Глава 1. Теория штыревых антенн.

1. Определения и понятия.

Несимметричными (штыревыми) называются антенны, расположенные непосредственно вблизи земли (или проводящего экрана) перпендикулярно (реже наклонно) к её поверхности (2).

Если считать землю идеально проводящей и учитывать зеркальное отображение, то несимметричный вибратор можно считать половиной эквивалентного ему симметричного вибратора (рис.1).

Исходя из этого предположения, и рассчитываются все основные характеристики несимметричного вибратора (штыря).

Сопротивление излучения несимметричного вибратора в два раза меньше, чем у эквивалентного симметричного вибратора, поскольку при одинаковых токах первый излучает в два раза меньшую мощность (нет излучения в нижнее полупространство) (2).

Входное сопротивление несимметричного вибратора в два раза меньше, чем у эквивалентного симметричного вибратора, поскольку при одинаковых токах питания у первого напряжение питания в два раза меньше (рис.2).

Коэффициент направленного действия (а, следовательно, и коэффициент усиления) 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, так как вся его мощность излучается в одно полупространство (рис.3).

Всё вышесказанное было справедливо для идеального несимметричного вибратора, то есть когда земля представляет собой идеальный проводник. Если же земля обладает плохими проводящими свойствами, или эти свойства не постоянны, то есть зависят от погоды, времени года и т.д., то характер распределения тока в земной поверхности меняется, в результате чего меняется и поле излучения вибратора. Низкая проводимость почвы приводит к уменьшению амплитуды тока в вибраторе а, следовательно, к повышению его сопротивления и уменьшению излучаемой мощности. Кроме того, почва, обладающая плохой проводимостью, является обычно диэлектриком с большой диэлектрической проницаемостью (ее максимальное значение может достигать 80), что приводит к изменению электрической длины мнимого диполя, а также к искажению длины пути токов смещения (3), в результате чего происходит полное искажение диаграммы направленности (поднятие лепестков вверх и уменьшение излучения под малыми углами к горизонту) и, конечно, увеличение комплексного сопротивления штыря (рис.4), в основном за счет увеличения реактивной составляющей сопротивления. По этой причине практически не используют почву в качестве “земли”, а используют так называемую “искусственную землю”.

Как указывалось в предыдущем параграфе, в работе штыревой антенны важную роль играет заземляющая система.

Теоретические расчеты показывают, что наибольшие потери имеют место в зоне с радиусом 0,35l (1), поэтому в этой зоне желательно провести “металлизацию” земли, т.е. соединить радиальные провода между собой перемычками (рис.4). Это позволит уравнять потенциалы в “земле” антенны, что приведет к уменьшению сопротивления “земли” и, вследствие этого, увеличит эффективность работы антенны и расширит ее широкополосность. Особенно это важно для укороченных антенн. Очень хорошо, если эта металлизация будет проведена на всём расстоянии противовесов.

Противовесы следует располагать на некотором удалении от земли (рис.5), так как, если противовесы будут лежать на земле, то, покрывшись влагой, имеющей диэлектрическую проницаемость 80, их электрическая длина не будет резонансной для антенны. Должны быть изолированы от земли и их концы. В одном случае можно не изолировать концы противовесов от земли – если они надёжно соединены кольцом-перемычкой (рис.5). В этом случае “земляная” система антенны работает не на резонансном, а на зеркальном эффекте взаимодействия токов смещения с противовесами.

Никогда не следует забывать о том, что идеальная штыревая антенна имеет КПД 47 %, а КПД антенны с тремя противовесами - менее 5 %, т.е., работая со штыревой антенной с тремя противовесами, из 200 Ватт, подводимых к штырю, 100 (!!!) напрасно теряется, попутно создавая TVI. Очень интересен вопрос, куда уходит эта “теряемая” мощность… Изложение этих процессов сложно не только для радиолюбителя, но и для специалиста. Многие процессы в ионосфере нелинейны, т.е. отражение радиоволн начинается, например, при подводимой мощности к вашей антенне в 7 Ватт, и уже полностью не происходит при 5 Ваттах, т.е., Вы теряете уникальные возможности DX QSO, сэкономив на проводе для противовесов. По теореме взаимности (4) антенна работает как передающая или приёмная – параметры и характеристики её одинаковы, значит, на приём происходят большие потери полезного сигнала (на практике это приводит к увеличению шумовой составляющей принимаемого сигнала).

Следует учесть искажения диаграммы направленности при малом количестве противовесов: из полусферической она становится лепестковой, имеющей направление максимумов излучения вдоль противовесов (рис.6). Задача нахождения оптимального количества противовесов была решена мной при помощи ЭВМ (возможно, при других начальных условиях, решение будет несколько иным). Здесь я пытался задать усредненные характеристики моделируемым антеннам. Решение представлено на рис.7. Из него видно, что минимально необходимое число противовесов равно 12. При большем их количестве КПД растёт медленно. Противовесы должны быть расположены на одинаковом расстоянии относительно друг друга.

Угол расположения противовесов относительно штыря должен быть от 90° до 135° (рис.8). При больших и меньших углах КПД падает, и диаграмма направленности искажается. Противовесы должны быть длиной не менее основного штыря. Это можно объяснить тем, что протекающие между штырём и противовесами токи смещения занимают определённый объём пространства, который участвует в формировании диаграммы направленности. Уменьшение длины противовесов а, следовательно, уменьшение объёма пространства, служащего для формирования диаграммы направленности, существенно ухудшает характеристики антенн (рис.9).

С большим приближением можно сказать, что каждой точке на штыре соответствует своя зеркальная точка на противовесе, между которыми протекают токи смещения. Создаваемая диаграмма направленности и будет суперпозицией (наложением) этих токов. При использовании противовесов короче основного штыря, не будет надлежащего распределения поля в пространстве. Однако нет необходимости использовать противовесы длиннее, чем основной штырь.

Токи смещения, как и все обычные токи, протекают по пути наименьшего сопротивления, которое в данном случае сосредоточено в объёме, ограниченном радиусом штыря (рис.10). За пределами этого объёма токи смещения будут малы и не будут играть заметной роли в создании диаграммы направленности, хотя и приведут к некоторому увеличению излучения под малыми углами к горизонту.

