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:

Шимпанзе могут менять свои убеждения 10.11.2025

Понимание того, как формируются убеждения и принимаются решения, традиционно считалось уникальной способностью человека. Однако недавнее исследование показало, что шимпанзе обладают способностью пересматривать свои мнения на основе новых данных, демонстрируя уровень рациональности, который ранее считался исключительно человеческим. Психологи под руководством Ханны Шлейхауф из Утрехтского университета провели серию экспериментов, направленных на изучение метапознания у шимпанзе. Исследователи впервые наблюдали, как эти обезьяны могут взвешивать различные виды доказательств и корректировать свои решения при появлении более убедительной информации. Экспериментаторы рассматривали рациональность как способность формировать убеждение о мире на основе фактических данных. При поступлении новой информации разумное существо способно сравнивать старые и новые данные и изменять свое мнение, если новые доказательства оказываются более весомыми. Для экспериментов использовались шимпанзе из ...>>

Полет на Марс: испытание для тела и выживания человечества 10.11.2025

Исследование космоса и перспективы полета на Марс привлекают внимание ученых и инженеров по всему миру. Но за технологическими достижениями скрывается серьезная угроза для здоровья астронавтов. Как отмечает Interesting Engineering, даже самые современные ракеты и системы жизнеобеспечения не способны полностью защитить человека от физических и генетических изменений, возникающих во время длительных космических миссий. Эти риски включают потерю костной массы, ослабление мышц и даже потенциальные повреждения ДНК. Путешествие на Марс длится от шести до девяти месяцев. В условиях невесомости организм, привыкший к земной гравитации, претерпевает значительные изменения. Мышцы атрофируются, кости теряют до 1% плотности в месяц, сердце уменьшается в размерах, а позвоночник удлиняется, вызывая боль и дискомфорт. После возвращения на Землю астронавты сталкиваются с головокружением и проблемами при вставании из-за адаптации к гравитации. Особую опасность представляет перераспределение жидкос ...>>

Зеркальные спутники и их угрозы для астрономии и экологии 09.11.2025

Калифорнийский космический стартап Reflect Orbital, который планирует к 2030 году вывести на орбиту 4 000 зеркальных спутников, отражающих солнечный свет на Землю даже ночью. Главная цель - увеличить эффективность солнечных электростанций, обеспечивая непрерывное освещение в ночное время. Первый демонстрационный аппарат EARENDIL-1 с зеркалом площадью 334 м2 предполагается запустить в апреле 2026 года, а соответствующая заявка уже подана в Федеральную комиссию связи США (FCC). Проект получил 1,25 млн долларов поддержки от ВВС США в рамках программы для малого бизнеса. Идея заключается в том, чтобы спутники создавали дополнительное освещение для энергетических систем, однако многие ученые выражают сомнения как в технической реализуемости, так и в потенциальном вреде для окружающей среды. Астрономы, включая Майкла Брауна и Мэтью Кенворти, подсчитали, что отраженный свет будет примерно в 15 000 раз слабее дневного солнца, хотя и ярче полной Луны. Для того чтобы создать хотя бы 20% дн ...>>

Случайная новость из Архива Солнечные панели тоньше паутины 19.04.2012 Ученые разработали гибкие солнечные панели толщиной около 1,9 микрометров. Австрийские и японские исследователи представили солнечные панели тоньше нити паутины, причем настолько гибкие, что их можно обернуть вокруг человеческого волоса. Новая технология открывает возможность создания тонкопленочных устройств с электродами толщиной всего около 1,9 микрометров толщиной - это 1/10 от толщины самых тонких современных солнечных панелей. Ультратонкая солнечная панель может найти широчайшее применение, ведь ее вес настолько мал, что его невозможно ощутить человеческой рукой. Тончайшие гибкие солнечные панели на полимерной основе можно встраивать в одежду, мобильные электронные устройства, летательные аппараты, медицинские датчики для пожилых людей, космическую технику и т.д. При этом новые панели обладают главным достоинством традиционных - масштабируемостью. Другими словами: чем больше солнечная панель, тем больше электроэнергии она производит. Также благодаря малой толщине и гибкости новая солнечная панель более устойчива к повреждениям на излом и протыканию. В частности, ее можно растянуть на 300%, и панель продолжит работать. Эффективность преобразования света в электроэнергию у новой панели невысока: около 4,2%. Однако для такой технологии это уже достижение, ведь современные тяжелые кремниевые панели нельзя нанести, например, на легкий парус яхты. По словам разработчиков, в коммерческую продажу новинка поступит в течение пяти лет.

Другие интересные новости:

▪ Беспроводной фен на солнечной энергии

▪ Мультимедийный холодильник

▪ Белковый картофель

▪ Солнечная башня, дающая электричество круглосуточно

▪ Микрофоны для караоке TeslaMic

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Молниезащита. Подборка статей

▪ статья Электротерка. Чертеж, описание

▪ статья Почему у Лары Крофт такая большая грудь? Подробный ответ

▪ статья Дискретный резец. Домашняя мастерская

▪ статья Летний душ с солнечным коллектором. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Микросхема TDA8362 в 3УСЦТ и других телевизорах. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025