Kb антенны квадрат. настройка и конструктивные варианты

Настройка антенны “;Двойной квадрат”;

EW8AU Владимир Приходько, 246027 Гомель а/я 68, БеларусьEmail – dmitry.by (at) tut.by

Перед установкой антенны, на рамках в месте крепления шлейфов установить временные приспособления для дистанционной регулировки шлейфов. Установить и закрепить симметрирующий мостик.

Допустим, мы настраиваем антенну двадцатиметрового диапазона, центральная частота 14,150 МГц. Длина симметрирующего мостика должка быть равной 5 м 10 см. После этого для измерений параметров антенны нужно подготовить отрезок кабеля, равный или кратный лямбда 2, полуволновой повторитель, с учетом длины кабеля, входящего в симметрирующее устройство.

Если мы применяем кабель с полиэтиленовым наполнителем, то с коэффициентом укорочения длина полуволнового повторителя равна 6,975м. Минимальная высота установки антенны -10 метров от земли. Измерительные приборы будут находиться у основания мачты, значит, длину кабеля выбираем 1,5 лямбда. Это будет равно 20м.925мм.

Сразу следует пояснить, питание антенны будет осуществляться нерезонансным методом и общая длина кабеля от антенны до трансивера может быть произвольной. Отрезок кабеля, равный 1,5 лямбда нам нужен только для измерений и настройки антенны, потом он дополняется кабелем снижения до необходимой длины.

Дополнительно можно проконтролировать длину кабеля 1,5 лямбда с помощью высокочастотного моста, но, как показывает практика в диапазоне КВ. расчетная погрешность настолько мала, что ей можно пренебречь.

Итак, подготовив антенну и кабель, поднимаем и устанавливаем антенну на мачту на высоту ее постоянной эксплуатации. Мачта расчаливается оттяжками, причем, если оттяжки в несколько ярусов, то сразу устанавливают все ярусы оттяжек, полный комплект. К мачте крепится временный технологический кронштейн, на котором установлен ГИР.

ГИР должен находиться недалеко от шлейфа активного элемента рамки, и иметь возможность дистанционного управления. Для этого в схему ГИРа, параллельно конденсатору переменной емкости, необходимо поставить варикап. В идеальном случае, один элемент двойного квадрата должен иметь возможность передвижения, для регулировки расстояния между рамками.

На кабель полуволнового повторителя установить коаксиальные реле типа РЭВ-15 по схеме Рис.1.

Если нет коаксиальных реле, коммутацию придется проводить вручную, переключая кабели согласно схеме. С одной стороны первого реле подключают высокочастотный мост для измерения активного сопротивления антенны.

Желательно, чтобы мост своим разъемом прикручивался прямо на реле, без кабеля, в противном случае придется учесть этот кусок кабеля (от реле до ВЧ моста) и вычесть такой же отрезок из повторителя 1,5 лямбда.

С другой стороны первого реле, через отрезок кабеля произвольной длины подключается второе репе, соединяющее ВЧ мост и кабель снижения, который идет к трансиверу. Кабель, соединяющий второе реле и ВЧ мост так же произвольной длины. В трансивере установить минимальную мощность, то есть такую, которая необходима для работы ВЧ моста.

Со стороны активного элемента рамки, в направлении приема антенны, в дальней зоне не менее 1 лямбда поставить ВЧ генератор, нагруженный на небольшой диполь горизонтальной поляризации, размер плеч диполя примерно 0,5м. Антенна этого генератора должна находиться на такой же высоте, как и измеряемая антенна.

Настройку антенны проводят два человека. Один находится возле антенны, второй у трансивера. Если есть возможность, трансивер установить возле антенны, иначе придется наладить телефонную связь или воспользоваться портативными радиостанциями. Порядок работы при измерении и настройке.

Включаем трансивер на прием и с помощью ГИРа определяем резонанс активной рамки. С пульта дистанционного управления ГИРом, изменяя смещение на варикапе регистрируем провал по напряжению, следя за показанием индикатора ГИРа. Установив (провал), сообщаем по телефону напарнику, который находится у трансивера.

Он должен настроиться на сигнал ГИРа и сообщить частоту. Оператор, который находится у пульта управления ГИРом  должен  проманипулировать кнопкой питания, включая и выключая ГИР, чтобы убедиться в правильности настройки. Ведь можно ошибочно настроиться на несущую какой – нибудь мощной радиостанции.

Определив резонансную частоту активной рамки, смотрим, в какую сторону по частоте нужно сместить резонанс рамки.

Подстройку производим регулировкой длины шлейфа активной рамки, контролируя приемником резонансную частоту. Настроив активную рамку на частоту 14,150, переходим к другой операции. Допустим, нам нужно настроить антенну на максимальное усиление вперед.

Включаем генератор, находящийся в дальней зоне и работающий на частоте 14,150, следя за показаниями S-метра трансивера, подстраиваем шлейф рефлектора, на максимальную амплитуду сигнала. После настройки рефлектора, проверяем еще раз по ГИРу резонанс активной рамки. Резонанс может сместиться в сторону.

Подстраиваем еще раз шлейф активной рамки. Теперь переходим к измерению входного сопротивления антенны. Переключаем коаксиальные реле, включаем трансивер на передачу (с необходимой для измерения мощностью) и, балансируя ВЧ мост, определяем активное сопротивление антенны на частоте 14,150.

