3 дБ. Ширина вертикальной диаграммы
зависела от частоты и в некоторой степени — от положения антенны в
пространстве, составляя от 50° до 65°.
Усиление антенны рассчитывалось по этой диаграмме с помощью формулы Крауса. В приближенном методе Крауса (Kraus) эквивалентная поверхность произвольной формы заменяется поверхностью четырехугольника со сторонами, равными полуширинам луча в плоскостях E и H:
,
где aE и aH — ширина луча в плоскостях E и H соответственно, выраженная в градусах.
В итоге расчетов была получена чрезвычайно низкая величина 1 dBd.
DL2SRX объяснил это следующим образом.
При создании турникетного излучателя в виде пары взаимно встроенных и перпендикулярных систем почти тот же результат достигается
всего с двумя излучающими элементами. Для радиолюбителя рамочные
излучатели недостаточно выгодны по усилению.
816_Antenni.indd 258
28.09.2011 14:11:07
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
259
В антенне турникетного типа необходимо совместить под прямым
углом пару двойных квадратно-рамочных элементов и запитать их с фазовым сдвигом 90°.
Примечание.
Недостаток турникетной антенны по сравнению с рамочным излучателем в том, что она излучает линейно поляризованный сигнал
только в горизонтальной плоскости.
При угле возвышения больше 0° имеет место эллиптическая поляризация, а при угле 90° (то есть вверх и вниз) она становится круговой.
Для этого есть все условия — конструкция и способ питания. Рамка не
излучает вверх или вниз: излучение гасится благодаря противофазному
возбуждению взаимно противоположных элементов излучателя, что дает
выигрыш по усилению на 1 дБ относительно турникетной антенны.
Это происходит из-за отсутствия излучения вверх и вниз (сужение
диаграммы по вертикали, и появление нулевой точки).
Если взять теперь рамку в форме двойного квадратно-рамочного элемента, который сам характеризуется суженной вертикальной диаграммой, отпадет и прирост на 1 дБ, и заметных различий усиления не будет.
В случае пары двойных квадратно-рамочных элементов на расстоянии
λ/2, питаемых в противофазе, обратное излучение не гасится, и нет заметных изменений диаграммы направленности.
Измерения не позволяют установить реальные существенные различия между двусторонним излучателем с двойными квадратно-рамочными
элементами относительно излучателя с одним таким элементом, за исключением нулевых точек под 90° и 270°, где измерения фиксируют сужение вертикальной диаграммы.
DL2RSX не исследовал турникетную конструкцию, однако при правильной запитке на нее стоит обратить внимание. Оставив пару двойных
квадратно-рамочных элементов на каркасе антенны, правильно установив и запитав их, можно получить прирост усиления на 2,5 дБ за счет
этажности. Иногда ради большего скругления диаграммы направленности этажи разворачивают на 45° и питают их с фазовым сдвигом 45°.
Детали конструкции деревянного каркаса антенны показаны на рис. 5.97.
Каркас собирается из бруса с пропиткой сечением 25×25 мм. Мачтой может
служить подходящая стальная труба, ее влияние на свойства излучения антенны горизонтальной поляризации несущественно. Сопоставимыми излучателями горизонтальной поляризации являются многоэтажные варианты
антенн «мальтийский крест» и Big Wheel. По свойствам излучения и усилению они подобны круговому излучателю с двойными квадратно-рамочными
элементами, но сложнее его по устройству и питанию.
816_Antenni.indd 259
28.09.2011 14:11:07
260
Антенны. Практическое руководство
5.8. Особые типы антенн
для УКВ и ДМВ диапазонов: плоский вибратор
Плоский вибратор
В ходное сопротивление, О м
Какие антенны считаются особыми? Наряду с директорными и многовибраторными антеннами широкого назначения в диапазонах УКВ и
ДМВ применяется ряд других антенн, рассчитанных на работу именно в
этих частотных интервалах. В первую очередь к ним относятся широкополосные направленные антенны, продольные излучатели особой формы
и щелевые антенны. Иногда их используют и радиолюбители.
Волновый вибратор с плоскими элементами
L » 0,7 – 0,8l
и расширенной полосой частот в англоязычной
литературе называют «мотыльком» (butterfly) за
его форму (рис. 5.99). Выбор треугольных элеa
x x
ментов экономит материал и позволяет четко
задавать вход антенны в виде вершин треугольРис. 5.99.
ников, расположенных рядом. Повышенный емШирокополосный
костный краевой эффект вызывает значительное
плоский вибратор
укорочение вибратора. Входное сопротивление,
коэффициент укорочения и частотный интервал этого волнового вибратора определяются углом раскрыва α.
По конструктивным соображениям в области УКВ угол раскрыва α
выбирают близким 30°, но в ДМВ диапазоне предпочитают углы от 60° до
80°, обеспечивающие большую ширину полосы частот.
При α = 30° входное сопротивление вибратора составляет около
350 Ом, а его длина достигает 0,8λ (рис. 5.100). В этих условиях относительная ширина интервала частот
600
b = 0,65 f m. Чтобы снизить вес и
a
парусность, треугольники делаa
500
ют из перфорированной жести
от 0,7 до 0,8l
400
или мелкой металлической сетки.
300
Используют также решетчатые
конструкции из прутка.
200
Изменение входного сопротив100
ления в зависимости от угла раскрыва происходит лишь в узком
0
0
10 20 30 40
50 60 70 80
интервале изменений последнего,
Угол раскры ва, град.
а само сопротивление почти поРис. 5.100. Ориентировочные значения
входного сопротивления плоского вибратора стоянно в относительно широком
в зависимости от угла раскрыва α
интервале частот.
816_Antenni.indd 260
28.09.2011 14:11:07
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
261
Примечание.
Углы от 60° до 80° являются оптимальными. Им соответствует входное сопротивление 160—200 Ом и коэффициент укорочения около 0,73.
Усиление, дБ
Реактивная составляющая входного импеданса и ее частотный ход
пренебрежимо малы, а длина L, благодаря широкополосности излучателя, слабо влияет на основные параметры.
Как известно, «узкий» волновый вибратор дает усиление 1,8 дБ относительно настроенного полуволнового вибратора. Достаточно широкополосный плоский вибратор работает на значительно более высоких частотах, чему способствует частот5
ная зависимость его импеданса.
4
В высокочастотной области
3
вибратор окажется, естественно,
a=70°
электрически длиннее 1λ. Поэтому
2
a
a
усиление растет с частотой и спо1
400
собно достигать 4 dBd. Для примера на рис. 5.101 показаны результа0
500
600
700
800
900
ты измерений усиления плоского
Частота, М Гц
вибратора с углом раскрыва α = 70°
Рис. 5.101. Зависимость усиления
и длиной 400 мм в интервале частот
плоского вибратора (α = 70°,
l = 400 мм) от частоты
от 500 до 900 МГц.
Вывод.
