Z - АНТЕННА ДЕЦИМЕТРОВЫХ ВОЛН

В статье Антенна дециметровых волн доказывается бесплодность попыток увеличить коэффициент усиления антенной решетки без учета согласования ее элементов с фидером. Ниже рассматривается практическая конструкция z - образной антенны с учетом теоретической части вышеупомянутой статьи.

Трудности, связанные с согласованием элементов антенны с фидером, преодолевают либо применением специальных согласующих устройств, либо выбором специальных типов антенн. Например, в дециметровом и особенно в сантиметровом диапазонах волн применяют, как правило, так называемые апертурные антенны, т. е. рупорные или параболические. Особенность таких антенн заключена в том, что они имеют простой, “небольших” размеров облучатель, и “большой”, сравнительно сложный рефлектор. “Большой” рефлектор и обусловливает направленные свойства антенны, определяет ее КНД.

Выполнить в любительских условиях антенны апертурного типа на диапазон ДЦВ не представляется возможным, так как они громоздки и сложны. Но некоторое подобие апертурной антенны сконструировать можно, положив в основу облучатель в виде известной зигзагообразной антенны (з-антенны). Полотно такой антенны состоит из восьми замкнутых одинаковых проводников, которые образуют две ромбовидные ячейки (рис. 1).

Рис.1 Полотно z - антенны.

Для формирования диаграммы направленности антенны, в частности, необходимо, чтобы излучатели были сфазированы и разнесены относительно друг друга, 3-антенна имеет одну пару точек питания (а—б), к которой непосредственно подключают фидер. Благодаря такой конструкции антенны ее проводники возбуждаются так (частный случай направления токов на проводниках антенны на рис. 1 показан стрелками), что образуется своеобразная синфазная решетка из четырех вибраторов. В точках П—П проводники полотна антенны замкнуты между собой и здесь всегда имеется пучность тока. Антенна имеет линейную поляризацию. Ориентация вектора электрического поля Е на рис. 1 показана стрелками.

Диаграммы направленности з-антенны удовлетворяют диапазону частот с перекрытием fмакс / fмин 2...~2,5. Ее КНД мало зависит от изменения угла a , так как с увеличением его уменьшение направленности антенны в плоскости Н компенсируется увеличением направленности в плоскости Е, и наоборот.

Характеристика направленности з-антенны симметрична относительно плоскости, в которой расположены проводники ее полотна.

В связи с тем, что в точках П—П нет разрыва проводников полотна антенны, то здесь имеются точки нулевого потенциала (нули напряжения и максимумы тока) независимо от длины волны. Это обстоятельство позволяет обойтись без специального симметрирующего устройства при питании коаксиальным кабелем. Кабель прокладывают через точку нулевого потенциала П и по двум проводникам полотна антенны подводят к точкам ее питания (рис. 2). Здесь оплетку кабеля соединяют с одной из точек питания антенны, а центральный проводник — с другой. Принципиально оплетку кабеля в точке П тоже нужно замкнуть накоротко на полотно антенны, однако, как показала практика, делать это не обязательно. Достаточно кабель подвязать к проводам полотна антенны в точке П, не нарушая его полихлораиниловой оболочки.

Рис.2 Точки питания z-антенны.

Зигзагообразная антенна широкополосна и удобна тем, что ее конструкция сравнительно проста. Это ее свойство позволяет допускать значительные отклонения (неизбежные при изготовлении) в ту или иную сторону от расчетных размеров ее элементов практически без нарушения электрических параметров.

Кривая 1, показанная на рис. 3, характеризует зависимость КБВ от отношения l/l в 75-омном фидере для з-антенны, приведенной на рис. 2, а кривая 2 — аналогичную зависимость для значений ее КНД. С увеличением отношения l/l КНД з-антенны вначале растет, а достигнув некоторого максимума — уменьшается. Начальный рост КНД объясняется увеличением (в длинах волн) размеров полотна з-антенны, а спад — расфазировкой ее элементов после прохождения оптимального соотношения l/l .

Рис. 3 График зависимостей для z-антенны и фидера

Пользуясь графиками рис. 3, можно построить з-антенну, имеющую максимально возможный КНД для данного типа полотна антенны. Ее входное сопротивление в диапазоне частот в значительной степени зависит от поперечных размеров проводников, из которых выполнено полотно. Чем толще (шире) проводники, тем лучше согласование антенны с фидером. Вообще же для полотна з-антенны пригодны проводники самого различного профиля — трубки, пластины, уголки и т. п.

