В разделе дипольных УКВ-антенн книги «Любительские антенны коротких и ультракоротких волн» авторы выделяют три основные группы: укороченные антенны типа Уда-Яги, удлинённые 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, трёхэлементные — 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 Пистолькорса 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 жёсткой 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 объединённые 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 её 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 решёток, у которых число пар точек питания равно числу вибраторов, входящих в решётку, 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 решёток, особый пространственный разнос проводников полотна зигзагообразной антенны с питанием от одного объединённого узла питания, к которому непосредственно подключается фидер, образует своеобразную плоскую синфазную решётку и особенное возбуждение токов в её 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 её 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.

Приведённая 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 приёма-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 жёсткой 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 оплётку 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 потечёт 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 подключён 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 перекрёстном 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 счёт токов проводимости, в отличие от наведённых, т. е. более слабых токов в пассивных вибраторах антенн Уда-Яги. С учётом 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 решётки создаёт 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 её 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 заземлённой 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

Тип антенны	Укороченная двухэлементная		Треугольно-петлевой вибратор		Треугольно-петлевой вибратор с директором
F, МГц	145	432	145	432	145	432
lw, мм	931	310	936	314	936	314
Iг, мм	1040	346	826	278	826	278
Id, мм	—	—	—	—	924	288
S, мм	620	207	453	152	453	152
Sd, мм	—	—	—	—	298	88
D, мм	40…50	10…59	92	31	92	31
а, мм	10…20	3…6	72	24	72	24
d, мм	6…10	3…6	15	10	15	10
d1, мм	—	—	—	—	1	2
d2, мм	—	—	3	2	3	2
Ку, dBi	5,51	5,26	6,66	6,7	7,4	7,17
КСВ	1,39	1,36	1,4	1,44	1,37	1,3

 

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, приведённых в таблице, можно скачать здесь.

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. Всё 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. Калитёнков, В. Лебедев, А. Шульженко. Мурманск

См. канал в  Telegram