Железо / 151130

Железо / Антенны / Си-Би Радиосвязь / Антенны / Направленная антенна "Волновой канал"

Направленная антенна "Волновой канал"

Направленные антенны позволяют добиться большей эффективности работы радиостанции. На Си-Би радиостанции обычно используется одна антенна для приема и передачи, поэтому направленная антенна, имеющая определенное усиление, дает выигрыш как по приему, так и по передаче. Выигрыш в режиме передачи состоит в том, что уровень сигнала, принимаемого корреспондентом, будет выше на величину усиления антенны. В режиме приема принимаемый сигнал также будет выше на величину усиления антенны, но кроме того будут дополнительно ослаблены помехи, приходящие с направлений, отличных от направления на полезный сигнал. Этот выигрыш часто оказывается наиболее важным с точки зрения эффективности связи, поэтому антенны настраивают не по максимальному усилению, а по максимальному отношению усиления в прямом и обратном направлениях. Одной из широко распространенных типов направленных антенн является антенна "волновой канал" или "Яги" по фамилии одного из изобретателей. Конструкция 4-х элементной антенны "волновой канал" представлена на рис. 1.25.

Направленная антенна Волновой канал 1-131.jpg

Рис. 1.25

Как видно из рисунка, антенна "волновой канал" представляет собой систему вибраторов, расположенных на общем несущем буме. -а счет разной длины элементы имеют различные резонансные частоты. Подбирая длину элементов и их взаимное расположение, можно добиться усиления излучения в одном направлении. Длина вибратора, к которому подключается кабель питания, выбирается такой, чтобы обеспечить резонанс на рабочей частоте. Элемент, имеющий несколько большую длину, чем вибратор, обеспечивает отражение электромагнитной волны в сторону вибратора и называется рефлектором. Элементы, имеющие несколько меньшую длину, чем вибратор, обеспечивают дополнительную фокусировку излучения и повышают направленность антенны и называются директорами. В целом элементы составляют сложную резонансную систему, в которой обеспечиваются необходимые параметры антенны. Расчеты и опыт эксплуатации показывают, что невозможно обеспечить оптимизаций всех параметров одновременно. Так, при регулировке на максимальное усиление уменьшается ослабление в обратном направлении и полоса частот с допустимым значением КСВ. При регулировке на максимальное отношение усиления вперед/назад падает усиление в прямом направлении. На рис. 1.26 изображена антенна с размерами, обеспечивающими достаточно хороший компромисс всех параметров.

Направленная антенна Волновой канал 1-132.jpg

Рис. 1.26

В первую очередь при компьютерном моделировании данной антенны решалась задача получения полосы пропускания не менее 2 сеток. Широкополосную антенну проще настраивать и при изготовлении в домашних условиях проще добиться хорошего результата. Большинство промышленных антенн также оптимизируются по полосе пропускания с сохранением достаточно большого усиления. Основные параметры антенны приведены на рис. 1.27.

Направленная антенна Волновой канал 1-133.jpg

Рис. 1.27

Как видно из рисунка, антенна имеет КСВ меньше 2 в полосе частот 1,4 МГц. Эта полоса с запасом перекрывает разрешенные сетки С и D. В полосе пропускания усиление составляет не менее 9 дБи (при расположении антенны в свободном пространстве). Соотношение усиления вперед/назад около 15дБ. На рис. 1.28 изображена диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости сильно зависит от высоты установки антенны и проводимости "земли". При установке антенны на проводящей крыше здания (в том числе и железобетонной) крыша и будет являться "землей". -а счет отражения от "земли" антенна будет иметь большее усиление и диаграмма направленности в вертикальной плоскости будет более острой, чем диаграмма направленности этой же антенны в свободном пространстве. На рисунках 1.29 - 1.31 приведены диаграммы направленности в вертикальной плоскости при высоте установки антенны 1/2, 3/4 и 1 длины волны.

Направленная антенна Волновой канал 1-134.jpg

Рис. 1.28

Следует отметить, что в реальных условиях земля не обладает идеальной проводимостью и при отражении от земли будут потери излучённой антенной мощности. Усиление антенны в этих условиях окажется меньше расчетного, а диаграмма направленности (в вертикальной плоскости) более широкой.