Противовесы и сам штырь должны быть покрыты защитной краской. Это необходимо для того, чтобы материал, из которого выполнена антенна, не окислялся. Окисление вибратора приводит в негодность антенну по следующим причинам:

• Тонкая плёнка окисла имеет значительное сопротивление, а так как на ВЧ сильно выражен поверхностный эффект, то энергия передатчика поглощается этой плёнкой с выделением тепла.

• Как правило, эта плёнка является полупроводником, что даёт возможность антенне излучать как гармоники основной частоты сигнала (nF, где n – целое), так и ряд комбинационных частот, типа (nF₁+nF₂), где n – целое, F₁ – частота передатчика, F₂ – любой другой мощный ВЧ сигнал, как то: сигнал местного телецентра, соседнего ведомственного передатчика и т.д.

Крайне желательно использовать для этого радиокраску (ту, которой красят локаторы на аэродромах, кораблях и т.д.). Частички кра-сителя, содержащиеся в обычной краске, поглощают ВЧ энергию, хотя, в крайнем случае, можно использовать и ее.

Как известно, сопротивление излучения антенны R_изл пропорционально отношению l/d, где l-длина и d-диаметр антенны (рис.11). В то же время, добротность антенны Q = R_изл / R_а, где R_а – сопротивление антенны. Отсюда следует, чем меньше отношение l/d, тем широкополоснее антенна. КПД ее также растет за счет уменьшения активной составляющей вибратора и улучшения взаимодействия токов смещения с противовесами.

Следует учесть, что при использовании толстых вибраторов сказывается “торцевой эффект”. Он обусловлен емкостью между торцами вибратора и землей (рис.12). Физически он выражается в том, что антенна получается “длиннее” расчетной, в результате чего вводят коэффициент укорочения К, и длина штыря будет (l /4)´ К. Пример значений коэффициента укорочения дан в табл.1. (5). Для его уменьшения широкополосные штыри делают конусообразной формы в нижней части и, если это необходимо, в верхней (рис.13). Однако коэффициент укорочения для штыря точно определить невозможно, и поэтому приходится мириться с возникающей реактивностью, или компенсировать ее.

Расчеты показывают, что минимально необходимая толщина противовесов для эффективной работы антенны должна составлять d=D/2,4n, где d – диаметр противовесов, D – диаметр штыря и n – количество противовесов.

Часто радиолюбители не могут по каким-то причинам применить l /4-штырь и используют штырь, имеющий гораздо меньшие размеры. В принципе, можно согласовать штырь любой длины с помощью согласующих устройств.

На графиках (рис.14) из (5) показаны значения сопротивления излучения короткого штыря.

Известно, что штырь, имеющий малое активное и большое реактивное сопротивление, будет согласован весьма не оптимально (на самих согласующих устройствах может рассеиваться до 90% энергии). Если же еще при этом используются и суррогатные короткие противовесы, то эффективность такой антенной системы будет весьма низка. Однако в средствах подвижной связи часто такие суррогатные системы применяются, но это только потому, что и другие виды укороченных антенн будут работать не лучше.

Многих интересует, как влияет высота подъема штыря на его диаграмму направленности и зависит ли его сопротивление от высоты подвеса.

В преддверии всего этого я познакомлю вас с важнейшим результатом (6). Он заключается в том, что распределение токов в штыре не зависит от высоты подвеса при наличии идеальной земли- системы противовесов.

    Это очень важный результат. Практически это означает, что на какой бы высоте штырь вместе со своей системой “земли” ни находился, его сопротивление будет постоянным (рис.15). Но это частный случай более общего решения. Общий результат решения показывает, что если штырь настроен в резонанс, то его нижний конец можно заземлить. При этом его можно питать в любой точке (рис.16).

На результатах этого важного вывода и созданы штыревые антенны (флаг-антенны, мачты-антенны), нижний конец которых соединен с “землей” и которые питаются через гамма-согласование или каким-либо другим способом, более удобным в данном случае.

Диаграммы направленности l /4-штыря приведены на рис.17. Из этого рисунка видно, что чем больше поднимается антенна, тем более пологий угол излучения к горизонту. Это объясняется тем, что происходит сложение излученной штырем волны и волны, отраженной от земли. Естественно, что если почва обладает плохими проводящими свойствами, то диаграмма направленности будет близка к диаграмме направленности штыря над землей.

 Поднимать антенну на высоту более длины волны не имеет смысла, так как при этом уже не происходит уменьшения угла излучения, а только начинают дробиться верхние боковые лепестки. При поднятии на высоту штырей длиной более l /4 результат будет такой же. На рис.17 приведены диаграммы направленности штырей разной длины, размещенных над идеально проводящей землей (5). Следует запомнить еще одну интересную особенность штырей, высота которых равна l и более. Такие антенны в профессиональной связи используются как антифединговые (4). Для радиолюбителей это означает, что такая антенна будет принимать без проблем сигнал, приходящий с замираниями на l /4-штырь или четвертьволновой диполь.

Для успешной работы штыревая антенна должна быть согласована с линией питания и настроена в резонанс с излучаемым ей сигналом. Несмотря на все кажущееся многообразие согласующих устройств и штырей их можно разбить на три группы.

• штырь согласованный, электрическая длина которого равна l /4 (рис.19а)

• штырь с электрической длиной больше l /4 (рис.19б) (эту “лишнюю” длину убирают с помощью емкости);

• штырь с электрической длиной меньше l /4 (рис.19в) (“недостающую” длину добавляют катушкой индуктивности).

Для практики необходимо помнить, что конденсатор и катушка должны иметь максимально возможную добротность, а также, желательно, чтобы ТКЕ и ТКИ были как можно лучше. Обычно емкость укорачивающего конденсатора может быть в пределах 100 пФ на 28-18 и более на НЧ-диапазонах. Параметры удлиняющей катушки – единицы мкГн – до 21 МГц, десятки – до 3,5 МГц. Точно определить теоретическое их значение трудно, так как в этом случае происходит влияние коэффициента укорочения вибратора, торцевых емкостей на землю и массы других параметров. Вследствие этого согласующие реактивности часто подбирают экспериментально. Однако желающие могут воспользоваться работами (3,7,8) для определения точного теоретического значения удлиняющих и укорачивающих реактивностей.

В заключение следует отметить, что подобная практика согласования применима и к штырям длиной, кратной l /4.

Несимметричный вибратор над экраном конечных размеров или классический штырь (рис.20).

Эту антенну и применяют в основном радиолюбители. В качестве экрана обычно используют противовесы длиной не менее l /4. Расчет диаграммы направленности такой антенны в реальных условиях очень сложен, поэтому считается, что ее диаграмма направленности совпадает с диаграммой направленности идеального штыря над бесконечно проводящей землей. Однако полупроводящая поверхность земли может серьезно исказить ее, особенно когда длина противовесов по сравнению с длиной штыря мала.

Несимметричный петлевой вибратор.

Его диаграмма направленности совпадает с диаграммой направленности классического штыря. Однако, он обладает преимуществом, выражающемся в том, что один его конец в любом случае заземлен. Подбором толщин а₁ и а₂ можно изменять его входное сопротивление в широких пределах. При а₁ = а₂ сопротивление вибрато-

ра будет равно 146 Ом. Для тех, кто хочет самостоятельно рассчитать сопротивление несимметричного вибратора, имеющего разные толщины, я привожу формулу (2):

R_а = (1+n²) ´ 36,6;

где n = ln (d / а₁) / ln (d / а₂).

Широкодиапазонные несимметричные вибраторы, как и симметричные, изготовляются из толстых труб, штырей, пластин. Они могут быть коническими, ромбическими, цилиндрическими, сплошными и решетчатыми. Перекрытие диапазона рабочих частот зависит от отношения d/l. Чем оно больше, тем широкополоснее вибратор. Хорошо известна антенна UW4HW, являющаяся широкополосным несимметричным вибратором.

Конические антенны – частный случай широкополосных вибраторов (рис.23). Поле излучения создается токами, обтекающими конус, а

диск играет роль экрана и почти не излучает. При угле a = 60° достигается наибольший коэффициент перекрытия диапазонов, равный примерно 5, при КБВ = 0,5 в фидере с волновым сопротивлением 50 Ом. При этом максимальная длина волны равна 3,6b. Диаграмма направ-ленности дискоконусной антенны КВ и УКВ примерно такая же, как и у обыкновенного штыря. 

Антенны-мачты (2), широко используемые как профессионалами, так и радиолюбителями можно выделить в отдельный класс антенн. Особенностью их является то, что нижний конец антенны заземлен.

Антенна верхнего питания (рис.24) возбуждается с помощью фидера, проложенного внутри мачты. Это принципиально, поскольку если фидер будет проходить по мачте снаружи, то возможно уменьшение поля излучения антенны. Диаграмма направленности его такая же, как и у обычного штыря, но потери при излучении и приеме больше, так как радиоволна отражается от земли при передаче и приеме.

Антенна среднего питания (рис.25) представляет собой мачту из двух частей, возбуждаемую последовательно в точках 1 и 2 напряжением, которое подается с помощью фидера, проложенного внутри нижней части. Сопротивление антенны в точках питания Ra=Rb/cos²kl₁, где k - коэффициент укорочения, Rb - сопротивление “чистого” вибратора в точке 3. Подбирая соотношение между l₁ и l₂ можно согласовать антенну с фидером питания. Принципиальное значение имеет то, что фидер должен проходить внутри нижней части антенны. Недостаток - трудности с практическим выполнением изолятора для ее верхней части.

Антенна шунтового питания (рис.26) возбуждается параллельно при помощи шунта, подсоединенного к мачте на некоторой высоте l₁. Обычно l₁ меньше l /4 и l₂ меньше l /4, т.е. входные реактивные сопротивления нижней и верхней частей антенны должны иметь индуктивный и соответственно емкостной характер. По входному сопротивлению в точке 1 антенна эквивалентна параллельному контуру. Подбором величины l₁ обеспечивается наилучшее согласование с фидером питания. Распределение токов таково, что излучение шунта частично ослабляет излучение антенны, поэтому шунт следует делать минимальных размеров. Классическая реализация шунтового питания – гамма-согласование.

Часто, особенно при построении антенн для низкочастотных диапазонов, нет возможности расположить вибратор вертикально относительно земли. При расположении штыря наклонно относительно земли антенная система остается работоспособной, однако, диаграмма направленности исказится. Изменится и входное сопротивление антенны.

Трудно предугадать, как сильно изменится диаграмма направленности, но можно подсказать несколько простых правил:

• Располагать по возможности больше противовесов под той частью антенны, которая наклонена (этим мы уменьшим влияние земли).

• По возможности поднимать противовесы так, чтобы они образовывали с антенной угол не более 135° (рис.27).

• Следует помнить, что такую антенну труднее согласовать из-за наличия значительной величины реактивной составляющей.

Любой радиолюбитель, имеющий штыревую антенну, может поставить простой, но наглядный эксперимент. Для этого нужно трансивер, подключенный к штырю, включить на передачу (лучше в телеграфном режиме, ключ на “точки”, чтобы не перегревать РА). Около антенны с помощью устройства (рис.28). Вы можете видеть, как ваш передатчик заставляет светиться светодиод. Если мощности передатчика недостаточно для зажигания светодиода, подключите вместо него ВЧ-вольтметр.

Вращая этот простой пробник, вы увидите, что светодиод светит максимально при расположении пробника параллельно штырю, и не светится вовсе или светит очень слабо при расположении пробника перпендикулярно относительно штыря.

Теперь посмотрите на предметы, расположенные около штыря на крыше. В любом проводе, параллельном штырю будут наводиться токи, на что будет тратиться мощность вашего передатчика.

Часто вертикальные мачты на крыше, служащие опорой для TV-антенн или проводов радио, телефона растянуты с помощью биметаллической или стальной проволоки. В местах соединения окисленных материалов может проявляться нелинейный эффект. В этом случае частота вашего передатчика может быть умножена, сложена с каким-нибудь другим мощным сигналом и т.д. Так как эти “контактные” полупроводники подвержены воздействию атмосферы, то нелинейный эффект (и, следовательно, ТVI) могут наблюдаться в сухую погоду, или только в сырую, или носить нерегулярный характер.

Если вертикальные мачты расположены на расстоянии, равном ее высоте или высоте штыря от последнего, то будет искажена диаграмма направленности штыревой антенны.

Для устранения этих нежелательных эффектов необходимо соблюдать следующие правила:

• Желательно, чтобы в зоне штыревой антенны, ограниченной длиной волны, не было никаких вертикальных предметов.

• Если это невозможно и возникают TVI при работе на штырь, можно попытаться понизить добротность мешающих штырей. Для этого необходимо покрасить их краской, смешанной с графитом или сильно натереть графитом (в городах на конечных остановках трол-лейбусов часто можно найти большие куски графита, которые при ремонте пантографа просто выбрасываются). Нужно проследить, чтобы не было контакта “металл-металл”, и там, где он есть, разбить его изолятором (рис.29).

• Если невозможно 1 и 2, попытайтесь поставить штыревую антенну так, чтобы вертикальные мешающие предметы были под экраном из противовесов (рис.30).

Радиолюбители, у которых штырь изолирован от земли, но подключен напрямую или через катушку индуктивности к коаксиалу (рис.31), могут провести очень наглядный опыт. Для этого летом перед грозой или зимой в сухую снежную погоду нужно подключить “неонку” к коаксиалу, идущему от вашего штыря. Вы увидите, что лампочка начнет периодически вспыхивать. Теперь подключите параллельно лампочке конденсатор емкостью от 200 до 500 пФ (именно такая суммарная емкость П-контура в диапазоне от 10 до 160 м). Вспышки станут заметно мощнее, а при емкости от 1000 пФ “неонка” может даже выйти из строя.

Теперь предположим, что к реальному Вашему передатчику подсоединена такая антенна. Если он транзисторный, то заряд, накопившийся на конденсаторах, может пробить выходной транзистор. Если у вас стоит в радиоаппаратуре радиолампа с малым зазором анод-катод (типа ГИ-7Б), то такой заряд может прожечь и ее. Даже если этого не случится, большой накопительный заряд может испортить конденсаторы П-контура, особенно если они рассчитаны на невысокое напряжение.

Если антенна включена по схеме (рис.32), то атмосферное электричество может прожечь подстроечный конденсатор. Чтобы этого не происходило, необходимо снимать статическое электричество, для чего целесообразно соединить штырь с противовесами резистором сопротивлением от 10 до 100 кОм мощностью не менее 2 Вт. Желательно противовесы заземлить через такой резистор на электрическую “землю” непосредственно на крыше. Это существенно обезопасит вашу работу. Не рекомендуется использовать штыревую антенну во время грозы, так как возможно прямое попадание в нее молнии, особенно если штырь находится выше других заземленных мачт.

Следует отметить, что штырь сильно подвержен помехам от грозовых разрядов. К сожалению, от этих помех практически нельзя избавиться. Во-первых, спектр молнии очень широк. Во вторых, есть еще один путь возникновения помех. На входе приемника стоят колебательные контуры, настроенные на рабочую частоту. Антенну можно также рассматривать как настроенный в резонанс контур. При воздействии разряда молнии в этих контурах возникают затухающие колебания, которые будут происходить на частотах приема или близких к ним и приниматься вашим приемником как помеха.

Многие считают, что штыревые антенны очень подвержены воздействию бытовых и индустриальных радиопомех. На самом деле эти помехи часто имеют как вертикальную, так и горизонтальную поляризацию, и трудно сказать, что именно преобладает в месте установки штыря. Во всяком случае, больший уровень помех при приёме на штырь по сравнению с диполем часто можно объяснить более эффективной работой штыря и тем, что он имеет круговую диаграмму направленности (т.е. ловит помехи отовсюду).

В параграфе 6 были описаны способы согласования и питания КВ-штыревых антенн. Эти методы пригодны и для УКВ-штыревых антенн, но наиболее часто в УКВ-штыревых антеннах передвижных станций используется согласование с помощью индуктивной петли (рис.33). Такое согласование используется потому, что оно более технологично для УКВ, чем вышеприведенные способы.

УКВ антенна над металлической поверхностью (корпусом автомобиля), близка к идеальной штыревой антенне по своим параметрам и имеет входное сопротивление около 36 Ом (рис.34). Для согласования с кабелем 50 или 75 Ом в этом случае необходимо подключиться к участку антенны, имеющему указанное сопротивление (рис.35). Чтобы сохранить согласование с кабелем, от которого в этом случае отходили бы очень длинные отрезки провода, этот участок штыря необходимо согнуть (рис.37). Это согласование носит название “hair pin” в зарубежной литературе, что означает “заколка для волос”, так как оно напоминает ее по форме. 

Такое согласование используют в диапазоне от 144 до 1215 МГц. Диаметр этого согласующего устройства обычно не превышает диаметра УКВ-штыря. Размер l должен быть примерно 0,02-0,03 длины волны, размер d равен примерно четверти длины l. Точный подбор размеров согласующего устройства должен быть осуществлен во время настройки антенны с помощью КСВ-метра.

Иногда для УКВ используют согласование с помощью четвертьволнового трансформатора (рис.38). Как известно, соотношение величин Z_{трансформатора}, Z_кабеля и R_{нагрузки} определяется из формулы :

Z_кабеля = Z_{трансформатора} / R_{нагрузки,}

где величины, используемые в формуле, понятны из рис.39.

В этом случае при сопротивлении идеального штыря, равном 36 Ом, величина волнового сопротивления четвертьволнового трансформатора должна быть 50 Ом, а волновое сопротивление кабеля 75 Ом (расчетная величина 69 Ом).

При таком способе согласования есть несколько неудобств.

• Необходимо два типа кабеля с разными волновыми сопротивлениями.

• Не всегда точно известна диэлектрическая постоянная изоляции кабеля, и вследствие этого, не всегда удается сделать точно четвертьволновой трансформатор (не забывайте, что четверть волны должна быть в кабеле) и будет некоторое рассогласование антенной системы.

• Необходим высококачественный опорный изолятор.

Если антенна установлена не на крыше автомобиля или какой-либо металлической поверхности передвижного объекта, а над ним, согласование антенны с кабелем производят с помощью угла наклона противовесов. В этом случае, при использовании кабеля 50 Ом противовесы располагают под углом 135° относительно штыря (рис.40). При использовании кабеля 75 Ом применяют меры для согласования 50-Омного сопротивления в 75-Омное сопротивление кабеля, и размещают противовесы под углом 180° к штырю. В этом случае часто используют металлическую трубу (рис.41) для “земляного” вибратора. Следует заметить, что многие автомобильные антенны на магните выполнены без учета всего этого.