Если сопротивление отличается от 75 Ом, значит, неправильно выбрано расстояние между рамками. При сопротивлении, большем 75 Ом, рамки нужно сблизить, если меньше 75 Ом – раздвинуть.

После коррекции расстояния между рамками необходимо еще раз провести измерения резонансной частоты активной рамки и по генератору, находящемуся в дальней зоне, еще раз настроить рефлектор. После этого делается еще одно измерение входного сопротивления антенны.

Допустим, мы настроили антенну по сопротивлению, но стрелка ВЧ моста при балансировке не доходит до нуля. Это говорит о том, что в антенне присутствует реактивность емкостного или индуктивного характера.

Компенсировать эту реактивность можно настройкой симметрирующего мостика, укорачивая или удлинняя мостик: индуктивный характер 0,24 лямбда. Чтобы не удалять часть оплетки с кабеля симметрирующего мостика, можно воспользоваться емкостной закороткой.

В конце мостика, возле перемычки, там, где оплетки кабелей соединяются между собой, на два параллельно идущих кабеля положить кусок мягкой медной фольги или белой жести прямоугольного сечения примерно 100х100 мм. Края фольги обвернуть вокруг кабеля с одной и другой стороны.

Такая перемычка, охватывая каждый кабель, двигается по полиэтилену, позволяя замкнуть два кабеля по переменному току (типа емкостной закоротки). Таким образом, двигая эту перемычку, можно в небольших пределах компенсировать реактивную составляющую антенны.

Настроив антенну в резонанс и согласовав ее по сопротивлению, скомпенсировав реактивность, мы можем быть уверены, что и КСВ будет единица. Вообще КСВ – метр в основном служит только для контроля за состоянием антенны и фидера.

Не понимая этого, можно настроить антенну по КСВ 1 и при этом иметь очень низкий КПД антенны, то есть превратить антенну в согласованную нагрузку. К тому же надо иметь в виду, что длинный кабель улучшает КСВ, это связано с потерями в кабеле. Поэтому настройка антенны с помощью одного КСВ – метра неверна.

При настройке антенны можно применять простейшие самодельные приборы, такие как ГИР, ВЧ мост, а в качестве генератора, который установлен в дальней зоне, – самодельный генератор на фиксированную частоту с кварцевой стабилизацией.

Если у Вас простейший ВЧ мост, не позволяющий увидеть реактивность, то есть определить, какого она характера, емкостного или индуктивного, это не беда. Просто, двигая перемычку на симметрирующем устройстве, Вы добиваетесь минимального отклонения стрелки при балансе моста; тем самым Вы компенсируете реактивность, не зная ее характера.

Если Вам при настройке антенны не удаюсь полностью компенсировать реактивность или подогнать сопротивление антенны под кабель, по ряду конструктивных или иных причин,  пойти компромисс, подобрав общую длину кабеля от антенны до трансивера кратной лямбда/2.

При этом Вы будете уверены, что антенна правильно настроена и согласована, а кабель запитан в режиме бегущей волны. Подбором длины кабеля Вы устраняете только небольшой процент рассогласования. Теперь насчет диаграммы направленности.

Для корректных измерений диаграммы направленности необходимо создать определенные условия при установке образцовой и измеряемой антенны, что не всегда возможно для данного диапазона и окружающей обстановки.

Например, в городских условиях среди железобетонных зданий с их краевым эффектом, в лучшем случае Вы снимете не диаграмму  аправленности Вашей антенны, а голограмму данного микрорайона.

Чтобы убрать влияние земли для диапазона 14 МГц, антенну пришлось бы поднять на высоту 80 м и отодвинуть зонд на несколько лямбда, что практически невыполнимо для данного диапазона. Поэтому достаточно измерить соотношение вперед – назад. После завершения настройки и согласования антенны, опустить антенну и заменить подвижные шлейфы рамок, впаяв жесткие перемычки необходимой длины.

EW8AU, Владимир Приходько, 246027, г. Гомель – 27, а/я 68

БЕЛАРУСЬ

Настройка антенн

Сконструированную антенну необходимо настроить перед тем как подключать ее к передатчику. Антенна настраивается на заданный диапазон волн.

Ее волновое сопротивление согласуется с волновым сопротивлением линии передачи, а линия передачи согласуется с выходом трансивера.

Обычно при настройке антенны радиолюбителю нет необходимости знать значения токов проходящих через антенну, а вполне достаточно иметь индикатор, который определит максимум тока.

Рисунок 44

На рис.44 представлены несколько вариантов индикаторов тока в антенне. Эти схемы отличаются видом связи с линией передачи или с антенной. Иногда возникает необходимость иметь индикатор напряжения. На рис.45 представлены схемы на неоновой лампочке.

Рисунок 45

Более чувствительные схемы изображены на рис. 46 В качестве измерителя используется прибор магнитоэлектрической системы изображения.

Рисунок 46

Для настройки антенны в резонанс можно пользоваться гетеродинным измерителем резонанса. Для определения резонансной частоты антенны необходимо, чтобы гетеродинный измеритель был по возможности сильно связан с антенной в точке пучности тока. Необходимо учитывать, что индикация резонанса происходит не только на основной частоте, но также и на гармониках.

После настройки антенны в резонанс нужно переходить к согласованию антенны с линией передачи. Антенну можно считать точно согласованной с линией передачи, если входное сопротивление антенны точно равно волновому сопротивлению линии передачи.

