Что такое директор на антенне

Опубликовано: 07.05.2025

Антенны Яги относятся к продольным излучателям и используют в своем составе элементы, возбуждаемые излучением. Этот тип антенн получил свое название по имени одного из его изобретателей, японского профессора Яги. Иногда используется наименование «антенны Яги-Уда», а в русскоязычных источниках такие антенны называют антеннами типа «волновой канал». Эта конструкция антенн была специально разработана для диапазона радиоволн от высоких частот (ВЧ, HF) до верхней части диапазона очень высоких частот (ОВЧ, UHF). Антенны Яги очень популярны по причине простоты их конструкции и относительно высокого коэффициента усиления. Как правило, их относят к высоконаправленным антеннам. Помимо радио, антенны этого типа применяются и в радиолокации.

Элементы, из которых состоит антенна Яги, показаны на Рисунке 1. Расстояния между ними выбираются не одинаковыми. Единственный элемент антенны, который возбуждается от передатчика, это активный вибратор. Все остальные элементы являются пассивными, однако играют важную роль в формировании излучения антенны. Излучение элементов складывается в фазе при распространении в прямом направлении и в противофазе — в противоположном. Ширина полосы частот антенны Яги определяется длиной и диаметром элементов, а также расстоянием между ними. Для большинства конструкций ширина полосы обычно составляет всего несколько процентов от частоты, на которую проектировалась антенна.

Антенна Яги, изображенная на Рисунке 1, имеет один рефлектор, один петлевой вибратор в качестве активного элемента и три директора. В общем, чем больше используется пассивных элементов (директоров и рефлекторов), тем выше коэффициент усиления антенны. Увеличение количества этих элементов приводит к уменьшению ширины луча антенны, но, вместе с этим, и к сужению ее полосы частот. Поэтому правильная настройка антенны имеет большое значение. Коэффициент усиления антенны не увеличивается прямо пропорционально увеличению количества используемых элементов. Например, трехэлементная антенна Яги имеет относительное усиление по мощности от 5 до 6 дБ. Добавление дополнительного директора приводит к увеличению этого параметра примерно на 2 дБ. Однако добавление последующих директоров имеет все меньший и меньший эффект.

Принцип действия

Рисунок 2. Двухэлементная решетка из полуволнового резонансного диполя в качестве активного элемента и более короткого диполя в качестве пассивного элемента

Основной элемент Яги имеет три составные части. Длина каждого пассивного элемента отличается от половины длины волны, являющейся резонансной для антенны. Если она больше (обычно на величину около 15 процентов), то такой элемент имеет индуктивные свойства и работает как рефлектор. Если же длина элемента меньше половины длины волны (с шагом 5 процентов), то элемент имеет емкостные свойства и определяется как директор, поскольку он вызывает усиление излучения в направлении от активного вибратора к директору. Для понимания принципа действия рассмотрим резонансный диполь и добавим к нему пассивный элемент, расположив его на небольшом расстоянии. Излучение диполя вызывает возбуждение пассивного элемента, причем с разностью фаз, определяемой расстоянием между ними. Емкостной характер из-за меньшей длины пассивного элемента приводит к дополнительной задержке токов и напряжений в этом элементе и, соответственно, в фазе излучаемого им поля. Поскольку разность фаз соответствует расстоянию между элементами, то оба излучаемых поля (активного и пассивного элементов) синфазны в одном направлении и противофазны в другом направлении. Поскольку амплитуды колебаний в элементах антенны не одинаковы, сумма излучаемых ими полей увеличивается в одном направлении и уменьшается в другом.

Рисунок 3. Трехэлементная антенна Яги, суперпозиция колебаний, вызванных активным элементом, рефлектором и директором

Возникновение одного поперечного луча при использовании одного активного вибратора и одного пассивного элемента позволяет предположить, что еще большее усиление может быть достигнуто использованием рефлектора и директора по разные стороны от активного вибратора. В действительности так и есть. Трехэлементная антенна Яги имеет коэффициент усиления, достигающий 6 дБ. В рефлекторе, имеющем длину больше половины длины волны, индуцируется ток, который, в свою очередь, является источником волны, гасящей волну от активного вибратора. Директоры несколько короче, их сопротивление носит емкостной характер, и они должны быть расположены на расстоянии, несколько меньшем половины длины волны, для обеспечения синфазности волн от активного вибратора и от директоров. Коэффициент усиления антенны Яги может быть увеличен путем увеличения количества элементов, однако каждыей новый дополнительный элемент будет вносить все меньший и меньший вклад. Для умеренного количества элементов усиление в прямом направлении пропорционально этому количеству.

Массив элементов Яги можно описать как структуру с медленной волной. Поэтому антенны Яги относятся к категории антенн бегущей волны. В такой структуре поддерживается неубывающая волна в прямом направлении, а токи в директорах имеют примерно одиноковые значения, хотя и с увеличивающейся фазовой задержкой. Фазовая скорость волны в этом случае составляет от 0,7 до 0,9 скоростей света.

Figure 4: 3D representation of the antenna pattern of a Yagi antenna having 8 elements including folded dipole fed with a power of 11 dBm

Рисунок 4. Трехмерное представление диаграммы направленности антенны Яги, имеющей 8 элементов, включая петлевой вибратор, запитываемый мощностью 11 дБм

Рисунок 5. Радиолокатор, в котором используется решетка антенн Яги (П-18 «Терек», по классификации НАТО «Spoon Rest D») с коэффициентом усиления G = 69

Издатель: Кристиан Вольф, Автор: Андрей Музыченко
Текст доступен на условиях лицензий: GNU Free Documentation License
а также Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported License,
могут применяться дополнительные условия.
(Онлайн с ноября 1998 года)

Помимо свойств радиоволн, необходимо тщательно подбирать антенны, для достижения максимальных показателей при приеме/передаче сигнала.
Давайте ближе познакомимся с различными типами антенн и их предназначением.