График на рис. 5.101 убедительно свидетельствует, что частотный
диапазон вибратора с указанным углом раскрыва намного шире телевизионных частотных диапазонов IV и V.
Веерный вибратор
Веероподобный вибратор, построенный из отдельных стержней
(рис. 5.102), также обладает характерными свойствами «толстого» вибратора. При этом «веер» может состоять из двух и более стержней.
Подобные конструкции требуют меньше материалов, соответственно у
них ниже вес и парусность.
Веерный вибратор с размерами, представленными на рис. 5.102, приблизительно эквивалентен цилиндрическому вибратору толщиной 70 мм.
В случае использования такого вибратора в телевизионном диапазоне III
его электрическая длина была бы заведомо больше 1λ.
Примечание.
Но тогда не может быть и речи о знаменитой диаграмме вибратора в
форме восьмерки, поскольку горизонтальная диаграмма при избыточ-
816_Antenni.indd 261
28.09.2011 14:11:07
262
Антенны. Практическое руководство
1220
0
122
335
17°
17°
1220
Рис. 5.102. Веерный вибратор
(вид спереди)
335
a=114°
Рис. 5.103. V-образный веерный
вибратор (вид сверху)
ной длине расщепляется на множество боковых лепестков точно так
же, как это происходит у длиннопроводной антенны.
При этом на каналах с седьмого по двенадцатый все еще можно рассчитывать на усиление около 3 dBd, но не по нормали к продольной оси
излучателя, а по другим направлениям.
Простая возможность заставить «сверхдлинный» веерный вибратор
направлять свой главный луч в определенном и единственном направлении заключается в том, чтобы придать ему форму V-образного вибратора. Оптимальный угол раскрыва α V-образной конфигурации зависит от
длины плеча вибратора, приведенной к длине волны λ.
Для веерного вибратора на рис. 5.102 такой угол составляет 114°, ибо
при таком угле диаграмма в плоскости Ε на каналах диапазона III обладает единственным главным лепестком, что и показано на рис. 5.103.
Подобный V-образный веерный вибратор широко применяется в
качестве приемной антенны на всех каналах метровых диапазонов I, II и
III. Однако он служит скорее вспомогательной антенной, потому что его
входное сопротивление меняется с частотой от 60 до 600 Ом и отягощено
реактивной составляющей.
На телевизионных каналах частотного диапазона III всегда можно рассчитывать на усиление антенны величиной от 3,5 dBd (пятый канал) до
5 dBd (восьмой и девятый каналы). Западноевропейский пятый телевизионный канал соответствует шестому российскому, а восьмой и девятый — приблизительно девятому и десятому.
Размеры, указанные на рис. 5.102, обеспечивают на восьмом и девятом
каналах входное сопротивление антенны величиной 240—300 Ом почти
без реактивной составляющей. В частотных полосах I и II следует ожидать диаграмму направленности, сходную с диаграммой полуволнового
вибратора, но без четко выраженных нулевых точек.
816_Antenni.indd 262
28.09.2011 14:11:07
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
263
Угловой плоский вибратор
Угловой плоский вибратор, будучи широкополосной антенной, особенно подходит для приема всего УКВ спектра с хорошим усилением. Это
подлинно широкополосная антенна, перекрывающая интервал частот от
50 МГц до дециметровой области без всяких пробелов, что проявляется
в непрерывном росте усиления с возрастанием частоты. Антенна и ее параметры представлены на рис. 5.104.
Речь идет о двух равносторонних треугольниках с длиной стороны
по 2,45 м. Угол раскрыва плоского вибратора равен 60°. Вершины треугольников сближаются в точках XX. А поскольку это угловой плоский
вибратор, то из рис. 5.104, б ясно, что угол между треугольниками также
составляет 60°. Основное излучение (или принимаемый сигнал) распространяется вдоль биссектрисы этого угла.
В одном из вариантов исполнения антенны, исследованных DL1FQ,
плечи вибратора были изготовлены в виде треугольной рамки из стальной трубки, на которую натянули стальную оцинкованную сетку с размером ячейки 20 мм. На рис. 5.104, в показана конструкция этого достаточно большого сооружения. Здесь не помешают диагональные оттяжки
из синтетического или стекловолоконного шнура.
Горизонтальные диаграммы направленности вместе с оценками усиления (рис. 5.104, г) были измерены DL1FQ. На частоте 60 МГц имеет место
почти круговая диаграмма, причем в максимумах трех лепестков усиление оказывается довольно высоким.
В области УКВ радиовещания (90 МГц) хороший прием может быть
обеспечен в интервале азимутальных углов минимум 300°.
м
Н аправление
главного луча
5м
245 м м
24
245 м м
аа
м
хх
хх
Д еревянная
распорка
5м
24
60°
О ттяж ка из
нейлонового
ш нура
Д еревянны й каркас
с изоляторам и
бб
вв
7 dBi
6 dBi
16 dBi
10 dBi
5 dBi
60 М Гц
90 М Гц
145 М Гц
205 М Гц
300 М Гц
г
г
Рис. 5.104. Угловой
плоский вибратор:
а — вид спереди; б — вид сверху; в — возможный вариант устройства (вид сбоку);
г — диаграммы направленности на разных частотах, усиление в дБ
816_Antenni.indd 263
28.09.2011 14:11:08
264
Антенны. Практическое руководство
Для работы в двухметровом диапазоне (145 МГц) приводится невероятно высокое усиление 16 dBi. Оно возвращается к привычным значениям в телевизионном частотном диапазоне III. Безусловно, эти оценки
усиления окажутся не столь высокими при тщательной перепроверке.
Однако пользователи подобных угловых плоских вибраторов всегда настаивают на их замечательной широкополосности.
Примечание.
Само собой разумеется, размеры можно произвольно увеличивать или
уменьшать. Если, например, требуется почти круговая диаграмма в
радиовещательном УКВ диапазоне, уменьшают длину ребра до 1,65 м.
Тогда в двухметровом диапазоне усиление остается достаточно
высоким и вместе с тем получаются вполне приемлемые результаты
во всем телевизионном частотном диапазоне III.
У плоского вибратора с углом раскрыва 60° длина стороны треугольной плоскости и максимальная рабочая длина волны относятся в пропорции 1:2; иначе говоря, рабочая область, например, при длине стороны
3 м начинается с длины волны 6 м, соответствующей 50 МГц. Усиление
непрерывно растет с частотой до тех пор, пока не начнется существенное
расщепление диаграммы направленности.
На нижней частотной границе импеданс на входе антенны XX равен
300 Ом, возрастая с рабочей частотой вплоть до 380 Ом. Это позволяет питать антенну через стандартный 300-омный фидер. В таком случае
имеет смысл самостоятельно строить двухпроводную линию с воздушной изоляцией и волновым сопротивлением 350 Ом, отличающуюся минимальными потерями и максимальной стойкостью.
