штирові антену
1. Визначення і поняття.
Несиметричними (штирьовими) називають антени, розташовані безпосередньо у землі (або металевого екрана) перпендикулярно (рідше похило) до її поверхні.
Якщо вважати землю ідеально провідної і враховувати дзеркальне відображення, то несиметричний вібратор можна вважати половиною еквівалентного йому симетричного вібратора (рис. 1).
Опір випромінювання несиметричного вібратора в два рази менше, ніж у еквівалентного симетричного вібратора, оскільки при однакових струмах перший випромінює в два рази меншу потужність (немає випромінювання в нижню полупространство) [1].
Вхідний опір несиметричного вібратора в два рази менше, ніж у еквівалентного симетричного вібратора, оскільки при однакових струмах харчування у першого напруга живлення в два рази менше (рис. 1).
Коефіцієнт спрямованої дії несиметричного вібратора в два рази більше, ніж у еквівалентного симетричного вібратора, оскільки при однакової потужності випромінювання перший забезпечує в два рази більшу кутову щільність потужності, так як вся його потужність випромінюється в одне півпростір (рис.2).
Все сказане справедливо для ідеального несиметричного вібратора, тобто коли земля є ідеальний провідник. Якщо ж земля має поганими провідними властивостями, поле випромінювання вібратора змінюється. Крім того, це призводить до зменшення амплітуди струму в вібраторі і, отже, до підвищення його опору і зменшення випромінюваної потужності. Грунт є діелектриком з великою діелектричною проникністю (рівній майже 80), що призводить до зміни електричної довжини мнимого диполя, а також довжини шляху струмів зміщення. Результат - повне спотворення діаграми спрямованості (підняття пелюсток вгору і зникнення випромінювання під малими кутами до горизонту) і збільшення опору штиря.
З цієї причини практично не використовують грунт в якості "землі", а використовують штучну землю.
2. Земля штирьовий антени
Теоретичні розрахунки показують, що найбільші втрати мають місце в зоні з радіусом 0,35 довжини хвилі, тому в цій зоні бажано провести "металлизацию" землі: з'єднати радіальні дроти між собою перемичками (рис.3). Дуже добре, якщо ця металлизация буде проведена на всій відстані противаг.
Противаги слід ізолювати від землі. Якщо вони будуть лежати на землі, то від вологи їх електрична довжина не буде резонансної для антени. Так само повинні бути ізольовані від землі і їх кінці. Тільки в одному випадку можна не ізолювати кінці противаг від землі: якщо вони надійно з'єднані кільцем-перемичкою (рис.3).
Ніколи не слід забувати про те, що ідеальна штирьова антена має ККД 47%, а ККД антени з 3 противагами - менше 5%. Значить, працюючи з штирьовою антеною з трьома противагами, з ваших 200 ват, які підводяться до штиря, 180 ват (.) Марно губляться, попутно створюючи TVI. Багато процесів в іоносфері нелінійні, тобто відображення радіохвиль починається, скажімо, при потужності, що підводиться до вашої антени в 7 ват, і вже повністю не відбувається при 5 ВАТ. Значить, ви втрачаєте унікальні можливості DX QSO, заощадивши на дроті для противаг.
Слід ще врахувати спотворення діаграми спрямованості при малій кількості противаг. З кулястої вона стає пелюсткової, що має напрямок уздовж противаг. Завдання про знаходження оптимальної кількості противаг була вирішена мною за допомогою ЕОМ. Рішення представлено на рис.4. З нього видно, що мінімально необхідну кількість противаг одно 12. При більшому їх кількості ККД зростає повільно. Противаги повинні бути розташовані на однаковій відстані відносно один одного.
Кут їх розташування щодо штиря повинен бути від 90 ° до 1350. При великих і менших кутах падає ККД і д.н. спотворюється. Противаги повинні бути довжиною не менше основного штиря. Ето'можно пояснити тим, що протікають між штирем і противагами струми зміщення займають певний об'єм простору, який бере участь у формуванні діаграми спрямованості. Зменшуючи довжину противаг, а, отже, зменшуючи обсяг простору, службовець формуванню д.н. ми суттєво погіршуємо характеристики антени. З великим наближенням можна сказати, що кожній точці на штирі відповідає своя точка на противазі. Однак немає необхідності використовувати противаги довше ніж основний штир.
