Технические приёмы и решения Осесимметричная антенна При использовании длиннофокусных рефлекторов, оптимального облучения их поверхности удаётся достичь, применяя рупорные облучатели. При этом необходимо помнить, что рупоры, обладающие большим собственным углом раскрыва, имеют более узкие диаграммы направленности, а у рупоров с малым собственным углом раскрыва диаграмма направленности шире.
При использовании короткофокусных рефлекторов, оптимального их облучения удаётся достичь, применяя облучатели в виде рупоров, у которых собственный угол раскрыва очень мал или равен нулю. Рупором, у которого угол раскрыва равен нулю, может служить открытый конец волновода.
В качестве такой антенны удобно использовать осесимметричный параболический рефлектор, оборудовав его круглым волноводом из дюралюминиевых трубок. Для диапазонов 11 и 12 ГГц конвертер (смеситель, гетеродин и даже МШУ ) можно выполнить в виде модулей из коротких отрезков стандартных прямоугольных волноводов, широко применяемых в радиолокационных и других СВЧ устройствах трёхсантиметрового диапазона. При этом для подключения такого конвертора к круглому волноводу антенны необходим модульный переходник [4] (рис.14), имеющий плавный переход от круглого волновода к прямоугольному. Передачи спутникового телевидения ведутся как с горизонтальной, так и с вертикальной поляризацией радиоволн. Поэтому приём с той или иной поляризацией обеспечивается поворотом модуля-переходника и всего конвертера на конце круглого волновода, выведенного за заднюю поверхность параболического рефлектора.
Рефлектор в телевизионной антенне добавляет усиление и…
Рис.14. Осесимметричная параболическая антенна.
В настоящее время нашли широкое распространение конструкции, в которых компактный конвертер расположен непосредственно в фокусе параболического рефлектора. Однако при расположении конвертера, состоящего из нескольких отдельных модулей, за рефлектором удобнее настраивать эти модули и экспериментировать, не затеняя некомпактным модульным конвертером, рукой или частью своего тела рабочей поверхности параболического рефлектора. В такой конструкции потери энергии принятого сигнала на коротком отрезке круглого волновода малы и ими можно пренебречь.
Как в широко распространённых конструкциях, где конвертер расположен в фокусе параболического рефлектора, так и в конструкции с волноводом между облучателем и конвертером, необходимо добиваться максимального согласования облучателя с рефлектором и волноводом, а последнего с входом конвертера, добиваясь наличия, в основном, режима бегущей волны в этой цепи. С этой целью широкое применение в параболических антеннах находят рупорные облучатели, хорошо согласующиеся как с самим параболическим рефлектором, так и с волноводом или входом конвертера. Однако такие облучатели применимы лишь с длиннофокусными рефлекторами и из-за значительного удаления облучателя от рефлектора конструкция антенны оказывается довольно громоздкой.
Антенна Харченко с рефлектором «усеченный рупор» своими руками — из издания «В помощь радиолюбителю»
Гораздо компактней получается антенна с короткофокусным рефлектором, в котором облучатель приближён к поверхности рефлектора, но в этом случае вместо рупорных с узкой диаграммой направленности приходится применять облучатели в виде открытого конца волновода с широкой диаграммой направленности. Однако он хуже, чем рупор, согласуется с параболическим рефлектором, а в цепи волновод-конвертер неизбежно рассогласование и, как следствие этого, появление там отражений и стоячих волн.
Применение облучателя на основе круглого волновода даёт возможность обеспечить сбор с рефлектора энергии радиоволн любой поляризации. Однако из-за неидеального согласования круглого волновода (круглого облучателя) с входом конвертера, построенного на основе отрезков прямоугольного волновода, также неизбежно появление дополнительных отражений и стоячих волн.
Для уменьшения потерь энергии принятого сигнала во входных цепях модульного конвертера приходится применять согласующие устройство в виде модуля-трансформатора сопротивлений [3] (рис.14), представляющего собой отрезок круглого волновода с изменяемой длинной. Изменяя длину этого модуля, можно достичь лучшего согласования на входе конвертера, ориентируясь на наименьшие потери полезного сигнала в этой цепи.