Ранее уже указывалось на важность использования соответствующих заземляющих устройств для штыревой антенны, особенно если эта антенна электрически коротка. Действительно, сопротивление антенной системы можно найти по формуле:

R_{а.с. =} R_а + R_з,

где R_а.с. - полное сопротивление антенны,

При дальнейшем анализе этой формулы для нахождения КПД антенной системы придем к выводу, что для эффективной работы антенной системы необходимо стремиться, чтобы R_а не превышало R_з. На графике (рис.43) показано сопротивление заземляющей системы, выполненной из медных проводов диаметром 1 мм для частоты 7 МГц при длине противовесов в четверть длины волны. Расчет произведен с некоторыми приближениями. В параграфе 4 приведены данные сопротивления короткого штыря. Используя эти данные, можно найти минимально необходимое количество противовесов для короткой антенны. Необходимо, чтобы R_а не превышало R_з для того чтобы антенная система работала эффективно. Например, штыревая антенна высотой 1/8 длины волны имеет активное сопротивление около 6 Ом. В этом случае, чтобы 50% подводимой энергии к антенной системе использовалась в штыре на излучение, необходимо иметь хотя бы 10 противовесов длиной в четверть длины волны, а лучше – вдвое больше. Необходимо придерживаться этого правила – чем короче излучающий штырь, тем больше число противовесов требуется для обеспечения его эффективной работы.

Это также относится и к антеннам высотой в четверть длины волны и более. Хотя эффективная работа таких “высоких” антенн возможна с несколькими противовесами, тщательный анализ показывает, что для обеспечения эффективной работы такой антенной системы необходимо хотя бы двенадцать противовесов (см. параграф 2).

В этом параграфе я не рассматривал потерь на согласующих устройствах, которые в общем случае будут также очень высоки.

До сих пор еще можно услышать или прочитать рекомендации некоторых радиолюбителей о необходимости закапывать противовесы. Попробуем разобраться с этим. Из-за поверхностного эффекта глубина проникновения электромагнитной волны составляет от примерно 5-10 м на 1,8 МГц до примерно 1 м на 28 МГц (рис.43).

Эти данные приведены для “средней” почвы Центральной России. При мокрой, засоленной или, наоборот, песчаной почве эти значения изменяются. Для эффективной работы противовесов необходимо, чтобы они взаимодействовали хотя бы с 90% энергии электромагнитного поля. Это значит, что теоретически при работе на 160 м противовесы можно закопать на глубину не более 40 см, а при работе на 10 м - на глубину не более 10 см. В этом случае следует принять все меры по обеспечению защиты противовесов от коррозии, т.е. использовать провод в хорошей пластиковой изоляции.

При анализе сопротивления закопанных противовесов, очевидно, что оно складывается из собственно сопротивления “чистых” противовесов плюс сопротивления потерь в почве (рис.44). Это сопротивление потерь непостоянно и зависит от состояния почвы, что усложняет согласование антенны. Возникают искажения диаграммы направленности, обусловленные переходом токами смещения среды “диэлектрик-воздух” (рис.44) и частичным их рассеянием в полупроводящей почве, так же искажением их направления (рис.44).

Исходя из этого можно рекомендовать только один путь избавления от мешающих проходу противовесов на земельном участке – это или поднятие антенны, а вместе с ней и противовесов или использовать антенну-мачту верхнего питания (рис.24).

Для того, чтобы неподготовленному читателю были понятны последующие две главы, напомню основы построения направленных антенн.

Предположим, мы возбуждаем антенну А (рис.45), рядом с ней имеется антенна В. Электромагнитная волна, излученная антенной А, наводит токи в антенне В, которая в свою очередь благодаря этому излучает. Излучение антенны В таким же образом влияет на антенну А.

Антенна А и антенна В имеют каждая свою диаграмму направленности (рис.46). Общая диаграмма направленности будет суммой этих двух диаграмм направленности.

Такое же действие происходит с сопротивлениями антенн. Если антенна А имеет входное сопротивление R, то при размещении рядом с ней антенны В ее полное сопротивление будет равно R_a+R’_bb, где R’_bb – вносимое антенной В сопротивление. На рис.47 приведен упрощенный график качественной величины вносимого сопротивления вторым вибратором в первый. Подробнее такие графики приведены в (6).

Из графика на рис.47 видно, что вносимое сопротивление изменяется по синусоидальному закону в зависимости от расстояния между вибраторами.

Исходя, из этой теории предположим, что можно найти такое местоположение вибраторов, которое давало бы заданную диаграмму направленности при сумме двух элементарных диаграмм направленности каждого вибратора. Такая работа была проделана в Японии в 1926 году С. Уда. Статья, описывающая результаты этой работы, была написана его коллегой Х. Яги. Свои опыты С. Уда проводил с вертикальными вибраторами. Антенна Уда-Яги представляет собой антенну из нескольких вибраторов, один из которых активный, а остальные пассивные (рис.48).

Размеры вибраторов l₁ - 1_n и расстояния между ними l₁ - d_n-1 выбраны таким образом, что формируется однонаправленный “луч”. Обычно задний вибратор длиннее, а передний короче активного вибратора.

Есть еще один способ для создания заданной диаграммы направленности. Он заключается в активном питании вибраторов токами разных фаз (рис.49). Естественно, что в этом случае вносимые сопротивления будут участвовать в формировании диаграммы направленности, однако, поскольку мощность, поступающая от генератора в антенны А и В, гораздо выше переизлученной ими мощности, то основным фактором, формирующим диаграмму направленности этой антенной системы, будет разность фаз тока, питающего эти вибраторы. Изменяя разность фаз можно получить практически любую диаграмму направленности антенной системы (рис.51) (взят из (5) стр. 280).

Из этого рисунка понятно, что антенная система с фазированным питанием предпочтительнее антенны Уда-Яги. Действительно, антенна Уда-Яги строго однодиапазонна. Существуют некоторые трудности, связанные с настройкой ее пассивных элементов.

При построении вертикальной антенны Уда-Яги на диапазоны 40-160 м, пожалуй, даже нечего думать о ее вращении.

Поставив, к примеру, два вертикальных вибратора на 160 м (что, хоть и трудно, но реально), можно работать как на 160 м, причем изменяя диаграмму направленности “вперед-назад”, так и на других любительских диапазонах. При этом можно несложно формировать необходимую диаграмму направленности антенной системы.

15. Построение направленных антенн с пассивными элементами.