Противаги і сам штир повинні бути покриті захисною фарбою. Це необхідно для того, щоб матеріал, з якого виконана антена, що не окислюється. Окислення вібраторів приводить в непридатність антену через те, що тонка плівка оксиду має значний опір, а так як на ВЧ сильно виражений поверхневий ефект, то енергія передавача поглинається і розсіюється в тепло цією плівкою.
Вкрай бажано використовувати для цього радіокраску (ту, якою фарбують локатори). Звичайна фарба містить частинки барвника, що поглинають ВЧ енергію. Але, в крайньому випадку, можна використовувати і звичайну фарбу.
3. Розміри вібраторів штирьовий антени
Як відомо, опір випромінювання антени Різлі пропорційно відношенню L / d, де L - довжина і d - діаметр антени. Чим менше відношення L / d, тим широкосмугового антени і більше ККД.
Слід врахувати, що при використанні товстих вібраторів позначається "торцевої ефект". Він обумовлюється ємністю між торцями вібратора і землею. Фізично це виражається в тому, що антена виходить "довше" розрахункової. Для його зменшення зазвичай широкосмугові штирі мають конусоподібну форму. Розрахунки показують, що мінімально необхідна товщина противаг повинна становити
d - діаметр противаг, D - діаметр штиря, n - кількість противаг.
Часто радіоаматори не можуть встановити четвертьволновий штир і використовують штир, що має менші розміри. В принципі можна узгодити штир будь-якої довжини за допомогою узгоджувальних пристроїв. Однак короткі штирі мають мале активну і велику реактивний опір [3] і будуть узгоджені вельми неоптимально (на самих узгоджувальних пристроях може розсіятися до 90% енергії). А якщо ще при цьому використовуються і сурогатні короткі противаги, то ефективність такої антеною системи буде дуже низька. Однак в засобах рухомого зв'язку часто такі сурогатні антени застосовуються. Але це тільки тому, що інші види укорочених антен будуть працювати ще гірше!
4. Діаграми спрямованості штирьових антен
Багатьох цікавить, як впливає висота підйому штиря на його діаграму спрямованості в горизонтальній площині і залежить чи його опір від висоти підвісу. Найважливіший результат [4] полягає в тому, що розподіл струмів в штирі не залежить від висоти його підвісу при наявності ідеальної "землі". Практично це означає, що на якій би висоті штир не знаходився, його опір буде постійним. Загальний результат рішення показує, що якщо штир налаштований в резонанс, то його нижній кінець можна заземлити. При цьому його можна живити в будь-якій точці.
На результатах цього важливого висновку і створені штирові антени (прапор-антени, щогла-антени), нижній кінець яких з'єднаний з "землею" і які харчуються через гамма-узгодження.
Діаграми спрямованості вертикальній площині півхвильового штиря наведені на рис.5. З цього малюнка видно, що чим вище піднімається антена, тим положе кут випромінювання до горизонту. Це пояснюється тим, що відбувається складання излученной штирем хвилі і хвилі, відбитої від землі. Якщо грунт має поганими провідними властивостями, то діаграма спрямованості буде близька до діаграми спрямованості штиря над землею. Піднімати антену на висоту більше довжини хвилі не має сенсу, тому що при цьому вже не відбувається зменшення кута випромінювання, а тільки починають дробитися верхні бокові пелюстки.
Слід запам'ятати ще одну цікаву особливість штирів, висота яких дорівнює довжині хвилі і більш. Такі антени в професійній зв'язку використовуються як антіфедінговие [5]. Це означає, що така антена буде приймати без проблем сигнал, який надходить з завмираннями на четвертьволновий штир або диполь.
5. Узгодження штирьових антен
рис.6
Опір несиметричного вібратора, що має різну товщину, розраховується за формулою / 1 /: Ra = (1 + n2) .36n, де n = ln (d / d1) / ln (d / d2).
Широкодіапазонні вібратори, виготовляються з товстих труб, штирів, пластин. Можуть бути як конічними, так і ромбічними, циліндричними, суцільними і гратчастими (рис.7). Перекриття діапазону робочих частот залежить від ставлення I / O. Чим воно менше, тим шірокополосіее вібратор. Всім добре відома антена UW4HW є широкосмуговим несиметричним вібратором, а вертикальний випромінювач UA1DZ - широкосмуговим симетричним вібратором.
Конічні антени - окремий випадок широкосмугових вібраторів (рис.8).
Поле випромінювання створюється струмами, які обтікають ко-НПУ, а диск грає роль екрану і майже не випромінює. При куті розкриву 600 досягається найбільший коефіцієнт перекриття діапазону, рівний п'яти, при КБВ> 0,5 в фідері з хвильовим опором 50 Ом. При цьому максимальна довжина хвилі дорівнює 3,6. Діаграма спрямованості діскоконусной антени KB і УКВ приблизно така ж, як і звичайного штиря. На KB застосовують дротяний варіант конусної антени (рис.8б), в якій замість конуса використовується плоский дротяний віяло, а замість диска - система заземлення з радіальних проводів.
Окремо хочу звернути увагу на антени-щогли. Особливо-стю таких антен є те, що нижній їх кінець заземлений.
Антена верхнього харчування (рис.9) збуджується за допомогою фідера, прокладеного всередині щогли. Це принципово. Д.н. його така ж, як і у звичайного штиря, але втрати при випромінюванні і прийомі більше, так як радіохвиля відбивається від землі при випромінюванні.
Антена середнього харчування (рис.10) являє собою щоглу з двох частин, порушувану послідовно в точках 1 і 2 напругою, що подається за допомогою фідера, прокладеного всередині нижньої частини. Опір антени в точках харчування Ra = Rb / cos2kll, де до - коефіцієнт укорочення, Rb - опір "чистого" вібратора в точці 3. Підбираючи співвідношення між 11 і 12, можна узгодити антену з фідером харчування. Принципове значення має те, що фідер повинен проходити всередині нижньої частини антени. Недолік - труднощі з ізолятором для верхньої її частини.
Антена шунтового харчування (рис.11) збуджується паралельно за допомогою шунта, що під'єднується до щогли на деякій висоті 11. Зазвичай вхідні реактивні опору нижньої і верхньої частин антени мають індуктивний і відповідно ємнісний характер, і по вхідному опору в точці 1 антена еквівалентна паралельного контуру. Підбором величини 11 забезпечується найкраще узгодження з фідером харчування. Розподіл струмів таке, що частково послаблює випромінювання антени, тому шунт слід робити мінімальних розмірів. Класична реалізація шунтового харчування - гамма-узгодження.
Часто, особливо при побудові антен для низькочастотних діапазонів, немає можливості розташувати вібратор вертикально щодо землі. При розташуванні штиря похило щодо землі діаграма спрямованості, звичайно, спотвориться.
Слід мати у своєму розпорядженні по можливості більше противаг під тією частиною антени, яка нахилена. Треба, також по можливості, піднімати противаги так, щоб вони утворювали з антеною кут не більше 135 °. Слід пам'ятати, що така антена більш важка відповідно через наявність значної реактивної складової.
література:
1. Н.Т.Бова, Г.Б.Резінков. Антени та пристрої НВЧ; Київ, Вища школа, 1982.
2. Н.Н.Федоров. Основи електродинаміки; М. Вища школа, 1980.
3. З.Беньковскій, Е.Ліпінскій. Аматорські антени коротких і ультракоротких хвиль; М., Радіо і зв'язок, 1983.
4. Г.З.Айзенберг. Короткохвильові антени; М. Радио и связь 1985.
5. Г.Б.Белоцерковскій. Основи радіотехніки і антен; М. Радио и связь, 1983.
І.ГРІГОРОВ (UZ3ZK), 308015, Білгород-15, а / с 68.