Антенны — преобразуют энергию высокочастотного колебания от передатчика в электромагнитную волну, способную распространяться в пространстве. Или в случае приема, производит обратное преобразование — электромагнитную волну, в ВЧ колебания.

Диаграмма направленности — графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве.

Антенны

Симметричный вибратор

В простейшем случае состоит из двух токопроводящих отрезков, каждый из которых равен 1/4 длины волны.

Широко применяется для приема телевизионных передач, как самостоятельно, так и в составе комбинированных антенн.
Так, к примеру, если диапазон метровых волн телепередач проходит через отметку 200 МГц, то длина волны будет равна 1,5 м.
Каждый отрезок симметричного вибратора будет равен 0,375 метра.

Диаграмма направленности симметричного вибратора

В идеальных условиях, диаграмма направленности горизонтальной плоскости, представляет собой вытянутую восьмерку, расположенную перпендикулярно антенне. В вертикальной плоскости, диаграмма представляет собой окружность.
В реальных условиях, на горизонтальной диаграмме присутствуют четыре небольших лепестка, расположенных под углом 90 градусов друг к другу.
Из диаграммы можем сделать вывод о том, как располагать антенну, для достижения максимального усиления.

В случае не правильно подобранной длины вибратора, диаграмма направленности примет следующий вид:

Основное применение, в диапазонах коротких, метровых и дециметровых волн.

Несимметричный вибратор

Или попросту штыревая антенна, представляет из себя «половину» симметричного вибратора, установленного вертикально.
В качестве длины вибратора, применяют 1, 1/2 или 1/4 длины волны.

Диаграмма направленности следующая:

Представляет собой рассеченную вдоль «восьмерку». За счет того, что вторая половина «восьмерки» поглощается землей, коэффициент направленного действия у несимметричного вибратора в два раза больше, чем у симметричного, за счет того, что вся мощность излучается в более узком направлении.
Основное применение, в диапазонах ДВ, КВ, СВ, активно устанавливаются в качестве антенн на транспорте.

Наклонная V-образная

Конструкция не жесткая, собирается путем растягивания токопроводящих элемементов на кольях.
Имеет смещение диаграммы направленности в стороны противоположную острию буквы V

Применяется для связи в КВ диапазоне. Является штатной антенной военных радиостанций.

Антенна бегущей волны

Также имеет название — антенна наклонный луч.

Представляет из себя наклонную растяжку, длина которой в несколько раз больше длины волны. Высота подвеса антенны от 1 до 5 метров, в зависимости от диапазона работы.
Диаграмма направленности имеет ярко выраженный направленный лепесток, что говорит о хорошем усилении антенны.

Широко применяется в военных радиостанциях в КВ диапазоне.
В развернутом и свернутом состоянии выглядит так:

Антенна волновой канал

Здесь: 1 — фидер, 2 — рефлектор, 3 — директоры, 4 — активный вибратор.

Антенна с параллельными вибраторами и директорами, близкими к 0,5 длины волны, расположенными вдоль линии максимального излучения. Вибратор — активный, к нему подводятся ВЧ колебания, в директорах, наводятся ВЧ токи за счет поглощения ЭМ волны. Расстояние между рифлектором и директорами подпирается таким образом, чтобы при совпадении фаз ВЧ токов образовывался эффект бегущей волны.

За счет такой конструкции, антенна имеет явную направленность:

Рамочная антенна

Применяется для приема ТВ программ дециметрового диапазона.

Как разновидность — рамочная антенна с рефлектором:

Логопериодическая антенна

Свойства усиления большинства антенн сильно меняются в зависимости от длины волны. Одной из антенн, с постоянной диаграммой направленности на разных частотах, является ЛПА.

Отношение максимальной к минимальной длине волн для таких антенн превышает 10 — это довольно высокий коэффициент.
Такой эффект достигается применением разных по длине вибраторов, закрепленных на параллельных несущих.
Диаграмма направленности следующая:

Активно применяется в сотовой связи при строительстве репитеров, используя способность антенн, принимать сигналы сразу в нескольких частотных диапазонах: 900, 1800 и 2100 МГц.

Поляризация

Поляризация — это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве.
Различают: вертикальную, горизонтальную и круговую поляризацию.

Поляризация зависит от типа антенны и ее расположения.
К примеру, вертикально расположенный несимметричный вибратор, дает вертикальную поляризацию, а горизонтально расположенный — горизонтальную.

Антенны горизонтальной поляризации дают больший эффект, т.к. природные и индустриальные помехи, имеют в основном вертикальную поляризацию.
Горизонтально поляризованные волны, отражаются от препятствий менее интенсивно, чем вертикально.
При распространении вертикально поляризованных волн, земная поверхность поглощает на 25% меньше их энергии.

При прохождении ионосферы, происходит вращение плоскости поляризации, как следствие, на приемной стороне не совпадает вектор поляризации и КПД приемной части падает. Для решения проблемы, применяют круговую поляризацию.

Все эти факторы факторы следует учитывать при расчете радиолиний с максимальной эффективностью.

Беспроводные технологии
Стандарты связи

Читают сейчас

Редакторский дайджест

Присылаем лучшие статьи раз в месяц

Скоро на этот адрес придет письмо. Подтвердите подписку, если всё в силе.

Скопировать ссылку
Facebook
Twitter
ВКонтакте
Telegram
Pocket

Средняя зарплата в IT

AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

Минуточку внимания

Комментарии 45

Ждем статью изготовление и упрощенный расчет антенн дома.

Интересная статья, но хотелось бы по больше практических знаний скажем для радио любителей и скажем готовые расчеты для типовых антенн для свободных(без лицензионных) частот 433/868/2400 МГц.

Тьфю, сам проглядел:
1- фидер, 2-рефлектор, 4 — активный вибратор, 3- директоры.

Странная нумерация на картинке :)

Куда самый узкий лепесток вытянут — туда основная мощща передатчика и бьёт

вопрос непонятен, потому и ответ такой: длина никак не подбирается, для fm-диапазон (88-108 МГц) достаточно длины проводника около 1м. А наушники служат антенной, т.к. просто заведены на УВЧ приёмника.

