Высокочастотные усилители против антенн
Этот материал полезен для тех, кто хотел бы потратить деньги для улучшения качества связи с максимальной эффективностью, В нём рассмотрены различные способы достижения так необходимых всем децибел и приведена оценка затрат для их получения.
А. Дубинин RZ3GE, А. Калашников RW3AMC
Не все, но многие радиолюбители, рано или поздно сталкиваются с проблемой улучшения качества связи. Вопросов при этом возникает много, но основных, как правило, всего два: покупать мощный линейный усилитель или улучшать антенную систему? И тот и другой во многом можно отнести к разряду философских. Ну а мы попробуем подробно рассмотреть их с точки зрения материальных затрат и эргономики, т.е. - улучшения потребительских качеств радиосистемы и, на основе этих размышлений попытаемся дать советы, которыми некоторые из вас смогут даже попытаться воспользоваться.
В последние годы в мире наблюдается устойчивая тенденция к уменьшению мощности передатчиков там, где такая возможность существует. Это обусловлено внедрением нового направления развития современной техники - энергосбережения, позволяющего экономить постоянно истощающиеся запасы полезных ископаемых, которые в свою очередь, используются для производства электрической энергии, и всё более громкими заявлениями “зелёных” о вреде любого радиоизлучения. Эти факты, естественно, не являются определяющими при выборе способа улучшения эффективности связи для миллионов радиолюбителей во всём мире. Им (в т.ч. нам) всё время хочется дальше-больше-мощнее, даже если при этом придётся одеться в свинцовые халаты! Кому-то нужен первый DXCC, кому-то 9В WAZ, и так до бесконечности! Накопление наград, прославляющих нас самих, для некоторых становится целью жизни №1! С возрастом это превращается в привычку, и остановиться уже невозможно.
Первое, что радисту приходит в голову при желании выделиться среди остальных - это изготовить необыкновенно мощный усилитель. Однако при детальном рассмотрении задачи факты указывают на то, что установка излишне мощного линейного усилителя для увеличения уровня излучаемого сигнала является далеко не оптимальным решением.. Одним из таких фактов является соотношение цена/качество достигнутого результата. Ну а в нашей стране проблема цены удовольствия пока остается в этом вопросе, пожалуй, главной.
Перед дальнейшим рассмотрением вопроса сделаем небольшое отступление для краткого ознакомления с неким прибором: т.н.- S-метром, предназначенным для оценки силы сигнала по S-шкале соответственно. Таким прибором снабжены все промышленно выпускающиеся трансиверы. Шкала этого прибора является нелинейной, а цена деления его шкалы соответствует изменению сигнала на 6 дБ. Таким образом, 1 балл соответствует 6 дБ. Показания S-метра любого трансивера нельзя рассматривать как абсолютно точные и, порой, даже как приблизительные (нельзя забывать, что на KB уровень сигнала приходящего из эфира вообще НЕЛЬЗЯ сравнивать с пришедшим РАНЕЕ из-за случайного характера его пути от излучателя к приёмнику, ещё сложнее это сделать в режиме SSB, т.к. амплитуда сигнала меняется из за изменения уровня голоса оператора). Эти показания годятся лишь для проведения качественного анализа степени увеличения излучаемой мощности передающего устройства.
Теперь проведём некое практическое занятие. Попробуем постепенно увеличивать выходную мощность передатчика и наблюдать насколько изменяются показания S-метра на приёмнике вашего корреспондента и построим график, в котором отражаются затраты на приобретение соответствующего усилителя. Известно, что для увеличения силы сигнала на принимающей стороне на 3 дБ необходимо увеличить мощность усилителя передающей станции В ДВА РАЗА! Заметим, что 3 дБ соответствуют только половине одного деления шкалы S-метра, т.е. ровно пол-балла!
Соответственно, для увеличения силы сигнала на принимающей стороне всего на один балл по шкале S-метра необходимо увеличить мощность передатчика уже в ЧЕТЫРЕ раза! Используя такую нехитрую арифметику можно подсчитать степень увеличения мощности выходного сигнала вашего корреспондента исходя из показаний S-метра. На рис. 1 показаны три шкалы S-метра с показаниями, соответствующими различным мощностям усилителя корреспондента иллюстрирующими это правило.
Таким образом, применение усилителя мощностью 1 кВт вместо 100-ваттного вызовет увеличение сигнала на приемнике вашего корреспондента примерно на 10 дБ (1.5 балла по S-метру), что, безусловно, является весьма заметным событием для оператора, но становится ещё более заметным, когда понимаешь, что платить за это удовольствие приходится около 1500 $. Именно столько стоит киловаттный усилитель невысокого качества. Покупка усилителя мощностью 1,5 кВт (всего на 500 Вт мощнее!) обойдётся уже в сумму около 2500 $ (примеры приведены ниже), а на S-метре вы увидите увеличение показаний на 0.5 балла. Здесь речь идёт о средней стоимости промышленных KB усилителей для любительских целей, исключая поделки отечественных кулибиных и устройства Министерства обороны.
Интересный вывод: в этом случае разница между 5-6 и 5-8 будет стоить около 2500 $. Однако затраты радиолюбителей, выбравших именно этот путь для улучшения своих достижений, не ограничиваются затратами на усилитель. Например: в случаях, когда усилитель не имеет выходного перестраиваемого контура, необходимо использовать антенный тюнер. Стоимость выпускающихся промышленностью тюнеров, рассчитанных на мощность 300 Вт, составляет в среднем 500 $. Ну и, конечно, не стоит забывать о плате за электроэнергию. Усилитель, выходная мощность которого составляет 500 Вт, потребляет примерно 1000 Вт из сети. Такая пропорция сохраняется и при других мощностях. Например, любимая многими ГУ-78 при 4 кВт в антенне потребляет из сети уже около 8 кВт. А промышленные широкополосные передатчики типа “БРИГ” (1кВт), “ПЛАМЯ” (10 кВт) и подобные им, работают с КПД всего около 30% - дальше считайте сами. При подсчётах учтите также и то, что эта аппаратура является источником помех другим работающим электронным устройствам. В первую очередь - конечно, телевидению. Усилители мощности создают много, мягко говоря, неудобств для любителей бесконечных телесериалов, с которыми хочешь не хочешь - приходится считаться. С многими проблемами, связанными с помехами телевидению помогут справиться разного рода фильтры. Они тоже стоят денег. (Совсем недавно выпуск некоторых их них освоен саратовской компанией REMO. Дешевле и лучше, чем импортные...)
Но, если станция находится в сельской местности, то нехватка электроэнергии вообще не даст сделать даже длинного “а-а-а-а-а-лё, раз, два, три...”. В деревянных сельских домах и домах “новых русских” одна из важнейших проблем - пожаробезопасность. Огнетушители и качество проводки станут постоянной головной болью. В итоге набежит немалая сумма. Это только основные аспекты, связанные с использованием мощного усилителя.
