Укороченная УКВ-антенна. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Антенны УКВ

 Комментарии к статье

Книга "Любительские антенны коротких и ультракоротких волн" З. Беньковского и Э. Липинского [1] у многих радиолюбителей является настольным справочником. В разделе дипольных УКВ-антенн ее авторы выделяют три основные группы: укороченные антенны типа Уда-Яги, удлиненные антенны типа Уда-Яги и антенные системы, элементы которых выполнены из дипольных антенн.

Ссылаясь на практику, авторы придерживаются правила, что если требуются антенны с усилением 6...8 дБ, целесообразно использовать укороченные антенны, длина которых (l) меньше длины волны (λ). Такие антенны могут содержать от двух до пяти элементов. Правильно выполненные двухэлементные антенны имеют усиление 3...4 дБ, трехэлементные - 4...6 дБ, пятиэлементные - 6...8 дБ.

На практике нередко максимальные результаты дают именно компромиссные разработки, какой и является тип директорных антенн "волновой канал" (уже упомянутые антенны Уда-Яги). Эти антенны не имеют специальных собирательных линий, а представляют собой набор элементов: активного и пассивных вибраторов - рефлектора и одного или нескольких директоров, которые установлены на одном общем основании, проходящем через точки нулевых потенциалов составных элементов. Антенны этого типа достаточно компактны и обеспечивают получение относительно большого коэффициента усиления и других приемлемых параметров при сравнительно небольших габаритах.

Описания большинства вариантов таких антенн с различным числом комбинаций элементов и их расположения опубликованы в литературе. Из всех типов антенн они оказались наиболее доступными для всестороннего внедрения на промышленном уровне и высокоэффективными "самоделками" у радиолюбителей.

В свою очередь, в качестве одиночных элементов применяется не только вибратор Герца, а также элементы российских изобретателей - диполь Надененко и шлейф-вибратор Пистоль-корса или рамочные антенны и их интерпретации.

Авторы статьи предлагают вниманию радиолюбителей более эффективное, но пока должным образом не представленное нестандартное техническое решение антенного устройства с отступлением от практики использования однородных активных элементов. Компромиссными могут быть не только сложно синтезированные антенные системы из классических вибраторов, но и составляющие их вибраторы.

Именно таким является предлагаемое устройство - треугольно-петлевая антенна (ТПА). Она предназначена для использования как в качестве самостоятельной антенны, так и в составе сложных антенных устройств. Она выполнена в виде комбинации петлевых разнородных вибраторов. При этом, в зависимости от диапазона используемых частот, антенна может быть как проволочной, так и жесткой конструкцией или изготовлена на печатной плате. Предлагаемое техническое решение универсально и может применяться не только радиолюбителями, но и в устройствах профессиональной антенной техники для работы вплоть до сантиметрового диапазона как в радиосвязи, так и в широко распространяющихся офисных и бытовых беспроводных сетях и других радиосистемах, где требуются антенны, обладающие однонаправленным излучением.

Отправным для сравнительных исследований по возможностям синтеза новой антенны может быть известный симметричный в виде двух параллельно расположенных линейных проводников, лежащих в одной плоскости и имеющих объединенные концы, - шлейф-вибратор Пистолькорса [2].

Параллельные проводники образуют симметричные полупетли - плечи вибратора относительно оси симметрии, проходящей через середины линейных проводников. Общая их длина соизмерима с длиной волны (λ_раб), а длина плеч - около ее четверти (0,25λ_раб). Узлом питания шлейф-вибратора являются концы проводников в разрезе средней части одного из линейных проводников, а точка нулевого потенциала в середине второго проводника обеспечивает крепление устройства без применения изолятора. Шлейф-вибратор при всех положительных характеристиках имеет коэффициент усиления, равный единице, и изотропную диаграмму направленности в плоскости, перпендикулярной параллельным проводникам.

Известна трансформация петлевого вибратора в квадратную или другие формы рамок с периметром, равным длине волны (λ_раб), с более низким входным сопротивлением и с более высоким по сравнению с шлейф-вибратором коэффициентом усиления. Это подтверждается данными таблицы "Параметры рамок различной формы", где в случае круглой формы коэффициент усиления становится равным 3,49 дБ [3]. Рамочные антенны подобных конструкций, в отличие от шлейф-вибратора, обеспечивают двухстороннюю направленность осевого излучения, перпендикулярную плоскости рамки. Они имеют повышенный коэффициент усиления из-за большей апертуры - "области захвата" пространства конструкцией полотна антенны.