Рабочий диапазон з-антенны можно расширить в сторону более низких частот без увеличения размера l путем образования дополнительной распределенной емкости проводников ее полотна, а общие размеры, выраженные в длинах максимальной волны рабочего диапазона, уменьшить. Достигается это перемыканием части проводников з-антенны, например, дополнительными проводниками (рис. 4), которые и создают дополнительную распределенную емкость.

Рис. 4. Способ образования дополнительной распределенной емкости проводников полотна антенны.

Диаграммы направленности такой антенны в плоскости Е аналогичны диаграммам симметричного вибратора. В плоскости Н диаграммы направленности с увеличением частоты претерпевают значительные изменения. Так, в начале рабочего диапазона частот они лишь слегка сжаты под углами, близкими к 90°, а в конце рабочего диапазона поле практически отсутствует в секторе углов ±40...140°.

Для увеличения направленности антенны, состоящей из зигзагообразного полотна, применяют плоский экран-рефлектор, который часть высокочастотной энергии, падающей на экран, отражает в сторону полотна антенны. В плоскости полотна фаза высокочастотного поля, отраженного рефлектором, должна быть близка к фазе поля, создаваемого самим полотном. В этом случае происходит требуемое сложение полей и экран-рефлектор примерно удваивает первоначальный коэффициент усиления антенны. Фаза отраженного поля зависит от формы и размеров экрана, а также от расстояния S между ним и полотном антенны.

Как правило, размеры экрана значительные и фаза отраженного поля зависит, главным образом, от расстояния S. На практике редко выполняют рефлектор в виде единого металлического листа. Чаще он представляет собой ряд проводников, расположенных в одной плоскости параллельно вектору поля Е.

Длина проводников зависит от максимальной длины волны l _макс рабочего диапазона и размеров активного полотна антенны, которое не должно выступать за пределы экрана. В плоскости Е рефлектор обязательно должен быть несколько больше половины l _макс. Чем толще проводники, из которых делают рефлектор, и ближе они расположены друг к другу, тем меньшая часть энергии, падающей на него, просачивается в заднее полупространство.

По конструктивным соображениям экран не следует делать очень плотным. Достаточно, чтобы расстояния между проводниками диаметром 3...5 мм не превышали 0,05...0,1l _мин — минимальной волны рабочего диапазона. Проводники, образующие экран, можно соединить между собой в любом месте и даже приваривать или припаивать к металлической раме. Если они расположены в плоскости самого рефлектора или за ним, то их влиянием на работу рефлектора можно пренебречь.

Во избежание дополнительных помех не следует допускать, чтобы проводники (полотна антенны или рефлектора) от ветра терлись либо касались друг друга.

Рис.5 Конструкция z-антенны с рефлектором

Один из возможных вариантов антенны с рефлектором показан на рис. 5. Ее активное полотно состоит из плоских проводников — планок, а рефлектор — из трубок. Но она может быть полностью металлической. В местах соединений элементов антенны должен быть надежный электрический контакт.

На значение КБВ в тракте с волновым сопротивлением 75 Ом в значительной мере влияют как ширина планки d_пл (или радиус провода) активного полотна антенны, так и расстояние S, на которое оно удалено от экрана. Максимум КБВ будет при l/l _макс и почти не зависит от ширины планки. Для оптимального согласования с фидером в широком диапазоне частот полотно з-антенны следует располагать от экрана на расстоянии S >= 0,18l _макс 4. С увеличением расстояния S КНД антенны снижается и сужается диапазон частот, в пределах которого направленные свойства з-антенны не претерпевают заметных изменений. Таким образом, с точки зрения улучшения КНД антенны расстояние S желательно уменьшать, а с точки зрения согласования — увеличивать.

Для крепления полотна антенны к плоскому рефлектору используют стойки. В точках П—П (рис. 4 и 7) стойки могут быть как металлическими, так и диэлектрическими, а в точках У—У— обязательно диэлектрическими.

В ряде практических случаев приема сигналов по 21—39 каналам телевидения имеющегося коэффициента усиления (КУ) з-антенны о плоским экраном может оказаться недостаточным. Увеличить КУ, как уже говорилось, можно построением антенной решетки, например, из двух или четырех з-антенн с плоским экраном. Есть, однако, другой путь увеличения КУ — усложнение формы рефлектора з-антенны. Приводим пример, каким должен быть рефлектор з-антенны, чтобы ее КУ соответствовал значению КУ антенной синфазной решетки, построенной из четырех з-антенн. Этот путь наиболее простой и доступный в любительской практике, чем построение антенной решетки.

На рисунках антенны размеры всех ее элементов указаны применительно к приему телепрограмм по 21—39 каналам.

Активное полотно антенны, показанной на рис. 4, выполнено из плоских металлических пластин толщиной 1...2 мм, наложенных друг на друга “внахлест” и скрепленных винтами с гайками, В точках соприкосновения пластин должен быть надежный электрический контакт. Конструктивно активное полотно антенны имеет осевую симметрию, что позволяет прочно закрепить его на плоском экране. Для этого используют стойки-опоры, располагая их в вершинах П—П и У—У квадрата, образуемого пластинами полотна антенны. Точки П—П имеют “нулевой” потенциал по отношению к “земле”, поэтому стойки в этих точках могут быть из любого материала, в том числе металлическими. Точки У—У имеют некоторый потенциал по отношению к “земле”, поэтому стойки в этих точках должны быть только из диэлектрика (например, из оргстекла). Кабель (фидер) к точкам а—б питания прокладывают по металлической опоре к одной (нижней) точке П и далее по сторонам полотна антенны (см. рис. 4). Особое внимание следует обратить на ориентацию вектора Е, характеризующего поляризационные свойства антенны. Направление вектора Е совпадает с направлением, соединяющим "точки а—б питания антенны. Зазор между точками а—б должен быть около 15 мм без зазубрин и прочих следов небрежной обработки пластин.

Основой плоского экрана-рефлектора служит металлическая -крестовина, на которой, как на каркасе, размещают активное полотно антенны и проводники экрана. За крестовину антенну в сборе надежно прикрепляют к мачте с таким расчетом, чтобы поднятая она была выше местных мешающих предметов (рис. 6).

Рис. 6 Правильная ориентировка на телецентр.

При изготовлении рефлектора типа “усеченный рупор” все стороны плоского рефлектора удлиняют створками и загибают их так, чтобы образовать фигуру по типу “полуразвалившейся” коробки, у которой дно — плоский экран, а стенки — створки. На рис. 7 такой объемный рефлектор показан в трех проекциях со всеми размерами. Сделать его можно из металлических трубок, пластин, проката различного профиля. В точках пересечения металлические стержни должны быть сварены или спаяны. На том же рис. 7 показано и место размещения активного полотна антенны с точками П—П, У—У. Полотно удалено от плоского рефлектора — доныщка усеченного рупора — на 128 мм. Стрелка символизирует ориентацию вектора Е. Почти все проекции стержней рефлектора на фронтальную плоскость параллельны вектору Е. Исключением являются лишь часть силовых стержней, образующих каркас рефлектора. Если рефлектор выполнен из трубок, диаметр трубок силовых стержней может быть 12...14 мм, а остальных — 4...5 мм.

Рис. 7 Конструкция з-антенны с объемным рефлектором.

КНД антенны с рефлектором типа “усеченный рупор” при заданных размерах соизмерим с КНД объемного ромба (1) и изменяется до диапазону частот в пределах 40...65. Это означает, что на верхних частотах рабочего диапазона антенны половина угла раскрыва ее диаграммы направленности составляет около 17°.

Форма диаграммы направленности антенны, показанной на рис. 7, примерно одинакова для обеих плоскостей поляризации. При установке антенны на местности ее ориентируют на телецентр. Конструкция антенны осесимметрична по отношению к направлению на телецентр что может, стать источником поляризационной ошибки при ее установке на мачту. Здесь надо учитывать, какую поляризацию имеют сигналы, приходящие от телецентра. При их горизонтальной поляризации точки питания а—б антенны должны быть расположены в горизонтальной плоскости, а при вертикальной поляризации — в вертикальной плоскости.

Литература
1. Харченко К., Канаев К. Объемная ромбическая антенна — Радио, 1979, № 11, с. 35—36.

К. Харченко, ВРЛ 94.