Приведём описание трёх конструкций осесимметричных антенн с параболическим рефлекторами, имеющими различные фокусные расстояния (длиннофокусным, со средним фокусным расстоянием и короткофокусным). Первые две антенны выполнены с облучателями в виде открытого конца круглого волновода, а третья — по схеме Кассегрена с рупорным облучателем. Длиннофокусная осесимметричная антенна Наиболее простой из этих трёх можно назвать параболическую осесимметричную антенну (рис.14) с относительно длиннофокусным (F = 0,28 м) рефлектором диаметром 0,67 м. Угол раскрыва рефлектора 2y равен 118 0 . Диаметр круглого волновода и облучателя в виде его открытого конца рассчитан и выбран таким, чтобы диаграмма облучателя хорошо вписывалась в угол раскрыва рефлектора с целью получения максимально возможного коэффициента использования поверхности рефлектора (около 0,6). Коэффициент усиления такой антенны — около 35 дБВт, а ширина диаграммы направленности — 2,5 0 .
Точно такие же волновод и облучатель можно применить для рефлекторов большего диаметра с большим фокусным расстоянием, но имеющих тот же угол раскрыва. При этом коэффициент использования поверхности останется прежним, а за счёт увеличения площади рефлектора усиление антенны возрастёт и ширина диаграммы направленности уменьшится.
Коэффициент усиления по мощности для антенны с рефлектором большего диаметра можно подсчитать по приведённой выше формуле . Ширину диаграммы направленности ( j , в градусах) можно приблизительно оценить, пользуясь соотношением: j = 69l/ D .
Среднефокусная осесимметричная антенна Во второй параболической осесимметричной антенне применён рефлектор от радиорелейной станции трёхсантиметрового диапазона диаметром 1 м, со средним фокусным расстоянием 30см. Большой угол раскрыва этого рефлектора ( 2y = 150 0 ) потребовал более тщательного расчёта диаметра круглого волновода, открытый конец которого служит облучателем.
По приблизительным оценкам коэффициент использования поверхности рефлектора этой антенны — около 0,6; коэффициент усиления — около 39 дБВт. Волновод и облучатель такой конструкции можно применить и для рефлекторов большего диаметра, но с таким же углом раскрыва.
Коэффициент усиления по мощности и ширину диаграммы направленности антенны можно с рефлектором большего (или меньшего) диаметра можно приблизительно оценить по приведённым выше соотношениям. Короткофокусная осесимметричная антенна В третьей антенне (рис.16) может быть применён короткофокусный параболический рефлектор, у которого глубина соизмерима с фокусным расстоянием, а угол раскрыва 2y может достигать 180 0 и более.
Применение таких рефлекторов возможно лишь при условии наиболее полного использования их поверхности (коэффициент использования поверхности — в пределах 0,6…0,7). Это, в свою очередь, диктует необходимость создания облучателей с углом диаграммы направленности, равным углу раскрыва применённого короткофокусного параболического рефлектора.
Так как конструирование таких облучателей вызывает целый ряд непреодолимых трудностей, то приходится применять вспомогательное зеркало, т.е. строить двухзеркальную антенну по схеме Кассегрена . Вспомогательное зеркало (контррефлектор) представляет собой симметрично усечённый гиперболоид вращения, один фокус О 1 которого должен совпадать с фокусом F параболического рефлектора. Во втором фокусе О 2 второй мнимой ветви гиперболоида располагают облучатель, в качестве которого использована рупорная антенна круглого сечения с не столь большим собственным углом диаграммы направленности. Он рассчитан таким, чтобы облучалась лишь поверхность гиперболического контррефлектора.
Если в двухзеркальной антенне, широко использовавшейся в радиолокационных системах на частотах 4 ГГц, применён параболический рефлектор диаметром 1,5 м с глубиной и фокусным расстоянием 0,38 м и углом раскрыва 180 0 , то коэффициент усиления антенны на частоте 11 ГГц окажется равным не менее 43 дБВт при ширине диаграммы направленности 1,2 0 и коэффициент использования поверхности основного рефлектора около 0,6. Неосесимметричная антенна В параболических неосесимметричных антеннах вынесенный облучатель и конвертер находятся в стороне от падающего на рефлектор потока мощности принимаемого сигнала и не создают затемнения (рис.15).
Рис.15. Неосесимметричный параболический рефлектор.