В то же время известны более сложные устройства антенн в комбинации из нескольких однородных рамочных активных вибраторов. Повышенной эффективностью обладают конструкции зигзагообразных антенн (Z-антенн) Харченко, например, из двух треугольных или ромбовидных рамок. Проводники плеч этих антенн имеют длину, соизмеримую с 0,25λ_раб, а их суммарная длина соизмерима с λ_раб. При этом в случае обычных синфазных вибраторных решеток, у которых число пар точек питания равно числу вибраторов, входящих в решетку, возникают трудности в их согласовании с питающим фидером. Z-антенна имеет одну пару точек питания, к которой непосредственно подключается фидер [4]. В отличие от обычных классических вибраторных антенных решеток, особый пространственный разнос проводников полотна зигзагообразной антенны с питанием от одного объединенного узла питания, к которому непосредственно подключается фидер, образует своеобразную плоскую синфазную решетку и особенное возбуждение токов в ее проводниках.

Свойственное зигзагообразной антенне возбуждение токов в проводниках обеспечивает работу антенны с одним выраженным видом поляризации и расширенную полосу рабочих частот. Увеличенная апертура плоскостной антенны обеспечивает большой коэффициент усиления с двухсторонней направленностью излучения по ее оси, перпендикулярной плоскости рамок, а параллельное подключение вибраторов, периметр которых равен λ_раб, к узлу питания снижает входное сопротивление антенны до значений, соизмеримых с волновыми сопротивлениями используемых ВЧ коаксиальных кабелей питания.

Приведенная на рис. 1 нестандартная комбинация петлевого и рамочного вибраторов обеспечивает реализацию новой треугольно-петлевой антенны, но уже одностороннего излучения. При этом и другие характеристики предлагаемого инновационного технического решения заслуживают особого внимания.

Рис. 1. Нестандартная комбинация петлевого и рамочного вибраторов

По сравнению с укороченными дипольными антеннами ТПА имеет меньшие размеры по продольной оси и повышенный коэффициент усиления.

Конструкция обеспечивает работу на излучение всех проводников антенного устройства. Первый петлевой вибратор со стороны направления приема-передачи ТПА выполнен в форме равнобедренного треугольника с точками питания в вершине, с основанием длиной 0,4λ_раб и с боковыми сторонами 0,3λ_раб каждая. Второй петлевой вибратор выполнен в форме шлейф-вибратора Пистолькорса с длиной линейных проводников, соизмеримой с λ_раб. Петлевые вибраторы размещены в одной плоскости, а подключение к узлу питания проводников боковых сторон треугольного вибратора произведено с их перекрещиванием, т. е. противофазно. Коаксиальный кабель питания при жесткой конструкции, например, в трубчатом варианте проводников, прокладывают с вводом через точку нулевого потенциала, т. е. середину линейного неразрезанного проводника шлейф-вибратора Пистолькорса. В узле питания оплетку кабеля подключают в разрезе к концу одного проводника, а центральную жилу - к концу другого.

Антенна работает следующим образом. При подключении высокочастотного генератора (см. рис. 1) в точки питания "а" и "b" узла питания 7 по проводникам 2 и 3 петлевого вибратора 1, равно как и по проводникам 5 и 6 петлевого вибратора 4, потекут токи, обратно пропорциональные сопротивлениям цепей. В проводнике 2 потечет увеличенный ток относительно проводников 5 и 6 из-за меньшего входного сопротивления рамочного вибратора 1, чем шлейф-вибратора 4, но излучение последнего будет увеличенным вследствие двух близко расположенных проводников 5 и 6. При этом из-за того, что в шлейф-вибраторе 4 проводники 5 и 6 расположены в непосредственной близости друг к другу, а в равнобедренном треугольнике 1 проводник 2 подключен между проводниками боковых перекрещенных сторон 3, то токи в проводниках 5 и 6 будут синфазными с разницей по фазе относительно проводника 2. Это обеспечивает при перекрестном включении фазовое приближение к токам, подобно токам в рефлекторе и активном вибраторе или в активном вибраторе и первом директоре антенн Уда-Яги, но полностью за счет токов проводимости, в отличие от наведенных, т. е. более слабых токов в пассивных вибраторах антенн Уда-Яги. С учетом того, что проводники шлейф-вибратора 5 и 6 разнесены в пространстве на расстояние, соизмеримое с 0,2λ_раб, от проводника 2 на высоту равнобедренного треугольника и параллельны, то образованная пространственная система излучающих проводников антенной решетки создает направленное излучение электромагнитного поля по оси 8, перпендикулярной расположению этих проводников.