Есть два пути построения антенн Уда-Яги: это использование четвертьволнового вибратора и использование полуволнового активного вибратора.

При использовании четвертьволнового вибратора пучность тока находится как раз около заземленного конца штыря, и антенную систему несложно питать через коаксиальный кабель или через гамма-согласование. При использовании четвертьволнового активного вибратора необходимо самое серьезное внимание уделить заземляющей системе. В этом случае 12 противовесов (см. параграф 2) уже не хватит для эффективной работы системы, и их следует увеличить хотя бы вдвое. Это связано с уменьшением сопротивлений вибраторов из-за их взаимного влияния. При расположении противовесов следует обеспечить хорошую изоляцию противовесов каждого вибратора друг от друга, или, еще лучше, сделать общую “землю” согласно рис.52.

Антенная система (рис.52б) будет работать эффективнее, чем антенная система (рис.52а).

При использовании активного вибратора размером в половину длины волны на “земляном” конце вибратора будет пучность напряжения. Для питания такой системы используют четвертьволновую линию, которая обеспечивает пучность напряжения, или питают с помощью гаммасогласования в центре вибратора (рис.50).

Если для четвертьволнового штыря система противовесов необходима, то для полуволнового вибратора такой необходимости в противовесах, особенно при питании через гамма-согласование, нет. Но при питании с помощью четвертьволновой линии желательно иметь хотя бы по 4 противовеса под каждым вибратором. В противном случае, эффективность системы будет мала.

Если для четвертьволнового вибратора необходимо, чтобы пассивные элементы были тщательно соединены с противовесами и противовесы должны быть в четверть длины волны, то для полуволнового активного вертикального вибратора необходима изоляция пассивных элементов от противовесов, хотя противовесы для самого вибратора крайне желательны. Длина противовесов должна составлять половину длины волны.

Противовесы также улучшают диаграмму направленности вертикальной штыревой многоэлементной системы, устраняя влияние предметов, находящихся под ними.

Часто при использовании трехэлементных антенн пассивные элементы выполняют так, чтобы была возможность изменять их длину. В этом случае, преобразуя рефлектор в директор, можно изменять диаграмму направленности на 180° (рис.53). Необходимо использовать для этого высококачественные реле, так как в случае четвертьволнового вибратора через контакты протекает большой ток, а в случае полуволнового вибратора существует большое напряжение между корпусом реле и его контактной системой (рис.53).

В параграфе 14 было показано, что фазируемые вертикальные антенны могут работать в широком диапазоне частот и могут обеспечивать изменяемую диаграмму направленности антенной системы.

Это обусловило их широкое использование в военной и коммерческой радиосвязи и вещании. Обычно расстояние между вибраторами остаётся неизменным, хотя существуют антенные системы с изменяемым расстоянием между вибраторами. Типичная схема системы приведена на рис.54.

Такая антенная система состоит из n вибраторов, где n от 2 до 10. На каждом вибраторе стоит согласующее устройство 1, которое позволяет согласовать сопротивление линии передачи 4 с сопротивлением вибратора. Линии передачи 4 обычно имеют одинаковую длину до своих фазирующих устройств 2. С помощью этих устройств можно изменять разность фаз и тем самым менять диаграмму направленности. Фазирующие устройства 2 с помощью линии передач 6 связаны с сумматором мощности 3, который питает все эти вибраторы мощностью, подводимой от передатчика 5.

Хотя на первый взгляд такая схема питания сложна, в любительских условиях её несложно реализовать.

Вибраторы размещают друг от друга на расстоянии в четверть волны на низшем рабочем диапазоне системы. В этом случае (рис.55) активное вносимое сопротивление вибраторов друг на друга мало, а реактивное несложно компенсировать. Очевидна также простота согласующего устройства штыря при работе его на более высоких частотах.

В качестве фазирующего устройства используется коаксиальный кабель, обеспечивающий необходимую разность фаз, или LC цепь, что проще и даёт возможность плавной регулировки разности фаз. Сумматором служит выходной П-контур передатчика. Полная схема питания двухэлементной антенной системы приведена на рис.55.

Естественно, что при соответствующем П-контуре к нему можно подключать и несколько вибраторов. В некоторых случаях возможно придется использовать согласование каждого вибратора с П-контуром (рис.56).

Так как в конечном итоге разность фаз в вибраторах зависит от степени согласования каждого из них с кабелем, от совершенства заземляющей системы, которую желательно выполнить согласно рис.67, и от влияния других посторонних предметов на вибраторы, то даже используя в качестве фазирующей системы коаксиальный кабель, часто не удаётся добиться разности фаз точно в 90° или 135° . Но и с погрешностью в питании такая антенная система обеспечит удовлетворительные результаты.

Желающим осуществить тщательную настройку такой системы следует помнить, что настройка одного вибратора влияет на другой и общая настройка всей системы может потребовать регулировки согласования штырей с кабелем и П-контуром последовательно несколько раз.

Удобно производить измерение диаграммы направленности с помощью измерителя напряжённости поля. При построении такой системы необходимо обеспечить качественную “землю” для каждого штыря. Вибраторы можно расположить в линию, используя при этом до 4 вибраторов, можно поэкспериментировать и с нетрадиционными расположением вибраторов в форме квадрата или креста (рис.57).

Если радиолюбитель не может установить классический полноразмерный диполь или инвертор на 160-метровый диапазон, то можно попробовать установить штыревую антенну. Во многих случаях штыревая укороченная антенна работает лучше, чем даже полноразмерный диполь, подвешенный на небольшой высоте.

Разберём, с чем придётся столкнуться при установке укороченной штыревой антенны на диапазон 160 метров.

Как было показано в (4), электрически короткий штырь имеет малое сопротивление излучения. Возьмём для примера штырь длиной в одну шестнадцатую длины волны, имеющий активное сопротивление излучения 2 Ома при его высоте 10 метров. Входное реактивное сопротивление такой антенны будет иметь весьма значительную величину, примерно в 100 раз больше его активного сопротивления. В пар. 12 было написано о том, какая должна быть “земля” электрически короткой антенны.

Для уменьшения реактивности антенны используют емкостную нагрузку (рис.58), которая представляет собой горизонтальный провод длиной l₂ (более подробно в (2) и (4)). Очень хорошо когда l₁ + l₂ будет равно примерно 40 метрам для 160-метрового диапазона. Это наиболее простой вариант согласования. Следует заметить, что в такой антенне горизонтальная часть антенны излучает очень слабо, т.к. токи, протекающие в противовесах и в горизонтальной части антенны, по теории компенсируют друг друга, но в то же время эта горизонтальная часть уменьшает, а в идеальном случае может даже свести к нулю, реактивность антенны.