Используя антенну в качестве передающей, необходимо иметь в виду,
что в силу ее широкополосности излучается и даже усиливается не только полезный сигнал, но и все высшие и побочные гармоники выходного
каскада передатчика. Поэтому там надо подавить нежелательные частоты, приняв соответствующие меры.
5.9. Особые типы антенн
для УКВ и ДМВ диапазонов:
антенны с отражателем
Как работают антенны с отражателем
Отражатель представляет собой довольно крупную плоскую металлическую конструкцию, от которой отражаются радиоволны, подобно све-
816_Antenni.indd 264
28.09.2011 14:11:08
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
265
ту от зеркала. Отражение происходит по известному закону: угол падения
равен углу отражения.
Примечание.
В идеале отражающей поверхностью должен служить большой лист
жести с хорошо проводящей поверхностью (теоретический идеал — это
бесконечно большая плоскость с бесконечно высокой проводимостью).
0,10
D
0,08
0,06
d/l
Предположение 1. Плоская проволочная сетка отражает радиоволны почти так
же, как и сплошная металлическая поверхность, если размер ячейки сетки не
превышает λ/200. Исследования показали,
что компактное отражающее полотно по
своим свойствам адекватно сети из параллельных проводников, если с изменением
длины волны соблюдается определенное
соотношение радиуса проводов и расстояния между ними. График этой зависимости
приведен на рис. 5.105.
2d
0,04
0,02
0
0,1
0,2 0,3
D/l
0,4 0,5 0,6
Рис. 5.105. Зависимость
между диаметром провода d и
расстоянием между проводами
D, приведенными к длине волны
λ, для электрически плотного
отражателя
Предположение 2. Диаметр проволоки
может быть намного меньше полученного
из данной зависимости без заметного ухудшения отражательных свойств
полотна. У отражателей из стержней они устанавливаются с расстоянием
λ/20, что снижает расходы и парусность полотна.
Совет.
Довольно часто радиолюбители делают отражатели из мелкоячеистой проволочной сетки типа той, что защищает вентиляционные
вытяжки кухонных помещений. Сетку надо натягивать так, чтобы
проволока шла параллельно излучателю.
Любители редко пользуются отражающими поверхностями из параллельных трубок: они дороже и не дают преимуществ перед сетчатыми
отражателями.
Предположение 3. Относительно размеров отражающего полотна
эмпирическое правило гласит: по любому направлению оно должно вы­
ступать за габариты антенны на λ/2. Полуволновый вибратор на расстоянии λ/4 перед отражателем характеризуется отношением прямого
излучения к обратному величиной 25 дБ, если высота полотна составляет
0,82λ; при высоте полотна 2λ оно возрастает до 32 дБ и до 45 дБ при высоте 4λ.
816_Antenni.indd 265
28.09.2011 14:11:08
266
Антенны. Практическое руководство
Предположение 4. Теоретически максимальное усиление (больше
7 дБ) имеет место, когда полуволновый вибратор установлен непосредственно перед отражателем на расстоянии меньше 0,05λ. Однако при этом
предполагается бесконечно большое и идеально проводящее полотно. На
практике столь малые расстояния между вибратором и отражателем не
устанавливаются, так как чрезмерное сближение вызывает повышенные
омические потери в самом отражателе. К тому же сильно уменьшается
входной импеданс, и вибратор становится узкополосным.
Совет.
По усилению наиболее благоприятны промежутки от 0,1λ до 0,35λ.
Следует избегать значения λ/2, потому что при нем главный луч расщепляется на два сильных побочных лепестка.
Далее вновь идет интервал благоприятных промежутков 0,65—0,85λ.
Здесь фактически достигается усиление 5 dBd ± 1 дБ, если применять достаточно большое и электрически плотное отражающее полотно. Оба
максимума усиления, зависящие от величины расстояния вибраторотражатель, весьма благоприятны для применений, требующих широкополосности антенны. Уголковые или рельефные отражающие полотна
позволяют получать еще более высокое усиление.
Широкополосные антенны с отражателем
Отражатели в виде сплошных плоскостей великоваты для УКВ диапазона, и потому чаще применяются в области дециметровых волн.
Плоские отражающие поверхности удобны для работы совместно с широкополосными вибраторами, так как плоский отражатель, в отличие от
настроенного стержневого рефлектора, не является резонансной структурой и, следовательно, не ограничивает частотный интервал.
Примечание.
Антенны с плоским вибратором и отражающим полотном особенно
ценны в IV и V дециметровых диапазонах телевизионного вещания,
поскольку позволяют принимать все ДМВ каналы с приличным усилением.
В этом случае угол раскрыва α стараются сделать как можно большим
(60°—70°) с тем, чтобы избежать сильной зависимости входного сопротивления антенны от частоты.
На рис. 5.106, а приведена схема плоского вибратора перед отражающим полотном, предназначенного для приема на частотах 450—900 МГц.
Частотный ход усиления, приведенного к настроенному полуволново-
816_Antenni.indd 266
28.09.2011 14:11:08
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
600
0
a 70°
500
70° a
220
19
90
1
а
12
10
8
Усиление, дБ
му вибратору, свидетельствует о
возрастании усиления с 5 дБ на
канале 21 до 10 дБ на канале 60
(рис. 5.106, б).
Расстояние между плоским
вибратором и плоским отражателем равнялось 120 мм. Благодаря
углу раскрыва 70°, входное сопротивление достигало 170 Ом.
При питании антенны через 240омную линию величина КСВ не
превышает 2 во всей частотной
области. Можно также питать
ее и по коаксиальному кабелю с
полуволновым коленом, но это
приведет к некоторому сужению
частотного интервала.
Если требуется входное сопротивление величиной 240 Ом,
угол раскрыва надо уменьшить
до 45°. При этом область частот
несколько сузится, а частотная
зависимость входного импеданса усилится.
267
6
4
2
0
400
500
600
700
Частота, М Гц
800
900
б
Рис. 5.106. Простая широкополосная антенна с
отражателем и углом раскрыва вибратора 70°:
а — габаритные размеры (расстояние вибраторотражатель равно 120 мм); б — измеренная
частотная зависимость усиления плоского
вибратора перед плоским отражателем
Многоэтажные широкополосные вибраторы с отражателями
Есть смысл воспользоваться преимуществами поэтажного расположения вибраторов, сочетая отражающие поверхности с плоскими волновыми вибраторами. При подобном расположении широкополосных вибраторов основные трудности связаны с питанием, так как возбуждение
отдельных этажей не должно отрицательно влиять на ширину полосы
системы. Поэтому следует избегать применения трансформирующих элементов и стремиться к согласованию импедансов.
Совет.
При размещении пары плоских волновых вибраторов в два этажа предпочтительно входное сопротивление отдельного вибратора величиной 480 Ом: вследствие параллельного включения подобных вибраторов импеданс на центральных клеммах питания составит 240 Ом.