А сейчас рассмотрим подробнее иную возможность улучшения качества связи: использование эффективной антенной системы. На что необходимо обратить внимание в этом случае:
Первое . Необходимо понимать, что: усилители усиливают только сигнал передатчика и, в отличие от антенн, ничего не делают для улучшения приёма.
Второе . Крайне важным свойством антенны является возможность уменьшать уровень мешающего сигнала за счет использования её направленных свойств. Вращая антенну, можно добиваться оптимального её направления, соответствующего наиболее качественному приёму сигнала, т.е. улучшать отношение сигнал/шум - важнейший параметр в радиосвязи.
Стоимость антенны, обеспечивающей аналогичный прирост уровня сигнала на передачу, будет на порядок меньше, чем стоимость мощного усилителя. Как уже говорилось, увеличение мощности выходного усилителя на 6 дБ (всего 1 балл на S-метре вашего корреспондента), т.е. в ЧЕТЫРЕ раза примерно со 100 Вт (мощность стандартного трансивера), стоит: QRO HF-1000 (600 Вт)-2690$, Ameritron AL-80 В (850 Вт РЕР)-1350$, Ameritron 811 В (600 Вт РЕР)-1050 $, Command Technologies HF-1250 (800 Вт)-3250$ (приведены цены московских компаний). Конкретно 400-ваттных усилителей при подготовке этого материала найти не удалось. Интересно, что тот же прирост (около 6 дБ) по отношению к столь популярному в народе “длинному проводу” в 84 метра имеет, например, обычная 4-х элементная антенна Яги или аналогичные квадраты. А применение более серьёзных антенн обеспечивает ещё большее усиление соответственно. Стоимость таких антенн отечественных производителей составляет примерно от 100 до 400$, в зависимости от диапазона и степени сложности собственно антенны. Мы приводим весьма усреднённые цены, но даже они красноречиво говорят сами за себя. Кроме того, необходимо иметь в виду, что антенна с горизонтальной поляризацией расположенная над землёй имеет усиление примерно на 5-6 дБ больше, нежели в свободном пространстве (точное значение зависит от параметров земли). Этот фактор необходимо учитывать при рассмотрении эффективности усилителей и антенн. Прирост мощности от 1 кВт до 4 кВт (снова всего 1 балл на S-метре!) обойдётся вам уже в 4-9 тыс. $: (QRO 3 KDX (2.8 кВт), Henry 3 k ULTRA (ЗкВт), HF-2500E (2.5 кВт)).
Визуальная иллюстрация этого приведена на рис.2.
На горизонтальной оси отложены значения усиления антенн, расположенных на высоте 22 метра над реальной землёй выраженные в дБи (подробно об усилении см. стр.4 каталога “БРИЗ Зима 2001”). Здесь же нанесены значения мощности сигнала, которую излучает антенна при условии, что выходная мощность передатчика (трансивера) составляет 100 Вт. При этом за начало координат принято именно это значение. Усиление и мощность нанесены на одну и ту же ось для того, чтобы можно было наглядно продемонстрировать разницу в цене усиления сигнала для усилителей и антенн. На вертикальную ось нанесена цена, которую вам придется заплатить за все то, что нанесено на горизонтальную. В виде графиков представлены данные для антенн диапазонов 7, 14, 21 и 28 МГц и стэка из двух антенн диапазона 14 МГц. Таким образом, графики показывают, какова сегодня средняя московская цена за усиление, получаемое теми или иными антеннами. Например, из рисунка видно, что антенну диапазона 14 МГц с усилением 16 дБи (5 элементов YAGI), можно приобрести за 750 $. Точками отмечены усилители мощности, которые можно приобрести сегодня в московских компаниях. При этом усилители находятся в более выгодном, по отношению к антеннам, положении, поскольку значения излучаемой в эфир мощности соответствуют работе усилителя на полуволновый диполь, расположенный на высоте 22 м. Возьмём, к примеру, усилитель ALPHA-87 А. При 100 ваттах на входе выходная мощность его составляет 1.5 кВт, что соответствует усилению примерно 12 дБ (15 раз) Если бы этот усилитель был подключен к изотропному излучателю, то мы бы нанесли его на наш рисунок на вертикальную ось, соответствующую значению 12 дБ. Однако в нашем случае все усилители работают на полуволновый диполь, поэтому нам необходимо добавить 2.15 дБ (разница в усилении между изотропным излучателем и диполем) и добавку примерно в 5 дБ, возникающую за счет влияния земли. Итого - почти 19 дБ, что и показано на рисунке. Если сигнал мощностью 100 Вт усилить на 19 дБ получится почти 8000 Вт. Такое же усиление в 19 дБи (т.е. относительно изотропного излучателя) имеет стэк всего из двух антенн. Показательно то, что цена за одно и то же усиление различается почти в 6 раз! Ещё более показательным выглядит стоимость одинакового прироста усиления для усилителей и для анетнн. Напомним: увеличение мощности на 3 дБ (например, с QRO-1000 до QRO-2500) будет стоить почти 2000 $, в то время как те же 3 дБ прироста для больших антенн диапазона 7 МГц обойдётся всего в 300-400 $.
На рисунке не показаны более мощные усилители, выпускаемые промышленно, поскольку их цена превышает значения, показанные на вертикальной оси и именно по этой причине доступны единицам отечественных радиолюбителей, так что их появление в России можно считать исключением.
При этом пусть вас не смущает то, что мы сравниваем однодиапазонные антенны с усилителями, работающими на всех диапазонах, ведь если у вас есть антенна только на один диапазон, то, покупая усилитель, вы “в нагрузку” получите возможность “усиливать” и все остальные диапазоны, работать на которых не сможете.
Из графика видно, какую сумму можно сэкономить, установив соответствующую антенну, при этом обеспечив тот же результат на S-метре вашего корреспондента.
Кроме всего прочего у вас есть возможность плавно улучшать показатели антенной системы, создавая стэки антенн. Грамотно объединив в стэк всего две антенны, можно улучшить приём сразу (в лучшем случае) в два раза, т.е. на 3 дБ. На практике, все получается куда более загадочнее: переключая взаимно антенны стэка и фазы их питания в различных комбинациях (сейчас это делают крохотные приборчики!) можно изменять диаграмму направленности в вертикальной плоскости всей антенной системы, выбирая наиболее подходящий в данный момент вариант. В нашей стране таких антенн на KB крайне мало, а УКВ-истов, использующих такие антенны было мало, и становится всё меньше и меньше. А вот в мире преимущества такой конструкции антенной системы известны давно. Чего стоит, например, стэк OH8OS, состоящий из 6 антенн по 6 элементов на диапазон 20 метров (три этажа по 2), на мачте высотой 60 метров и весом 1.5 тонны, которая имеет усиление около 25 дБи! Иными словами это равносильно подключению к 100-ваттному трансиверу 30 киловаттного усилителя!