В случае, если сопротивление антенны отличается от сопротивления линии передачи, происходит отражение энергии, передаваемой по линии передачи, от точек питания антенны, и отраженная энергия возвращается к входу передатчика. Возникшие в результате отражений стоячие волны снижают коэффициент полезного действия антенного фидера.

При равенстве сопротивлений антенны и линии передачи отношение максимума напряжения к минимуму напряжения в линии равно приблизительно 1, что означает, что в линии отсутствуют стоячие волны. Отношение Uмакс / Uмин , как известно, называется коэффициентом стоячих волн (КСВ) и служит мерой согласования.

При согласовании антенн с линиями передачи стремятся получить КСВ, равный 1. Для настройки согласования с линией можно использовать двухламповый индикатор. На рис.47 показана его схема и конструкция.

Рисунок 47

Петля связи представляет собой отрезок симметричной линии связи. Длина отрезка не должна превосходит четверть длины волны, а на практике она выбирается размером в десятую часть длины волны. Оба конца петли коротко замкнуты, а посередине одна из жил разрывается, так что петля связи представляет собой как бы небольшой вибратор.

Проводники от места разрыва подключаются к резбе двух лампочек накаливания. Средний контакт этих лампочек спаиваются вместе и коротким проводником соединяются с ближайшим проводником линии. Обычно используются лампочки с параметрами: 3.8 Вольт, 0.07 А.

Если согласование линии связи с антенной достигнуто, то в этом случае лампочка 1, расположенная в направлении передатчика, светятся значительно ярче, чем лампочка 2, расположенная в направлении антенны. Последующая настройка заключается в том, чтобы достигнуть такого положения, когда лампочка 2 вообще не светится, а лампочка 1 светится ярко.

Это означает, что в линии отсутствуют стоячие волны. Для согласования с антенной коаксиального кабеля используется рефлектометр. Для изготовления рефлектометра необходимо использовать отрезок коаксиального кабеля того же типа, что и кабель, используемый для линии передачи. Как видно из рис.

48 отрезок кабеля изгибается и его концы включаются с помощью коаксиальных разъемов в линию питания. Между оплеткой и кабелем пропускается провод который подключается к переключателю. Концы этого провода должны быть как можно короче.

Рисунок 48

Параметры антенн

Общие сведения

Антенны – радиотехнические устройства, предназначенные для приема или излучения электромагнитных волн. Антенны является составной частью любой радиотехнической системы, связанной с излучением или приемом радиоволн. К таким системам относят: системы радиосвязи, радиовещания, телевидения, радиорелейной связи, радиолокации и др.

Конструктивно антенны представляет собой набор трубок, металлических пластин, проводов, металлических рупоров, отражающих металлических зеркал различной конфигурации, волноводов с металлическими стенками, в которых вырезаны щели, диэлектриков и магнитодиэлектриков.

Принцип работы: электромагнитные колебания высокой частоты, модулированные полезным сигналом, сформированные в передающем устройстве, преобразуются передающей антенной в электромагнитные волны и излучаются в пространство. Связь между передающим устройством и антенной осуществляется с помощью фидера (специальный кабель).

Электромагнитные волны, поступающие через фидер от передатчика, преобразуются антенной в расходящиеся электромагнитные волны свободного пространства.

Приемная антенна улавливает радиоволны, распространяемые в свободном пространстве (эфире) и преобразует их в высокочастотный сигнал, подводимый с помощью фидера к приемнику.

В соответствии с принципом обратимости, свойства антенны, работающей в режиме передачи, не изменяются при работе этой антенны в приемном режиме.

Краткие сведения об основных параметрах антенн

К основным характеристикам и параметрам приёмных и передающих антенн относятся:

полоса пропускания

поляризация

входной импеданс

коэффициент стоячей волны

диаграмма направленности

коэффициент направленного действия

коэффициент усиления антенны

коэффициент полезного действия антенны

шумовая температура антенны

Полоса пропускания антенны

Ширина полосы пропускания – это область рабочих частот антенны, где уровень принимаемого или излучаемого антенной сигнала находится в пределах 0.7 от максимальной амплитуды сигнала, а мощность в пределах 0.5 от максимальной мощности сигнала. Ширина полосы пропускания измеряется в единицах частоты (например, в кГц).

С шириной полосы пропускания антенны непосредственно связана неравномерность амплитудно-частотной характеристики антенны (АЧХ). Неравномерность АЧХ характеризует степень её отклонения от прямой, параллельной оси частот и измеряется в децибелах. Чем лучше рассчитана и выполнена антенна, тем равномерней её АЧХ.

Приёмные телевизионные антенны, в основном, широкополосные. Диапазонные телевизионные антенны 1-го, 2-го метровых и дециметрового диапазонов охватывают полосу частот от 48.5 МГц до 862 МГц.

От неравномерности АЧХ антенны сильно зависит качество приёма: при значительной неравномерности АЧХ отдельные телевизионные каналы будут приниматься антенной со значительным ослаблением, если их частота совпадет с провалами АХЧ антенны, что особенно заметно при удалённом приёме сигналов с телецентра.

Неравномерность АЧХ приёмного и передающего тракта зависит не только от качества самой антенны, но и от качества её согласования с фидером (кабелем) и качества самого фидера (кабеля).

У цифрового сигнала неравномерность АЧХ искажает форму принимаемого и передаваемого сигнала.