Когда-то интересовался телевизионными и УКВ-радиовещательными антеннами. Что-то не припомню, чтобы где-либо рекомендовались симметричные вибраторы общей длинной отличной от половины длинны волны. На картинке в статье изображен полуволновой разрезной вибратор, где четко указана его длина — λ/2, где λ-это длина волны.

Точно помню, как сам делал радиоантенну для УКВ радио на 88-107МГц, то брал за середину 100МГц, (с усилителем и приемником Т-7111 слушал рижские FM-радиостанции на удалении 150Км «в яме») общая длина вибратора получалась 1,5м (длина волны(м)=300/частота(МГц))

Нынче термин«Волновой канал» редко встречается, чаще такие антенны называют «яги» или Yagi.

Диаграммы симетричного вибратора, в зависимости от длины уса

КУ вы уже написали — 15 dBi
dBi — коэффициент усиления в децибелах по отношению к не направленной антенне (изотропной).
А выбирать готовую антенну нужно по следующим параметрам
1) Коэффициент усиления — чем больше тем лучше
2) Раскрыв главного лепестка в горизонтальной и вертикальной плоскости (указывается в градусах, направление максимально излучения). Тут выбирать исходя из задач и размещения, так же следует помнить, что чем уже луч — тем больше КУ.
3) Рабочая полоса частот (должна соответствовать полосе частот сигнала)
4) входное сопротивление антенны (должно быть точно равно выходному сопротивлению передатчика). В случае рассогласования входного и выходного сопротивлений, в лучшем случае снизится эффективность антенны, в худшем можно повредить выходные каскады передатчика.

Для Wi-Fi бытовых антенн последние два параметра по умолчанию согласованы с сетевыми картами (разве что диапазон придется выбрать 2,4 или 5 ГГц, но последний в Украине запрещен, не знаю как у вас). Так же следует помнить, что Wi-FI карта — это приемопередатчик и кроме антенны обращать внимание на мощность передатчика и чувствительность приемника (обычно задаются в dBm (дБм), чем больше первое и чем меньше второе — тем выше качество сигнала получится в итоге.

Думаю это больше вопрос к ТС, а для удовлетворения вашего любопытства могу сказать, что Wi-Fi штырь — это не совсем штырь и не диполь — это коллинеарная антенна, КУ у такой антенны может достигать 16dBi. Если объяснять на пальцах — это несколько последовательных штырей разделенных индуктивными кольцами таким образом, чтобы питание каждого штырька было синфазным. Вот неплохая картинка по поводу.

Также в виде штырей могут быть спиральные антенны (правда размеры у них другие 100-150 мм диаметр и 2-3 м длина) — это уже направленная антенна точка точка, с очень узким лучем. «Бьет» такая антенна километров на 5-10.

Директорная антенна используется для приема - передачи телевизионного изображения в метровом и дециметровом диапазонах длин волн. Директорная антенна (всеканальная) содержит собранные на одной мачте директорные антенны разных диапазонов, каждая из которых включает установленные на стреле рефлектор, директор и активный вибратор. Директоры и рефлекторы выполнены в форме трапеции, у которой длины большего и меньшего оснований подбираются по длинам волн, соответствующим верхним и нижним границам частот принимаемых диапазонов. Боковые стороны трапеций и их продолжения служат директорами и рефлекторами для промежуточных и граничных частот. На чертеже показана всеканальная антенна в сборе. Антенна для дециметрового диапазона состоит из директора 1, активного вибратора 2 и рефлектора 3. Антенна для метрового диапазона состоит из директора 4, активного вибратора 5 и рефлектора 6, а также из четырех трубок 7. Активные вибраторы 2 и 5 антенн через соответствующие согласующие петли выводятся на один фидер. Техническим результатом является расширение рабочей полосы частот и упрощение настройки. 1 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антеннам, и может быть использовано для непосредственного приема телевещания в метровом и дециметровом диапазонах длин волн.

Известна директорная антенна [1], которая представляет собой мачту, на которой установлено несколько директорных антенн разных каналов или диапазонов. Каждая из этих антенн состоит из активного вибратора, рефлектора и директора, выполненных из металлических тонкостенных труб или прутков и установленных на стреле, причем активный вибратор этих антенн выполнен в виде вибратора Пистолькорса. Недостаток этого устройства в том, что антенны узкополосны и сложны в настройке.

Цель изобретения - расширить рабочую полосу частот и упростить настройку антенны.

Указанная цель достигается тем, что в предложенной антенне, которая представляет собой мачту, на которой установлены две директорные антенны метрового и дециметрового диапазонов, которые содержат активный вибратор, директор и рефлектор, установленные на стреле антенны, директор заменяется рамкой из тонкостенных металлических труб или прутка в виде трапеции, меньшее основание которой равно по длине длине полуволны, соответствующей максимальной частоте последнего интервала каналов соответствующего диапазона длин волн, большее основание равно по длине длине полуволны, соответствующей максимальной частоте певрого интервала каналов соответствующего диапазона. В боковые трубки трапеции у большего основания вставляются трубки определенной длины, являющиеся продолженным боковых трубок для метрового диапазона длин волн. Рефлекторы изготавливаются в виде рамки из тонкостенных труб или прутков в форме трапеции, меньшее основание которой равно по длине длине полуволны, соответствующей минимальной частоте последнего интервала каналов принимаемого диапазона длин волн, большее основание трапеции равно по длине длине полуволны, соответствующей минимальной частоте первого интервала каналов для дециметрового диапазона длин волн, и длине полуволны, соответствующей минимальной частоте второго интервала каналов метрового диапазона длин волн. В боковые трубки у трапеции большего основания вставляются трубки определенной длины, продолжающие боковые трубки трапеции, для метрового диапазона длин волн. Активным вибратором является вибратор Пистолькорса, длина которого выбирается равной длине полуволны, соответствующей максимальной частоте первой трети метрового диапазона, а длина активного вибратора директорной антенны дециметрового диапазона - половине - длины волны, соответствующей средней частоте первого интервала каналов дециметрового диапазона.