Однако существенного выигрыша в усилении у этих антенн не получается, так как их эффективная площадь будет меньше из-за неперпендикулярности попадания на поверхность раскрыва рефлектора лучей приходящего сигнала. К тому же из-за неосесимметричного расположения ухудшается согласование облучателя с рефлектором.
Поэтому отражения и стоячие волны между рефлектором и конвертером увеличиваются. Единственным заметным достоинством неосесимметричных антенн с вынесенным облучателем (Ofset Antenne) следует признать почти вертикальное к поверхности Земли расположение рефлектора, что позволяет уменьшить падение на него атмосферных осадков (дождя, снега, града и др.).
Это очень важно в северных широтах, где такие осадки выпадают чаще, чем в южных. Двухзеркальная антенна Полностью собрать энергию принятого сигнала с поверхности короткофокусного параболического рефлектора с большим углом раскрыва одним облучателем не удаётся. Это можно обеспечить, применив дополнительное гиперболическое зеркало (контррефлектор).
В такой двухзеркальной антенне (рис.16) собственно облучатель собирает энергию с гиперболического рефлектора. Несмотря на то, что контррефлектор создаёт значительное затемнение для падающих на рефлектор лучей принимаемого сигнала, коэффициент использования поверхности рефлектора за счёт эффективного сбора с него энергии оказывается довольно высоким (0,6 … 0,7).
С контррефлектора энергия собирается рупорным облучателем с относительно малым углом раскрыва. Кроме того, такой двухэтапный сбор энергии приводит к более плавному, а следовательно, и более полному согласованию облучателя с основным рефлектором. Это, казалось бы, должно существенно уменьшить стоячие волны. Однако отражённые от входа конвертера волны, попадающие на центральную часть контррефлектора, не уходят в свободное пространство, из-за чего уровень стоячих волн увеличивается.
Рис.16. Двухзеркальная антенна с гиперболическим рефлектором. Интересно отметить, что двухзеркальная антенна с гиперболическим контррефлектором названа именем Кассегрена, применившего в 1672г. такую систему для сбора энергии световых лучей от удалённых небесных светил, то есть в качестве телескопа. Ранее, в 1663г., Грегори предложил вариант двухзеркального телескопа с основным параболическим рефлектором и эллипсоидным контррефлектором. По схеме Грегори строятся лишь длиннофокусные двухзеркальные антенны, в которых к тому же, требуется более высокая точность исполнения контррефлектора, чем в антенне по схеме Кассегрена.
Источник: kunegin.com
ВЕРТИКАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ
Эти антенны относятся к категории малоэффективных антенн, но имеют свои особенности. Такие антенны имеют вертикальную поляризацию и равномерную круговую диаграмму в горизонтальной плоскости. Малоэффективность вертикальных антенн, покажем на простом примере. Предположим, что к антенне подведена мощность передатчика 100 Вт. Поскольку антенна
имеет равномерную круговую диаграмму в горизонтальной плоскости, то на каждый градус окружности приходится 1/360 часть мощности, т.е. 100 : 360 = 0,277 Вт. Таким образом, в сторону корреспондента будет направлена эта мощность, а остальная 99,72 Вт будет бесполезной.
В зависимости от длины и высоты расположения вертикальной антенны над Землей угол излучения в вертикальной плоскости может быть малым к горизонту, что обеспечит дальние связи. На рис. 11.25 приведено несколько типов вертикальных антенн. На
практике большей частью вертикальные антенны имеют длину L/4. Это обусловлено тем, что четвертьволновая вертикальная антенна, имеющая входное сопротивление 37 Ом, может согласовываться с низкоомным коаксиальным кабелем. Рассмотрим несколько вертикальных антенн, которые могут использоваться радиолюбителями на KB, СИ-БИ и УКВ диапазонах.
Одна из более удобосогласуемых четвертьволновых антенн это петлевая антенна. Ее входное сопротивление равно 73 Ом. Антенна изображена на рис. 11.25,а., а ее размеры для различных диапазонов даны в таблице 11.6. Коэффициент укорочения этой антенны равен 0,97 — 0,98 и мало зависит от диаметра труб. У этой антенны должны быть обязательно противовесы.
Они могут быть выполнены на УКВ диапазонах из трубок, а на KB диапазонах из 3-4 мм медных или биметаллических проводов. Их длина равна длине вибратора, т.е. L/4. KCB этой антенны не хуже 1,2.
