КВ антенны Квадрат (принципы работы). Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Антенны КВ

 Комментарии к статье

Одной из причин, определивших заметный рост активности советских коротковолновиков и их успехи в международных соревнованиях, является широкое распространение направленных антенн. Наиболее популярными в нашей стране стали "квадраты" с двумя, тремя и более элементами формирования диаграммы направленности. Об этих антеннах и пойдет речь в статье. Основная цель, которую преследуют авторы, - дать рекомендации коротковолновику в выборе и настройке антенн, обобщив опыт советских и зарубежных коротковолновиков.

Сравнение "квадратов" и "волновых каналов"

Широкое распространение "квадратов" привело к необходимости сравнить их характеристики с параметрами другой популярной у радиолюбителей антенны - "волнового канала".

В таблице приведены результаты измерений характеристик некоторых антенн "квадрат" и "волновой канал", заимствованные из журнала "QST", 1968, №5. Из нее следует. что параметры обоих антенн примерно одинаковы, если сравнивать "волновые каналы", имеющие на один элемент больше, чем "квадраты". При одинаковом же числе элементов "квадрат" будет иметь усиление примерно на 2 дБ больше. По нашим данным эту цифру можно увеличить, по крайней мере, до 2,5 дБ, если выбрать оптимальными расстояния между элементами.

Параметры антенны	Квадрат			Волновой канал
Количество элементов	2	4	6	3	5	7
Усиление относительно изотропного излучателя, дБ	8.2	11,5	13,4	8.8	12	13,3
Ширина диаграммы направленностипо уровню половинной мощности, град.	60	50	39	61	47	40

Чтобы понять физическую причину такой существенной разницы, рассмотрим направления токов (на рис. 1) в рамке - элементе "квадрата" и в полуволновом диполе - элементе "волнового канала".

Из рис. 1 следует, что в формировании диаграммы "квадрата" принимают участие только токи, протекающие в горизонтальных частях рамки, поскольку поля от токов, протекающие в вертикальных частях взаимно компенсируются. Поэтому рамка эквивалентна системе из двух синфазно возбуждаемых укороченных вибраторов, разнесенных по высоте на расстояние L/4. Известно, что диаграмма направленности в вертикальной плоскости такой системы по сравнению с диаграммой одиночного диполя имеет меньший угол и, следовательно, ее усиление оказывается выше. Количественно выигрыш в усилении в зависимости от параметров и высоты подъема обоих элементов может составлять от 2,2 до 3,1 дБ. Этот выигрыш можно определить по формуле, справедливой с достаточной точностью для KB диапазонов:

A=40000/ФгФв где А - коэффициент усиления, Фг и Фв-ширина диаграмм направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно.

Подставив в формулу средние значения Фг=180° и Фв=135°для диполя, Фг=170° и Фв=80° для рамки, получим, что усиление диполя равно 1,64 раза или 2,15 дБ (по мощности), усиление рамки - 2,94 раза или 4,68 дБ. Таким образом, средний выигрыш в усилении составляет 2,53 дБ. Эта цифра реальна и подтверждается на практике.

Подобный же выигрыш достигается и при расположении рамки углом вниз, используемом во многих конструкциях. Этот вариант отличается от разобранного выше лишь тем, что в нем диаграмму направленности формируют горизонтальные составляющие токов, протекающих во всех четырех сторонах рамки, а поля от вертикальных составляющих компенсируются.

Можно отметить и еще одну особенность "квадрата". Так как рамка длиной L образует симметричный замкнутый контур, влияние земли и окружающих предметов, ухудшающее характеристики антенн, оказывается меньшим.

Выбор оптимальной конструкции Под оптимальными мы понимаем такие конструктивные данные антенны, при которых обеспечивается максимальное отношение излучений вперед/назад при достаточно высоком усилении. Ввести это определение представляется необходимым из-за существования двух методов настройки направленных антенн - на максимальное усиление и на максимальное отношение излучений вперед/назад. Эти максимумы не совпадают, причем, как показывает практика, проигрыш в отношении излучений вперед/назад при настройке по первой методике оказывается большим, чем проигрыш в усилении во втором случае.

В процессе проектирования антенны радиолюбитель должен определить количество элементов, расстояние между ними, их размеры. Для решения первой задачи обратимся к рис. 2.

