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:

Ферроэлектрики научились выдерживать более 10 миллиардов циклов перезаписи 11.10.2026

Энергонезависимая память должна не только быстро записывать и сохранять информацию без постоянного питания, но и выдерживать огромное количество циклов перезаписи. Одним из перспективных вариантов такой технологии считаются ферроэлектрические материалы, однако их практическое применение долгое время ограничивалось сравнительно быстрым разрушением. Исследователям удалось установить механизм этого процесса на атомном уровне и предложить способ, который значительно увеличивает срок службы таких материалов. Работу выполнила группа ученых из Университета электронной науки и техники Сианя (Xidian University) совместно с коллегами из Гонконгского университета и Фуданского университета. Особый интерес специалистов вызвали ферроэлектрики со структурой вюрцита, в частности нитрид алюминия-скандия (AlScN). Эти материалы способны сохранять информацию благодаря изменению направления электрической поляризации на атомном уровне и хорошо совместимы с современными технологиями производства микросхем ...>>

Электромобиль VENTRA с системой очистки воздуха 11.10.2026

Даже автомобили без двигателя внутреннего сгорания не являются полностью безвредными для окружающей среды. При движении любой автомобиль изнашивает шины и тормозные элементы, в результате чего в воздух и на дорожное покрытие попадают мельчайшие частицы. Студенты Эйндховенского технологического университета решили обратить внимание именно на этот мало заметный источник загрязнения и создали концептуальный электромобиль VENTRA, способный собирать часть таких загрязняющих веществ непосредственно во время движения. Проект разработала команда TU/ecomotive, которая оснастила VENTRA специальной системой улавливания частиц, образующихся при износе шин и торможении. Авторы концепта считают, что переход на электрическую тягу сам по себе не решает проблему автомобильных выбросов. Более тяжелые электромобили дополнительно нагружают шины, а их электродвигатели способны обеспечивать очень быстрое ускорение, что также может способствовать повышенному износу резины. Собранные около колес частицы си ...>>

Лазерное переключение магнитов 10.10.2026

Технологии хранения данных постоянно стремятся уменьшить размеры элементов памяти и одновременно увеличить скорость записи информации. Один из возможных путей связан с использованием света, который способен переносить энергию с огромной скоростью и воздействовать на очень небольшие области материала. Инженеры Университета Калифорнии в Сан-Диего (UC San Diego) продемонстрировали необычный способ управления магнитным состоянием вещества, при котором внешнее магнитное поле вообще не требуется. В обычных жестких дисках информация записывается в виде последовательности крошечных магнитных областей, соответствующих значениям 1 и 0. Для изменения их состояния обычно необходимо внешнее магнитное поле, однако такой способ требует значительных энергетических затрат и ограничивает скорость записи. Исследователи UC San Diego предложили альтернативу - так называемое оптическое переключение, при котором магнитное состояние изменяется под воздействием лазерного излучения. По оценкам специалистов, ...>>

Случайная новость из Архива Мета-лазер, вырабатывающий сильно закрученный свет 10.05.2020 Ученые из Гарвардского университета (США), организации CSIR (Южная Африка), при участии коллег из Сингапура, Бельгии и Италии, разработала и продемонстрировала работу первого в своем роде мета-лазера, который вырабатывает так называемый сверх-хиральный свет, свет с наибольшим на сегодняшний день значением углового момента. Свет такого лазера обеспечивает максимально высокий уровень взаимодействия материи с этим светом и его можно использовать в качестве оптического "гаечного ключа" или для кодирования больших объемов информации передаваемой по оптическим коммуникационным каналам. Судя по наличию приставки "мета" в названии нового лазера, его ключевым компонентом является метаповерхность, которая оказывает влияние на свет и изменяет его параметры каждый раз, когда этот свет проходит через нее. Метаповерхность была рассчитана и изготовлена учеными из Гарварда, она представляет собой материал, поверхность которого покрыта множеством маленьких (нанометрового размера) столбиков, высота, ширина и расстояние между которыми были тщательным образом рассчитаны для получения необходимого эффекта. И когда свет проходит через такую поверхность, он каждый раз поворачивается на определенный угол. Помимо того, что созданная метаповерхность сама по себе обладает высоким значением фазового градиента, она способна без каких-либо нарушений работы пропускать сквозь себя достаточно мощный поток света, что существенно раздвигает границы использования таких лазеров. В результате всех описанных выше мер и уловок, новый лазер способен обеспечить производство света со 100 раз большим значением углового момента и в 10 раз большей мощностью, чем любые другие подобные лазеры, созданные до последнего времени. При этом, новый лазер предоставляет возможность полного контроля над угловым моментом (AM), вращением (поляризация) и орбитальным угловым моментом (OAM) выходящего из него луча света. И все что требуется для этого - лишь изменение нескольких параметров света, используемого для накачки лазера.

Другие интересные новости:

▪ Оптически изолированные усилители FOD2742

▪ Построена самая высокая ветряная электростанция в мире

▪ Стук клавиш как личная метка

▪ Белый экран для кинофильма не нужен

▪ Контакты между корабелами древнего Рима и Вьетнама

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Начинающему радиолюбителю. Подборка статей

▪ статья Что доброго может быть из Назарета? Крылатое выражение

▪ статья Как перемешаны стороны света в речи исландцев? Подробный ответ

▪ статья Австрийский проводник. Советы туристу

▪ статья Один терморегулятор - несколько объектов. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Микроконтроллеры популярных семейств. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026