Или антенна W5UN - главного "лунника" планеты. Его конструкция состоит из 32-х 17-ти элементных антенн. Ширина лепестка антенны в плоскости Е всего 3.7°, а усиление составляет 32 дБи (1585 раз по мощности)! Вращается такая конструкция двумя грузовиками, причем, для совершения полного оборота требуется примерно 7 минут!
Конструкции КС1ХХ, NCOP, W3LPL, W6KPC - фантастичные сооружения! Конечно, эти умопомрачительные конструкции антенн недоступны большинству обычных радиолюбителей, однако более простые конструкции, состоящие из 2-х этажей современных многодиапазонных антенн под силу многим. Важно учитывать, что при увеличении мощности выходного усилителя увеличение его цены происходит по геометрической прогрессии, а улучшение параметров антенн (даже учитывая стоимость набора мачта-редуктор) даётся значительно меньшими силами и затратами.
Таким образом модернизация антенной системы является наиболее оптимальным способом повышения эффективности всей радиосистемы, позволяющим не только существенно улучшить качество радиосвязи, но и минимизировать материальные затраты. Также улучшение параметров антенны позволяет избавиться от всех недостатков, описанных выше, сопутствующих применению мощного линейного высокочастотного усилителя сигнала.
На наш взгляд можно обозначить 5 условных категорий оснащения любительских станций, где переход в каждую последующую, при сохранении предыдущих достижений, позволяет ощутить реальный качественный скачок в результатах работы. Первая начальная определяется следующим набором: - 100 ватт и длинный провод или многодиапазонная штыревая антенна. Вторая : применение усилителя с выходной мощностью около 1 кВт. Третья : установка вращаемой направленной антенны. Четвёртая : увеличение выходной мощности до 3-4 кВт. И последняя, пятая : установка стэков антенн. На этом этапе можно отдохнуть, и до пенсии (или в течении её!) беззаботно работать в эфире. Успех вам обеспечен!
Окончательное решение по выбору способа повышения эффективности работы вашей станции всегда остаётся за вами.
Важная справка: на территории России в лицензиях первой (высшей!) категории на KB (исключая 160 м) разрешена выходная мощность 200 ватт!
В заключение статьи мы приводим полезную таблицу. Внимательно изучив её, можно сделать интересные выводы, как то: во сколько раз (примерно) ваш корреспондент увеличил выходную мощность своего РА, когда ваш S-метр показал разницу в 4 балла (4 балла - это 24 дБ или 250 раз по мощности...), хотя он уверяет вас, что у него ЗхГУ-50. Либо во сколько раз “усилится” ваш сигнал при подключении антенны с усилением 5 дБд вместо “длинного провода” (5 дБ=3.1 раза по мощности).
А. Дубинин (RZ3GE), А. Калашников (RW3AMC)
Изобретение относится к области телекоммуникационных технологий, а более конкретно к конструкциям сканирующих высокочастотных антенн. Технический результат - расширение функциональных возможностей за счет обеспечения полного кругового сканирования. Для этого цилиндрическая сканирующая антенна бокового излучения содержит: цилиндрический волновод, образованный двумя (верхним и нижним) параллельными металлическими дисками; диэлектрический цилиндр, являющийся заполнением цилиндрического волновода и выполненный с возможностью функционирования как в качестве согласующего трансформатора между цилиндрическим волноводом и свободным пространством, так и в качестве диаграммообразующего элемента; прямоугольную решетку излучателей, ориентированных нормально плоскости самой решетки, помещенную осесимметрично в цилиндрический волновод, причем плоскость решетки расположена параллельно основанию цилиндрического волновода; два металлических цилиндра, расположенные соответственно над верхним и под нижним дисками и выполненные с возможностью функционирования в качестве вспомогательных цилиндрических излучателей, корректирующих диаграммы направленности в угломестной плоскости. 6 з.п.ф-лы, 10 ил.
Рисунки к патенту РФ 2510552
Изобретение относится к области телекоммуникационных технологий, а более конкретно к конструкциям сканирующих высокочастотных антенн.
Антенны со сканирующим в пространстве направленным лучом представляют особый тип антенн, использующихся в радарной технике и в средствах коммуникации. По способу сканирования делятся на антенны механического, электронного и смешанного типа. В настоящее время наиболее перспективными считаются антенны с электронным сканированием луча, имеющие явные преимущества по быстродействию, надежности. Электронное сканирование осуществляется планарными, линейными и конформными антенными решетками. Планарные и линейные решетки менее сложны конструктивно и технологически, однако у них имеется существенный недостаток, а именно они позволяют осуществлять сканирование лишь в ограниченных углах полусферы (планарные) или полуокружности (линейные). Чтобы обеспечить полное круговое сканирование, применяются конформные решетки, имеющие форму цилиндров или многогранников. Излучающие элементы в таких решетках размещены на боковой поверхности. Подобные решетки имеют значительные объемные размеры, а их пространственный монтаж отличается большой трудоемкостью. Круговое сканирование в них, как правило, осуществляется путем включения части всех элементов, что требует применения сложных коммутационных схем. Следует отметить, что существуют также низкопрофильные конформные решетки, построенные на основе плоской линзы Люнеберга, но и в этом случае, чтобы реализовать полное круговое сканирование, такие антенны должны иметь сложные схемы коммутации и запитки.
Известные типы антенных решеток, осуществляющих круговое сканирование луча, имеют такие недостатки, как трудоемкость изготовления, наличие сложных запитывающе-коммутационных цепей и частичное использование всех излучающих элементов.
Антенна, представленная в патенте США № 4143380 , осуществляет круговое сканирование луча путем переключения элементов, расположенных на боковой поверхности цилиндра. К недостаткам такой конструкции следует отнести трудность монтажа антенны, невозможность создания антенны, интегрированной с многоканальным приемо-передающим устройством. Наличие коаксиальных линий ограничивает применение данной антенны в миллиметровом диапазоне. К тому же антенна имеет значительную высоту, что делает невозможным ее применение в очень малых устройствах, таких как сотовые телефоны или планшетные компьютеры.
Антенная решетка с круговым обзором, предложенная в патенте США № 4414550 , имеет технологичную низкопрофильную конструкцию, позволяющую реализовывать печатную технологию. Однако для реализации сканирования она требует сложной схемы с высокочастотными фазовращателями. Кроме того, поскольку одновременно задействована только часть элементов решетки, снижается ее эффективность как целой единицы.