Хорошие результаты дает так называемая «коаксиальная антенна» (рис. 11.25,6). Ее входное сопротивление также 73 Ом. Она хорошо согласуется с несимметричным коаксиальным кабелем за счет того, что согласующим устройством является нижняя часть антенны. Такая антенна может быть рекомендована для диапазонов СИ-БИ, 28 , 145 и 435 МГц.
Ее конструкция изображена на рис. 11.25,6. Нижняя часть антенны выполняется из дюралюминиевой трубы диаметром большим, чем толщина кабеля, а ее длина
Таблица. 11.6 Размеры петлевых антенн.
Таблица 11.7 Размеры антенны Бонч-Бруевича.
определяется по графику рис. 11.11 в зависимости от диаметра трубы. Длина верхнего вибратора также зависит от его диаметра и рассчитывается по тому же графику.
Незаслуженно забыта вертикальная антенна, предложенная в 30-е годы российским ученым профессором М.А.Бонч-Бруевичем. Эта антенна (рис. 11.25,в.) состоит из двухпроводной четвертьволновой линии и полуволнового вибратора. Данная модификация этой антенны имеет входное сопротивление 73 Ом.
Она хорошо согласуется с 75-омным коаксиальным кабелем, включенным напрямую, но для лучшего КСВ желательно ввести симметрирующее устройство рис. 11.27,в. В таблице 11.7, даны размеры этой антенны для диапазонов 27, 145 и 435 МГц.
Для расчета такой антенны на другие частоты можно пользоваться формулами А =141: f МГц; Б =73: fМГц; В =L/4.
В некоторых случаях при вертикальной поляризации требуется осуществить направленное излучение на конкретного корреспондента. Антенна «волновой канал», установленная вертикально, имеет большие габариты и тогда можно воспользоваться оригинальной конструкцией, приведенной на рис. 11.26.
Эта антенна представляет собой трех-элементную конструкцию, состоящую из четвертьволновых вертикальных вибраторов, один из которых является активным излучателем, а два других — пассивными элементами, директором и рефлектором. Причем, активный вибратор устанавливается постоянно, а директор и рефлектор могут поворачиваться вокруг оси активного элемента.
От активного элемента радиально расходятся 8 противовесов длиной по L/4. Такая антенна для СИ -БИ диапазона на 27 МГц изображена на рис. 11.26. Для расчета элементов на другие частоты приводим данные. Длина активного элемента -L/4х0,965. Рефлектор — L/4х1,084.
Директор — L/4 х 0,69. Активный элемент устанавливается на изоляторе. Конденсатор согласования С размещается в водонепроницаемой коробке, а его ось выводится наружу для удобства настройки. Этим конденсатором достигается согласование активного вибратора с фидером по минимальному КСВ. Расстояние между активным элементом и рефлектором 0,15L, а директор отстоит на 0,1L Усиление антенны — 7 дБ, а отношение излучения вперед-назад 20 дБ. Рефлектор и директор укреплены на
металлической штанге длиной — 2,77 м. Штанга имеет электрическое соединение с центром радиальных противовесов.
Источник: www.junradio.com
Антенна с активным рефлектором
Сравнительная характеристика
направленных антенн типа«волновой канал» (ЯГИ)
и логопериодических антенн
Основными разновидностями направленных антенн являются антенны типа «волновой канал» и логопериодические. Наибольшее распространение получили антенны типа «волновой канал». Они обладают достаточно большим коэффициентом усиления и просты в изготовлении. Логопериодические антенны устроены более сложно и дороги в изготовлении, однако они более широкополосные и выдают указанные параметры во всем диапазоне частот без дополнительной настройки.
1. Антенны типа «волновой канал»
Антенна типа «волновой канал» состоит из ряда параллельных вибраторов, расположенных в одной плоскости: полуволнового линейного или петлевого вибратора, к которому подключен кабель снижения (активный вибратор) (1), рефлектора (2), и директоров (пассивные вибраторы) (3).
Таким образом, питание в такой антенне подводится к единственному активному вибратору. Длина рефлектора и его расстояние до активного вибратора подобраны таким образом, что излучение рефлектора ослабляет излучение активного вибратора в обратном направлении и усиливает его в прямом направлении.