816_Antenni.indd 267
28.09.2011 14:11:08
268
Антенны. Практическое руководство
816_Antenni.indd 268
»1l
»1l
Однако в этом случае угол раскрыва плоского вибратора должен
быть равен всего лишь 15° (рис. 5.100), в силу чего область частот станет
сравнительно узкой из-за частотной зависимости входного импеданса.
Поэтому при малых углах раскрыва невозможно найти благоприятное
решение.
Если ограничиться двумя этажами, целесообразно выбрать угол раскрыва α = 50°, при котором входной импеданс отдельного вибратора составляет 240 Ом (рис. 5.100), а импеданс на центральных клеммах питания пары параллельно включенных вибраторов понизится до 120 Ом.
При подключении к центральному входу 240-омной линии КСВ достигнет величины 2 из-за недостаточного согласования антенны с фидером. С таким КСВ можно смириться как с компромиссным, по крайней
мере, в режиме приема радиоволн. Ведь преимущества подобного решения намного превосходят то, что обеспечивает малый угол раскрыва.
Это решение иллюстрируется схемами, представленными на
рис. 5.107, а для плоского двухэтажного вибратора с углом раскрыва 50°.
Этажи соединяются 240-омной линией произвольной длины, а центральный — вход питания находится в геометрическом центре этой линии.
Вибраторы располагаются перед отражателем на расстоянии 0,2λ, приведенном к рабочей длине волны и не вызывающем заметного снижения
входного импеданса.
Более рациональное решение представлено на рис. 5.107, б. В этом
случае выбирается угол раскрыва 70°, при котором входное сопротивление отдельного вибратора
0,75l
0,72l
составляет около 170 Ом
(рис. 5.100).
240 О м
120 О м
С приближением виa=70°
a=50°
братора к отражателю на
расстояние 0,15λ, приведенное к максимальной
рабочей длине волны, его
Z=240 О м
Z=120 О м
60 О м
входной импеданс, будучи
120 О м
частотно-зависимым, упадет до 120 Ом. Это позволяет соединить вибраторы
a=70°
a=50°
друг с другом посредством
120 О м
240 О м
120-омной линии произа
б
вольной длины. Тогда на
Рис. 5.107. Возбуждение плоского двухэтажного
центральных клеммах пивибратора перед отражателем:
тания посредине линии
а — угол раскрыва α = 50°, расстояние до отражателя
симметричный входной
0,2 м; б — угол раскрыва α = 70°, расстояние до
отражателя 0,1 м (последний не показан)
импеданс равен 60 Ом.
28.09.2011 14:11:08
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
269
Сюда через широкополосный симметрирующий трансформатор может быть подключен стандартный кабель. Нередко этим пренебрегают и
напрямую подключают коаксиальный кабель к антенному входу.
Если расстояние между двумя этажами плоских волновых вибраторов
выбрано равным 1λ, то в зависимости от частоты следует ожидать усиления от 9 до 12 dBd. Для этого необходимо, чтобы плоский двухэтажный
вибратор располагался перед достаточно большим отражателем. В данном случае он должен быть не менее 2λ высотой и 1λ ширино.
Уголковый отражатель
Высокое усиление антенны достижимо даже с простым вибратором,
если установить его на биссектрисе угла, сторонами которого служит полотно уголкового отражателя. В силу равенства углов отражения и падения нетрудно показать, что в этой конфигурации к вибратору вернется
большая часть излучения, падающего на полотно. В отличие от отражателя с параболическими поверхностями уголковый отражатель из плоских поверхностей не имеет определенной точки фокуса. Однако даже
при таком примитивном способе концентрации излучения достигается
значительный выигрыш по усилению.
Схема вибратора в сочетании с уголковым отражателем представлена на рис. 5.108. Судя по виду сбоку (рис. 5.108, а), вибратор занимает
определенное положение на биссектрисе угла между плоскостями отражателя, ограничивающими угол раскрыва α, и находится на расстоянии
D от его вершины. Обычно угол выбирают равным 90°, реже — 60° и в
L 0,6l
A 0,1l
S
2D
A 0,1l
В ибратор
a
Н аправление
главного луча
D
а
а
б
б
Рис. 5.108. Вибратор с уголковым отражателем:
а — вид сбоку; б — вид спереди
816_Antenni.indd 269
28.09.2011 14:11:08
270
Антенны. Практическое руководство
исключительных случаях — 45°. Оптимальное расстояние D зависит от
угла раскрыва α. Длина плеча S должна быть не меньше 2D, усиление растет одновременно с длиной плеча.
Если нет особых требований к частотному диапазону, в качестве активного элемента используется полуволновый разрезной или петлевой
вибратор. Тогда ширина уголкового отражателя l (рис. 5.108, б) должна
быть не менее 0,6λ.
Примечание.
Естественно, чем длиннее вибратор, тем более широким должно быть
полотно отражателя.
Когда оно выполнено из прутка или проволоки, необходимо выбрать
шаг элементов отражателя А ≤ 0,1λ, но на практике встречаются и более
широкие промежутки между элементами. Вместо прутка используют также медную проволоку диаметром 1—2 мм. В боковых рейках уголкового
отражателя сверлятся отверстия с нужным шагом, и сквозь них протягивается проволока, как бы образуя узор удлиненного меандра.
В дециметровом диапазоне лучше затянуть стороны отражателя мелкоячеистой металлической сеткой. В этом случае используется широкополосный вибратор, согнутый по продольной оси аналогично полотну
рефлектора.
По графикам на рис. 5.109 можно судить о зависимости усиления и сопротивления излучения антенн с уголковым отражателем от расстояния
D между вибратором и вершиной угла раскрыва.
Для сравнения на рис. 5.109, а показаны такие же графики для вибратора с плоским отражающим полотном, которое соответствует углу раскрыва 180°. Видно, что в этом случае максимум усиления 7,5 dBi появляется при D = 0,1λ. Однако малое сопротивление излучения (всего 25 Ом)
и близость вибратора к отражателю приводят к столь значительным потерям, что такое усиление не может быть реализовано на практике.
Примечание.
Более благоприятным представляется расстояние величиной 0,2λ, при
котором усиление достигает 6 dBi.
Кривая сопротивления излучения подтверждает ранее высказанное
утверждение о том, что входное сопротивление вибратора перед плоским
отражателем не меняется, когда расстояние между ними составляет 0,2λ.
