Эффективная УКВ антенна
Инж. И. Пикельберг
Для служебных и любительских радиосвязей широко используются УКВ. Радиосвязь на УКВ имеет следующие преимущества: независимость от погоды, времени суток, года, малый уровень помех, небольшие габариты аппаратуры и антенн. Служебные радиосвязи на УКВ осуществляются с помощью подвижных, переносных и стационарных радиотелефонных станции. Они применяются на строительстве, в сельском хозяйстве, на нефтепромыслах, в лесхозах, на трапспорте. В городах радиотелефонными станциями оборудуют автомашины скорой медицинской помощи, пожарные и аварийные автомашины, такси.В качество антенн обычно применяют вертикально расположенные четвертьволновый несимметричный или полуволновым симметричный вибраторы.
Диаграмма направленности вертикального вибратора я горизонтальной плоскости имеет форму окружности, что позволяет с успехом использовать его для установления связи в любом направлении вдоль земной поверхности. В вертикальной плоскости антенна имеет главный максимум излучения, расположенный вдоль земной поверхности, что особенно выгодно в случае низко расположенных антенн, столь характерных для подвижных объектов. Наиболее удобной в конструктивном отношении антеннoй подвижного объекта является четвертьволновый штырь. Увеличение напряженности поля в пункте приема возможно путем применения передающих антенн, создающих еще более направленное излучение в вертикальной плоскости. Одним из известных путей создания таких антенн для стационарных радиостанции является конструирование многоярусных коаксиальных антенн. Их усиление в 2,5—3,5 раза больше, чем у вертикального симметричного вибратора. Для сравнения диаграммы направленности в вертикальной плоскости этих антенн изображены на рис. 1
Рис. 1. Нижние лепестки диаграммы, направленности в вертикальной
плоскости вертикального вибратора (1) и многоярусной коаксиальной антенны (2).На рис.2 показана коаксиальная антенна, которая состоит из трех симметричных вертикальных полуволновых разрезных вибраторов I, II и III, расположенных на общей вертикальной мачте.
Рис. 2. Трехъярусная коаксиальная антенна (а) и распределение тока вдоль неё (б).Каждое из плеч вибраторов имеет длину около λ/4, где λ — средняя длина волны рабочего диапазона. Вибраторы выполняют из металлической трубки с наружным диаметром 12—30 мм. Коаксиальный кабель проходит внутри плеч б — е. Центральная жила и внутренняя изоляция кабеля непрерывны по всей своей длине. Центральная жила припаяна к плечу а в точке 2. Оплётка кабеля оканчивается в точке 3 и имеет разрывы между точками 6—7 и 10—11. В точках 3, 6, 7, 10, 11 она припаяна к трубкам.
Вибраторы также могут быть выполнены из оплетки кабеля этой же или другой марки, дли чего снятую с кабеля оплетку следует надеть в виде чулка па наружную изоляцию фидера. Применение вибраторов из оплетки кабеля делает антенну более легкой, а при отсутствии трубок и избытке кабеля ускоряет ее изготовление.
Центральная жила кабеля и плечо а могут быть рассмотрены как одиночный провод конечной длины. В таком проводе устанавливается стоячая волна тока с узлом на конце. Волна, распространяющаяся по плечу а, не испытывает укорочения. Волна, распространяющаяся в коаксиальном кабеле, укорачивается (расчет коэффициентов укорочения см. в журнале «Радио» 1964. №7, стр. 31—32). Ввиду отсутствия оплетки кабеля между точками 6-7 и 10-11 волна здесь не испытывает укорочения, однако из-за малой длины участков (50—70 мм) с достаточной для практики точностью этим можно пренебречь. Плечи б, в, г, д питаются следующим образом. Под влиянием тока центральной жилы на внутренней поверхности оплетки наводится ток, который попадает и па наружную поверхность трубки. Ток, наводимый на внутренней поверхности оплетки, противофазен току центральной жилы. При выходе на поверхность трубки ток меняет свое направление па 180 град и в точках питания антенны становится синфазным с током центральной жилы. Ток плеча а является продолжением тока центральной жилы, ток плеча е - продолжением тока внутренней поверхности оплетки фидера.
Известно, что синфазно питаемые и расположенные на одной линии вибраторы создают излучение, концентрированное в узком пучке, лежащем в плоскости, проходящей через эту линию. Для синфазного питания полуволновых вибраторов I, II и III расстояние между вибраторами выбирается равным длине волны в кабеле λк. Задачу симметрирования антенны решают плечи вибраторов б — е, каждый из которых совместно с наружной поверхностью оплетки образует известный в радиотехнике симметрирующий «стакан».
Входное сопротивление одного полуволнового вибратора равно 75 ом. С увеличением числа последовательно питаемых вибраторов входное сопротивление антенны несколько падает и при трех вибраторах достигает 50 ом. Поэтому для питания антенны можно применить стандартные коаксиальные кабели с волновыми сопротивлениями 75 или 50 ом.
Общая длина антенны L (расстояние между точками 1—12) равна
где N — число симметричных полуволновых вибраторов антенны. На длинноволновом участке УКВ диапазона общая длина антенны может достигать больших размеров. Если это создает конструктивные неудобства, то можно ограничиться двумя вибраторами I и II при некотором уменьшении усиления.
Мачту антенны изготавливают из дерева или другого непроводящего материала. Трубки крепят на изоляторах. Кабель между точками 4—5, 8—9 крепят к мачте с помощью скобок. В точках 3, 6, 7, 10, 11 оплетку кабеля раскладывают равномерно но всей поверхности среза трубки и припаивают к ней. Промежутки 2—3, 6—7, 10—11, а также зазоры между трубкой и кабелем в точках 4, 5, 8, 9, 12 герметизируют пластилином. Отверстие 1 закрывают пробкой и также герметизируют.
Пример расчета антенны
Задание. Рассчитать трехъярусную антенну для работы в диапазоне 144—146 Мгц.
Применим трубку с наружным диаметром D=28 мм и внутренним d=25 мм. Определяем длину плеча вибратора с учетом укорочения l=k(λ/4), где k — коэффициент укорочения, зависящий от отношения длины волны к диаметру трубки λ/D. Значения этого коэффициента даны в таблице.
λ/D
20
40
100
200
400
1 000
2 000
4 000
10 000
h
0.925
0.942
0.956
0.962
0.967
0.970
0.972
0.975
0.978
Интерполируя, находим k=0,95. Следовательно,
Выбираем кабель РК-50-7-12 с волновым сопротивлением 50 ом и наружным диаметром 11,2 мм. Внутренняя изоляция кабеля — из полиэтилена, имеющего ε=2,5.
Определяем расстояние между точками питания вибраторов:
Длина антенны:
Описанная антенна была сконструирована и опробована на длинноволновом участке УКВ диапазона. Результаты эксплуатации в течение ряда лет подтвердили ее эффективные свойства.
ЛИТЕРАТУРА:
Б. Ф. Дубровин, «Радиотелефонная связь с подвижными объектами», Госэнергоиздат, 1956 г.
И. П. Жеребцов, «Техника метровых волн», из-во ДОСААФ, 1955 г.
Paдиo № 1, 1971 г.
Калькуляторы разработал Николай Большаков - RA3TOX
[ На главную] [ В раздел Антенны]