Основания директорной трапеции располагаются на расстоянии 0,1 - 0,12 соответствующей длины волны от активного вибратора.

Основания рефлекторной трапеции располагаются на расстоянии 0,15 - 0,17 соответствующей длины волны от активного вибратора.

На чертеже изображена всеканальная директорная антенна метрового и дециметрового диапазонов, где 1, 2, 3 - директор, активный вибратор и рефлектор соответственно антенны дециметрового диапазона, 4, 5, 6 - директор, активный вибратор и рефлектор соответственно антенны метрового диапазона; 7 - дополнительные трубки.

Антенна работает следующим образом: возбужденные активным вибратором 2, 5 директоры 1, 4 образуют систему типа "волновой канал". Волна напряжения и тока распространяется от активного вибратора 2, 5 в сторону директора 1, 4 и обеспечивает направленное излучение с максимумом вдоль оси стрелы антенны. Уровень заднего излучения антенны уменьшается за счет возбуждения рефлектора, амплитуда и фаза волны которого компенсируют заднее излучение антенны. Трапециевидные директор и рефлектор позволяют организовать систему типа "волновой канал" для всех промежуточных частот принимаемых диапазонов длин волн, что упрощает настройку антенны. Активные вибраторы метрового и дециметрового диапазонов через соответствующие согласующие петли выводятся каждый на свой фидер либо подсоединяются к одному. Представленная антенна в сборе является всеканальной антенной, позволяющей принимать 1 - 12 каналы метрового диапазона и 20 - 80 каналы дециметрового диапазонов.

Источники информации 1. Л.М. Капчинский. Конструирование и изготовление телевизионных антенн. - М.: Радио и связь, 1993, с. 92 - 94, рис. 72, с. 47.

Директорная антенна, содержащая собранные на одной мачте директорные антенны разных диапазонов, каждая из которых включает выполненные из металлических тонкостенных труб или прутков и установленные на стреле рефлектор, директор и активный вибратор, выполненный в виде вибратора Пистолькорса, отличающаяся тем, что директор и рефлектор в каждой из директорных антенн выполнены в виде рамки в форме трапеции, а у директорной антенны метрового диапазона в боковые трубки трапеций у большего основания вставлены одинаковые трубки, служащие продолжением боковых трубок, причем длина меньшего основания трапеции директора равна половине длины волны, соответствующей максимальной частоте последнего интервала каналов соответствующего диапазона, а длина большего основания - половине длины волны, соответствующей максимальной частоте первого интервала каналов соответствующего диапазона, кроме того, длина меньшего основания трапеции рефлектора равна половине длины волны, соответствующей минимальной частоте последнего интервала каналов соответствующего диапазона, а длина большего основания - половине длины волны, соответствующей минимальной частоте первого интервала каналов дециметрового диапазона для директивной антенны дециметрового диапазона и половине длины волны, соответствующей минимальной частоте второго интервала каналов метрового диапазона для директорной антенны метрового диапазона, при этом длина активного вибратора директорной антенны метрового диапазона выбрана равной половине длины волны, соответствующей минимальной частоте первой трети метрового диапазона, а длина активного вибратора директорной антенны дециметрового диапазона - половине длины волны, соответствующей средней частоте первого интервала каналов дециметрового диапазона, директорные антенны дециметрового и метрового диапазонов через соответствующие согласующие петли присоединены к общему фидеру.

В последние годы при экспериментировании с различными конструкциями антенн «волновой канал» было установлено, что антенны, имеющие большую протяженность несущей траверсы, могут давать очень большие коэффициенты усиления. Так, например, тринадцатиэлементная антенна «волновой канал» для частоты 145 Мгц при распределении ее элементов по длине 7 м несущей траверсы (приблизительно 3,5λ) имеет коэффициент усиления несколько больше 16 дб .Такое большое усиление может быть получено также при использовании многовибраторных антенн или антенн «волновой канал», расположенных в несколько этажей, но при этом их конструкция и схема питания значительно сложнее. Поэтому для получения большого усиления (почти в 40 раз по мощности) в последнее время радиолюбители все чаще используют антенны «волновой канал» с большим числом элементов.

Большой коэффициент усиления антенны «волновой канал» с большим числом элементов достигается за счет значительного уменьшения полосы пропускания антенны; это одновременно означает, что размеры антенны очень критичны.

Для лучшего понимания свойств антенны «волновой канал» с большим числом элементов ее параметры подробно описываются ниже.

Полоса пропускания

В случае если антенна «волновой канал» с большим числом элементов настроена на частоту 145 Мгц и КСВ в линии передачи равен 1, то при возбуждении антенны на частоте 144 Мгц КСВ в линии передачи будет равен 1,7. Если же антенна будет возбуждаться на частоте 146 Мгц, то КСВ будет равен 2,5. Сказанное означает, что свойства антенны при частотах выше резонансной ухудшаются быстрее, чем при частотах ниже резонансной. Этот факт разъясняется графиком, приведенным на рис. 10-33.

Таким образом, резонансная частота антенны находится не как обычно посередине рабочего диапазона частот, а ближе к высокочастотному концу диапазона. Для антенны «волновой канал» с большим числом элементов, предназначенной для работы в диапазоне 144—146 Мгц , при допустимых величинах КСВ резонансную частоту надо выбирать равной (учитывая график на рис. 10-33) 145,5 Мгц . Естественно, что в этом случае каждый раз следует обдумать, не лучше ли настроить антенну на рабочую частоту передатчика при соответственном ухудшении КСВ при приеме в высокочастотном конце диапазона. Из графика рис. 10-34 можно найти полосу пропускания антенны в процентах от резонансной частоты в зависимости от длины несущей траверсы антенны.