Согласно кривым для уголкового отражателя с углом раскрыва 90°
(рис. 5.109, б), наилучшие условия реализуются при D = 0,33λ, когда усиление составляет 10 dBi, а сопротивление излучения — около 60 Ом. При
816_Antenni.indd 270
28.09.2011 14:11:08
С опротивление
С опротивление
излучения
излучения
0,3
0,5
0,7
0,9
0 0,1
0,3
0,5
0,7
0,9
0 0,1
Расстояние
Расстояние
вибратор— отраж атель D, доли l
вибратор— отраж атель D, доли l
вв
в
160
160
140
140
120
120
100
100
80
80
60
60
40
40
20
20
0
0
16
16
14
14
12
12
10
10
8
8
6
6
4
4
2
2
0
0
a=90°
a=90°
Усиление,
Усиление,дБ
дБ
160
160
140
140
120
120
100
100
80
80
60
60
40
40
20
20
0
0
ССопротивление
опротивлениеизлучения,
излучения,ООмм
Усиление
Усиление
ССопротивление
опротивлениеизлучения,
излучения,ООмм
0,3
0,5
0,7
0,9
0,3
0,5
0,7
0,9
Расстояние
Расстояние
вибратор— отраж атель D, доли l
вибратор— отраж атель D, доли l
а
аа
271
160
С опротивление 160
С опротивление 140
излучения
140
излучения
120
120
100
100
80
80
Усиление
60
Усиление
60
40
40
20
20
0
0 0,1
0,3
0,5
0,7
0,9 0
0 0,1
0,3
0,5
0,7
0,9
Расстояние
Расстояние
вибратор— отраж атель D, доли l
вибратор— отраж атель D, доли l
б
бб
Усиление
Усиление
С опротивление
С опротивление
излучения
излучения
0,1
0,1
a=45°
a=45°
0,1
0,1
ССопротивление
опротивлениеизлучения,
излучения,ООмм
Усиление
Усиление
16
16
14
14
12
12
10
10
8
8
6
6
4
4
2
2
Усиление,
Усиление,дБ
дБ
16
16
14
14
12
12
10
10
8
8
6
6
4
4
2
2
С опротивление
С опротивление
излучения
излучения
160
160
140
140
120
120
100
100
80
80
60
60
40
40
20
20
0
0
ССопротивление
опротивлениеизлучения,
излучения,ООмм
Усиление,
Усиление,дБ
дБ
0
0
a=180°
a=180°
16
16
14
14
12
12
10
10
8
8
6
6
4
4
2
2
a=60°
a=60°
Усиление,
Усиление,дБ
дБ
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
0,3
0,5
0,7
0,9
0,3
0,5
0,7
0,9
Расстояние
Расстояние
вибратор— отраж атель D, доли l
вибратор— отраж атель D, доли l
гг
г
Рис. 5.109. Зависимость усиления и сопротивления излучения
полуволнового вибратора с уголковым отражателем от расстояния D:
а — угол раскрыва 180°; б — 90°; в — 60°; г — 45° (усиление приведено к изотропному излучателю)
угле 60° (рис. 5.109, в) благоприятно расстояние D = 0,5λ, и ему отвечает
усиление величиной 12,5 dBi и сопротивление излучения 75 Ом. Еще более высокое усиление имеет место при угле раскрыва 45° (рис. 5.109, г).
Здесь максимальное усиление 14,5 dBi соответствует промежутку величиной 0,6λ, при котором сопротивление излучения составляет 50 Ом и
остается достаточно удобным для согласований.
Для питания выгодно иметь входные сопротивления в интервале
волновых сопротивлений стандартных коаксиальных кабелей. Питание
всех перечисленных конфигураций можно осуществлять по коаксиальному кабелю в сочетании с четвертьволновым заграждающим объемным
контуром или другими симметрирующими устройствами. В случае необходимости применения 240-омного фидера надо заменить разрезной
полуволновый вибратор петлевым.
В табл. 5.9 приведены параметры антенн с уголковым отражателем
для диапазонов 2 м и 70 см. Часть параметров соотносится с данными на
рис. 5.108.
816_Antenni.indd 271
28.09.2011 14:11:09
272
Антенны. Практическое руководство
Параметры антенн с уголковым отражателем
Таблица 5.9
Характеристики
Значение параметров
Полоса частот, МГц
145
145
435
435
Угол раскрыва, град.
90
60
90
60
435
45
Длина плеч S, мм
≥1370
≥2060
≥460
≥700
≥830
Ширина отражателя L, мм
≥1250
≥1250
≥420
≥420
≥420
Позиция вибратора D, мм
683
1035
228
345
414
Длина вибратора, мм
≈885
≈885
≈290
≈290
≈290
Промежуток А, мм
≤125
≤125
≤40
≤40
≤40
Усиление, dBi
10,0
12,5
10,0
12,5
14,5
Входное сопротивление, Ом
60
75
60
75
50
Хотя антенны с уголковыми отражателями неоднократно описывались в литературе, их полезность для радиолюбителей неочевидна, так
как получаемое усиление меньше, чем указанное.
5.10. Особые типы антенн для УКВ и ДМВ
диапазонов: продольные излучатели
Варианты продольных излучателей
Директорная антенна — самый известный и распространенный тип
продольного излучателя. Кроме того, имеется ряд вариантов структур
продольного излучения, отчасти связанных с директорными антеннами,
но в основном сконструированных на иных принципах. Далее будут рассмотрены популярные типы антенн, представляющие определенный интерес для радиолюбителей.
Двухзеркальная антенна
Двухзеркальная антенна (Backfire Antenna) была сконструирована
и описана Эреншпеком еще в 1960 г. Она существует в двух вариантах:
«длинном» и «коротком». Продольный размер «длинной» двухзеркальной антенны составляет несколько длин волны, а ее усиление определяется большой площадью отражателя и длиной самой антенны. Она обеспечивает усиление до 25 dBi и отношение прямого излучения к обратному 30 дБ.
Публикуемые данные обычно характеризуют оба типа антенн, то есть
«длинную» и «короткую».
Двухзеркальную антенну можно рассматривать как комбинацию директорной антенны с отражателем. Принцип ее действия в режиме пе-
816_Antenni.indd 272
28.09.2011 14:11:09
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
273
редачи прост: излучение активного элемента S направляется тройным
рефлектором R вдоль волноводной директорной системы к отражателю
большой площади.
После отражения излучение пробегает директорную структуру в обратном направлении, а затем распространяется в виде сфокусированного
пучка в свободном пространстве.
Примечание.
Благодаря двукратному прохождению волн вдоль директорной структуры двухзеркальная антенна характеризуется приблизительно
теми же параметрами, что и
2l
директорная антенна удвоенной длины.
В се
пром еж утки
м еж ду
элем ентам и
0,3l
2l
Если, например, директорный
сегмент двухзеркальной антенны на
рис. 5.110 имеет длину 1,5λ, то по характеристикам излучения она соответствует директорной антенне длиной 3λ
с удвоенным количеством элементов.
Теоретически при удвоении длины
антенны и количества элементов усиление директорной антенны может
возрасти максимум на 3 дБ, но неизбежные потери ограничивают его величиной 2,5 дБ.
D3
D2
S
D1
R
R
R
1,5l
Рис. 5.110. Двухзеркальная
антенна
Вывод.
Аналогичный вывод можно сделать из рис. 5.9: удвоение длины директорной антенны с 1,5 до 3λ дает прирост усиления на 2,3 дБ.