В зависимости от диаметра примененных труб, высоты установки над землей и других местных условий размеры могут несколько отличаться от указанных. Антенна, естественно, может быть настроена и на другие близлежащие частоты путем пропорционального изменения всех размеров. Конструкция антенны предусматривает возможность такой настройки. Антенна представляет собой цельнометаллическую конструкцию из тонкостенных дюралевых труб. В качестве несущего бума используется труба диаметром около 50 мм. Элементы составлены из труб двух диаметров. Центральная часть длиной около 3 метров изготавливается из трубы диаметром 20...25 мм. Концевые части элементов изготавливаются из более тонкой трубы. Диаметр этой трубы подбирается таким, чтобы она плотно входила в центральную часть. Для закрепления соединения в более толстой трубе ножовкой делается пропил на глубину 30 мм. Тонкая труба вставляется в более толстую не менее чем на 300 мм (для обеспечения прочности и возможности последующей настройки) и вся конструкция скрепляется автомобильным хомутом подходящего диаметра. Конструкция узла крепления элементов к буму изображена на рис. 1.32.

Направленная антенна Волновой канал 1-135.jpg

Рис. 1.29

Крепление U-образными болтами более предпочтительно с точки зрения прочности конструкции, поэтому если есть возможность использовать уголок большего сечения (50х50), то целесообразней не сверлить отверстия в элементах антенны и применить для крепления U-образные болты. Способ крепления к мачте или поворотному устройству в основном определяется их конструктивными особенностями и здесь не рассматривается.

Направленная антенна Волновой канал 1-136.jpg

Рис. 1.30

Направленная антенна Волновой канал 1-137.jpg

Рис. 1.31

После сборки антенны все резьбовые соединения стоит защитить краской или герметиком. Это предотвратит самопроизвольное отворачивание гаек и, с другой стороны, позволит при необходимости отвернуть гайки после длительного пребывания антенны под открытым небом.

Направленная антенна Волновой канал 1-138.jpg

Рис. 1.32

После сборки антенны необходимо обеспечить ее согласование с кабелем. На рис. 1.33 приведена зависимость комплексного сопротивления антенны от частоты. -начком Х отмечена частота 27,9 МГц, а значком О - частота 26,9 МГц. Кривая линия, соединяющая эти точки, представляет собой график зависимости комплексного сопротивления антенны от частоты. Пересечение этой кривой шкалы активного сопротивления (вертикальная линия) показывает сопротивление антенны при резонансе - 32,5 Ом. Окружность в центре рисунка ограничивает область, где входное сопротивление антенны соответствует значению КСВ менее 2 при непосредственном подключении 50-омного кабеля (в этом случае вибратор делается разрезным). Однако в этом случае приемлемое значение КСВ обеспечивается не во всем заданном диапазоне частот. Для точного согласования целесообразно использовать одно из согласующих устройств. На рис. 1.35 приведена зависимость

комплексного сопротивления антенны с согласующим устройством от частоты при условии точного согласования с 50-омным кабелем на частоте 27,4 МГц. При этом КСВ во всем частотном диапазоне антенны менее 2.

Направленная антенна Волновой канал 1-139.jpg

Рис. 1.33

Для согласования антенны с кабелем используется гамма-согласующее устройство. На рис. 1.34 приведена схема этого устройства и приведены необходимые размеры.

Конструкция гамма-согласующего устройства показана на рис. 1.36. Длина тонкой трубки составляет 600 мм, что несколько больше величины, указанной на рис. 1.34 из-за особенностей примененного конденсатора. Конденсатор С1 гамма-согласующего устройства имеет коаксиальную конструкцию. С отрезка 50-омного

Направленная антенна Волновой канал 1-1310.jpg

Рис. 1.34

Направленная антенна Волновой канал 1-1311.jpg

Рис. 1.35

коаксиального кабеля длиной 600 мм снимается защитная оболочка и медная оплетка. С одной стороны на расстоянии 20 мм снимается внутренний изолятор. Внутренний проводник облуживается и припаивается к разъему SO-239. -атем этот отрезок кабеля вставляется в тонкую трубку. Скоба крепления и перемычка изготавливаются из мягкого алюминиевого листа толщиной около 1,5 мм. Скоба крепления фиксируется U-образной шпилькой, крепящей вибратор к буму.

Направленная антенна Волновой канал 1-1312.jpg

Рис. 1.36

Настройка антенны на минимальное значение КСВ на частоте 27,4 МГц производится путем перемещения перемычки. После настройки фиксирующие болты на перемычке затягиваются и защищаются герметиком или краской. Необходимо отметить, что настройку антенны следует проводить на той высоте, на которой она в дальнейшем будет эксплуатироваться. Поэтому конструкция мачты с поворотным устройством должна предусматривать возможность многократного подъема и опускания антенны.

В заключение следует отметить, что изготовление сложных направленных антенн можно рекомендовать опытным радиолюбителям, имеющим необходимые знания и опыт постройки и эксплуатации антенн. Начинающим стоит придерживаться правила "от простого к сложному".

Железо / Антенны / Си-Би Радиосвязь / Антенны / Направленная антенна "Волновой канал"