Поляризация электромагнитных волн

Поляризация электромагнитных волн (франц. polarisation; первоисточник: греч. polos ось, полюс) – нарушение осевой симметрии поперечной волны относительно направления распространения этой волны.

В неполяризованной волне колебания векторов s и v смещения и скорости (в случае упругих волн) или векторов Е и Н напряжённостей электрических и магнитного полей (в случае электромагнитных волн), в каждой точке пространства по всевозможным направлениям в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, быстро и беспорядочно сменяют друг друга, так что ни одно из этих направлений колебаний не является преимущественным. Поперечную волну назовут поляризованной, если в каждой точке пространства направление колебаний сохраняется неизменным или изменяется с течением времени по определённому закону. Плоскополяризованной (линейно-поляризованной) назовут волну с неизменным направлением колебаний, соответственно векторов s или Е. Если концы этих векторов описывают с течением времени окружности или эллипсы, то волну назовут циркулярной или эллиптически – поляризованной. Поляризованная волна может возникнуть: вследствие отсутствия осевой симметрии в возбуждающем волну излучателе; при отражении и преломлении волн на границе раздела двух сред (см. Брюстера закон); при распространении волны в анизотропной среде (см. Двойное лучепреломление). (см. Большой энциклопедический политехнический словарь) На практике: если сигнал с телецентра идёт в горизонтальной поляризации, то вибраторы антенны должны быть расположены параллельно плоскости земли, если сигнал передаётся в вертикальной поляризации, то вибраторы антенны должны быть расположены перпендикулярно плоскости земли, если сигналы передаются в двух поляризациях, то нужно использовать две антенны и сигналы с них суммировать. В зоне уверенного приёма можно поставить одну антенну под углом 45 градусов к плоскости земли.

Спутниковый телевизионный сигнал передаётся на Землю в линейной и в круговой поляризации. Для приёма таких сигналов используют разные конверторы: например, для Континент ТВ – линейный конвертор, а для Триколор ТВ – циркулярный конвертор. Форма и размер тарелки не оказывает на поляризацию никакого влияния.

Входной импеданс антенны

Важным параметром антенн является входное сопротивление: (входной импеданс антенны), характеризующее её как нагрузку для передающего устройства или фидера. Входным сопротивлением антенны называется отношение напряжения между точкой подключения (точкой возбуждения) антенны к фидеру, к току в этих точках.

Если антенна питается волноводом, то входное сопротивление определяется отражениями, возникающими в волноводном тракте. Входное сопротивление антенны состоит из суммы сопротивления излучения антенны и сопротивления потерь: Z = R(изл) + R (пот). R(изл) – в общем случае величина комплексная. В резонансе реактивная составляющего входного импеданса должна быть равна нулю.

На частотах выше резонансной импеданс имеет – индуктивный характер, а на частотах ниже резонансной – емкостной характер, что вызывает потерю мощности на границах рабочей полосы антенны.

R (пот) – сопротивление потерь антенны зависит от многих факторов, например, от близости ее к поверхности Земли или проводящим поверхностям, омических потерь в элементах и проводах антенны, потерь в изоляции.

Входной импеданс антенны должен быть согласован с волновым сопротивлением фидерного тракта (или с выходным сопротивлением передатчика) так, чтобы обеспечить в последнем режим, близкий к режиму бегущей волны.

У телевизионных антенн входной импеданс: логопериодической антенны – 75 Ом, у волнового канала – 300 Ом. Для антенн волнового канала при использовании телевизионного кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом требуется согласующее устройство, ВЧ трансформатор.

Коэффициент стоячей волны (KСВ)

Коэффициент стоячей волны характеризует степень согласования антенны с фидером, а также согласование выхода передатчика и фидера. На практике всегда часть передаваемой энергии отражается и возвращается в передатчик. Отраженная энергия вызывает перегрев передатчика и может его повредить.

КСВ рассчитывается следующим образом: KСВ = 1 / KБВ = (U пад + U отр) / (U пад – U отр), где U пад и U отр – амплитуды падающей и отраженной электромагнитных волн.

С амплитудами падающей (U пад) и отраженной (U отр) волн в линии КБВ связано соотношением: KБВ = (U пад + U отр) / (U пад – U отр)

В идеале КСВ=1, значения до 1,5 считаются приемлемым.

Диаграмма направленности (ДН)

Диаграмма направленности антенны – это графическое изображение коэффициента усиления антенны или коэффициента направленного действия антенны в полярной системе координат в зависимости от направления антенны в пространстве.

Диаграмма направленности (ДН) передающей (приемной) антенны характеризует интенсивность излучения (приема) антенны в различных направлениях в пространстве. Для передающей антенны рассматривают (ДН) по напряженности поля или по уровню его мощности. Направление максимального излучения – главный лепесток антенны, остальные лепестки (ДН) антенны являются побочными, в т.ч.

и задний лепесток. Для удобства строят нормированные (ДН) в вертикальной и горизонтальной плоскостях. В нормированной диаграмме направленности величина главного лепестка принимается за единицу, остальные лепестки рисуются пропорционально в масштабе относительно главного.

Для телевизионных антенн уменьшение угла раскрыва главного лепестка и подавление боковых лепестков приводит к повышению качества приёма сигнала: уменьшается уровень “пролаза” паразитных излучений источников помех, повышается чёткость картинки изображения за счёт устранения, в некоторых случаях, повторов изображения.

