Коллинеарные антенны

Новости

Новогодняя распродажа!!!
Только до 24 декабря!!!
Специальные новогодние цены
на автомобильные рации и антенны

Бюллетень Си-Би №10 Октябрь 1999 г

Автор Владислав "Ребус"

Среди антенн, используемых в профессиональных системах подвижной радиосвязи, видное место занимают коллинеарные антенны. Что это такое?

Это линейная антенная решетка, в которой комбинируется несколько синфазных коллинеарных (расположенных вдоль одной оси) излучающих элементов. Простейшим излучающим элементом является полуволновый излучатетель. Если расположить несколько полуволновых излучателей друг за другом вдоль одной оси и возбудить в них синфазные токи, то поля всех вибраторов в направлении нормали к оси решетки должны складываться синфазно, поскольку разность хода волн для них в этом направлении равна нулю. На рис.1 изображена схема коллинеарной решетки, в которой излучатели располагаются вплотную друг за другом. С точки зрения усиления этот вариант не оптимален, несколько большее усиление позволяет получить решетка с расстояниями между центрами излучателей не l/2, а l, однако именно этот вариант наиболее удобно реализуется на коаксиальных кабелях и имеет наименьшие габариты.

Рис.1. Линейная решетка полуволновых излучателей

Линейная решетка, расположенная вертикально, позволяет возбудить волну с вертикальной поляризацией. Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости будет круговой. Коэффициент усиления такой решетки будет зависеть от числа излучателей, точнее их общей длины. Усиление достигается за счет сужения диаграммы направленности в вертикальной плоскости.

Коллинеарные антенны не нашли широкого использования в Си-Би радиосвязи, поскольку решетка даже из двух элементов получается слишком громоздкой (11 м). В двухметровом любительском диапазоне они более реализуемы, но все-таки великоваты, если нужно получить приличное усиление.

С появлением нового диапазона 434 МГц для безлицензионного гражданского использования (Решением ГКРЧ Госкомсвязи РФ № 2465-ОР от 20 января 1998 г. для широкого круга пользователей для безлицензионной работы выделена на вторичной основе полоса частот 433.075-434.750 МГц. Вид излучения F3E (ЧМ). Мощность передатчиков до 10 мВт.) эти антенны могут найти более широкое применение, благодаря их простоте и дешевизне.

Рассмотрим, какое усиление можно получить от коллинеарной антенны.

Примем вариант решетки полуволновых излучателей, расположенных вплотную друг к другу (наиболее просто реализуемый конструктивно). Если принять, что токи во всех вибраторах синфазны и одинаковы по амплитуде, зависимость усиления относительно полуволнового диполя от числа излучателей дается таблицей 1.

Таблица 1

Число  элементов

2

4

6

8

10

12

Усиление, dBd

1,9

4,3

6,5

7,8

9

11

Конструкция коаксиальной коллинеарной антенны приведена на рис.2.

Рис.2. Коаксиальная коллинеарная антенна.

Как видно из рисунка, фазирование токов в элементах достигается за счет соединения отрезков коаксиальных линий с перекрещиванием. Внешние и внутренние проводники полуволновых отрезков соединены перекрестно. Внутренний проводник и внутренняя поверхность экрана служат линией питания, к которой подключаются излучающие вибраторы в виде внешних поверхностей экранов. У основания эта антенна должна питаться симметрично, иначе половина вибраторов получит потенциал земли и не будет излучать. Симметрирование осуществляется с помощью четвертьволнового стакана, верхний конец которого соединен с экраном нижнего излучателя в середине его длины. Вместо стакана можно использовать ферритовые сердечники, одетые на кабель на расстоянии l/2 от верхнего края нижнего излучателя.

На рис.2 б показан вариант, в котором верхний излучатель выполнен в виде соединения отрезка кабеля длиной l/4 со штырем длиной также l/4. Работают варианты а и б идентично, при условии, что коэффициент укорочения волны в кабеле близок к единице. При коэффициентах укорочения 0,66-0,80 предпочтение следует отдавать схеме рис.2 б..

На рис.2 приведены примеры коллинеарных антенн с четырьмя излучающими элементами. Число элементов может быть увеличено или уменьшено без нарушения работы антенны. Однако необходимо иметь в виду, что, как минимум, элементы 1 и 4 должны присутствовать, и что входное сопротивление антенны в точке ее питания зависит от числа элементов и становится близким к 50 Ом только при числе элементов более 6. Дальнейшее наращивание числа элементов на величине входного сопротивления практически не отражается из-за большого затухания в структуре антенны.

При меньшем числе элементов может потребоваться использование согласующего трансформатора, поскольку симметрирующий трансформатор в виде четвертьволнового стакана сопротивление не трансформирует.

У коллинеарных антенн, запитываемых с одного конца, ток, по мере приближения к другому концу антенны, спадает из-за затухания, обусловленного излучением. Это приводит к уменьшению усиления по сравнению с теоретическими значениями, приведенными в таблице 1. По некоторым источникам (Статья Майка Коллиса WA6SVT в журнале "73" August 1990.) усиление коллинеарной антенны относительно диполя равно:

при 4 элементах = около 3,5 dBd,

при 8 элементах = 6 dBd,

при 18 элементах = 9 dBd.

Как видим, чем больше элементов используется в коллинеарной антенне, тем меньший вклад в общее усиление добавляет каждый последующий.

Приведенные выше значения усиления получены при условиях работы антенны в свободном пространстве. Учет влияния земли дает заметно большие значения усиления в нижнем лепестке (на 2-3 дБ).

Практически приемлемые конструкции коллинеарных антенн для диапазона 2 м используют 4 элемента, а для диапазона 70 см – 8 элементов и более.

Как вытекает из описания принципа работы коаксиальной коллинеарной антенны, каждый ее элемент, кроме последнего, выполняет две функции: функцию полуволнового излучающего резонатора и функцию линии передачи с фазовой длиной 1800. Добавление 1800 за счет перекрещивания позволяет получить синфазность токов во всех элементах. Именно достижение синфазности является условием, при котором излучение направлено по нормали к оси антенны, т.е. на горизонт. Для выполнения этого условия длина отрезков коаксиальной линии, из которых сформированы элементы, должна быть равна половине длины волны с учетом укорочения волны в коаксиальной линии.

С другой стороны, излучающие элементы должны иметь резонансную длину, равную половине длины волны, без учета укорочения.

Одновременное выполнение этих условий возможно только при использовании кабелей с коэффициентом укорочения, близким к 1 (кабели воздушным заполнением), при использовании коаксиальных линий с полиэтиленовым заполнением нужно в первую очередь выполнять первое условие.

Например, если из-за меньшей, по сравнению с расчетной, величины коэффициента укорочения используемых линий всего на 2% фазовый сдвиг окажется равным 1760 вместо 1800, главный лепесток диаграммы направленности опустится на 30 от направления на горизонт. Аналогично, при фазовой длине 1840 лепесток отклонится на 30 вверх .

Как известно, различные типы кабелей могут иметь коэффициенты укорочения от 0,66 для диэлектрического заполнения сплошным полиэтиленом до 0,79-0,80 при заполнении вспененными диэлектриками и даже до 0,909 при полувоздушном заполнении (изоляция в виде корделя). Для снижения потерь на высоких частотах предпочтение следует отдавать кабелям с минимальным заполнением диэлектриком, т.е. с максимальным значением коэффициента укорочения. Кроме того, усиление антенны определяется не числом ее элементов, а ее длиной. При равном числе элементов большую длину имеет антенна из кабеля с минимальным заполнением диэлектриком.

Главным условием хорошей работы антенны является точная фазировка длин элементов. Условие резонанса общей длины антенны на рабочей частоте легко достигается подбором положения запирающего стакана при ее настройке.

Из этого примера становится понятно, что для успешного изготовления коллинеарных антенн необходимо точное выполнение рекомендаций по выбору типов используемых линий и всех конструктивных размеров, даваемых в описаниях практически проверенных конструкций.




ВходРегистрация