В антеннах «волновой канал» с большим числом элементов элементы обычно изготовляются из проводников, имеющих минимальный, с точки зрения прочности конструкции, диаметр. Чем больше диаметр элементов антенны, тем меньше получаемое усиление. Тонкий проводник вследствие небольшой поверхности обладает небольшой емкостью, но одновременно имеет большую индуктивность и, следовательно, имеет большое отношение L/C (см. рис. 1-6, а и 1-6, б ). Поэтому такой элемент сравним с узкополосным резонансным колебательным контуром. Элемент, имеющий больший диаметр проводника, соответственно имеет меньшее отношение L/C и, следовательно, обладает менее ярко выраженными резонансными свойствами, что в данном случае эквивалентно уменьшению усиления антенны. Для уменьшения потерь за счет поверхностного эффекта поверхность тонких проводников должна обладать хорошей проводимостью. Если диаметр элемента равен 3 мм (наиболее подходящий диаметр для диапазона 2 м ), то элемент может быть выполнен из медных или алюминиевых трубок, если же используется меньший диаметр проводников, то их поверхность должна быть посеребрена (например, если используются велосипедные спицы в качестве элементов антенны).

Для уменьшения потерь желательно, чтобы толщина серебряного покрытия была по возможности больше. При покрытии элементов серебром отпадает необходимость в дополнительной защите поверхности элементов от воздействия погоды, в то время как поверхности алюминиевых или медных элементов следует покрывать защитным лаком. Для этой цели используется бесцветный лак с хорошими изоляционными свойствами и небольшой диэлектрической постоянной.

Коэффициент усиления антенны

Коэффициент усиления антенны «волновой канал» в первую очередь зависит от длины несущей траверсы. Как уже упоминалось выше, это большое усиление достигается за счет значительного сужения полосы пропускания антенны. Число элементов и их взаимные расстояния также влияют на коэффициент усиления, но имеют второстепенное значение. По кривой рис. 10-35 можно определить коэффициент усиления антенны в децибелах в зависимости от длины несущей траверсы антенны.

Взаимные расстояния между пассивными элементами и их линейные размеры

Наилучшие результаты достигаются, когда первый директор располагается относительно близко к вибратору. Для всех следующих директоров, вплоть до пятого, расстояние постепенно увеличивается, а для последующих директоров оптимальное расстояние составляет 0,39λ. Ниже приведены оптимальные расстояния между первыми пятью директорами (λ): вибратор — 1-й директор 0,08; 1-й директор — 2-й директор 0,09; 2-й — 3-й — 0,09; 3-й — 4-й — 0,20; 4-й — 5-й — 0,39. Расстояния между всеми следующими директорами равно 0,39λ.

Расстояние между рефлектором и вибратором некритично и обычно выбирается равным 0,15—0,25λ. Оно в незначительной степени влияет на входное сопротивление антенны и на длину самого рефлектора.

Длина рефлектора выбирается обычно несколько больше половины длины волны, и затем, осторожно уменьшая его длину, добиваются максимального подавления обратного излучения. Обратное ослабление на резонансной частоте достигает 30—40 дб . Следует отметить, что практика показала, что для получения максимального коэффициента усиления антенны следует выбирать одинаковые длины директоров при приведенных выше расстояниях между ними. Если же длины директоров постепенно уменьшаются (что характерно для обычных антенн «волновой канал»), то в этом случае коэффициент усиления несколько уменьшается, но одновременно увеличиваются обратное ослабление и полоса пропускания антенной системы. Уменьшение длин последующих директоров на 3% от длины волны дает относительно большую полосу пропускания антенны при уменьшении коэффициента усиления. Можно пойти на компромисс и укорачивать длины директоров на 1,5% длины волны. Если же предполагать, что все директоры имеют одинаковую длину, то длина директоров в зависимости от отношения λ /d и числа директоров может быть определена из кривых рис. 10-36. Указанные размеры справедливы только в том случае, когда директоры изолированы от несу щей траверсы. В случае, если директоры механически связаны с несущей траверсой, их следует удлинить приблизительно на 2 /₃ диаметра траверсы.

Длина вибратора выбирается такой же, как и у вибратора обычной антенны «волновой канал», однако линейные размеры его в данном случае более критичны к изменениям вследствие узкополосности антенной системы. Поэтому при расчете длины вибратора рекомендуется учитывать влияние отношения λ /d (см. рис. 1-7) и, кроме того, в случае цельнометаллической конструкции удлинять размеры вибратора на 2 /₃ диаметра несущей траверсы.

Более рационально использовать прямолинейный вибратор с Т-образной согласующей схемой для согласования с линией передачи.

В случае, если антенна питается при помощи несимметричного коаксиального кабеля, применяется γ-образная согласующая схема.

В обоих случаях можно получить небольшое значение КСВ в линии, изменяя положение точек подсоединения согласующего устройства к вибратору.

Описываемую антенну рекомендуется изготовлять цельнометаллической. В качестве несущей траверсы антенны можно использовать дюралевую трубку диаметром от 20 до 40 мм или тонкостенную стальную трубку, покрытую антикоррозийным составом. Элементы антенны, изготовленные из твердой меди, следует припаять к несущей траверсе. Ниже приводится несколько практических примеров конструкции антенны «волновой канал» с большим числом элементов.

Девятиэлементная антенна «волновой канал»

Антенна, показанная на рис. 10-37, рассчитана на диапазон 2 м , имеет длину, равную 2λ , и дает коэффициент усиления 13,6 дб . Резонансная частота антенны равна 145 Мгц , и, следовательно, антенна наиболее эффективно работает в низкочастотной части диапазона. Ширина диаграммы направленностй В горизонтальной плоскости примерно равна 25°, величина обратного ослабления 20 дб .

Диаметр пассивных элементов должен быть не больше 6 мм .На рис. 10-37 изображена также Т-образная схема согласования, позволяющая согласовать антенну с линией передачи, имеющей волновое сопротивление 240 ом . В точки питания XX можно также подключить полуволновую петлю из коаксиального кабеля для согласования антенны с несимметричным коаксиальным кабелем, волновое сопротивление которого 60 ом (эта же схема осуществляет дополнительно и симметрирование коаксиального кабеля). Для получения точного согласования в незначительных пределах меняют расстояния между первыми директорами антенны. Расстояние между первыми директорами и вибратором — наиболее критичный размер антенны.