Хорошее качество изображения могут обеспечить только многоэлементные узконаправленные антенны.

Диаграмма направленности параболической антенны составляет от 0.2 град до 2 град. Чем больше размер антенны при хорошем качестве зеркала, тем уже (ДН) и соответственно устойчивей приём со спутника.

Диаграмма направленности является одной из самых наглядных характеристик приёмных свойств антенны. Построение диаграмм направленности производится в полярных или в прямоугольных (декартовых) координатах. Рассмотрим для примера построенную в полярных координатах диаграмму направленности антенны типа «волновой канал» в горизонтальной плоскости (рис. 1).

Координатная сетка состоит из двух систем линий. Одна система линий представляет собой концентрические окружности с центром в начале координат. Окружности наибольшего радиуса соответствует максимальной ЭДС, значение которой условно принято равным единице, а остальные окружности — промежуточные значения ЭДС от единицы до нуля.

Другая система  линий, образующих  координатную сетку, представляет  собой пучок прямых, которые делят центральный угол в 360° на равные части. В нашем примере этот угол разделен на 36 частей по 10° в каждой.
Положим, что радиоволна приходит с направления, показанного на рис. 1 стрелкой (угол 10°).

Из диаграммы направленности видно, что этому направлению прихода радиоволны соответствует максимальная ЭДС на клеммах антенны. При приеме радиоволн, приходящих с любого другого направления, ЭДС на клеммах антенны будет меньше. Например, если радиоволны приходят под углами 30 и 330° (т. е.

под углом 30° к оси антенны со стороны директоров), то значение ЭДС будет равно 0,7 максимальной, под углами 40 и 320° — 0,5 максимальной и т. д.

Рис. 1

На диаграмме направленности (рис. 1) видны три характерные области — 1, 2 и 3. Область 1, которой соответствует наибольший уровень принятого сигнала, называют основным, или главным лепестком диаграммы направленности. Области 2 и 3, находящиеся со стороны рефлектора антенны, носят название задних и боковых лепестков диаграммы направленности. Наличие задних и боковых лепестков свидетельствует о том, что антенна принимает радиоволны не только спереди (со стороны директоров), но и сзади (со стороны рефлектора), что снижает помехоустойчивость приема. В связи с этим при настройке антенны стремятся уменьшить число и уровень задних и боковых лепестков.
Описанную диаграмму направленности, характеризующую зависимость ЭДС на клеммах антенны от направления прихода радиоволны, часто называют диаграммой направленности по «полю», так как ЭДС пропорциональна напряженности электромагнитного поля в точке приема. Возведя в квадрат ЭДС, соответствующую каждому направлению прихода радиоволны, можно получить диаграмму направленности по мощности  (пунктирная линия на рис. 2). Для численной оценки направленных свойств  антенны пользуются  понятиями угла раствора основного лепестка диаграммы направленности и уровня задних и боковых лепестков. Углом раствора основного лепестка диаграммы направленности называют угол, в пределах которого ЭДС на клеммах антенны спадает до уровня 0,7 от максимальной. Угол раствора  можно также определить, пользуясь диаграммой    направленности  по  мощности, по ее спаду  до уровня 0,5 от максимальной  (угол раствора по «половинной» мощности). В обоих «случаях  численное  значение угла  раствора получается, естественно, одним  и тем же.  

Уровень задних и боковых лепестков диаграммы направленности по напряжению определяется как отношение ЭДС на клеммах антенны при приеме со стороны максимума заднего или бокового лепестка к ЭДС со стороны максимума основного лепестка. Когда антенна имеет несколько задних и боковых лепестков различной величины, то указывается уровень наибольшего лепестка.

Рис. 2

Коэффициент направленного действия (КНД)

Коэффициент направленного действия: (КНД) передающей антенны — отношение квадрата напряженности поля, создаваемой антенной в направлении главного лепестка, к квадрату напряженности поля создаваемой ненаправленной или направленной эталонной антенной (полуволновый вибратор – диполь, коэффициент направленного действия которого по отношению к гипотетической ненаправленной антенне равен 1,64 или 2,15 дБ) при одинаковой подводимой мощности. (КНД) является безразмерной величиной, может выражаться в децибелах (дБ, дБи, дБд). Чем уже главный лепесток (ДН) и меньше уровень боковых лепестков, тем больше КНД. Реальный выигрыш антенны по мощности относительно гипотетического изотропного излучателя или полуволнового вибратора характеризуется коэффициентом усиления по мощности КУ (Мощ.), который связан с (КНД) соотношением:

КУ (Мощ.) = КНД – КПД (коэффициент полезного действия антенны)

Коэффициент усиления (КУ)

Коэффициент усиления (КУ) антенны — отношение мощности на входе эталонной антенны к мощности, подводимой к входу рассматриваемой антенны, при условии, что обе антенны создают в данном направлении на одинаковом расстоянии равные значения напряженности поля при излучении мощности, а при приёме – отношение мощностей, выделяемых на согласованных нагрузках антенн.

КУ является безразмерной величиной, может выражаться в децибелах (дБ, дБи, дБд).

Усиление антенны характеризуется выигрышем по мощности (напряжению), которая выделяется в согласованной нагрузке, подключенной к выходным зажимам рассматриваемой антенны, по сравнению с “изотропной” (то есть имеющей круговую ДН) антенной или, например, полуволновым вибратором.