На нем показана зависимость усиления антенны А и отношение излучений вперед/назад В от числа элементов n. Графики построены по результатам измерений (совпадающим с расчетными данными) на антеннах "квадрат" с оптимальными характеристиками для диапазона 14 МГц. Как нетрудно заметить, прирост обоих параметров по мере увеличения числа элементов замедляется, причем это становится особенно ощутимым при n>3. Учитывая трудности, связанные с изготовлением и с настройкой многоэлементных антенн, авторы считают, что в большинстве случаев целесообразно ограничить число элементов тремя. По мнению же некоторых зарубежных радиолюбителей конструктивно более удобна четырехэлементная антенна ввиду симметричного (относительно вертикальной оси, проходящей через центр массы) расположения элементов. Окончательное решение вопроса мы предоставляем читателям.

Для выбора оптимальных расстояний между элементами рассмотрим зависимость усиления А от расстояния S, выраженного в долях длины волны L (рис. 3). На графике черным цветом показана зависимость усиления от расстояния выбратор - рефлектор двухэлементного "квадрата". В заштрихованной области, соответствующей максимуму усиления (S=0,175-0,225L), оно практически не изменяется, поэтому в данном случае выбор расстояния в указанных пределах некритичен.

Для антенн с числом элементов более двух задача усложняется из-за введения дополнительных независимых переменных величин (для трехэлементной антенны - двух, для четырехэлементной - трех и т. д.). Поэтому целесообразно задаться одним из расстояний (например, между вибратором и рефлектором) и выбрать оптимальными другие расстояния. Так, если принять для трехэлементной антенны расстояние вибратор - рефлектор равным 0,2L, можно определить оптимальное расстояние вибратор - директор, пользуясь кривой, показанной на рис. 3. Очевидно, наибольшее усиление этот "квадрат" будет иметь при расстоянии вибратор - директор, равном 0,175L, и в этом случае при изменении расстояний от 0,14 до 0,21L уси-ление практически остается постоянным, хотя, как и следовало ожидать, из-за уменьшения широко полосности антенны зависимость усиления от S становится круче.

(нажмите для увеличения)

Для иллюстрации сказанного можно привести несколько преобразованный для "квадратов" на 14 МГц график из того же журнала "QST". На основе исследования большого количества антенн была определена зависимость усиления от длины L траверсы для крепления элементов (рис. 4). Заштрихованные области на графике - практически возможные пределы изменения длины траверсы для антенны с данным числом элементов. Из графика следует, что антенны с укороченной траверсой уступают в усилении (двух- и трехэлементные - примерно на 2 дБ) антеннам, имеющим расстояния между элементами около 0,2 L.

Длина рамки вибратора lв может быть подсчитана по формуле:

где Ky -коэффициент удлинения, зависящий от числа элементов и отношения длины рамки к диаметру провода; Lр-длина волны, на которую рассчитывается антенна.

Для определения длины вибратора двухэлементного "квадрата" коэффициент удлинения принимают равным 1,01, при трех и более элементах он равен 1,015-1,02.

Длину рефлектора двухэлементного "квадрата" выбирают на 5-6% больше длины вибратора. Для трехэлементного "квадрата" длина рефлектора должна быть на 3-4% больше, директора - на 2,5-3% меньше длины вибратора; для четырехэлементного "квадрата" длина рефлектора должна быть на 2,5-3% больше, длины директоров - на 2% меньше.

Практически рефлектор и директор изготовляют немного короче, чем определено расчетом, чтобы с помощью короткозамкнутых шлейфов можно было их настроить.

Многоднапазонные системы

Все сказанное ранее относилось к однодиапазонным "квадратам". На практике же часто приходится прибегать к созданию многодиапазонной системы. Надо отметить, правда, что любое совмещение в вертикальной плоскости элементов, настроенных на разные частоты, особенно кратные двум (то есть 14 и 28, 7 и 14'МГц и т. п.), приводит к ухудшению основных характеристик антенны. Приведем два примера. Двухэлементный "квадрат" на 14, 21 и 28 МГц с рамками в разных плоскостях (так называемая конструкция "еж") имеет усиление до 9 дБ и отношение излучений вперед/назад - до 24 дБ; те же характеристики аналогичного "квадрата", выполненного на траверсе, не превышают 8 и 22 дБ соответственно. Трехэлементный "квадрат" на два диапазона (14 и 21 МГц) с разнесенными рефлекторами обеспечивает усиление до 13 дБ и отношение излучений вперед/назад - до 30 дБ; у трехэлементного трехдиапазонного "квадрата" (добавлен диапазон 28 МГц и рамки расположены одна внутри другой) эти характеристики ухудшаются соответственно до 11,5 и 27 дБ.

Для уменьшения влияния элементов, расположенных в одной плоскости и работающих на кратных частотах, можно, соответствующим образом подключив фидер, применить их поляризационную развязку (горизонтальную поляризацию для одного и вертикальную - для другого диапазонов).

Определенная расчетным путем развязка элементов диапазонов 14-28 МГц в трехэлементном "квадрате" достигает 20 дБ.

Для получения наилучших характеристик многодиапазонной системы желательно сохранить оптимальные расстояния между элементами для каждого диапазона. Однако здесь из-за конструктивных трудностей радиолюбители часто вынуждены идти на компромисс. Одним из примеров такого компромисса для трехэлементного "квадрата" на 14, 21 и 28 МГц может быть достижение близких к оптимальным характеристик на первых двух диапазонах и худших - на третьем. На наш взгляд, такое решение вполне оправдано ввиду особенностей прохождения и различной загруженности этих диапазонов. В зависимости от конкретных требований к антенне радиолюбитель может выбрать другой вариант.

Литература

1. Радио №6 1976

Публикация: cxem.net

Смотрите другие статьи раздела Антенны КВ.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Рыжий ген и ускоренная эволюция 30.04.2026

Вопрос о том, как и насколько быстро меняется человеческий вид, давно занимает биологов и генетиков. Долгое время считалось, что эволюционные процессы происходят крайне медленно, однако новые данные заставляют пересматривать эти представления. Особенно интересные результаты связаны с изменением частоты редких генетических признаков, включая рыжий цвет волос. Рыжеволосость сегодня остается редкой чертой: ее носители составляют менее 2 процентов мирового населения. Однако анализ древней и современной ДНК показывает, что ген, связанный с этим признаком, за последние примерно 10 тысяч лет стал заметно более распространенным, особенно среди популяций Европы. Более того, вместе с ним исследователи фиксируют и другие изменения в генетическом профиле человека, затрагивающие внешность и физиологические особенности. Среди сопутствующих тенденций, выявленных в генетических данных, отмечается увеличение частоты светлой кожи, снижение вероятности мужского облысения, а также некоторые физиолог ...>>

Нейтринный лазер 30.04.2026

Нейтринный лазер - это гипотетическое устройство, способное управлять потоками одних из самых трудноуловимых частиц во Вселенной. Такая разработка открывает новые горизонты в изучении фундаментальных законов природы и может изменить представления о космосе. Идею нового типа излучателя представили физики из Massachusetts Institute of Technology, предложив лазер, который вместо света генерирует поток нейтрино. Эти частицы, почти не взаимодействующие с материей, настолько слабо проявляют себя, что их часто называют "частицами-призраками". Тем не менее они пронизывают все вокруг: по оценкам, триллионы нейтрино ежесекундно проходят через человеческое тело, не оставляя следа. Несмотря на их колоссальную распространенность во Вселенной, нейтрино остаются одними из наименее изученных частиц. Их крайне сложно регистрировать, а еще сложнее контролировать, поэтому традиционно их получают в крупных установках вроде ядерных реакторов или ускорителей частиц. Такие комплексы требуют огромных за ...>>

Мороженое не такое вредное, как принято считать 29.04.2026

В питании часто встречаются продукты, которые одновременно вызывают удовольствие и сомнения с точки зрения здоровья. К таким относится и мороженое: оно воспринимается как типичный десерт с высоким содержанием сахара и жиров, однако современные научные данные постепенно усложняют это привычное представление. Долгое время считалось, что мороженое не может быть частью рационального питания, однако исследования последних лет показывают более неоднозначную картину. Ученые подчеркивают, что влияние этого продукта на организм зависит не только от его сладости или калорийности, но и от состава, качества ингредиентов и общего образа жизни человека. Одни из наиболее масштабных данных были получены в рамках долгосрочных наблюдений в США, включавших проекты Nurses Health Study, Nurses Health Study II и Health Professionals Follow-Up Study. В этих исследованиях на протяжении 20-40 лет наблюдали примерно 190 тысяч взрослых участников, регулярно собирая данные об их питании, физической активнос ...>>