Однако, по-видимому, в теории о возможном приросте усиления недостаточно учитывается влияние крупного отражателя двухзеркальной
антенны, потому что в литературе сообщаются согласующиеся друг с
другом оценки такого прироста величиной от 4 до 6 дБ, приведенные к
директорной антенне той же конструкции, что и в двухзеркальном излучателе. Выяснилось также, что размеры отражателя существенно влияют
на усиление. В результате было выведено правило: отражатель двухзер­
кальной антенны должен быть тем больше, чем длиннее используемая в
ней директорная структура.
Длина стороны отражателя l двухзеркальной антенны рассчитывается
через длину антенны D по приближенной формуле
816_Antenni.indd 273
28.09.2011 14:11:09
274
Антенны. Практическое руководство
,
где l — длина стороны квадратного отражателя двухзеркальной антенны;
D — длина директорной структуры, приведенные к длине волны λ.
Двухзеркальная антенна на рис. 5.110 характеризуется усилением
14,5 дБ, шириной горизонтальной и вертикальной диаграмм направленности 28° и 35°, соответственно.
Примечание.
При этом надо иметь в виду, что длина стороны отражателя равна
2λ, а директорная структура длиной 1,5λ была настроена на максимальное усиление.
Такая структура, будучи оптимально настроенной без отражателя,
сильно изменяется по своим резонансным свойствам при появлении связи с отражателем двухзеркальной антенны. Чтобы вернуть максимальное
усиление, можно изменить длину всех элементов, не меняя расстояний
между ними. Здесь действует правило: активный элемент и рефлекторы
надо удлинять, а директоры — укорачивать.
Оптимальная настройка двухзеркальной антенны едва ли доступна
радиолюбителю. Уже по чисто конструктивным соображениям он смог
бы воспользоваться ею только в диапазоне 70 см. Длинная директорная
антенна способна обеспечить тот же результат при меньших затратах.
Если есть возможность строить крупные отражатели, многоэтажные
антенны с отражателем легче изготовить самостоятельно. При равном
усилении они более широкополосны и потому менее чувствительны к неточностям изготовления и сборки.
Двухзеркальные антенны создавались промышленностью для приема
телевизионных передач в частотных диапазонах IV и V.
Короткая двухзеркальная антенна
Короткая двухзеркальная антенна (КДА) — самая короткая среди антенн такого типа: ее длина составляет около 0,5λ. Антенна имеет два плоских круговых отражателя диаметром 2λ и 0,5λ и обеспечивает усиление
величиной 15 dBi при подавлении обратного излучения относительно
прямого на 30 дБ.
Размеры и устройство антенны представлены на рис. 5.111. Ее образуют главный отражатель R1, активный элемент S и вспомогательный отражатель R2. Отражатели могут иметь форму круга, а также многоугольников (например, шести- или восьмиугольника).
Краевой выступ К у главного отражателя способствует подавлению
обратного излучения. Оба отражателя выполняются из мелкоячеистой
816_Antenni.indd 274
28.09.2011 14:11:09
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
K=0,533l
R1
K
S
R 2 =0,533l
L=0,59l
R 1 =2,133l
металлической сетки (размер
ячеек до 0,1λ) или из параллельных стержней.
Вспомогательный отражатель
рекомендуется делать из жести с
мелкой просечкой. Не существует четких предписаний относительно конструкции активного
элемента. На его месте может
быть возбудитель горизонтальной или вертикальной поляризации, и даже турникетная антенна
круговой поляризации.
В данном случае антенна имеет длину d1 + d2 = 0,59λ. В книге
Эреншпека приведены меньшие
значения:
275
d 2 = 0,33l
d 1 = 0,26l
а
а
R2
S
d2
d1
L
б
б
Рис. 5.111. Короткая двухзеркальная антенна:
а — эскиз антенны;
б — компоновка антенны и ее параметры
R1 = 2,0λ; R2 = 0,5λ; К = 0,2λ; d1 = d2 = 0,25λ.
Короткая двухзеркальная антенна обеспечивает усиление 13 dBd при
подавлении обратного излучения не менее чем на 30 дБ, а боковых лепестков — более чем на 20 дБ. Эреншпек подчеркивает, что при излучателе горизонтальной поляризации высокое усиление достигается, прежде
всего, за счет фокусировки главного луча в вертикальной плоскости. При
этом свойства излучения оказываются такими же, как у двухэтажной директорной антенны.
Примечание.
Короткая двухзеркальная антенна работает как широкополосная при
использовании соответствующего широкополосного возбудителя, если
параметры системы рассчитаны на максимальную рабочую частоту.
В таком случае антенна дает и максимальное усиление, убывающее
почти пропорционально понижению частоты. На низких частотах, когда
вспомогательный отражатель R2 становится меньше λ/2, эффект «двухзеркальности» исчезает и короткая двухзеркальная антенна действует
как обычная антенна с отражателем, если частотная область возбудителя
была выбрана достаточно широкой.
Возможно групповое включение антенн, в том числе и с общим главным отражателем соответствующих габаритов. Короткая двухзеркальная
антенна особенно хороша в качестве телевизионной антенны дециметрового диапазона.
816_Antenni.indd 275
28.09.2011 14:11:10
276
Антенны. Практическое руководство
По своему принципу действия она могла бы быть качественной антенной круговой поляризации. Для этого достаточно заменить активный элемент S турникетной антенной. К примеру, чтобы добиться круговой поляризации от длинной директорной антенны, требуется удвоить количество
элементов, тогда как в случае короткой двухзеркальной антенны дополнительные затраты вообще не нужны, не считая турникетного возбудителя.
Есть множество вариантов, где используется двухзеркальный принцип возбуждения антенн в сочетании с различными возбудителями от
вибратора до микрополоскового излучателя. В США налажено промышленное производство таких антенн.
5.11. Особые типы антенн для УКВ и ДМВ
диапазонов: щелевые антенны
Если в большой металлической плите вырезать полосу (рис. 5.112),
возникшая щель может служить излучателем. Подобная щель, ширина
которой должна быть мала по сравнению с длиной, возбуждается в центре в точках XX.
Примечание.
Свойства излучения у щели те же, что и у полуволнового вибратора,
но с обратным распределением магнитной и электрической составляющих напряженности поля, из-за чего плоскости поляризации также
меняются местами.
V·l/2
Вертикальная щель излучает аналогично горизонтальному вибратору, а горизонтальная щель дает вертикальную поляризацию. При очень
узкой щели импеданс в точках XX составляет 485 Ом. С расширением
щели входное сопротивление убывает. Это явМ еталлическая
ление имеет противоположную направленность
пластина
относительно поведения стержневого вибратора.
Напротив, для настройки в резонанс щель, как
х х
и вибратор, должна быть несколько короче λ/2.
Более широкой щели требуется большее укорочение.