При этом надо учитывать направленные свойства антенны и потери в ней (КПД). У телевизионных приёмных антенн (КУ) равен, примерно, коэффициенту направленного действия (КНД) антенны, т.к. коэффициент полезного действия таких антенн находится в пределах 0,93…0,96. Коэффициент усиления широкополосных антенн зависит от частоты и неравномерен во всей полосе частот.

В паспорте на антенну нередко указывают максимальное значение (КУ).

Коэффициент полезного действия (КПД)  

В режиме передачи, (КПД) – это отношение мощности излучаемой антенной к мощности, подведённой к ней, так как существуют потери в выходном каскаде передатчика, в фидере и самой антенне, КПД антенны всегда меньше 1. В приёмных телевизионных антеннах КПД находится в пределах 0,93…0,96.

Шумовая температура

Шумовая температура антенны – характеристика мощности шумов антенны по всём диапазоне принимаемых частот. Сами антенны не “шумят”. Источником шумов являются объекты на Земле и в космосе. Чем уже диаграмма направленности антенны, тем меньше влияют на неё шумы.

На Земле” шумят” все предметы, атмосфера и сама Земля, поэтому шумы антенны зависят от её угла места и наличия посторонних предметов в направлении приёма (ветки деревьев и др.).Источниками шумов являются и электромагнитные излучения, вызванные деятельностью человека.

Типичная шумовая температура параболической антенны диаметром 90 см в Ku-диапазоне для угла места 30 градусов – 25-30 К.

Шумы окружающего пространства и приёмного тракта (конвертор + ресивер) повышают порог устойчивой работы приёмной системы для спутникового сигнала, на практике это приводит к увеличению размеров тарелки, т.к. применение малошумящих конверторов и ресиверов даёт меньший эффект.

10.3.2. Направленные антенны

Выше были рассмотрены наиболее распространенные виды антенн с круговой диаграммой направленности. Эти антенны не позволяют получить большого усиления, а из-за круговой диаграммы все они относятся к классу относительно “шумных” антенн, поскольку они одинаково воспринимают шумы и помехи с любого направления.

Для обеспечения связи между двумя неподвижными станциями, расстояние между которыми превышает “дальнобойность” антенн типа GP, с успехом используют направленные антенны “Волновой канал” (рис. 10. 10). Эти антенны концентрируют максимум излучения в нужном направлении, обеспечивая выигрыш как при передаче, так и при приеме.

Существенную роль при установлении устойчивой радиосвязи играет поляризация излучаемого сигнала. Известно, что при дальнем распространении поверхностная волна испытывает заметно меньшее затухание при использовании горизонтальной поляризации.

Именно поэтому горизонтальная поляризация используется в телевидении. Применение антенн с горизонтальной поляризацией оправдано и в условиях Си-Би связи. Описанные далее антенны при горизонтальном расположении вибратора имеют горизонтальную поляризацию.

Прием же ими сигналов радиостанций с вертикальной поляризацией будет сопровождаться заметным ослаблением.

Рис. 10. 11. Полуволновый вибратор

Самой простой из направленных антенн бесспорно считается полуволновый вибратор (рис. 10. 11). Эта антенна используется при приеме телевидения и подробно рассмотрена в разделах 3. 2, 4. 2. Коэффициент усиления антенны принимается за единицу измерения, так как коэффициенты усиления других антенн определяются относительно полуволнового вибратора.

Диаграмма направленности антенны имеет вид восьмерки в горизонтальной плоскости и круга в вертикальной. Подключение к вибратору может быть выполнено кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом.

Возникающая при этом асимметрия, искажающая диаграмму направленности, проще всего устраняется с помощью ферритового кольца большого диаметра, на которое наматывается 2-4 витка используемого кабеля. Кольцо желательно располагать как можно ближе к антенне, а кабель – перпендикулярно вибратору на длине не менее 3 м от антенны.

Для Си-Би диапазона длина вибратора должна быть 5, 22-5, 25 м. Эта антенна обычно не требует настройки. При подключении к такой антенне 50-омного кабеля (или подключении 75-омного кабеля к радиостанции) обеспечивается КСВ=1, 5, что вполне приемлемо.

Удлиняя полуволновый вибратор, получают конструкцию, получившую название “Длинный провод” (рис. 10. 12), обладающую существенно большим усилением. На практике наиболее распространены антенны длиной L или 2L, поскольку размещение более длинных антенн на современных дачных участках и на крышах городских зданий затруднительно.

С учетом влияния краевых емкостей, полная длина вибратора составляет для L – 10,8 м, для 2L – 21,8 м. Для антенны длиной L максимум излучения ориентирован под углом 50° к направлению провода, а усиление по сравнению с полуволновым вибратором составляет 0,5 дБ.

Для антенны длиной 2L эти параметры составляют – 30° и 1,5 дБ соответственно.

Сопротивление излучения антенн “Длинный провод” при высоте подвеса более 5 м над землей составляет 80 Ом для L и 105 Ом для 2L.

Для согласования их с 50-омным кабелем удобно использовать четвертьволновый трансформатор с волновым сопротивлением 75 Ом, т. е.

включить между фидером и антенной 2-метровый отрезок телевизионного кабеля необходимой толщины, не менее толщины 50-омного фидера (рис. 10.13).

