21914

Направленные антенны. Полуволновой вибратор

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Для обеспечения связи между двумя неподвижными станциями расстояние между которыми превышает дальнобойность антенн типа GP с успехом используют направленные антенны Волновой канал – рис. Эти антенны концентрируют максимум излучения в нужном направлении обеспечивая выигрыш как при передаче так и при приеме.1 – Антенны Волновой канал Описанные здесь антенны при горизонтальном расположении вибратора имеют горизонтальную поляризацию.

Русский

2013-08-04

375.5 KB

39 чел.

Лекция 5

Направленные антенны

Антенны с круговой диаграммой направленности не позволяют получить большого усиления, а из-за круговой диаграммы они относятся к классу относительно "шумных" антенн, поскольку они одинаково воспринимают шумы и помехи с любого направления.

Для обеспечения связи между двумя неподвижными станциями, расстояние между которыми превышает "дальнобойность" антенн типа GP, с успехом используют направленные антенны "Волновой канал" – рис. 5. 1. Эти антенны концентрируют максимум излучения в нужном направлении, обеспечивая выигрыш, как при передаче, так и при приеме.

Существенную роль при установлении устойчивой радиосвязи играет поляризация излучаемого сигнала. При дальнем распространении поверхностная волна испытывает заметно меньшее затухание при использовании горизонтальной поляризации. Поэтому горизонтальная поляризация используется в телевидении.

4-х элементная

3-х элементная

Рис 5.1 – Антенны "Волновой канал"

Описанные здесь антенны при горизонтальном расположении вибратора имеют горизонтальную поляризацию. Прием такими антеннами сигналов радиостанций с вертикальной поляризацией будет сопровождаться заметным ослаблением.


Рис 5.2 – Полуволновой вибратор

Самая простая из направленных антенн – полуволновой вибратор – рис. 5.2. Коэффициент усиления антенны принимается за единицу измерения, так как коэффициенты усиления других антенн определяются относительно полуволнового вибратора.

Диаграмма направленности антенны имеет вид восьмерки в горизонтальной плоскости и круга – в вертикальной. Подключение к вибратору может быть выполнено кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом. Возникающая при этом асимметрия, искажающая диаграмму направленности, проще всего устраняется с помощью ферритового кольца большого диаметра, на которое наматывается 2-4 витка используемого кабеля. Кольцо желательно располагать как можно ближе к антенне, а кабель - перпендикулярно вибратору на длине не менее 3 м от антенны. Эта антенна обычно не требует настройки. При подключении к такой антенне 50-омного кабеля (или подключении 75-омного кабеля к радиостанции) обеспечивается КСВ = 1,5 – что вполне приемлемо.

Удлиняя полуволновой вибратор, получают конструкцию "Длинный провод" (рис. 5. 3), обладающую существенно большим усилением. На практике наиболее распространены антенны длиной или 2, поскольку размещение более длинных антенн на крышах городских зданий затруднительно. С учетом влияния краевых емкостей, полная длина вибратора составляет для – 10,8 м; для 2 – 21,8 м. Для антенны длиной максимум излучения ориентирован под углом 50° к направлению провода, а усиление по сравнению с полуволновым вибратором составляет 0,5 дБ. Для антенны длиной 2 эти параметры составляют – 30° и 1,5 дБ соответственно.


Рис. 5. 3 – Антенна "Длинный провод"

Сопротивление излучения антенн "Длинный провод" при высоте подвеса более 5 м над землей составляет 80 Ом для и 105 Ом для 2.

Для согласования таких антенн с 50-омным кабелем удобно использовать четвертьволновый трансформатор с волновым сопротивлением 75 Ом, т. е. включить между фидером и антенной 2-метровый отрезок телевизионного кабеля необходимой толщины, не менее толщины 50-омного фидера – рис. 5.4.

Рис. 5.4. Согласующий трансформатор

Несимметричная – рис. 5.5; симметричная антенна – рис. 5.6.

Рис. 5.5 – Несимметричная антенна

Рис. 5.6 – Симметричная антенна

 Для предотвращения «затекания» тока на внешнюю поверхность кабеля (что искажает диаграмму направленности антенны) желательно намотать 2…4 витка кабеля на ферритовое кольцо большого диаметра вблизи точки присоединения к антенне.

Объединив описанные выше антенны таким образом, чтобы их диаграммы суммировались, получают антенну типа V – рис. 5.7.