Таким образом, рефлектор является своеобразным отражателем, обеспечивающим формирование однонаправленной характеристики излучения (приема). Нередко в качестве рефлектора используется система вибраторов или сетка. Усилению излучения в прямом направлении способствуют директоры, которые возбуждаются, как и рефлектор, под воздействием излучения активного вибратора.
Следовательно, усиление антенны тем больше, чем больше число директоров. Однако, чем больше число директоров в антенне, тем меньше сказывается на ее усилении добавление каждого нового директора и тем сложнее добиться согласованной работы всех директоров. Одновременно это ведет к сужению полосы пропускания антенны.
К достоинствам антенны можно отнести сравнительно высокий коэффициент усиления при простоте конструкции. Антенна обладает четко выраженными резонансными свойствами и поэтому может успешно использоваться в системах связи с узкой (4-5%) полосой частот (например, Sky link, DECT).
К недостаткам антенны следует отнести сложность ее настройки при числе директоров более трех. Антенны собранные даже по одному чертежу на одной и той же линии оказываются настроенными по-разному и не допускают дополнительной настройки. Таким образом, реальное усиление такой антенны значительно ниже указанного (в среднем на 3-4 дБ).
Кроме того, указанное усиление и КСВ соответствуют резонансной (средней) частоте и резко ухудшаются на краях диапазона в широкополосных системах связи. Например, стандарт GSM-900 использует частоты 890-915 и 935-965 МГц, и использование антенны типа «волновой канал», настроенной на середину этого диапазона, приводит к заметному ухудшению работы антенны на рабочих частотах. То же самое относится к системам видеонаблюдения 1,2 ГГц, где в передатчиках мощностью до 1ВТ используются каналы от 0,9 до 1,24 ГГц (ширина полосы более 30%), а в передатчиках свыше 1Вт — от 1,08 до 1,2 ГГц (ширина полосы более 10%).
2. Логопериодические антенны
Один из типов антенн с неизменной формой диаграммы направленности и коэффициентом усиления в широком диапазоне частот — антенны с логарифмической периодичностью структуры (логопериодические антенны). Причем ширина полосы частот может быть задана любой, верхние и нижние частоты могут отличаться в 10 раз.
Во всем диапазоне обеспечивается хорошее согласование антенны с фидером, а коэффициент усиления остается практически постоянным. Логарифмическая антенна образована собирательной линией в виде 2-х труб (1), расположенных параллельно, к которым крепятся плечи вибраторов (2) поочередно через один.
Рабочая полоса частот антенны со стороны нижней частоты зависит от размеров наиболее длинных вибраторов, а со стороны верхней частоты — от размеров наиболее коротких вибраторов. Усиление антенны определяется числом вибраторов, каждый из которых является активным. Следовательно, задав полосу частот (размер максимального и минимального вибраторов), можно получить достаточно высокий коэффициент усиления во всем диапазоне за счет увеличения количества вибраторов. Логопериодические антенны оптимальны в широкополосных системах связи: р/телефоны диапазона 300 МГц, GSM-900, системы видеонаблюдения 1,2 и 2,4 ГГц. При производстве они имеют хорошую повторяемость и не требуют дополнительной настройки, поскольку все вибраторы являются активными и настроены на весь диапазон заданных частот.
К недостаткам антенны можно отнести ее более сложную конструкцию и повышенную трудоемкость в изготовлении по сравнению с антенной типа «волновой канал».
3. Выводы
Таким образом, для широкополосных систем связи таких, как: р/телефония диапазона 300 МГц, GSM-900, системы беспроводного видеонаблюдения 1,2 и 2,4 ГГц — целесообразно применение логопериодических антенн с необходимым для каждого конкретного случая коэффициентом усиления. Также следует обратить внимание на материал, из которого изготовлена антенна.
На частотах 800-900 МГц, а тем более 1,2 и 2,4 ГГц, наилучший результат дает использование материалов с высокой проводимостью, таких как медь, латунь. Это повышает добротность антенны и сводит к минимуму потери. Для внешних антенн дополнительным критерием, обеспечивающим долговечность, является коррозиозащищенность. В этом случае оптимальным вариантом является покрытие антенны специальной краской и герметичность конструкции.
Источник: delpha-antennas.ru