Не всегда удается сделать такую длинную горизонтальную часть и осуществить ее точную подстройку. Выход из этого положения – сделать или несколько коротких горизонтальных частей, или одну горизонтальную, но состоящую из нескольких проводов (рис.59). Конечно, вариант на рис.59а предпочтительнее варианта на рис.59б.

Обычно количество этих горизонтальных частей не превышает 5-8 штук. Так как горизонтальная часть антенны слабо излучает, то логично горизонтальные части расположить под углом к противовесам (рис.60). При таком расположении компенсации токов, протекающих в удлиняющем отрезке и противовесах, не происходит, и эффективность антенны за счет излучения этих отрезков возрастает. Расстояние от их нижних концов до земли должно быть не менее 1-2 м. Эти удлиняющие отрезки будут служить и растяжками мачты основной антенны.

Дальнейшим логическим усовершенствованием такой антенны будет полная компенсация реактивного сопротивления с помощью катушки индуктивности, подключенной к концам удлиняющих отрезков (рис.61). Индуктивность такой катушки для диапазона 160 м может быть от 10 до 200 мкГн, в зависимости от размеров вертикальной части антенны, количества и длины ее наклонных частей. Катушка должна быть выполнена как можно более высококачественно. Классический вариант выполнения – намотка на бутылке проводом 2 мм.

Определим теперь активное сопротивление этой антенны. Оно состоит из сопротивления штыря (2 Ома в нашем случае) и сопротивления излучения компенсирующей части, которая в общем случае будет в 2-3 раза выше сопротивления вертикального штыря.

Значит, активное сопротивление антенны на рис.61 будет в 3-4 раза выше, чем сопротивление антенны на рис.32а. Если реактивность антенны на рис.32а составляет 300-600 Ом, то реактивность антенны на рис.61 может быть уже не более 30 Ом и даже меньше.

Такую антенну несложно согласовать с коаксиальным кабелем. Варианты согласующих устройств приведены на рис.62. Варианты на рис.62а, 62б, 62в подходят к антеннам, изображенным на рис.58б, 59, 60, 61. Вариант на рис.62г подходит к антенне на рис.58а и 59.

В этих антеннах большая часть мощности излучается под большими углами к горизонту, и небольшая часть мощности излучается под малыми углами, что обеспечит проведение DX QSO. Во всяком случае, такая антенна будет гораздо эффективнее диполя, подвешенного на низкой высоте (ниже четверти длины волны).

Хотя такие антенны и используются чаще всего на волне 160 или 80 метров, создание таких малогабаритных антенн представляет интерес для работы в более высоких диапазонах частот. Действительно, антенна для работы в 10-метровом диапазоне может иметь высоту около 50-80 см, и может быть легко установлена на балконе или даже на корпусе трансивера. При конструировании таких электрически коротких антенн заземление должно быть выполнено согласно рекомендациям, изложенным в предыдущих параграфах.

Как известно, в фазированной направленной антенне все ее элементы запитываются от общего генератора (передатчика) с некоторым сдвигом фаз (рис.63). Это ее выгодно отличает от направленных антенн, работающих на принципе переизлучения мощности передатчика пассивными элементами – от антенн Уда-Яги. Действительно, если двухэлементная антенна может обеспечить лишь превышение уровня мощности в одном фиксированном направлении, в лучшем случае, не более 4-5 дБ, то фазированная антенная система из двух элементов может обеспечить - теоретически - уровень мощности, в зависимости от направления, на 12-15 дБ больший в сравнении с одноэлементной антенной. При этом, в зависимости от разницы питающих вибраторы фаз и расстояния между вибраторами, можно получить практически любую диаграмму направленности. На рис.51 приведены некоторые диаграммы направленности для системы фазированных антенн. Как видно на рис.51 при расстоянии между вибраторами от четверти до целой длины волны можно практически осуществить сканирование пространства вокруг антенной системы на 360° , при этом изменяя лишь разницу фаз, питающих вибраторы, и оставляя неизменным расстояние между ними.

Но в радиолюбительской практике редко встречаются конструкции таких антенн. Это объясняется, очевидно, некоторой сложностью в создании широкополосных фазирующих устройств и делителей мощности. Постройка же такой антенны для одного конкретного диапазона, очевидно, считается все еще некоторой роскошью.

Мной была сделана попытка разработать простую широкополосную фазированную антенную систему на базе антенны UW4HW, которая  могла бы обеспечить работу со сканированием диаграммы направленности на 360° во всем ее рабочем диапазоне частот. Конструкция антенны показана рис.64.

Практически эта антенна была выполнена и проверена для диапазона частот 200-70 МГц. Высота UW4HW была при этом 1,2 м, диаметр ее был равен 30 см. Использовались три противовеса, по конструкции аналогичных этой антенне. Расстояние между центрами антенн было 1,2 м. Антенна была испытана на 3 частотах - 180, 110 и 70 МГц. Согласующее устройство, аналогичное обыкновенному П-контуру, подбиралось для каждой частоты при отключенной фазирующей линии по минимуму КСВ в каждой антенне. Использовался 75-омный кабель, хотя вполне возможно и использование 50-омного кабеля. Расстояния L₁ и L₂, L₃ и L₄ были соответственно равны.

В фазирующем устройстве был использован переключатель типа 11П4Н. Длины кабелей были подобраны так, чтобы обеспечить сдвиг фаз в 180° на нижнем диапазоне и в 45° на верхнем диапазоне. Промежуточные положения переключателя обеспечивали другие сдвиги фаз. Для измерения напряженности поля использовался приемник прямого усиления с калиброванным стрелочным индикатором. Напряженность поля измерялась в вертикальной плоскости в максимально удаленной зоне, где еще работал приемник, на уровне 1,5 м от земли. Были получены следующие результаты. При переключении фазирующих отрезков линии КСВ каждой из антенн был не хуже 2, при реально достижимом КСВ около 1,5 при отключенной фазирующей линии. Минимумы диаграммы направленности антенны достигали более 10 дБ, причем этот результат был достижим на всех трех частотах измерения.