Дополнительно к этому, токи в проводниках 3, расположенных симметрично, но под углом к этой оси, также излучают в пространство электромагнитное поле, но с взаимной компенсацией встречных продольных составляющих и интегрирующихся в общее суммарное излучаемое электромагнитное поле односторонне направленных поперечных составляющих. Таким образом, в отличие от излучающих систем с соединительными линиями, в предложенном техническом решении все проводники 2, 3, 5 и 6 участвуют в излучении электромагнитного поля, обеспечивая суммарное повышение коэффициента направленного действия системы и эффективность ее работы.

Работа предложенной антенны была промоделирована в программе MMANA (рис. 2 и рис. 3) на частоте 300 МГц (длина волны - 1 метр) для простоты и наглядности при моделировании и последующем нормировании размеров. ТПА с длиной, соизмеримой с 0,2λ_раб, обладает секторной направленностью с различной шириной диаграммы направленности в плоскости расположения проводников вибраторов и в плоскости, перпендикулярной ей, c увеличенным коэффициентом усиления. Отношение прямого излучения к обратному характеризует улучшенную пространственную избирательность, соответствующую шестиэлементным антеннам Уда-Яги с вдвое большей длиной траверсы. Точки нулевого потенциала обоих вибраторов могут быть соединены с заземленной металлической несущей траверсой, обеспечивающей защиту от статического электричества и грозозащиту.

Рис. 2. Работа антенны, промоделированная в программе MMANA, на частоте 300 МГц и длине волны 1 метр

Рис. 3. Работа антенны, промоделированная в программе MMANA, на частоте 300 МГц и длине волны 1 метр

Для использования антенн на радиолюбительских диапазонах 144 и 432 МГц будут наглядными визуальное сравнение конфигураций и соотношение размеров рассмотренной авторами книги [1] укороченной двухэлементной антенны (рис. 4) с версиями предложенной ТПА (рис. 5) и ТПА с внутренне установленным директором (рис. 6). Численные значения параметров этих антенн сведены в таблице, а графически, наиболее наглядно, электрические характеристики отображены в виде диаграмм направленностей (соответственно рис. 7-9).

Рис. 4. Укороченная двухэлементная антенна

Рис. 5. Укороченная УКВ-антенна

Рис. 6. ТПА с внутренне установленным директором

Рис. 7. Диаграмма направленностей антенны

Рис. 8. Диаграмма направленностей антенны

 
Рис. 9. Диаграмма направленностей антенны

Практическая реализация конструкции в виде самостоятельной антенны аналогична многократно описанной двухэлементной антенне "волновой канал, только с развернутым в плоскость размещения вибраторов шлейф-вибратором. Подключение питания осуществляется также известным способом, коаксиальным кабелем, через точку нулевого потенциала внутри шлейф-вибратора без использования согласующих и симметрирующих устройств.

Таблица

Изготовление варианта антенны с директором также осуществляется подобно описанной. Дополнительный проводник размещают между петлевым и линейным вибраторами при строгом соблюдении его сечения, места установки и длины. В случаях использования других материалов предварительную проверку возможностей антенны необходимо смоделировать в программе MMANA.

Файлы для программы MMANA антенн, приведенных в таблице, можно скачать с ftp://ftp.radio.ru/pub/2015/07/maa.zip.

Литература

1. Беньковский З., Липинский Э. Любительские антенны коротких и ультракоротких волн: Пер. с польск./Под ред. О. П. Фролова. - М.: Радио и связь, 1983. - 480 с., ил.
2. Антенны УКВ. Под. ред. Г. З. Айзенберга. В 2-хч. Ч. 1. - М.: Связь, 1977, с. 169, рис. 13.5.
3. Григоров И. Н. Все об антеннах. - М.: ДКМ Пресс, 2009, с. 66-69.
4. Харченко К. П. УКВ антенны. - М.: ИП РадиоСофт, 2009, с. 79-95, рис. 51, 63.

Авторы: В. Милкин, Н. Калитенков, В. Лебедев, А. Шульженко

Смотрите другие статьи раздела Антенны УКВ.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Кислотность океана разрушает зубы акул 03.10.2025

Мировые океаны выполняют важнейшую функцию - они поглощают около трети углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу. Это помогает замедлять темпы глобального потепления, но имеет и обратную сторону. Растворяясь в воде, CO2 образует угольную кислоту, которая повышает концентрацию водородных ионов и приводит к снижению pH. Вода становится более кислой, а последствия этого процесса уже заметны для морских экосистем. Средний показатель кислотности океана сейчас равен примерно 8,1, тогда как еще недавно за условную норму брали значение 8,2. По прогнозам, к 2300 году уровень может упасть до 7,3 - это сделает океан почти в десять раз кислее нынешнего состояния. Для обитателей морей подобные изменения означают не просто сдвиг химического равновесия, а реальную угрозу физиологическим процессам, начиная от формирования раковин у моллюсков и заканчивая охотничьим поведением акул. Чтобы выяснить, как именно кислотная среда отражается на зубах акул, группа немецких исследователей провела эксп ...>>