В патенте РФ № 2305879 описана сканирующая антенная решетка, содержащая излучающую структуру в виде двумерной решетки из отверстий в металлическом диске и источник плоского фронта волны в виде слоя диэлектрика на металлическом основании и возбудителя слоя диэлектрика, который выполнен в виде открытого конца плоского волновода с расширением верхней стенки рупорного типа. Данная конструкция позволяет изготавливать компактные сканирующие антенны, однако не позволяет добиться полноценного кругового сканирования.
Подобный же недостаток присущ и конструкции антенной решетки, описанной в патенте США № 3392394 . Эта конструкция представляет собой планарную линзу Люнеберга с системой облучателей, расположенных по боковой поверхности линзы, и относительно несложной схемой запитки. Однако ввиду того, что излучатели и цепи коммуникации вынесены за пределы линзы, вся конструкция имеет значительные размеры в плоскости линзы. Кроме того, если используется однослойная линза, то невозможно осуществить полное круговое сканирование из-за затенения противоположных излучателей. Чтобы избежать этого, в применена двухслойная линза, где внутренние и наружные излучатели разнесены по слоям и поэтому при сканировании не влияют друг на друга. Однако, это ведет к усложнению схемы запитки из-за наличия большого числа направленных ответвителей, кроме того, увеличивается толщина всей антенны, что также делает ее невозможной к применению в очень компактных устройствах.
Наиболее близкими к заявляемому изобретению признаками обладает техническое решение, раскрытое в патенте США № 6987493 и предназначенное для кругового сканирования. Предложенная в антенна состоит из вертикальных монополей, расположенных над проводящей плоскостью. Излучаемая центральным монополем изотропная волна приобретает направленность путем воздействия на нее пассивных монополей, расположенных осесимметрично. Фаза волны, переизлученной этими вибраторами, варьируется посредством перестраиваемых конденсаторов. К недостаткам такой антенны можно отнести необходимость использования перестраиваемых конденсаторов, что делает невозможным применение такой конструкции в миллиметровом диапазоне или же приведет к значительным потерям и слабовыраженной направленности. К тому же наличие только одного активного излучателя не позволяет использовать многоканальные приемные устройства с низкочастотным управлением фазой. Также из-за малого количества пассивных переизлучателей невозможно добиться большей направленности в плоскости Н.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы разработать усовершенствованную конструкцию высокочастотной антенны с круговым сканированием, причем основными требованиями к такой антенне являются компактность и простота реализации.
Технический результат достигается за счет применения нового подхода к конструированию простой и компактной сканирующей антенны, которая включает в себя:
Цилиндрический волновод с диэлектрическим заполнением, образованный двумя параллельными металлическими дисками;
Прямоугольную решетку излучателей, ориентированных нормально плоскости самой решетки, помещенную осесимметрично в цилиндрический волновод, причем плоскость решетки расположена параллельно основанию цилиндрического волновода с расстоянием между элементами решетки в обоих направлениях, равным , где
F - длина волны в заполненном цилиндрическом волноводе;
Два металлических цилиндра с боковым пазом, расположенные соответственно над верхним и под нижним дисками и выполненные с возможностью функционирования в качестве вспомогательных цилиндрических излучателей, корректирующих диаграммы направленности в угломестной плоскости.
Отсутствие сложных цепей запитки с высокочастотными коммутаторами, а также возможность управления лучом на низкой частоте преобразования существенно упрощает процесс изготовления антенны. Компактность достигается за счет того, что диаграммообразующая решетка помещена внутрь цилиндрического волновода, который одновременно является корпусом антенны, в отличие от других типов цилиндрических решеток, где излучатели размещаются на наружной боковой стороне цилиндра. Кроме того, данная структура антенны, обеспечивающая хорошую согласованность с пространством, позволяет делать устройство низкопрофильным и привлекать высокопроизводительную технологию печатных антенн.
Ввиду того, что для управления лучом требуются значения фаз, кратные 90 градусам, допустимо осуществлять управление по низкой частоте, исключив использование сложных высокочастотных фазовращателей, имеющих значительные потери особенно в миллиметровом диапазоне. К тому же фазовый метод кругового сканирования делает антенну более эффективной, так как позволяет использовать все элементы одновременно. В других антеннах подобного типа круговое сканирование осуществляется путем переключения части элементов. Ввиду этого использование всех элементов одновременно невозможно в принципе, поэтому снижается эффективность их использования в многоканальных приемных устройствах.
Одна из конструктивных особенностей заявляемой конструкции заключается в применении двумерной прямоугольной решетки монопольных излучателей, расположенных нормально общей плоскости. Шаг решетки в обоих измерениях составляет четверть длины волны в цилиндрическом заполненном волноводе. Вся решетка помещена осесимметрично между двумя параллельными металлическими дисками, образующими цилиндрический волновод. Пространство между дисками заполнено диэлектриком, конструктивно выполненным в виде цилиндра, соосного с дисками, но с большим радиусом. На верхнем и нижнем диске также соосно установлены два металлических цилиндра, причем в боковой поверхности каждого цилиндра имеется концентрический паз.
При возбуждении всех излучателей с соответствующими фазами в пространстве между дисками распространяется неизотропная цилиндрическая волна, имеющая определенную направленность. При изменении фазовых соотношений направление вектора распространения меняется относительно центра волновода. Далее волна излучается в пространство боковой частью цилиндра. Поскольку решетка излучателей формирует волну с определенным фазовым фронтом и распространением, то диаграмма направленности будет иметь ширину в азимутальной плоскости, зависящую от количества излучателей, и положение, зависящее от фаз возбуждения. Таким образом, меняя фазовые соотношения между излучателями, можно осуществлять круговое сканирование. Для формирования диаграммы направленности в угломестной плоскости используются две дополнительные цилиндрические структуры, установленные на верхней и нижней сторонах основной антенны. Цилиндры являются пассивными переизлучателями, корректирующими фронт основной волны.
На чертежах:
Фиг.1 - общий вид высокочастотной цилиндрической антенны бокового излучения с круговым сканированием:
1 - проводящий диск;
2 - диэлектрический цилиндр;
3 - излучатель;
4 - выступающая часть диэлектрического цилиндра;
5 - верхний цилиндр;
6 - нижний цилиндр;
7 - кольцевой паз;
8 - микродиск.
Фиг.2 - структура полей, формируемых антенной.
Фиг.3 - образование направленной волны в цилиндрическом волноводе.
Фиг.4 - функциональное назначение цилиндров 5 и 6.
Фиг.5 - графики коэффициента отражения.
Фиг.6 - принцип образования направленной волны в цилиндрическом волноводе.
Фиг.7 - фазовое распределение для углов отклонения 90 и 45 градусов.
Фиг.8 - фазовые распределения для семейства углов сканирования от 11 до 78 градусов.
Фиг.9 - графики диаграмм направленности антенны.
Фиг.10 - вариант видоизмененной антенны и ее диаграммы направленности.