Рис. 10.13. Согласующий трансформатор

На рис. 10.14 показана несимметричная, а на рис. 10.15 – симметричная антенна. Для предотвращения затекания тока на внешнюю поверхность кабеля (что искажает диаграмму направленности антенны) желательно намотать 2-4 витка кабеля на ферритовое кольцо большого диаметра вблизи точки присоединения к антенне.

Объединив описанные выше антенны таким образом, чтобы их диаграммы суммировались, получают антенну типа V (рис. 10. 16). Угол раскрыва а зависит от длины проводов. В частности, при длинах L и 2L величина a составляет 100° и 70°, а усиление – 3,5 дБ и 4,5 дБ соответственно.

Данная конструкция одинаково излучает в двух направлениях: вперед и назад. Входное сопротивление настроенных в резонанс антенн типа V составляет около 100 Ом при длине L и 120 Ом при длине 2L (высота подвеса также влияет на сопротивление).

Согласование антенн с 50-омным кабелем может быть выполнено с помощью трансформатора, показанного на рис. 10.13.

При соединении вместе двух антенн типа V таким образом, чтобы их диаграммы суммировались, получают Ромбическую антенну (рис. 10.17). Направленность этой антенны выражена существенно сильнее.

При подключении к вершине ромба, противоположной точкам питания, нагрузочного сопротивления величиной Rн и мощностью, равной половине мощности передатчика, достигается подавление заднего лепестка диаграммы направленности на 15-20 дБ. –

Рис. 10.17. Ромбическая антенна

Направление главного лепестка диаграммы направленности в горизонтальной плоскости совпадает с диагональю а. В вертикальной плоскости главный лепесток ориентирован горизонтально. Размеры ромбических антенн сведены в табл. 10.7, обозначения соответствуют рис. 10.17.

Таблица 10.7 Размеры ромбических антенн

Согласование приведенных ромбических антенн с 50-омным кабелем удобно осуществляется с помощью четвертьволнового трансформатора, выполняемого из двух двухметровых отрезков кабеля (рис. 10.13). Оплетки кабелей, входящих в трансформатор, соединены между собой и больше никуда не подключаются.

Поскольку трансформатор в этом случае выполнен симметричной линией, симметрирующий трансформатор на ферритовом кольце при этом можно разместить на 50-омном кабеле фидера вблизи трансформатора.

Для согласования антенны длиной L или 2L в трансформаторе используются отрезки 50-омного или 75-омного кабеля соответственно.

Одной из лучших направленных антенн является антенна типа “Двойной квадрат”. Как все “проволочные” антенны, она достаточно проста в изготовлении своими силами и не требует дорогостоящих материалов. Антенны типа “Двойной квадрат” обладают следующими характеристиками.

Коэффициент усиления по отношению к антенне типа GP длиной 5/8L -8-9 дБ. Полоса частот (по уровню КСВ= 1,6) – от 26,600 до 27,900 МГц.

Поляризация – вертикальная. Подавление заднего лепестка диаграммы направленности – не менее 20 дБ.

Сравнение характеристик антенны GP 5/8L и описываемой антенны проводилось при связи между Москвой (Ясенево) и Наро-Фоминском, т. е. при малых углах излучения по отношению к горизонту, что наиболее важно для проведения дальних связей поверхностной волной. Конструкция антенны показана на рис. 10.18.

Рис. 10.18. Антенна “Двойной квадрат” на металлической раме

Траверса длиной 220 см изготовлена из двух стальных труб диаметром 30 и 24 мм с толщиной стенок 3 мм. Одна труба вдвигается в другую для удобства транспортировки.

В собранном виде трубы траверсы скрепляются сквозными болтами. На концах траверсы приварены крестовины из отрезков двухдюймовой трубы.

Для крепления к мачте в середине траверсы приваривается стальной стакан диаметром 60 и длиной 250 мм.

Распорки антенны (8 шт.) длиной 1900 мм выполняют из круглых палок орешника. На концы распорок туго насажены отрезки пластмассовой трубки длиной 100 мм с отверстиями на концах, через которые пропускается антенный канатик. Сами распорки закрепляются в крестовинах с помощью зажимных винтов.

Рекомендуется канатик, изготовленный из оплетки кабеля, диаметром около 3 мм. Общая длина канатика вибратора (включая шлейф) – 11 м 2 см. Общая длина канатика рефлектора (включая шлейф) – 11 м 30 см.

Целесообразно предусмотреть некоторый запас длины канатика, который можно будет удалить после настройки антенны.

Кабель питания с волновым сопротивлением 50 Ом подключается к середине боковой стороны вибратора. Расстояние между точками подключения центральной жилы и оплетки кабеля – 70 мм.

Конструктивно узел питания вибратора выполняется в виде пластмассовой коробочки, заполненной герметикам для защиты места заделки кабеля от осадков. От вибратора кабель идет горизонтально до крестовины, затем вдоль траверсы до мачты и, далее, вдоль мачты вниз.

Настроечные шлейфы имеют длины: у вибратора – 100 мм, у рефлектора – 500 мм. Перемычки при настройке присоединялись накруткой, а после окончания настройки пропаивались.

Настройку начинают с вибратора. Регулируя длину шлейфа, добиваются минимума КСВ на средней частоте диапазона.

Длину шлейфа рефлектора настраивают, добиваясь максимального усиления антенны. Для этого любой генератор с излучателем располагают как можно дальше перед антенной (не ближе 20 м), антенну кабелем подключают к приемнику со стрелочным S-метром и добиваются максимума показаний.