Почтовый космический корабль Arc 03.10.2025

Космические технологии становятся частью инфраструктуры, способной повлиять на логистику, медицину и даже военную сферу. Идея использовать орбиту как глобальный склад для срочных поставок звучала еще недавно как научная фантастика, но стартап Inversion пытается превратить ее в практическое решение. Компания Inversion появилась в начале 2021 года благодаря Джастину Фиаскетти и Остину Бриггсу, которые на тот момент были студентами Бостонского университета. Их замысел состоял в том, чтобы сделать возможной доставку грузов не только через спутниковые сети данных, но и в буквальном смысле - физических предметов. В основе лежит простая мысль: если космос обеспечивает доступ к любой точке Земли, то и грузы должны перемещаться тем же маршрутом. Уже за три года работы команда из 25 специалистов успела построить демонстрационный аппарат "Ray". Его запуск состоялся в рамках миссии SpaceX Transporter-12. Устройство весом 90 килограммов проверяло ключевые технологии Inversion, включая двухком ...>>

Лазерное обогащение урана 02.10.2025

Ядерная энергия остается одним из ключевых источников стабильного электричества, особенно для стран с растущими потребностями в энергоснабжении. Однако обеспечение бесперебойных поставок топлива для атомных станций требует современных технологий обогащения урана, которые одновременно эффективны и безопасны. Американская компания Global Laser Enrichment (GLE) делает значительный шаг в этом направлении, завершив масштабное тестирование лазерной технологии обогащения урана. Демонстрационная программа была проведена на объекте в Уилмингтоне, Северная Каролина. Тестирование технологии SILEX (Separation of Isotopes by Laser EXcitation), разработанной австралийской Silex Systems, стартовало в мае 2025 года и продлится до конца года. В ходе экспериментов компания планирует получить сотни фунтов низкообогащенного урана (LEU), который может быть использован в качестве топлива для атомных электростанций. GLE была создана в 2007 году для коммерциализации лазерных методов обогащения урана в С ...>>

Случайная новость из Архива Тепловая батарея на основе Улея Джоуля 23.06.2024 Команда ученых из стартапа Electrified Thermal Solutions (ETS) представила новую разработку в области энергетических технологий - тепловую батарею под названием "Улей Джоуля". Этот уникальный аккумулятор представляет собой кирпичный блок из специальной керамики, способной выдерживать температуры до 1801 °C, что превышает температуру плавления стали. Основное отличие "Улья Джоуля" заключается в его способности преобразовывать тепло в электричество благодаря измененному составу оксидов металлов, используемых при изготовлении огнеупорных материалов. Энергия, накопленная в этом аккумуляторе, может быть эффективно сохранена в течение нескольких дней благодаря изолированному металлическому контейнеру. Система разряжается путем пропускания воздуха или других газов через кирпичные каналы, что позволяет использовать накопленное тепло для работы различных промышленных процессов, таких как плавка металлов, производство цемента, стекла, а также для генерации пара в электростанциях. Разработчики подчеркивают, что высокая плотность энергии, обеспечиваемая "Ульем Джоуля", позволяет достигать эффективности сохранения тепловой энергии не менее 95%. Это значительное улучшение в сравнении с традиционными тепловыми накопителями. Проект также имеет потенциал значительно сократить выбросы парниковых газов, связанные с производством пара на электростанциях, что подтверждено данными Министерства энергетики США. Это новшество открывает новые перспективы в области энергоэффективности и становится важным шагом в разработке технологий хранения энергии, особенно в контексте использования возобновляемых источников. Подобные тепловые батареи могут сыграть ключевую роль в будущем энергетическом ландшафте, обеспечивая устойчивое и экологически чистое производство и потребление энергии.

Другие интересные новости:

▪ Вода - источник терагерцового излучения

▪ Лазерный передатчик радиочастотных волн

▪ Переработка пищевых отходов в еду

▪ Два бита информации - в одном атоме

▪ Польза образования для сохранения памяти

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Радиолюбительские расчеты. Подборка статей

▪ статья Умирающий лебедь. Крылатое выражение

▪ статья Можно ли увидеть радугу ночью? Подробный ответ

▪ статья Порезник закавказский. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Доработка мультиметра MY-67. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Устройство мягкого включения УМЗЧ. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025