Основу антенны (см. Фиг.1) представляет открытый цилиндрический волновод, образованный двумя металлическими дисками 1, в котором диэлектрический цилиндр 2 является средой заполнения волновода. Часть диэлектрического цилиндра 2, выступающая за пределы волновода, является согласующим элементом между цилиндрической волной и волной свободного пространства. Одновременно она, как диэлектрическая волноведущая структура, формирует диаграмму направленности в угломестной плоскости. Каждый излучатель 3, расположенный в пространстве цилиндрического волновода, возбуждает цилиндрическую волну, изотропно расходящуюся от излучателя к краю цилиндра, и в случае использования одного излучателя будет излучаться выступающей частью диэлектрического цилиндра 4 в пространство (см. Фиг.2). Чтобы реализовать направленное излучение в азимутальной плоскости антенны, необходимо в цилиндрическом волноводе сформировать направленную волну.
В данной конструкции антенны особое значение имеет согласование элементов антенны. Хотя согласование одиночного излучателя 3 внутри цилиндрического волновода не вызывает проблем, излучатель в составе решетки имеет значительные потери на отражение вследствие очень близкого расположения элементов и, как результат, сильной взаимной связи. В результате воздействия этих перекрестных связей интегральный коэффициент отражения всей решетки может значительно возрасти, что приведет к большим потерям и искажениям диаграммы направленности.
Результирующий нормированный коэффициент отражения на i-ом элементе определяется как
где S jj - комплексный коэффициент взаимной связи между i-ым и j-ым элементом. При i=j коэффициент представляет собой значение собственного отражения i-го элемента.
Чтобы идеально согласовать каждый элемент, требуется выполнение условия:
Абсолютная величина взаимной связи в данной решетке очень значительна (для соседних элементов составляет -7 дБ). Вследствие этого для согласования элемента в окружении требуется вводить значительное его первоначальное рассогласование, хотя для некоторых элементов окружения выполняется условие S ij =-S ik и происходит их взаимная компенсация. Это происходит ввиду того, что пара равноудаленных элементов окружения имеет противоположное по фазе возбуждение (-90 и +90 градусов) и при наведении на расположенный между ними элемент их поля вычитаются.
Одним из методов добиться требуемого рассогласования является изменение входного импеданса излучателя 3 путем изменения электрической длины каждого излучателя.
Так, импеданс монопольного излучателя в первом приближении определяется как
где b=F(z)sin l-F(l)sin |z|+G(l)cos z-G(z)cos l
а - радиус излучателя, l - длина излучателя.
Меняя длину излучателя, можно в широких пределах менять характер и величину импеданса. Для лучшего согласования каждый излучатель снабжен металлическим микродиском 8, который увеличивает эффективную длину излучателя.
На Фиг.5 приведены значения коэффициента отражения для отдельного излучателя и интегрального коэффициента отражения всей решетки, который и определяет общие потери антенны на отражение:
где Si - комплексный коэффициент отражения i-го излучателя.
Для формирования направленной по оси X цилиндрической волны необходимо выполнение условия:
где ij - фаза возбуждения элемента i-го ряда j-й строки (см. Фиг.6, вид 6.1).
В этом случае волна, распространяясь от элемента, будет складываться в фазе с волной последующего элемента при условии, что расстояние между элементами равно четверти длины волны. Обратная же волна, складываясь с волной предыдущего элемента в противофазе, распространяться не будет, а будет отражаться обратно (см. Фиг.6, вид 6.2). Линии равных фаз в общем случае параллельны и расположены перпендикулярно вектору распространения (в данном случае параллельно оси Y).
Очевидно, что если линии равных фаз повернуть на 90 градусов относительно центра координат, то при расстоянии между излучателями 3, равном четверти длины волны, направление распространения тоже повернется на 90 градусов (см. Фиг.7, вид 7.1). Соответственно, фазы возбуждения должны иметь приращение -90 градусов в направлении распространения.
Также для того, чтобы направление распространения было повернуто на 45 градусов, линии равных фаз должны быть повернуты на 45 градусов (см. Фиг.7, вид 7.2). Однако в этом случае расстояние между соседними линиями равнофазного возбуждения будет равно и условия формирования направленной волны несколько нарушаются. Но если установить изначальное расстояние между элементами по оси X и Y, равное , то возможность направленного распространения будет сохраняться для любых направлений. Чтобы повернуть вектор распространения на углы, занимающие промежуточное значение, требуются комбинированные линии равных фаз, имеющие вид ломаной.
На Фиг.8 последовательно показаны линии фазового распределения для углов - 11; 22,5; 33; 56; 67; 78 градусов.
Данная система характеризуется тем, что значение фазы в любом случае кратно 90 градусам. Это позволяет осуществлять управление с помощью луча элементами низкочастотного тракта, не применяя высокочастотные фазовращатели, имеющие значительные потери и увеличивающие габариты антенны. Очевидно, что благодаря осевой симметрии всей антенны, можно осуществлять сканирование луча в пределах полной окружности.
На Фиг.9, вид 9.1, показаны диаграммы направленности антенны для некоторых углов сканирования. Можно видеть, что в плоскости азимута осуществляется достаточно равномерное перекрытие даже с шагом в 22.5 градуса. Добиться еще большей сглаженности можно используя шаг в 11 градусов.
Диаграммы направленности в угломестной плоскости показаны на Фиг.9, вид 9.2. Для углов ±45 от плоскости азимута обеспечивается уровень усиления не менее 6 дБ.
Данная структура антенны имеет симметричную диаграмму направленности в угломестной плоскости с максимумом в азимутальной плоскости. Иногда требуется получить диаграмму со смещенным максимумом излучения. Для этого можно боковой профиль антенны реконфигурировать, как показано на Фиг.10, вид 10.1. Из него видно, что нижняя сторона диэлектрического цилиндра полностью закрыта металлом.
Благодаря этому образуется волноводная структура в виде слоя диэлектрика над металлическим экраном. Антенны, построенные на таких структурах, имеют диаграммы направленности с лучом, отклоненным в сторону, противоположную экрану. На Фиг.10, вид 10.2, представлена диаграмма направленности, смещенная в угломестной плоскости.
Антенна имеет низкопрофильную структуру. Поэтому диэлектрический цилиндр 2 может быть выполнен на основе ламинированного диэлектрика. Верхний и нижний диски 1, образующие цилиндрический волновод, выполнены печатным способом. Излучатели 3 конструктивно представляют собой металлизированные отверстия, выполненные в диэлектрике. Реактивные элементы в виде микродисков 8 являются одновременно металлизированными площадками, необходимыми при металлизации отверстий. Таким образом, антенна в основном может быть изготовлена высокопроизводительным методом печатных технологий.