Рис. 5.7 – Антенна типа V

Угол раскрыва зависит от длины проводов. В частности, при длинах и 2 величина составляет 100° и 70°, а усиление – 3,5 дБ и 4,5 дБ соответственно.

Конструкция одинаково излучает в двух направлениях: вперед и назад. Входное сопротивление настроенных в резонанс антенн типа V составляет около 100 Ом при длине  и 120 Ом при длине 2 (высота подвеса также влияет на сопротивление). Согласование антенн с 50-омным кабелем может быть выполнено с помощью трансформатора – рис. 5.4.

При соединении вместе двух антенн типа V таким образом, чтобы их диаграммы суммировались, получают Ромбическую антенну – рис. 5.8. Направленность этой антенны выражена существенно сильнее. При подключении к вершине ромба, противоположной точкам питания, нагрузочного сопротивления величиной Rн и мощностью, равной половине мощности передатчика, достигается подавление заднего лепестка диаграммы направленности на 15…20 дБ. Направление главного лепестка диаграммы направленности в горизонтальной плоскости совпадает с диагональю а.


Рис. 5.8 – Ромбическая антенна

В вертикальной плоскости главный лепесток ориентирован горизонтально. Размеры ромбических антенн – в табл. 10.7, обозначения соответствуют рис. 5.8.

Таблица 10.7 – Размеры ромбических антенн 

Согласование приведенных ромбических антенн с 50-омным кабелем удобно осуществляется с помощью четвертьволнового трансформатора, выполняемого из двух двухметровых отрезков кабеля рис. 5.4. Оплетки кабелей, входящих в трансформатор, соединены между собой и больше никуда не подключаются. Поскольку трансформатор в этом случае выполнен симметричной линией, симметрирующий трансформатор на ферритовом кольце при этом можно разместить на 50-омном кабеле фидера вблизи трансформатора. Для согласования антенны длиной или 2 в трансформаторе используются отрезки 50-омного или 75-омного кабеля соответственно.

Рис. 5.9 – Антенна "Двойной квадрат" на металлической раме

Одна из лучших направленных антенн – "Двойной квадрат". Как все "проволочные" антенны, она достаточно проста в изготовлении своими силами и не требует дорогостоящих материалов. Антенны типа "Двойной квадрат" обладают следующими характеристиками.

Коэффициент усиления по отношению к антенне типа GP длиной 5/8 – 8…9 дБ. Полоса частот (по уровню КСВ = 1,6) – от 26,600 до 27,900 МГц.

Поляризация – вертикальная. Подавление заднего лепестка диаграммы направленности – не менее 20 дБ.

Конструкция антенны "Двойной квадрат" – на рис. 5.9.

Траверса длиной 220 см изготовлена из двух стальных труб диаметром 30 и 24 мм с толщиной стенок 3 мм. Одна труба вдвигается в другую для удобства транспортировки. В собранном виде трубы траверсы скрепляются сквозными болтами. На концах траверсы приварены крестовины из отрезков двухдюймовой трубы. Для крепления к мачте в середине траверсы приваривается стальной стакан диаметром 60 и длиной 250 мм.

Кабель питания с волновым сопротивлением 50 Ом подключается к середине боковой стороны вибратора. Расстояние между точками подключания центральной жилы и оплетки кабеля - 70 мм. От вибратора кабель идет горизонтально до крестовины, затем вдоль траверсы до мачты и, далее, вдоль мачты вниз. Настроечные шлейфы имеют длины: у вибратора - 100 мм, у рефлектора - 500 мм. Перемычки при настройке присоединялись накруткой, а после окончания настройки пропаивались.

Настройку начинают с вибратора. Регулируя длину шлейфа, добиваются минимума КСВ на средней частоте диапазона.

Длину шлейфа рефлектора настраивают, добиваясь максимального усиления антенны. Для этого любой генератор с излучателем располагают как можно дальше перед антенной (не ближе 20 м), антенну кабелем подключают к приемнику со стрелочным S-метром и добиваются максимума показаний.

При изготовлении конструкции из дерева следует принять меры для защиты ее от атмосферных воздействий. Несущую траверсу и крестовины рекомендуется промазать олифой или лаком для паркета. Некоторые радиолюбители обматывают всю деревянную конструкцию бинтом, пропитанным нитролаком или нитрокраской. Это несколько утяжеляет конструкцию, но делает ее более долговечной. Можно также окрасить конструкцию 2…3 слоями финского лака "Pinotex", что позволяет использовать обычные сосновые рейки.