Ввод питания щелевого излучателя размещается симметрично посредине щели. Согласно
рис. 5.112 и в соответствии с величиной входноV — коэф ф ициент укорочения
хх — вход антенны , 485 О м
го сопротивления к клеммам питания XX можно
подключать симметричную двухпроводную лиРис. 5.112. Плоский
щелевой излучатель
нию с волновым сопротивлением 500 Ом. Однако
816_Antenni.indd 276
28.09.2011 14:11:10
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
277
такой фидер крайне неудобен, так как пришлось бы соблюдать отношение расстояния между проводами к их диаметру, равное 30:1.
Но поскольку сопротивление убывает к концам щели, ее используют
для преобразования импеданса. Смещая клеммы питания XX из центра
к одному из концов щели, добиваются более низкого входного сопротивления без существенных изменений диаграммы направленности. Как и
в случае вибратора, полоса частот щелевого излучателя может быть раздвинута путем расширения щели, особенно к ее концам.
Если щель выполнить в форме петлевого вибратора (рис. 5.113), входной импеданс понизится в пропорции 4:1, и 75-омный коаксиальный кабель подойдет для возбуждения щели. В этом случае щелевая антенна
также ведет себя противоположным образом относительно вибратора: у петлевого вибратора имl/2
педанс возрастает в пропорции 1:4 по сравнению с
разрезным.
В практике антенн важную роль играет
трубчато-щелевой излучатель. Для его изготовлеРис. 5.113. Излучатель
ния из металлической пластины делают трубку, а
с петлевой щелью
на ее стенке вдоль образующих цилиндра вырезают щель (рис. 5.114).
Вертикальный трубчато-щелевой излучатель
характеризуется круговой диаграммой направленx x
ности в горизонтальной плоскости и сфокусированным лучом в вертикальной. С переходом от
плоской конструкции к щели на трубке входное
сопротивление возрастает с 600 до 1000 Ом.
Примечание.
При поэтажном расположении нескольких
трубчато-щелевых антенн излучение остается круговым в горизонтальной плоскости,
но сужается в вертикальной.
Рис. 5.114.
Трубчато-щелевая
антенна
Фидер прокладывается к клеммам питания внутри трубок. Трубчатощелевая модель обеспечивает стабильность большинства самонесущих
конструкций антенны. Парусность антенны незначительна и сводится к
минимуму, когда на щель наложено покрытие из синтетического материала. Свойства излучения настолько хорошо отвечают требованиям разных служб, связанных с радиопередачами, что трубчато-щелевые антенны УКВ и ДМВ диапазонов получили самое широкое распространение.
При последовательном уменьшении площади металлического листа
со щелью, в конечном счете, наступает момент, когда вокруг нее остается
лишь узкая полоска, но сама она сохраняет все свойства, характерные для
816_Antenni.indd 277
28.09.2011 14:11:10
278
Антенны. Практическое руководство
плоского щелевого излучателя. На рис. 5.115 показана такая контурная щель.
Понятное стремление заполучить весьма эффективную антенну, которая по компактности и расходу
материалов намного выгоднее обычных моделей, спох
х
собствовало распространению контурно-щелевых изКлем м ы питания
лучателей. Согласно измерениям Зеефрида, свойства
Z = 500 О м
излучения контурной щели и разрезного полуволнового вибратора вполне сравнимы, но усиление щелевой
антенны относительно вибратора не определялось.
Узел напряж ения
Входное сопротивление контурной щелевой антенРис. 5.115.
ны, будучи высокоомным, составляет 500 Ом, что заКонтурно-щелевая
трудняет ее согласование с фидером. В этом, вероятно,
антенна
кроется причина неудач, связанных с антеннами такого
типа.
Когда контурной щели приписывают свойства, которые не могут быть
ей присущи по физическим причинам, это вовсе не значит, что речь идет
о неприменимой разновидности излучателей. Имеются совсем недавние
примеры их успешного использования в качестве элементов возбуждения многоэтажных директорных антенн.
l/2·V
Узел напряж ения
5.12. Особые типы антенн для УКВ и ДМВ
диапазонов: антенны круговой поляризации
Как работают антенны круговой поляризации
Круговая поляризация выгодна, когда надо одинаково хорошо принимать волны вертикальной, горизонтальной или наклонной поляризации. Естественно, приемная антенна круговой поляризации лучше всего
подходит для приема также поляризованных по кругу волн, но вместе
с тем ее применяемость универсальна, поскольку она принимает волны
произвольной линейной поляризации. Свойства УКВ и ДМВ радиолинии
одинаковой и разной поляризаций представлены в табл. 5.10.
Свойства УКВ и ДМВ радиолинии одинаковой и разной поляризаций
Поляризация приемной антенны
Поляризация передающей антенны
Таблица 5.10
Ослабление, дБ
Линейная горизонтальная
Линейная горизонтальная
Линейная горизонтальная
Линейная вертикальная
Круговая
Круговая
0
Круговая
Линейная горизонтальная или вертикальная
3
816_Antenni.indd 278
0
Около 20
28.09.2011 14:11:10
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
279
Ослабление на 3 дБ между круговой и линейной поляризациями упрощенно объясняется тем, что при круговой поляризации мощность передатчика как бы раскладывается пополам между вертикальной и горизонтальной плоскостями. Поэтому приемная антенна линейной поляризации воспринимает вертикальную или горизонтальную «половинку» в
зависимости от типа собственной поляризации.
Половинная мощность соответствует ослаблению на 3 дБ. Поэтому
приемная антенна линейной поляризации «усваивает» 7/10 напряжения,
генерируемого полем круговой поляризации. Напротив, взаимное ослабление линейных вертикальной и горизонтальной поляризаций достигает 20 дБ, так что «усваивается» только 1/10 напряжения, поступающего
на вход приемной системы.
Примечание.
Обратная ситуация аналогична: приемная антенна круговой поляризации воспринимает сигнал передатчика линейной поляризации с
ослаблением на 3 дБ независимо от направления линейно поляризованного сигнала.
Еще одно преимущество было экспериментально установлено в двухметровом любительском диапазоне: при круговой поляризации становятся доступными удаленные зоны вне прямой видимости, радиосвязь
с которыми была невозможна, если пользоваться волнами линейной поляризации.
Очевидно, в подобной ситуации возрастает роль многократных отражений, и круговая поляризация дает выигрыш по сравнению с линейной.
Немаловажно и то, что круговая поляризация существенно улучшает мобильную радиосвязь.
Смена окружающей обстановки при движении приводит к непрерывной смене отражений радиоволн, а штыревая антенна вертикальной поляризации гнется и колеблется в потоке воздуха. В результате совместного действия этих факторов происходит постоянное изменение амплитуды, фазы и состояния поляризации принимаемых волн, что и приводит
к нестабильности приема.
Эти изменения особенно заметны у антенн переносных устройств
вертикальной поляризации, так как у большинства окружающих объектов имеется много вертикальных кромок. Значительная часть затуханий
такого рода исчезает с переходом на антенну круговой поляризации.