Верхний и нижний цилиндры 5 и 6 соединяются с дисками 1 преимущественно посредством пайки. Нижняя, компланарная, часть излучателей позволяет легко реализовать соединение с многоканальным приемо-передающим устройством, выполненным на отдельной микросхеме.
Данное изобретение может быть использовано в средствах коммуникации, где требуется осуществлять надежный прием с меняющегося направления и пространственное подавление интерферирующих направлений при малых размерах устройства. В частности, это могут быть устройства WiFi и WiGig коммуникации, устройства телевизионного приема для подвижных объектов, радары для автомобилей, осуществляющие круговой обзор.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Цилиндрическая сканирующая антенна бокового излучения, содержащая:
Цилиндрический волновод с диэлектрическим заполнением, образованный двумя параллельными металлическими дисками - верхним и нижним;
Диэлектрический цилиндр, расположенный между вышеупомянутыми дисками и являющийся заполнением цилиндрического волновода, при этом диэлектрический цилиндр выполнен с возможностью функционирования как в качестве согласующего трансформатора между цилиндрическим волноводом и свободным пространством, так и в качестве диаграммообразующего элемента;
Прямоугольную решетку излучателей, ориентированных нормально плоскости самой решетки, помещенную осесимметрично в цилиндрический волновод, причем плоскость решетки расположена параллельно основанию цилиндрического волновода с расстоянием между элементами решетки в обоих направлениях, равным , где f - длина волны в заполненном цилиндрическом волноводе;
Два металлических цилиндра - верхний и нижний - с боковым пазом, расположенные соответственно над верхним и под нижним дисками и выполненные с возможностью функционирования в качестве вспомогательных цилиндрических излучателей, корректирующих диаграммы направленности в угломестной плоскости.
2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что нижний металлический диск и нижний металлический цилиндр имеют радиусы больше, чем у верхних соответствующих частей, и равные радиусу цилиндрического волновода.
3. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что верхний и нижний цилиндры соединяются с соответствующими дисками преимущественно посредством пайки.
4. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что диэлектрический цилиндр выполнен из ламинированного диэлектрика.
5. Антенна по п.4, отличающаяся тем, что диэлектрический цилиндр снабжен согласующим устройством в виде выступающей части цилиндра, выполненного с возможностью согласования <-20 дБ при высоте волновода ~ /4 и высоте излучателя -0,12 .
6. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что верхний и нижний диски, образующие цилиндрический волновод, выполнены печатным способом.
7. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что излучатели конструктивно представляют собой металлизированные отверстия, выполненные в диэлектрике.
Помимо свойств радиоволн, необходимо тщательно подбирать антенны, для достижения максимальных показателей при приеме/передаче сигнала.
Давайте ближе познакомимся с различными типами антенн и их предназначением.
Антенны
- преобразуют энергию высокочастотного колебания от передатчика в электромагнитную волну, способную распространяться в пространстве. Или в случае приема, производит обратное преобразование - электромагнитную волну, в ВЧ колебания.
Диаграмма направленности - графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве.
Антенны
Симметричный вибратор
В простейшем случае состоит из двух токопроводящих отрезков, каждый из которых равен 1/4 длины волны.
Широко применяется для приема телевизионных передач, как самостоятельно, так и в составе комбинированных антенн.
Так, к примеру, если диапазон метровых волн телепередач проходит через отметку 200 МГц, то длина волны будет равна 1,5 м.
Каждый отрезок симметричного вибратора будет равен 0,375 метра.
Диаграмма направленности симметричного вибратора
В идеальных условиях, диаграмма направленности горизонтальной плоскости, представляет собой вытянутую восьмерку, расположенную перпендикулярно антенне. В вертикальной плоскости, диаграмма представляет собой окружность.
В реальных условиях, на горизонтальной диаграмме присутствуют четыре небольших лепестка, расположенных под углом 90 градусов друг к другу.
Из диаграммы можем сделать вывод о том, как располагать антенну, для достижения максимального усиления.
В случае не правильно подобранной длины вибратора, диаграмма направленности примет следующий вид:
Основное применение, в диапазонах коротких, метровых и дециметровых волн.
Несимметричный вибратор
Или попросту штыревая антенна, представляет из себя «половину» симметричного вибратора, установленного вертикально.
В качестве длины вибратора, применяют 1, 1/2 или 1/4 длины волны.
Представляет собой рассеченную вдоль «восьмерку». За счет того, что вторая половина «восьмерки» поглощается землей, коэффициент направленного действия у несимметричного вибратора в два раза больше, чем у симметричного, за счет того, что вся мощность излучается в более узком направлении.
Основное применение, в диапазонах ДВ, КВ, СВ, активно устанавливаются в качестве антенн на транспорте.
Наклонная V-образная
Конструкция не жесткая, собирается путем растягивания токопроводящих элемементов на кольях.
Имеет смещение диаграммы направленности в стороны противоположную острию буквы V
Применяется для связи в КВ диапазоне. Является штатной антенной военных радиостанций.
Антенна бегущей волны
Также имеет название - антенна наклонный луч.
Представляет из себя наклонную растяжку, длина которой в несколько раз больше длины волны. Высота подвеса антенны от 1 до 5 метров, в зависимости от диапазона работы.
Диаграмма направленности имеет ярко выраженный направленный лепесток, что говорит о хорошем усилении антенны.
Широко применяется в военных радиостанциях в КВ диапазоне.
В развернутом и свернутом состоянии выглядит так:
Антенна волновой канал
Здесь: 1 - фидер, 2 - рефлектор, 3 - директоры, 4 - активный вибратор.
Антенна с параллельными вибраторами и директорами, близкими к 0,5 длины волны, расположенными вдоль линии максимального излучения. Вибратор - активный, к нему подводятся ВЧ колебания, в директорах, наводятся ВЧ токи за счет поглощения ЭМ волны. Расстояние между рифлектором и директорами подпирается таким образом, чтобы при совпадении фаз ВЧ токов образовывался эффект бегущей волны.
За счет такой конструкции, антенна имеет явную направленность:
Рамочная антенна
Направленность - двулепестковая
Применяется для приема ТВ программ дециметрового диапазона.
Как разновидность - рамочная антенна с рефлектором:
Логопериодическая антенна
Свойства усиления большинства антенн сильно меняются в зависимости от длины волны. Одной из антенн, с постоянной диаграммой направленности на разных частотах, является ЛПА.
Отношение максимальной к минимальной длине волн для таких антенн превышает 10 - это довольно высокий коэффициент.
Такой эффект достигается применением разных по длине вибраторов, закрепленных на параллельных несущих.
Диаграмма направленности следующая:
Активно применяется в сотовой связи при строительстве репитеров, используя способность антенн, принимать сигналы сразу в нескольких частотных диапазонах: 900, 1800 и 2100 МГц.
Поляризация
Поляризация - это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве.Различают: вертикальную, горизонтальную и круговую поляризацию.