Данная антенна обладает большой парусностью, поэтому все винтовые соединения следует выполнять с использованием шайб Гровера. Естественно, все резьбовые соединения целесообразно защитить от коррозии оконной замазкой или пластилином.

Конструкция антенны показана на рис. 10.19, а на рис. 10.20 -конструкция узлов крепления траверсы к мачте и к опорам.


Рис. 10.19. Антенна "Двойной квадрат" на деревянной раме


Пластины можно изготовить из дюралюминия, текстолита, фанеры, т. е. любых материалов, обеспечивающих необходимую механическую прочность. Проволока, из которой изготавливаются вибратор и директор, может быть медной, диаметром 1, 0-2, 0 мм. Еще лучше использовать антенный канатик. Для крепления вибраторов на опорах можно использовать фарфоровые ролики-изоляторы, которые шурупами закрепляются на рейках опор. Вибратор и рефлектор антенны настраиваются шлейфами, поэтому нужно предусмотреть возможность крепления шлейфов на опорах, например так, как показано на рис. 10. 21.


Какой расчет размеров антенны следует рекомендовать? Для расчета длины провода излучателя в книге К. Ротхаммеля предлагается следующая формула:


Расчет проведем для 20 канала сетки С, т. е. для частоты 27, 200 МГц. Размер L получается равным 11, 103 м. Одна сторона квадрата равна L/4, что составляет 2, 776 м. Длина одной опоры вибратора получается равной 1, 963 м. Длина траверсы должна составлять 0,2L., что дает размер 2, 22 м. Длина провода рефлектора должна быть несколько больше, что обеспечивается выбором длины шлейфа при настройке. Длину настроечных шлейфов рекомендуется выбрать в пределах 0,7-0,8 м, а расстояние между проводами шлейфов - равным 5-15 см.

На рис. 10.22 приведена электрическая схема антенны. Описанная антенна имеет вертикальную поляризацию, ее ожидаемое усиление соста-


Рис. 10.22. Схема электрических соединений

вляет 8-11 дБ. Для получения расчетной диаграммы направленности точка питания антенны должна быть расположена на высоте большей или равной половине длины волны (т. е. 5,5 м) от земли. Методика настройки антенны соответствует ранее описанной.

Трехэлементная антенна Delta Loop (рис. 10.23) относится к классу направленных, ширина лепестка излучения в горизонтальной плоскости составляет около 70°. Диаграмма имеет вытянутую форму, что дает выигрыш по сравнению со штыревой антенной GP длиной L/4 примерно в 10 раз по мощности, т. е. радиостанция мощностью 4 Вт в направлении основного излучения звучит так же громко, как радиостанция с усилителем 40 Вт при работе на обычный штырь. Положительный эффект при работе с дальними станциями еще больше усиливается за счет того, что приемник не воспринимает помехи с боков и сзади антенны. Недостаток этой антенны -невозможность поворачивать ее в направлении разных корреспондентов.

Длина провода рамки рефлектора - 11,72 м.

Длина провода рамки активного элемента - 11,2 м.

Длина провода рамки директора - 10,75 м.

Провод можно использовать медный, диаметром 1,5-2 мм. Если антенна предназначена для непродолжительной работы в полевых условиях, годится даже алюминиевый провод. Узел крепления кабеля А можно выполнить, как



Рис. 10. 24. Узел крепления А

показано на рис. 10. 24. Используется пластина из оргстекла или текстолита толщиной 3-5 мм. Отсчет длины провода активного элемента нужно вести от точек XX. Расстояния d1 и d2 равны 2 м и 1 м соответственно. Все открытые места соединений необходимо гидроизолировать пластилином. При высоте мачт 5 м скрутка проводников рамок расположена примерно на уровне груди, что несколько низковато. Идеально было бы иметь нижнюю точку на высоте 5 м и более, но это требует более высоких мачт. При мачтах высотой 5 м конструкция легко выполнима в домашних условиях и дает большой эффект по сравнению со штырем.

Если установить реле-замыкатели на рефлекторе и директоре (рис. 10.25), то, меняя с помощью шлейфов их размеры, можно переключать направление излучения антенны на 180°. В этом случае размеры рамок директора и рефлектора делают равными 10,75 м, а длина провода шлейфа должна быть равна 1 м. В этом варианте размеры d1 = d2 = 1,5 м. Можно использовать реле типа РЭС9, РЭС48, РЭС49.