Десятиэлементная антенна «волновой канал» с большой длиной несущей траверсы

Данная антенна имеет несколько уменьшенные расстояния между элементами по сравнению с антенной, рассмотренной выше, и поэтому имеет несколько меньшую длину. Эта антенна может рассматриваться как переходная от антенн «волновой канал» к антеннам «волновой канал» с большой длиной несущей траверсы. Длина антенны равна 1,6λ, а коэффициент усиления 12,5 дб .

Приведенные размеры справедливы в том случае, когда в качестве несущей траверсы используется металлическая трубка диаметром 20 мм . Эта антенна, так же как и девятиэлементная антенна «волновой канал», может согласоваться с линией передачи с помощью Т-образной схемы согласования. На рис. 10-38, однако, изображен шлейфовый вибратор с различными диаметрами проводников, повышающий входное сопротивление антенны в достаточной степени, чтобы можно было непосредственно подключать к антенне лиции передачи с волновым сопротивлением 240 ом . Точное согласование достигается путем перемещения первых директоров антенны.

Антенна «волновой канал» с длиной 3,5λ позволяет получать коэффициент усиления около 16 дб , что соответствует 40-кратному усилению по мощности при одинаковых линейных размерах всех директоров. Размеры этой антенны приведены ниже.

Тринадцатиэлементная антенна с большой длиной несущей траверсы и одинаковыми директорами

Длина антенны 3,5λ, директоры имеют одинаковые размеры, а коэффициент усиления равен 16 дб . Для резонансных частот 144, 145 и 146 Мгц длины рефлекторов соответственно равны 1 041, 1 035 и 1 027 мм , длины директоров (одинаковы для всех) — 935, 927, 919 мм . Диаметр всех пассивных элементов ≤ 3 мм . Несущая траверса антенны — трубка диаметром 32 мм , длина ее 7,20 м . Вид излучателя: шлейфовый вибратор с различными диаметрами проводников (см. конструкцию десятиэлементной антенны на рис. 10-38). Размеры шлейфового вибратора: толстый проводник — диаметр 12 мм , длина 978 мм ; тонкий проводник — диаметр 3 мм , расстояние между обоими элементами 25 мм . Расстояния между пассивными элементами: вибратор — рефлектор — 483 мм ; вибратор — 1-й директор — 178 мм ; 1-й директор — 2-й директор — 190 мм ; 2-й — 3-й — 190 мм ; 3-й — 4-й — 406 мм ; 4-й — 5-й — 813 мм ; расстояния между всеми остальными директорами равно 813 мм .

Сопротивление в точке питания приблизительно 240 ом. Точное согласование антенны с линией передачи производится с помощью изменения расстояний между первыми директорами и вибратором. Излучатель может быть изготовлен также в виде прямолинейного вибратора длиной 990 мм с Т-образной схемой согласования.

Тринадцатиэлементная антенна «волновой канал» с большой длиной несущей траверсы и постепенно уменьшающимися длинами директоров

Длина антенны 3,5λ, резонансная частота 145,5 Мгц , коэффициент усиления 16 дб .

Диаметр несущего элемента антенны длиной 7,2 м равен 35 мм ,излучатель — прямолинейный вибратор с Т-образной схемой согласования. Антенна может работать в диапазоне 144—146 Мгц с допустимыми значениями КСВ. Получение минимального значения КСВ достигается путем регулировки размеров Т-образной схемы согласования.

Длины элементов (в мм ): рефлектор — 1044,5; вибратор — 993,0; 1-й директор — 950,0; 2-й — 946,0; 3-й — 943,0; 4-й — 936,5; 5-й — 930,5; 6-й — 924,0; 7-й — 918,0; 8-й — 911,0; 9-й — 905,0; 10-й — 898,5; 11-й — 892,0.

Расстояния между элементами ( мм ): вибратор — рефлектор — 508; вибратор — 1-й директор — 178; 1-й директор — 2-й директор — 190; 2-й директор — 3-й директор — 191; 3-й директор — 4-й директор — 406 мм ; 4-й директор — 5-й директор — 813 мм ; расстояние между всеми прочими директорами 813 мм .

Антенна для диапазона 2 м имеет длину почти 10 м и коэффициент усиления, равный приблизительно 17,5 дб (56-кратное усиление по мощности). Размеры этой антенны приведены ниже.

Пятнадцатиэлементная антенна для диапазона 2 м

Длина антенны 4,5λ, коэффициент усиления 17,5 дб . Длины элементов ( мм ):рефлектор — 1029,0; 1-й директор — 940,0 мм; 2-й — 936,5 мм ; 3-й — 924,0 мм ; 4-й — 917,5 мм ; 5-й — 911,0 мм ; 6-й — 905,0 мм ;7-й — 898,5 мм ; 8-й — 892,0 мм ; 9-й — 886,0 мм ; 10-й — 880,0 мм ;11-й — 873,0 мм ; 12-й — 867,0 мм и 13-й директор — 854,0; вид излучателя — шлейфовый вибратор с различными диаметрами проводников. Размеры вибратора; проводник с большим диаметром — диаметр 12 мм , длина 984 мм ; тонкий проводник, разорванный посередине, имеет диаметр 3 мм , расстояние между элементами 25 мм . Расстояния между элементами ( мм ): вибратор — рефлектор — 438; вибратор — 1-й директор — 178; 1-й директор — 2-й директор — 292; 2-й — 3-й — 560; 3-й — 4-й — 813; расстояния между всеми остальными директорами 813 мм . Диаметр проводов всех пассивных элементов — не больше 3 мм .Несущая траверса антенны: металлическая трубка диаметром 38— 40 мм , длиной 9,75 м .

Точное согласование может быть достигнуто за счет перемещения первых директоров относительно вибратора.