Поляризация зависит от типа антенны и ее расположения.
К примеру, вертикально расположенный несимметричный вибратор, дает вертикальную поляризацию, а горизонтально расположенный - горизонтальную.
Антенны горизонтальной поляризации дают больший эффект, т.к. природные и индустриальные помехи, имеют в основном вертикальную поляризацию.
Горизонтально поляризованные волны, отражаются от препятствий менее интенсивно, чем вертикально.
При распространении вертикально поляризованных волн, земная поверхность поглощает на 25% меньше их энергии.
При прохождении ионосферы, происходит вращение плоскости поляризации, как следствие, на приемной стороне не совпадает вектор поляризации и КПД приемной части падает. Для решения проблемы, применяют круговую поляризацию.
Все эти факторы факторы следует учитывать при расчете радиолиний с максимальной эффективностью.
PS:
Данная статья обрисовывает лишь небольшую часть антенн и не претендует на замену учебнику антенно-фидерных устройств.Предлагаем несложный вариант двухдиапазонной KB J-антенны, испытанной на диапазонах 21 и 28 МГц. Авторам давно хотелось практически проверить такую антенну в работе. Виктор, UA6G, взял на себя разработку и выполнение механической конструкции, а Владимир, UA6HGW, сделал необходимые расчёты и провел настройку антенны.
В KB и УКВ диапазонах широко используют различные вертикальные штыревые антенны. Причем чаще всего применяют четвертьволновые вертикальные вибраторы с системами противовесов или «искусственной земли», благодаря которым эти антенны и работают, будучи, в принципе, аналогами полуволнового вибратора. К сожалению, выполнить качественную систему «искусственной земли» или противовесов не так просто , а некачественная система резко снижает КПД антенны в целом. Тем не менее, антенны типа Ground Plane пользуются у радиолюбителей большой популярностью. При этом многие уделяют внимание лишь качественному выполнению самого четвертьволнового излучателя и, в связи с недостатком площади для размещения полноценной системы заземления», часто не обращают внимания на «землю», используя различные суррогатные системы противовесов либо заземления. Необходимо сделать оговорку, что в УКВ диапазоне такой проблемы практически не существует, т.к. основание антенны и противовесы можно поднять на достаточную высоту, что позволяет разместить систему, рассчитанную для работы даже на самых длинных метровых волнах.
Если площади для размещения антенн других типов недостаточно, то для высокочастотного участка KB диапазона лучше использовать вертикальный полуволновой вибратор, питаемый с нижнего конца и установленный без растяжек. Для согласования его высокого сопротивления с низким сопротивлением фидера используют различные согласующие устройства - как резонансные, так и широкополосные. Один из наиболее известных и простых способов согласования - с помощью четвертьволнового трансформатора сопротивлений. Причем различают два способа питания с помощью такого трансформатора - последовательный и параллельный .
При последовательном питании используется четвертьволновая линия, которая может быть выполнена в виде воздушной линии либо линии с твердым диэлектриком. Чаще для этого используют симметричные линии. Недостаток этого способа питания - необходимость установки на нижнем конце вибратора изолятора, что на KB диапазонах вызывает конструктивные трудности и снижает надежность конструкции.
При параллельном питании нижний конец линии трансформатора, который иногда называют шлейфом, можно закорачивать с вибратором и заземлять, что конструктивно более удобно, т.к. позволяет отказаться от применения громоздкого опорного изолятора. Точки подключения фидера в этом случае выбирают выше, на заранее рассчитанном расстоянии от нижнего конца линии, которое потом уточняют в процессе настройки антенны по минимуму КСВ. Это несколько затрудняет настройку антенны и сужает полосу рабочих частот, а также требует применения дополнительных мер для снижения антенного эффекта фидера.
В обоих случаях волновое сопротивление линии четвертьволнового трансформатора должно быть правильно рассчитано и одинаково на всем ее протяжении. Классической J-антенной чаще всего называют именно такую конструкцию. У нее длина основного вертикального элемента - излучатель плюс линия - составляет 3/4Lamda*К
,
где К
- коэффициент укорочения, зависящий от конфигурации и поперечных размеров этих элементов.
Как показал опыт, эти размеры могут быть различными для разных участков излучателя и линии.
Радиолюбители чаще всего используют J-антенны в диапазоне УКВ и высокочастотной части KB диапазона, где их конструкции, обладая необходимой прочностью, не слишком сложны и громоздки.
Основной вертикальный элемент 1 (рис.1) - заземленная мачта, служащая также излучателем, выполнена из трех стальных труб разного диаметра, соединенных по телескопическому принципу. Трубы звеньев были точно подобраны по диаметрам так, чтобы они плотно входили друг в друга. Длина труб была выбрана с таким расчетом, чтобы конец одной заходил в другую на расстояние, достаточное для того, чтобы вся конструкция антенны прочно держалась и не качалась без растяжек. Поэтому точную длину всего вертикального элемента в сборе указать трудно, но она, по нашим расчетам, оказалась не менее 12 м. Нижняя труба - основание антенны длиной около 5 м и наружным диаметром 90 мм - была установлена на уровне земли на бетонном основании внутри небольшого помещения и выходила через отверстие в плоской железобетонной крыше 6, которая электрически соединена с контуром заземления. После сборки системы в узлах соединений трубы крепились с помощью двух винтов диаметром 10мм с гайками. Гайки были заранее надежно приварены к наружной поверхности на конце труб в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения согласующих элементов 2. Винты 7 вкручивали в гайки, зажимая основание трубы следующего звена.
Элементы 2 согласующих воздушных линий выполнены из стальной трубы диаметром 0,5 дюйма для диапазона 21 МГц и оцинкованного прутка диаметром около 8 мм для 28 МГц. В связи с тем, что элемент 1 и элементы 2 пришлось выполнить разного диаметра, некоторую сложность вызвал предварительный расчет размеров излучателей и воздушных линий, т.к. при такой конструкции коэффициенты укорочения К будут различными не только для разных диапазонов в соответствии с частотой, но и в связи с изменением соотношения диаметров труб. По этой причине для расчета было выбрано несколько различных приближенных практических формул. Они приведены в табл.1 вместе с результатами вычислений.
По нашему мнению, в подобных случаях расстояние D лучше указывать для воздушного промежутка между элементами 1 и 2, меньше которого его делать не следует. Расстояние С предварительно взято 0.03Lamda. Практика показала, что точное значение можно определить лишь после настройки конкретной антенны на выбранные частоты.