Было доказано опытным путем, что на трассе длиной 4 км в густом
смешанном лесу радиосигнал вертикальной поляризации ослабляется на
40 дБ, горизонтальной — на 12 дБ, а круговой — только на 3 дБ. Этот результат подтверждает мнение, что преимущества круговой поляризации
тем значительнее, чем хуже условия распространения радиоволн.
816_Antenni.indd 279
28.09.2011 14:11:10
280
Антенны. Практическое руководство
В качестве направленных антенн круговой поляризации применяются
в первую очередь спиральные или директорные турникетные антенны.
Построить спиральную антенну сравнительно трудно, зато питать ее легко. Турникетная директорная антенна проще по устройству, но требует
больших затрат на подключение к источнику сигнала.
Спиральная антенна Helix Beam
В зарубежной литературе этот направленный излучатель известен под
разными названиями, но чаще фигурирует под именем Helix Beam. Круговая
поляризация возникает в том случае, когда проводник антенны уложен в
виде цилиндрической спирали, а длина витка составляет 1λ. С учетом коэффициента укорочения диаметр витка получается равным 0,31λ.
Примечание.
Важное условие состоит в том, чтобы витков было не менее трех: чем
больше витков, тем правильнее круговая поляризация.
Простая проволочная обмотка с указанными параметрами излучает
по двум направлениям вдоль ее продольной оси. При наличии дискаотражателя излучение становится однонаправленным и, следовательно,
усиливается.
Схема спиральной антенны с вышеуказанными параметрами приведена на рис. 5.116, витки обмотки показаны в упрощенном виде.
Диаметр обмотки D = 0,31λ, приведенный к частоте, рассчитывается
по приближенной формуле
.
Для длины окружности витка имеем U=πD.
Следующий важный параметр спиральной антенны — угол подъема
спирали, по которому находят ее междувитковое расстояние (шаг) S.
S=0,24l
R 0,62l
A=0,13l
Н аправление
главного луча
D=0,31l
Рис. 5.116. Схема спирального направленного излучателя
816_Antenni.indd 280
28.09.2011 14:11:10
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
281
Допустимы углы подъема от 6° до 24°, но чаще других используют угол
14°, при котором достигаются наиболее благоприятные свойства антенны. Углу 14° соответствует шаг спирали S = 0,24λ. Он рассчитывается по
формуле
.
Примечание.
Диаметр отражателя может быть малым, но должен превышать
0,5λ: только при этом условии входное сопротивление системы перестает от него зависеть.
0,6l
Обратное излучение подавляется тем сильнее,
чем больше площадь отражателя. Разумная средняя величина диаметра отражателя равна удвоенному диаметру спирали (2D = 0,62λ). Наряду с
дисковыми отражателями используют квадратные
металлические поверхности. В диапазоне ДМВ
почти всегда применяются компактные плоские
диски, но на УКВ отражателями часто служат более легкие устройства, требующие меньших затрат
(рис. 5.117).
Оптимальное расстояние между отражателем
и началом спирали составляет 0,13λ (около S/2) и
рассчитывается по формуле
S — плоский диск
произвольного диам етра
с отверстием в центре
для кабеля
Рис. 5.117. Упрощенный
отражатель для
спиральной антенны
.
Диаметр проводника спирали должен быть равен 0,02λ. Если длина
витка соответствует длине волны, входное сопротивление составляет
136 Ом и остается почти постоянным в широком интервале частот.
При уменьшении длины витка входное сопротивление падает, причем оно становится сильно зависимым от частоты. В интервале длины
витка 0,75λ ≤ U ≤ 1,35λ входное сопротивление Ζ рассчитывается по приближенной формуле
ΖOм=136Uλ.
Вход антенны несимметричен, и потому она питается по коаксиальному кабелю.
Слабая зависимость входного сопротивления спиральной антенны от
частоты позволяет отнести ее к широкополосным излучателям. При шаге
816_Antenni.indd 281
28.09.2011 14:11:10
282
Антенны. Практическое руководство
витков S = 0,24λ величина КСВ не превышает 1,35 в пределах частотной
области 1:1,6.
Усиление и сфокусированность луча спиральной антенны зависят от
количества витков n, длины витка U и шага витков S. Усиление приблизительно пропорционально количеству витков спирали n. Краус предложил приближенные формулы для расчета усиления G, справедливые
для углов подъема спирали 12°—15° и количества витков не менее трех.
Оценка усиления приводится к изотропному излучателю круговой поляризации:
G = 15 (Uλ)2nSλ
где G — численное выражение усиления.
Усиление в логарифмических единицах dBi определяется по формуле
GdB = 10lg[15(Uλ)2nSλ ].
Краус вывел также формулу для расчета ширины главного лепестка
диаграммы направленности по половинной мощности
.
Эта формула выполняется также только при углах подъема 12°—15° и
количестве витков π больше трех.
Поляризация спиральной антенны считается круговой, хотя в действительности она является эллиптической. Однако отношение большой
оси эллипса к малой очень близко к единице, и при большом количестве
витков оси можно считать одинаковыми. Отношение осей rА описывается следующим выражением:
.
Примечание.
Это значит, например, что отношение большой и малой осей при
минимальном количестве витков n = 3 составит 7:6, тогда как при
n = 7 будет лишь 15:14.
В табл. 5.11 представлена зависимость предполагаемого усиления и
ширины диаграммы направленности от количества витков n при обычных значениях параметров S = 0,24λ (угол подъема 14°) и D = 0,31λ (длина
витка 1λ).
Излучатель можно питать непосредственно по 75-омному коаксиальному кабелю не слишком большой длины (рис. 5.117) при КСВ не более 2.
Однако лучше добиться более строгого согласования, применив коаксиальный четвертьволновый трансформатор.
816_Antenni.indd 282
28.09.2011 14:11:11
Глава 5. Радиолюбительские антенны метрового и дециметрового диапазона
Зависимость усиления и ширины диаграммы направленности
спиральной антенны от количества витков спирали
283
Таблица 5.11
Количество
витков, n
Усиление,
dBd
Ширина
диаграммы, град.
Количество
витков, n
Усиление,
dBd
Ширина
диаграммы, град.
3
7,9
61
8
12,3
37
4
9,1
53
9
12,8
35
5
10,2
47
10
13,2
33
6
11,0
43
11
13,6
31,5
7
11,7
40
12
14,0
30
Q-согласование можно устроить столь же успешно, пользуясь системой коаксиальных проводников. Надо лишь рассчитать требуемое волновое сопротивление Ζ концентрической линии по формуле:
,
где ZE и ZA — входной и выходной импедансы линии.
Таким образом, в случае четвертьволновой линии ее волновое сопротивление Z вновь становится важным, поскольку оно определяет степень
преобразования согласно приведенной выше формуле.
Если при входном сопротивлении спиральной антенны ΖA = 12