На основе полученных результатов возможно предложить, что вполне реально построить малогабаритную широкополосную антенную систему с изменяемой диаграммой направленности, используя реальные UW4HW. Например, используя две антенны высотой 5,1 м, расположенных на расстоянии 5-6 м друг от друга, можно создать антенну со сканирующей диаграммой направленности в диапазоне 10-30 МГц. При этом сканирование осуществляется довольно просто – переключением отрезков кабеля. В зависимости от наличия у радиолюбителя переключателя на 11 положений или на 22 (довольно дефицитных), можно получить самые разнообразные диаграммы направленности антенн. Фазирующее устройство должно обеспечивать сдвиг фаз на нижней частоте в 180° и на высшей - в 45° . Между этими положениями можно разместить остальные фазирующие линии исходя из компромиссов работы на других диапазонах и на создании удовлетворяющей радиолюбителя диаграммы направленности.

Снять диаграмму направленности полученной системы реально возможно только практическим путем. Если полученная диаграмма не будет удовлетворять в какой-либо точке фазы на каком-либо из любительских диапазонов, ее можно изменить, увеличив или уменьшив длину фазирующих линий в этом положении. Недостатком этой антенны является необходимость подключения своего согласующего устройства для каждого диапазона. Но поскольку оно широкополосное, то его можно настроить на каждый диапазон отдельно, используя постоянные индуктивности и емкости.

Согласующее устройство желательно использовать при работе с транзисторными аппаратами, имеющими фиксированный выход 75 или 50 Ом. При работе с ламповыми трансиверами оно необязательно. Антенны можно подключать непосредственно к выходу трансивера (рис.65). Такое подключение возможно и с транзисторными аппаратами, но, конечно, если их выходной каскад выдержит такое “издевательство”. Длину одного градуса фазированной линии можно легко рассчитать по формуле: L = l /360, где L – длина одного градуса, а l - длина волны в метрах.

Рассчитав длины фазирующих линий, в (5) диаграммы направленности показаны для длин 0° , 45° , 90° , 135° и 180° , важно обеспечить два крайних сдвига для верхней и нижней частоты антенны (45° и 180° ), остальные проявятся между оставшимися 8 положениями переключателя (одно положение для сдвига фаз 0° ), ведь здесь неважно поддерживать точнейшие соотношения, все равно диаграмма направленности будет! Для кабеля с полиэтиленовой изоляцией длину фазирующей линии необходимо уменьшить в 0,66 раз из-за эффекта укорочения длины волны в кабеле, а для кабеля с фторопластовой изоляцией в 0,8 раз по сравнению с расчетным значением.

Для эффективной работы фазированной антенны необходимо использовать не менее трех резонансных противовесов на каждый из рабочих диапазонов антенны или трех противовесов конструктивно аналогичных самой UW4HW. Показания КСВ-метров, включенных в каждую из антенн, не должны отличаться более, чем на 40 %. В противном случае необходимо изменить длину фазирующей линии на этом участке. Можно, конечно, настроить согласующее устройство (если оно используется) не на участке, где фаза рассогласования питания антенн равна 0, а на этом или на другом участке, где изменение фазы приводит к повышенному КСВ одной из антенн.

Но следует понимать, что в этом случае одно из согласующих устройств внесет свой дополнительный постоянный сдвиг фаз между антеннами. Хотя в случае использования такой антенной системы для радиолюбительских целей этот постоянный сдвиг фаз и не важен, так как все равно нам теоретически в общем случае неизвестна полученная диаграмма направленности, и определяется она только практически, лучше, если согласующие устройства не будут вносить своего дополнительного сдвига фаз.

При конструировании антенны необходимо учесть, что коаксиальный кабель (а для антенны он должен использоваться какого-либо определенного типа – или 50 или 75 Ом) на участках L₁ и L₂ (рис.64) должен быть одинаковой длины, а длина его может определяться только расстоянием от антенны до радиостанции. Кабель может идти к антенне любым путем – или поодиночке к каждой из антенн, или быть сплетенными вдвое. Это практически не имеет значения.

Фазирующее устройство может располагаться там, где удобно (в зависимости от его размеров, которые определяются диапазоном работы антенны). В фазируюущем устройстве коаксиальный кабель, используемый для фазирования, можно свернуть в небольшие бухточки, обмотав их в нескольких местах изолентой. Необходимо отметить, что для корректной работы фазирующего устройства необходимо проключать куски кабеля полностью (как центральную жилу, так и его оплетку). Общая “земля” для фазирующих отрезков здесь недопустима. Нельзя проключать фазируемые отрезки во время работы антенны на передачу во избежание обгорания контактов переключателя.

Снятие диаграммы направленности антенны является одним из сложных моментов, поскольку получаемая диаграмма является, в общем случае, многолепестковой, причем как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. Наиболее рационален и прост метод, когда диаграмма направленности определяется по разнице силы сигналов передающей станции, но он достаточно кропотлив, и также в общем случае не может обеспечить достаточной точности, так как неизвестно, какой лепесток диаграммы направленности оптимален для работы с конкретным местом, где происходит проверка слышимости.

Однако, несмотря на перечисленные недостатки, эта антенна является, на мой взгляд, самой простой и дешевой в исполнении из существующих широкополосных направленных вертикальных антенн. Следует в заключение отметить, что система из трех вертикальных антенн, расположенных в вершинах равнобедренного треугольника, питаемая со сдвигом фаз, даст еще лучшую диаграмму направленности, практически аналогичную трехэлементной директорной антенне.

1. Н.М.Линде, Д.П.Изюмов. Основы радиотехники. М.-Л. Энергия, 1965.

2. Н.Т.Бова, Г.Б.Резников. Антенны и устройства СВЧ. Киев, Высшая школа, 1982.

3. Н.Н.Федоров. Основы электродинамики. М. Высшая школа, 1980.

4. Г.Б.Белоцерковский. Основы радиотехники и атенны. М. Радио и связь, 1983.

5. З.Беньковский, Э.Липинский. Любительские антенны коротких и ультракоротких волн. М. Радио и связь, 1983.

6. Г.З.Айзенберг. Коротковолновые антенны. М. Радио и связь, 1985.

7. Г.И.Атабеков и др. Теоретические основы электротехники. М. 1979.

8. Г.А.Татур. Основы теории электрических цепей. М. Высшая школа, 1980.