Двадцатичетырехэлементная антенна «волновой канал» подвесной конструкции (DJ4OB)

Конструкция такой антенны, имеющей длину 16 м , и коэффициент усиления больше чем 17 дб была предложена радиолюбителем DJ 4 OB . Элементы антенны крепятся, как показано на рис. 10-39, на двух перлоновых канатиках диаметром 1,5 мм , имеющих длину 16 м каждый и расположенных на расстоянии 400 мм друг от друга. Перлоновые канатики крепятся к деревянным планкам, которые подвешиваются на несущих мачтах.

Все директоры и рефлектор антенны изготовляются из легких металлических трубок или прутков диаметром 3 мм и крепятся к канатикам с помощью коротких отрезков провода или перлоновыми нитками. Можно также просверлить в трубках отверстия диаметром 1,8 мм в соответствующих местах и продеть через них перлоновые канатики.

Излучатель представляет собой шлейфовый вибратор с толстым непрерывным проводником диаметром 8 мм и длиной 998 мм (медная или алюминиевая трубка). На расстоянии 60 мм от него располагается нижний тонкий, разорванный посередине элемент шлейфового вибратора, изготовленный из проводника диаметром 2 мм . Сопротивление такого шлейфового диполя в 6,3 раза больше, чем входное сопротивление полуволнового вибратора (см. рис. 1-15) и равно 240 ом . Следовательно, в случае использования полуволнового вибратора входное сопротивление антенны будет 38 ом .

Все прочие размеры конструкции антенны могут быть определены из рис. 10-39. Антенна крепится между двумя мачтами, причем мачта, расположенная в направлении основного излучения, должна по возможности быть изготовлена из дерева. Если местные условия не позволяют укрепить такую антенну, то можно удалить несколько директоров, незначительно уменьшая тем самым коэффициент усиления антенны. При этом входное сопротивление антенны обычно увеличивается также незначительно и требуется только небольшое изменение расстояния между директорами.

Такая антенна с увеличенной длиной антенного полотна в основном применима в качестве антенны с большим коэффициентом усиления для проведения связей в диапазоне 2 м только в одном направлении. Она обладает очень узкой полосой пропускания и острой диаграммой направленности.

Различные расстояния между элементами антенны были определены радиолюбителем DJ 4 OВ в ходе длительного эксперимента, целью которого было получение максимального излучения в основном направлении. При конструировании антенны рекомендуется несколько изменять расстояния между элементами, одновременно осуществляя контроль по индикатору напряженности поля.

Перед тем как перейти к рассмотрению конструкции и работы разного типа антенн, рассмотрим одну из важнейших характеристик антенны – диаграмму направленности и те параметры, которые из нее напрямую вытекают.
Рекомендую, также, ознакомиться с предыдущей статьёй - Ликбез: основы теории по антеннам.

Введение

Антенна, вне зависимости от конструкции, обладает свойством обратимости (может работать как на прием, так и на излучение). Часто в радиорелейных трактах одна и та же антенна может быть подключена одновременно к приемнику и передатчику. Это позволяет излучать и принимать сигнал в одном направлении на разных частотах.

Почти все параметры приемной антенны соответствуют параметрам передающей антенны, но иногда имеют несколько другой физический смысл.

Несмотря на то, что приемная и передающая антенны обладают принципом двойственности, в конструктивном отношении они могут существенно отличаться. Связано это с тем, что передающая антенна должна пропускать через себя значительные мощности для передачи электромагнитного сигнала на большие (максимально возможные) расстояния. Если же антенна работает на прием, то она взаимодействует с полями очень малой напряженности. Вид токопередающей конструкции антенны часто определяет ее конечные габариты.

Пожалуй, основная характеристика любой антенны это диаграмма направленности. Из нее вытекает множество вспомогательных параметров и такие важные энергетические характеристики как коэффициент усиления и коэффициент направленного действия.

Диаграмма направленности

Диаграмма направленности (ДН) – это зависимость напряженности поля, создаваемого антенной на достаточно большом расстоянии, от углов наблюдения в пространстве. В объеме диаграмма направленной антенны может выглядеть так, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1

То, что изображено на рисунке выше также еще называют пространственной диаграммной направленностью, которая является поверхностью объема и может иметь несколько максимумов. Главный максимум, выделенный на рисунке красным цветом, называется главным лепестком диаграммы и соответствует направлению главного излучения (или приема). Соответственно первые минимальные или (реже) нулевые значения напряженности поля вокруг главного лепестка определяют его границу. Все остальные максимальные значения поля называются боковыми лепестками.

На практике встречаются различные антенны, которые могут иметь несколько направлений максимального излучения, или не иметь боковых лепестков вовсе.

Для удобства изображения (и технического применения) ДН их принято рассматривать в двух перпендикулярных плоскостях. Как правило, это плоскости электрического вектора E и магнитного вектора H (которые друг другу в большинстве сред перпендикулярны), рисунок 2.

Рисунок 2

В некоторых случаях ДН рассматривают в вертикальной и горизонтальной плоскостях по отношению к плоскости Земли. Плоские диаграммы изображают полярной или декартовой (прямоугольной) системами координат. В полярных координатах диаграмма более наглядна, и при наложении ее на карту можно получить представление о зоне действия антенны радиостанции, рисунок 3.

Рисунок 3

Представление диаграммы направленности в прямоугольной системе координат более удобно для инженерных расчетов, такое построение чаще применяется для исследования самой структуры диаграммы. Для этого диаграммы строят нормированными, с главным максимумом, приведенным к единице. На рисунке ниже приводится типичная нормированная диаграмма направленности зеркальной антенны.

Рисунок 4

В том случае, когда интенсивность бокового излучения довольно небольшая и в линейном масштабе измерение бокового излучения затруднительно, применяют логарифмический масштаб. Как известно децибелы маленькие значения делают большими, а большие – маленькими, поэтому та же самая диаграмма в логарифмическом масштабе выглядит так, как показано ниже:

Рисунок 5

Из одной только диаграммы направленности можно вытащить довольно большое количество важных для практики характеристик. Исследуем подробнее диаграмму, изображенную выше.