Первоначальный расчет антенны был сделан для работы в телеграфном участке диапазона 21 МГц. Все размеры для практического выполнения конструкции мы выбрали исходя из компромисса между реальными возможностями и расчетами, которые можно было корректировать, проверяя с помощью программы MMANA-GAL. Для обеспечения надежного электрического контакта с верхнего конца мачты к нижнему были проложены два медных проводника из антенного канатика в плоскости расположения согласующих элементов, которые дополнительно прикреплялись к каждому звену с помощью обычных плоских хомутиков, стягиваемых винтами с гайками. Чтобы не загружать рис.1, на нем условно показан только один из канатиков 3. На трубках согласующих линий также желательно закрепить дополнительные медные проводники из антенного канатика либо одножильного медного провода. При выборе таких конструктивных решений была учтена «склонность» некоторых граждан к «охоте» за цветным металлом, поэтому большинство основных элементов были выполнены из стали. Следует учесть, что при использовании разнородных металлов может возникнуть их коррозия, и как результат - увеличение шумов при приеме. Поэтому желательно использовать металлы, расположенные в гальваническом ряду как можно ближе друг к другу, или прибегнуть к дополнительным мерам (например, к облуживанию медных проводников свинцово-оловянным припоем и улучшению контактов с помощью пайки). Это относится даже к мелким элементам, используемым в конструкциях, - к болтам, шайбам, гайкам и т.п.
В табл.2 приведена часть гальванического ряда наиболее часто используемых металлов.
Другой особенностью конструкции является то, что элементы согласующих линий пришлось выполнить из стальной трубки и прутка меньшего диаметра, чем вибратор, т.е. не так, как рекомендуется в литературе. Поэтому расстояние между вибратором и согласующими вертикальными элементами 2 было выбрано компромиссное и оказалось несколько меньше расчетного, полученного с помощью программы MMANA. Это вызывало некоторые сомнения в возможности получения хорошего согласования с кабелем питания. В линиях установлены еще несколько важных элементов, которые не показаны на рис.1, чтобы не загружать его. Это пластины, установленные для прочности и фиксации воздушного промежутка между вибратором и согласующими линиями. Их нужно выполнить из изоляционного материала с хорошими изоляционными свойствами на высоких частотах, не теряющего их под воздействием влажности (например, из стеклотекстолита или оргстекла, по несколько штук для элемента 2 каждого диапазона). Причем нижние пластины можно объединить непосредственно с хомутиками 5, а верхние установить ближе к концам линий. Их положение можно изменять при настройке, фиксируя металлические хомутики на трубах винтами. С помощью хомутиков 5 можно регулировать точки подключения кабеля, центральная жила и оплетка которого должны быть надежно соединены с ними, лучше всего с помощью пайки. Для облегчения процесса настройки на согласующих звеньях также установлены подвижные хомутики 4, с помощью которых можно подбирать полную рабочую длину вибратора антенны и длину согласующих элементов. После окончательной настройки их желательно соединить с дополнительными медными проводниками 3.
Сомнения вызывал вопрос выбора наилучшего варианта подключения центральной жилы кабеля и оплетки . В литературе трудно найти конкретный ответ, т.к. встречаются различные варианты, т.е. подключение к согласующим элементам либо к основному вибратору, что чаще используют в УКВ диапазоне. На удивление, практически выяснилось, что в данном случае хорошего согласования можно достичь, только подключив центральную жилу к элементам 2, а оплетку - к вибратору 1.
Процесс предварительной настройки антенны оказался сложным, но, в итоге, успешным. Настройка осуществлялась с помощью прибора MFJ259. Затем ее результаты корректировались по показаниям КСВ-метра уже при достаточной мощности передатчика, и окончательно - при полной мощности в разных участках диапазонов.
Так как в антенне используется параллельное питание, проявились все его недостатки. Два 50-омных кабеля фидеров 8 марки РК50-9-12 были проложены внутри основной мачты, для чего в ней пришлось сделать 4 отверстия необходимого диаметра. Этого оказалось недостаточно, и на выходе из мачты излишки кабелей пришлось свернуть в две отдельные бухты, что позволило уменьшить антенный эффект. Переключение антенны с одного диапазона на другой производилось без каких-либо переключателей, с помощью разъемов, что не исключает применение специальных коаксиальных переключателей, механических или на коаксиальных реле.
Антенну первоначально изготовили и настроили в телеграфный участок диапазона 21 МГц. Как показала практика, вначале необходимо подобрать длину вибратора А1 и линии В1, настроив их на необходимую резонансную частоту с помощью подвижного хомутика-перемычки 4, который фиксируется винтами с гайками. Это лучше всего сделать, используя индикатор резонанса (ГИР) или анализатор антенн (например, MFJ259), если к нему имеются специальные дополнительные элементы, позволяющие осуществлять связь прибора с антенной без подключения к ней. Затем надо предварительно выбрать расстояние С1 - т.е. место подключения кабеля по минимуму КСВ на выбранной частоте, регулируя его хомутиками 5, и откорректировать настройку более точно, несколько раз повторив все указанные регулировки.
После испытания антенны на этом диапазоне, убедившись, что она достаточно эффективна, мы добавили к ней элементы согласования для диапазона 28 МГц и настроили систему на этот диапазон тем же способом. После того как настроили антенну для этого диапазона, пришлось немного откорректировать согласование на 21 МГц и затем опять проверить настройку на 28 МГц. В процессе корректировки подстройку на разных диапазонах приходилось повторять несколько раз. При практической работе на диапазоне 28 МГц мы также неоднократно убеждались в высокой эффективности антенны, т.к. при небольшой мощности удавалось успешно проводить радиосвязи как с ближними, так и с дальними корреспондентами.
На рис.2 и 3 показана зависимость КСВ от частоты, полученная в итоге настройки для диапазонов 21 и 28 МГц, а на рис.4 и 5 - диаграммы направленности, полученные в соответствии с расчетами для оптимальных вариантов J-антенны по программе MMANA.
Необходимо отметить, что хорошей работе антенны, вероятно, способствовал и тот факт, что вблизи на значительном расстоянии не было никаких более высоких посторонних предметов, т.к. иногда ее хорошая работа даже удивляла тем, что дальние корреспонденты давали более высокие оценки сигнала по сравнению со станциями, работающими недалеко от нашего населенного пункта и использующими направленные антенны и более мощные передатчики.
Подобную конструкцию, по нашему мнению, можно предложить и для других высокочастотных KB диапазонов, пересчитав антенну. Вероятно, к ней можно добавить верхнее звено, рассчитанное для работы на 144МГц. Примеры подобных комбинированных J-антенн в практике имеются.
За время использования антенны на трансивере мощностью не более 100 Вт удалось провести большое количество дальних радиосвязей. Это подтвердило, что она не только эффективно работает при передаче, но и обеспечивает хороший дальний прием с низким уровнем помех. Конструкция оказалась прочной и надежной - антенна простояла уже более 5 лет и, несмотря на очень сложные, резко меняющиеся метеоусловия в нашем регионе, хорошо выдержала все испытания.