Случайная новость из Архива Летающий кокон: система безопасности для авиапассажиров 28.09.2025 Авиация всегда считалась одним из самых безопасных видов транспорта, однако даже редкие катастрофы напоминают о ее уязвимости. В поисках новых решений инженеры и ученые продолжают разрабатывать системы, которые могли бы повысить шансы пассажиров на выживание в самых тяжелых ситуациях. Одной из таких инноваций стала концепция подушек безопасности для самолетов, предложенная исследователями из Института технологий и науки Бирла в Дубае. Проект, получивший символичное название REBIRTH, был разработан под впечатлением от трагедии рейса 171 авиакомпании Air India. В этом году самолет, вылетевший из Ахмадабада в Лондон, потерял оба двигателя всего через двадцать секунд после взлета. Причиной стала загадочная остановка подачи топлива. Катастрофа унесла жизни 241 человека, оставив в живых лишь одного пассажира, и стала самой смертоносной авиакатастрофой последних двух десятилетий. Именно это событие подтолкнуло Эшеля Васима и Дхарсана Шринивасана к созданию принципиально новой системы безопасности. Идея инженеров заключается в том, чтобы за несколько секунд до удара с землей самолет трансформировался в подобие огромного защитного кокона. Система, оснащенная искусственным интеллектом, непрерывно анализирует данные датчиков: высоту, скорость, состояние двигателей, действия пилотов. Если алгоритмы фиксируют неизбежность столкновения на высоте менее километра, то менее чем за две секунды активируется цепь защитных механизмов. Фюзеляж самолета в этот момент окружает сеть подушек безопасности, расположенных в носовой, нижней и хвостовой частях. Конструкция из кевлара и зилона дополнительно покрыта "неньютоновскими жидкостями", которые в момент удара резко твердеют. Компьютерное моделирование показало, что ударная нагрузка снижается более чем на 60%, превращая самолет в подобие "летающего батута". Если двигатели остаются работоспособными, они автоматически переходят в режим обратной тяги, замедляя скорость примерно на 20%. В случае полной их остановки включаются газовые ускорители, позволяющие стабилизировать траекторию и смягчить падение. После касания с землей срабатывают сигнальные системы: включается GPS, инфракрасные маяки и огни, а сам самолет окрашивается в яркий оранжевый цвет, чтобы облегчить работу спасателей. Пока система существует только в виде симуляций и прототипов. Исследователи создали модель в масштабе 1:12, управляемую микроконтроллерами и баллонами с углекислым газом. В планах разработчиков - испытания в условиях, максимально приближенных к реальности, однако для этого необходимо сотрудничество с промышленными партнерами и научными центрами. Несмотря на смелость идеи, эксперты авиационной отрасли настроены скептически. Так, отставной пилот ВМС США и основатель компании AVSafe Джефф Эдвардс отметил в интервью Popular Science, что установка массивных подушек безопасности увеличит вес самолета и сопротивление, что не соответствует принципам современной авиации. Он подчеркнул, что дополнительные системы ради одной катастрофы раз в двадцать лет могут быть экономически и технически неоправданны. Тем не менее проект REBIRTH обращает внимание на аспект, который часто остается в тени. Современные технологии в авиации направлены прежде всего на предотвращение аварий, но почти не учитывают сценарий неизбежного падения. Васим и Шринивасан утверждают, что именно в такие моменты пассажиры нуждаются в защите больше всего. И хотя до практического внедрения еще далеко, сама концепция открывает новое направление в развитии безопасности полетов, где главная цель - не только предотвратить катастрофу, но и подарить шанс на выживание, даже если трагедия уже неизбежна.

Другие интересные новости:

▪ Термопаста Xigmatek Xi-3 HDT

▪ Электронная кожа с LED-индикацией

▪ Обнаружен водный астероид

▪ Дождь можно вызвать лазером

▪ 27-дюймовый монитор ASUS VA278Q c разрешением 2560х1440 пикселей

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Альтернативные источники энергии. Подборка статей

▪ статья Ты да я, да мы с тобой. Крылатое выражение

▪ статья Как был открыт Витватерсранд - крупнейшее в мире месторождение золотой руды, содержащей уран? Подробный ответ

▪ статья Обслуживание водогрейных котлов КВГМ-20 на газообразном топливе. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Расширитель интерфейса PC. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Запуск двигателей, работающих от переменного тока повышенной частоты. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

[an error occurred while processing this directive] Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026