Рис. 10.25. Антенна с переключаемой диаграммой направленности

Внимание: Никогда не переключайте направление излучения при включенном передатчике - сгорят контакты реле.

6


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

24359. Проблема интернализма и экстернализма в понимании механизмов научной деятельности 54.5 KB
  60 Движущие силы развития научного познания: интернализм и экстернализм а Интернализм Что является движущими силами развития научного знания При ответе на этот вопрос исследователь сталкивается с двойственным характером существования и движения научного знания. Они развиваются по внутренней логике: вытекают одна из другой обосновывают друг друга и образуют единую систему знания. С другой стороны исследователь не может не учитывать того обстоятельства что производит эти знания конкретный субъект ученый научное сообщество и что их...
24360. Предмет философии науки: общие закономерности научного познания в его историческом развитии и изменяющемся социокультурном контексте 54.5 KB
  Функции науки культурная технологическая наука как фактор соц регуляции проективно – конструктивная экологическая Научное познание – процесс получения объективного истинного знания направленного на отражение закономерности действительности. 9 Предмет и структура философии науки Специфика предмета науки определяется в ходе исследовательской деятельности. Поэтому представление о предмете философии науки в истории развития этой отрасли знания существенно меняется.
24361. Наука и культура. Традиционалистический и техногенный тип цивилизации. Ценность научной рациональности 53.5 KB
  Тема соотношения науки и культуры обширна здесь много деталей но общий механизм их взаимодействия таков: наука выявляя законы изменения природных и социальных процессов становится необходимым условием их управления воздействует на потребности общества помогает человечеству в выборе жизненных стратегий поиске путей культурного развития. Надежность влияния культуры на науку подчеркивает хотя бы тот факт что не всякая культура способна продуцировать науку: многие культуры в истории человечества в частности культура майя обходились без...
24362. Соотношение науки и философии 100.5 KB
  Первые пять вопросов получили впоследствии в философии название онтологических или метафизических первый смысл этого понятия проблем. Шестой вопрос гносеологические вопросы философии: философия вырабатывает положения являющиеся базисными для познающего мир о глобальности и абсолютности материи о постоянном развитии мира в целом и отдельных его частей о сотканности мира из противоречий о маятникообразности всех процессов относительно положения равновесия о несводимости закона целого к законам его частей и др. И если на какомто...
24363. Единство и различие науки и искусства 60 KB
  Он же положил начало тенденции рассматривать поэзию в качестве главной составляющей искусства. Белинский утверждал что наука живая современная наука сделалась пестуном искусства и без нее немощно вдохновение бессилен талант. Новый виток обсуждения взаимоотношений науки и искусства связан с огромными достижениями науки и искусства XX столетия.
24364. Наука и обыденное познание 52 KB
  Наряду с научным художественным философским существует обыденное сознание познание. Эксперты отмечают сложность четкой структуризации понятия обыденное знание. К обыденным знаниям относят: практические знания необходимые человеку для решения повседневных задач основанные на здравом смысле умения навыки социальный опыт; исторически первый способ идеального отражения в форме мифологического знания; обыденное массовое сознание в форме стихийного массового опыта и др.
24365. Наука и религия в современной культуре 62 KB
  Научное и религиозное познание Для целей нашего исследования представляет определенный интерес и сопоставление научного и религиозного познания. В общественном сознании россиян под влиянием атеистической критики религии сложилось представление о противоположности и даже несовместимости науки и религии религиозного и научного познания. В рамках данного раздела мы не имеем возможности исследовать все эти грани а сконцентрируем преимущественное внимание на сопоставлении специфики научного и религиозного познания. И именно эта специфичность...
24366. Роль науки в современном образовании и формировании личности 32.5 KB
  Образовательный процесс выступает в качестве исходной территории на которой происходит встреча индивида и науки подготовка его к жизнедеятельности в данном обществе и формирование зрелой личности. Образование – необходимая ступень социализации личности. Образование подразумевает не только процесс передачи знания но и процесс окультурования личности самого учащихся.
24367. Основные функции науки в жизни общества (наука как мировоззрение, как производительная и социальная сила) 59 KB
  Культурная сущность науки влечет за собой ее этическую и ценностную наполненность. Результативная функция науки осуществляется из систему образования воспитания обучения и подключения членов общества к исследовательской деятельности и эпосу науки. Функций у науки много и с ее развитием их становится все больше и больше.