Один из наиболее важных параметров – это ширина главного лепестка по нулевому излучению θ₀ и ширина главного лепестка по уровню половинной мощности θ_0,5. Половина мощности соответствует уровню 3 дБ, или уровню 0,707 по напряженности поля.

Рисунок 6

Из рисунка 6 видно, что ширина главного лепестка по нулевому излучению составляет θ₀ = 5,18 град, а ширина по уровню половины мощности θ_0,5 = 2,15 град.

Также диаграммы оценивают по интенсивности бокового и обратного излучения (мощности боковых и задних лепестков), отсюда вытекает еще два важных параметры антенны – это коэффициент защитного действия, и уровень боковых лепестков.

Коэффициент защитного действия – это отношение напряженности поля, излученного антенной в главном направлении к напряженности поля, излученного в противоположном направлении. Если рассматривают ориентацию главного лепестка диаграммы в направлении на 180 градусов, то обратного – на 0 градусов. Возможны и любые другие направления излучения. Найдем коэффициент защитного действия рассматриваемой диаграммы. Для наглядности изобразим ее в полярной системе координат (рисунок 7):

Рисунок 7

На диаграмме маркерами m1,m2 изображены уровни излучения в обратном и прямом направлениях соответственно. Коэффициент защитного действия определяется как:

- в относительных единицах. То же самое значение в дБ:

Уровень боковых лепестков (УБЛ) принято указывать в дБ, показывая тем самым, насколько уровень бокового излучения слаб по сравнению с уровнем главного лепестка, рисунок 8.

Рисунок 8

УБЛ в районе -18 дБ считается довольно хорошим показателем для высоконаправленной антенны. На рисунке изображены уровни первых боковых лепестков. Аналогично можно указывать также уровни всех последующих, но практической ценности их значение имеет мало, а представляет скорее академический интерес. Дело в том, что первые боковые лепестки находятся как правило "ближе всех остальных" к максимуму диаграммы направленности и могут оказывать помехи. Например, если сопровождение объекта происходит на уровне главного лепестка диаграммы -3дБ, а уровень первого бокового лепестка близок к этому значению (например -5:7 дБ), то велика вероятность начать цеплять объект боковым излучением со всеми вытекающими отсюда последствиями (неправильное позиционирование, потеря объекта и др.). Низкий УБЛ необходим не только для радиолокации, но и для области связи, ведь наличие паразитного излучения это всегда дополнительные помехи.

Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления

Это два немаловажных параметра любой антенной системы, которые напрямую вытекают из определения диаграммы направленности. КНД и КУ часто путают между собой. Перейдем к их рассмотрению.

Коэффициент направленного действия

Коэффициент направленного действия (КНД) – это отношение квадрата напряженности поля, созданного в главном направлении (Е₀ 2 ), к среднему значению квадрата напряженности поля по всем направлениям (Е_ср 2 ). Как понятно из определения, КНД характеризует направленные свойства антенны. КНД не учитывает потери, так как определяется по излучаемой мощности. Из сказанного выше можно указать формулу для расчета КНД:

Если антенна работает на прием, то КНД показывает, во сколько раз улучшится отношение сигнал/шум по мощности, при замене направленной антенны ненаправленной, если помехи приходят равномерно со всех направлений.

Для передающей антенны КНД показывает, во сколько раз нужно уменьшить мощность излучения, если ненаправленную антенну заменить направленной, при сохранении одинаковых напряженностей поля в главном направлении.

КНД абсолютно ненаправленной антенны, очевидно, равно единице. Физически пространственная диаграмма направленности такой антенны выглядит в виде идеальной сферы:

Рисунок 9

Такая антенна одинаково хорошо излучает во всех направлениях, но на практике нереализуема. Поэтому это своего рода математическая абстракция.

Коэффициент усиления

Как уже было сказано выше, КНД не учитывает потери в антенне. Параметр, который характеризует направленные свойства антенны и учитывает потери в ней, называется коэффициентом усиления.

Коэффициент усиления (КУ) G – это отношение квадрата напряженности поля, созданного антенной в главном направлении (Е₀ 2 ), к среднему значению квадрата напряженности поля (Е_оэ 2 ), созданного эталонной антенной, при равенстве подводимых к антеннам мощностей. Также отметим, что при определении КУ учитываются КПД эталонной и измеряемой антенны.

Понятие эталонной антенны очень важно в понимании коэффициента усиления, и в разных частотных диапазонах используют разные типы эталонных антенн. В диапазоне длинных/средних волн за эталон принят вертикальный несимметричный вибратор длиной четверть волны (рисунок 10).

Рисунок 10

Для такого эталонного вибратора D_э=3,28, поэтому коэффициент усиления длинноволновой/средневолновой антенны определяется через КНД так: G=D * ŋ/3,28 , где ŋ – КПД антенны.

В диапазоне коротких волн в качестве эталонной антенны принимают симметричный полуволновый вибратор, для которого D э=1,64, тогда КУ:

В диапазоне СВЧ (а это почти все современные Wi-Fi, LTE и др. антенны) за эталонный излучатель принят изотропный излучатель, дающий D_э=1, и имеющий пространственную диаграмму, изображенную на рисунке 9.

Коэффициент усиления является определяющим параметром передающих антенн, так как показывает, во сколько раз необходимо уменьшить мощность, подводимую к направленной антенне, по сравнению с эталонной, чтобы напряженность поля в главном направлении осталась неизменной.

КНД и КУ в основном выражают в децибелах: 10lgD, 10lgG.

Заключение

Таким образом, мы рассмотрели некоторые полевые характеристики антенны, вытекающие из диаграммы направленности и энергетические характеристики (КНД и КУ). Коэффициент усиления антенны всегда меньше коэффициента направленного действия, так как КУ учитывает потери в антенне. Потери могут возникать из-за отражения мощности обратно в линию питания облучателя, затекания токов за стенки (например, рупора), затенение диаграммы конструктивными частями антенны и др. В реальных антенных системах разница между КНД и КУ может составлять 1.5-2 дБ.

Читайте также: