Основные виды приёмо-передающих антенн

Полуволновый симметричный диполь, многодиапазонная антенна Windom, несимметричный вибратор, штыревая антенна.
Классификация разных типов антенн и их основные характеристики

Антенна представляет собой металлическую конструкцию, преобразующую энергию ВЧ колебаний от передатчика в электромагнитную волну, распространяющуюся от антенны в пространство. Или в случае приёма, производящую обратное действие – преобразование электромагнитной волны в ВЧ колебания, поступающие в приёмное устройство.

Среди огромного набора радиотехнических и конструктивных характеристик и параметров антенн, отметим несколько наиболее важных:
— коэффициент усиления (КУ) антенны,
— диаграмма направленности (ДН) и её тип,
— входной импеданс антенны и коэффициент стоячей волны (КСВ) в линии передачи,
— резонансная частота, рабочая полоса частот (по качеству согласования).

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ АНТЕНН:

1. Полуволновый диполь, он же симметричный диполь, он же полуволновый разрезной вибратор.

Полуволновый диполь (Рис.1) является самым распространённым резонансным устройством среди антенн. Он служит точкой опоры для оценки усиления любого типа антенны. А это означает, что его усиление составляет 1 (или 0дБ).



Рис.1 Полуволновой вибратор

Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости, представляет собой восьмёрку, расположенную перпендикулярно антенне (Рис.2 а). В вертикальной плоскости (Рис.2 б), диаграмма в свободном пространстве представляет собой окружность.


Рис.2 а) диаграмма направленности в горизонтальной, б) в вертикальной плоскости

Поскольку полуволновой диполь, как правило, расположен не в свободном пространстве, а на некотором (сопоставимом с длиной волны) расстоянии от земли, происходит деформация диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости. Объясняется это просто - эффектом отражения излучаемых радиоволн от земли.
В справочнике Карла Ротхаммеля "Антенны" (том 1, стр. 54) приводится ряд диаграмм вертикальной направленности для высот подвеса горизонтального полуволнового диполя: 0,125...2λ. На основании этих диаграмм и таблицы величин оптимальных углов возвышения (угол между излучением и поверхностью земли) для разных КВ диапазонов, автор пишет следующее:
Энергия, излучаемая антенной под углами возвышения более 40° и менее 5°, неэффективна для дальней связи.
Поместить антенну как можно выше всегда выгодно, но уже при высоте 12м можно рассчитывать на приличную дальнюю связь на диапазонах 10...20м, в то время как антенна для 40-метрового диапазона должна находиться на высоте не менее 15м.

— Рабочая полоса частот полуволнового симметричного диполя по уровню КСВ<2 составляет около 6% от значения частоты резонанса вибратора.
— Сопротивление излучения и входной импеданс антенны Rs = 73,2 Ом.
— Напомню, что усиление антенны Ку составляет 1 или другими словами - 0дБ.

При малой мощности диполь можно непосредственно подключать к коаксиальному кабелю 75 или 50 Ом. Если мощность велика, то сильнее проявляется асимметрия токов (начинает заметно излучать оплётка кабеля), что приводит к искажению диаграммы направленности, помехам телевидению и радиоприёму (TVI) и снижению КПД всего антенно-фидерного устройства. В этом случае, необходимо между коаксиальным кабелем (фидером) и антенной включить симметрирующее устройство. Чаще всего радиолюбители используют так называемый “запорный дроссель” – несколько витков коаксиального кабеля наматывают на ферритовый сердечник. Такой дроссель не симметрирует антенну, а подавляет синфазные токи в оплётке коаксиального кабеля.

Стоит отметить, что симметричный диполь вовсе не обязан иметь длину, равную половине длины.
Имеет право на жизнь и волновой диполь, то есть диполь, имеющий l ≈ λ (сдвоенный цеппелин), а также диполь, имеющий длину l ≈ 1,28λ (удлинённый сдвоенный цеппелин).
Ротхаммель приводит следующие параметры этих диполей:
волновой диполь: Ку = 1,47 (1,67дБ); Rs = 199,2 Ом;
удлинённый сдвоенный цеппелин: Ку = 2 (3 дБ); Rs = 98 Ом.

Данный тип антенн не требует заземления или противовесов.

2. Многодиапазонная антенна Windom или полуволновой диполь со смещённой точкой запитки.

Оказывается, что для того, чтобы заставить диполь работать на нескольких диапазонах, достаточно просто сместить точку питания антенны от центра. Популярным вариантом такого диполя со смещённой точкой запитки является антенна Windom, названная в честь придумавшего её в 1936 году радиолюбителя Loren Windom.
После ряда несущественных модификаций, конструкция антенны Windom получила вид, представленный на Рис.3.


Рис.3 Конструкция антенны Windom

Обычно в литературе предлагается использовать соотношение плеч 1/3, а общую длину полотна антенны выбирать равной половине длины волны нижнего частотного диапазона.
Входное сопротивление антенны Windom в точке разреза зависит от высоты подвеса и обычно составляет 200-300 Ом.

Диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях на нижних рабочих диапазонах схожи с ДН симметричного диполя, далее (по мере повышения частоты диапазонов) приобретают всё более причудливые формы.


Рис.4 Диаграммы направленности антенны Windom

Для примера на Рис.4 приведены диаграммы направленности антенны Windom в горизонтальной плоскости для двух крайних диапазонов: 7МГц (слева) и 28МГц (справа).

В качестве трансформатора сопротивлений (балуна) можно предложить следующее исполнение на тороидальных сердечниках из порошкового железа с коэффициентом трансформации 1:4.


Рис.5 Варианты балуна 1:4 для антенны Windom

Используемый тип сердечников: T106-2 (до 100Вт), T157-2 (до 250Вт), T200-2 (до 400Вт), T400-2 (до 1000Вт). Количество витков каждой обмотки - 14...18.

Также балун можно выполнить на низкочастотных ферритовых биноклях. Для примера на Рис.6 приведена конструкция с коэффициентом трансформации сопротивлений 1:6, т.е. для вариантов антенн с сопротивлением излучения 300 Ом.


Рис.6 Варианты балуна для антенны Windom на биноклях

Ничто не мешает сделать балун 4: 1 и с воздушным сердечником:
или
Рис.7 Варианты балуна для Windom на катушках с воздушным сердечником

Эти трансформаторы имеют те же характеристики, что и предыдущие. Намотка производится на пластиковых цилиндрах диаметром 40 мм. Первый балун состоит из одной катушки, второй – из двух независимых катушек и обладает более стабильными параметрами в широком диапазоне подводимых мощностей.

3. Несимметричный вибратор, полудиполь или попросту – штыревая антенна.

Классическая штыревая антенна представляет собой вибратор длиной в четверть длины волны и систему заземления под ним. В простейшем случае система заземления является системой четвертьволновых противовесов.
Однако в качестве длины вибратора можно применять и 1, 5/8, 3/4, 1/2 длины волны.

Рис.8 а) Штыревая антенна, б) Зависимость диаграммы направленности от длины штыря

Штыревая является антенной поверхностного луча, излучающей электромагнитную энергию равномерно во все стороны вдоль земной поверхности, но не излучающей в зенит. Диаграмма направленности штыревой антенны представляет собой правильную окружность в горизонтальной плоскости и лепесток (либо полулепесток) в вертикальной плоскости (Рис.8 б). При этом лепесток направлен под некоторым углом к земной поверхности, зависящим от свойств почвы и длины антенны. Наиболее эффективной является антенна с размерами от ¼ до ½ длины волны (четвертьволновой и полуволновой вибраторы). Удлинение антенны до ¾ λ прижимает лепесток к земле, дальнейшее удлинение, наоборот, направляет основное излучение вверх.

Сопротивление идеальной четвертьволновой вертикальной антенны (штырь над идеальной проводящей поверхностью) два раза меньше, чем у эквивалентного симметричного вибратора, т. е. составляет 36 Ом.
Коэффициент направленного действия (а, следовательно, и коэффициент усиления) идеального несимметричного вибратора в два раза больше, чем у эквивалентного симметричного вибратора, так как при одинаковой мощности излучения первый обеспечивает в два раза большую плотность мощности (вся его мощность излучается в одно полупространство).

Всё сказанное справедливо только лишь в одном случае – когда земля представляет собой идеальный проводник либо очень развитую систему противовесов. Во всех остальных случаях следует учитывать искажения практически всех параметров: и диаграммы направленности, и входного импеданса, и коэффициента усиления антенны. Именно поэтому штыревые антенны редко находят применение в стационарных конструкциях и наиболее часто используются в качестве антенн на различных видах транспорта. При этом наиболее оптимальным вариантом будет являться четвертьволновый штырь, установленный в центре крыши автомобиля. В этом случае корпус автомобиля будет выступать в качестве противовеса, а антенна на УКВ частотах максимально соответствовать идеальной штыревой антенне.

Стационарные 4-волновые вибраторы нуждаются в земле или хотя бы системе противовесов. Длина этих противовесов определяет резонансную частоту антенны, хотя и не так радикально, как длина активного (излучающего) элемента. Количество противовесов определяет качество создаваемой ими "земли" – чем их больше, тем выше КПД излучения. Но этот КПД растёт от количества противовесов нелинейно, и на практике большого смысла делать более 4...6 противовесов не имеет. Угол расположения данных противовесов относительно вибратора довольно сильно влияет на входное сопротивление антенны в точке питания. Известное число 36 Ом дано для прямого угла между вибратором и противовесами.

Часто для согласования антенны с 50-омным кабелем делается угол раскрыва 110...130°, что повышает сопротивление четвертьволнового вибратора примерно до этой же величины.
Одновременно с этим угол расположения противовесов относительно вибратора определяет диаграмму направленности всей антенны в вертикальной плоскости. При увеличении угла диаграмма приближается из верхней полусферы к горизонту, т. е. ближе к земле.

Дальше