Есть положительный опыт построения антенн этого типа на основе несущей конструкции, выполненной целиком из дерева. Это существенно снижает ее вес, что облегчает подъем на мачту, кроме того, более легкую антенну проще сделать вращающейся.

При изготовлении конструкции из дерева следует принять меры для защиты ее от атмосферных воздействий. Несущую траверсу и крестовины рекомендуется промазать олифой или лаком для паркета.

Некоторые радиолюбители обматывают всю деревянную конструкцию бинтом, пропитанным нитролаком или нитрокраской. Это несколько утяжеляет конструкцию, но делает ее более долговечной.

Возможно также окрасить конструкцию 2-3 слоями финского лака “Pinotex”, что позволяет использовать обычные сосновые рейки.

Данная антенна обладает большой парусностью, поэтому все винтовые соединения следует выполнять с использованием шайб Гровера. Естественно, все резьбовые соединения целесообразно защитить от коррозии оконной замазкой или пластилином.

Конструкция антенны показана на рис. 10.19, а на рис. 10.20 -конструкция узлов крепления траверсы к мачте и к опорам.

Рис. 10.19. Антенна “Двойной квадрат” на деревянной раме

Пластины можно изготовить из дюралюминия, текстолита, фанеры, т. е. любых материалов, обеспечивающих необходимую механическую прочность. Проволока, из которой изготавливаются вибратор и директор, может быть медной, диаметром 1, 0-2, 0 мм. Еще лучше использовать антенный канатик.

Для крепления вибраторов на опорах можно использовать фарфоровые ролики-изоляторы, которые шурупами закрепляются на рейках опор. Вибратор и рефлектор антенны настраиваются шлейфами, поэтому нужно предусмотреть возможность крепления шлейфов на опорах, например так, как показано на рис. 10.

21.

Какой расчет размеров антенны следует рекомендовать? Для расчета длины провода излучателя в книге К. Ротхаммеля предлагается следующая формула:

Расчет проведем для 20 канала сетки С, т. е. для частоты 27, 200 МГц. Размер L получается равным 11, 103 м. Одна сторона квадрата равна L/4, что составляет 2, 776 м. Длина одной опоры вибратора получается равной 1, 963 м.

Длина траверсы должна составлять 0,2L., что дает размер 2, 22 м. Длина провода рефлектора должна быть несколько больше, что обеспечивается выбором длины шлейфа при настройке.

Длину настроечных шлейфов рекомендуется выбрать в пределах 0,7-0,8 м, а расстояние между проводами шлейфов – равным 5-15 см.

На рис. 10.22 приведена электрическая схема антенны. Описанная антенна имеет вертикальную поляризацию, ее ожидаемое усиление составляет 8-11 дБ. Для получения расчетной диаграммы направленности точка питания антенны должна быть расположена на высоте большей или равной половине длины волны (т. е. 5,5 м) от земли. Методика настройки антенны соответствует ранее описанной.

Рис. 10.22. Схема электрических соединений

Трехэлементная антенна Delta Loop (рис. 10.23) относится к классу направленных, ширина лепестка излучения в горизонтальной плоскости составляет около 70°. Диаграмма имеет вытянутую форму, что дает выигрыш по сравнению со штыревой антенной GP длиной L/4 примерно в 10 раз по мощности, т. е.

радиостанция мощностью 4 Вт в направлении основного излучения звучит так же громко, как радиостанция с усилителем 40 Вт при работе на обычный штырь. Положительный эффект при работе с дальними станциями еще больше усиливается за счет того, что приемник не воспринимает помехи с боков и сзади антенны.

Недостаток этой антенны -невозможность поворачивать ее в направлении разных корреспондентов.

Длина провода рамки рефлектора – 11,72 м.

Длина провода рамки активного элемента – 11,2 м.

Длина провода рамки директора – 10,75 м.

Провод можно использовать медный, диаметром 1,5-2 мм. Если антенна предназначена для непродолжительной работы в полевых условиях, годится даже алюминиевый провод. Узел крепления кабеля А можно выполнить, как показано на рис. 10. 24.

Рис. 10. 24. Узел крепления А

Используется пластина из оргстекла или текстолита толщиной 3-5 мм. Отсчет длины провода активного элемента нужно вести от точек XX. Расстояния d1 и d2 равны 2 м и 1 м соответственно. Все открытые места соединении необходимо гидроизолировать пластилином.

При высоте мачт 5 м скрутка проводников рамок расположена примерно на уровне груди, что несколько низковато. Идеально было бы иметь нижнюю точку на высоте 5 м и более, но это требует более высоких мачт.

При мачтах высотой 5 м конструкция легко выполнима в домашних условиях и дает большой эффект по сравнению со штырем.

Если установить реле-замыкатели на рефлекторе и директоре (рис. 10.25), то, меняя с помощью шлейфов их размеры, можно переключать направление излучения антенны на 180°. В этом случае размеры рамок директора и рефлектора делают равными 10,75 м, а длина провода шлейфа должна быть равна 1 м. В этом варианте размеры d1 = d2 = 1,5 м. Можно использовать реле типа РЭС9, РЭС48, РЭС49. 

Рис. 10.25. Антенна с переключаемой диаграммой направленности

Внимание: Никогда не переключайте направление излучения при включенном передатчике – сгорят контакты реле.