Коллинеарные антенны
Базовые антенные системы подвижной УКВ радиосвязи — транкинговой или конвенциальной обычно имеют круговую диаграмму направленности, чтоб абоненты всей сети были равнодоступны для ретранслятора. И если позволяет окружающее пространство на высотном объёкте, то применяют штыревые коллинеарные антенны с высоким усилением.
Коллинеарные — означает «соосные». То есть все излучающие элементы фазированной антенной решётки расположены друг под другом и тем самым обеспечивают усиление антенной системы при равномерном формировании поля в азимутальной плоскости. Фазировка происходит благодаря использованию линий питания одинаковой длины для всех активных элементов. Тогда все сигналы принятые каждым элементом приходят к общей точке в одной фазе, тем самым увеличивается усиление антенны (рис.1)
Методы запитки могут быть последовательные(рис. 2) или параллельные (рис. 3).
Вторая обеспечивает более широкую полосу по усилению, но сложна в реализации у антенн с большим усилением. Поэтому чаще применяют последовательное питание элементов. В этом случае мы получаем антенную решётку с достаточно узкой рабочей полосой. Это происходит в результате фазового набега в каждом последующем элементе от точки питания. Чем дальше от центральной частоты настройки уходим, тем больше разница в фазовом сдвиге в излучающих элементах. А это приводит к развалу диаграммы направленности, точнее отклонению главного лепестка от нормали (рис.4). Ведь в подвижной связи, коей является транкинг, базовая антенна ретранслятора должна иметь диаграмму направленности вдоль горизонта, сконцентрировав излучение у поверхности земли. Поэтому любые антенны с последовательным питанием имеют ограниченную рабочую полосу по усилению, часто не достаточную для работы транкового ретранслятора с одинаковым качеством на приём и на передачу. На одной из частот обязательно произойдёт завал диаграммы, и чем дальше частотный разнос в дуплексе, тем больше этот завал. Поэтому, ошибочным является убеждение, что рабочая полоса антенны считается по уровню КСВ 1.5. Она, конечно, излучает при этом, но куда? В космос или себе под ноги?
Технический принцип в компании «Радиал» гласит о том, что полосой антенны положено считать тот частотный участок, в котором усиление антенны не ухудшается более чем на 1 дБ (рис.5). При этом полоса по согласованию в любом случае остаётся более широкой.
В этой связи наши разработки имеют большой модельный ряд антенн одного типа, но разные по частотным поддиапазонам. Так, одна антенна может работать в качестве приёмной, а на передачу уже используется другая модель. Если же доступен только однофидерный вариант, то применяется компромиссная антенна, настроенная посередине этих двух участков (рис.6)
На таком принципе построен модельный ряд всех наших вертикальных коллинеарных антенн диапазона UHF, которые называются A6UHF. (дальше следует литера поддиапазона и порядковый номер в диапазоне). Структура излучателей построена по принципу, который имеет у нас на фирме внутреннюю аббревиатуру ATPU , что означает «антенны транспозиционные UHF.Электрическая схема излучающей части антенны по технологии ATPU изображена на рис.7 .Здесь цилиндрические медные стаканы длиной около 0,66 длины волны запитаны последовательно со сменой фазы на 180 градусов. Таким образом, сигнал от соседнего излучающего элемента поступает на следующий излучатель со сдвигом фазы в полволны, что приводит к сложению всех сигналов с одним знаком в точке питания. Как и все антенны последовательного питания, эта коллинеарка имеет частотное сканирование, но в пределах своего диапазона оно не существенно и не превышает падение усиления более чем на 1 дБ.
К сожалению, технология ATPU не применима в VHF диапазоне, что в первую очередь связано потребностью в большом количестве излучателей и результирующей высотой структуры около 10 метров. К тому же реальная рабочая полоса сужается до 4-5 МГц, что практически не позволяет создать полнодуплексный экземпляр антенны и требуется выпуск большого модельного ряда этих антенн в диапазоне VHF.
Для реализации антенн с круговой направленностью, широкой полосой и повышенным усилением были разработаны антенны серий F2VHF и F2VM. Конструктивно вертикальные коллинеарные антенны типа F выглядят примерно так (рис.8). На центральном несущем жестком коаксиале из алюминиевой трубки надеты несколько широкополосных четвертьволновых «стаканов». Часть из них служат излучателями, а часть фильтрами-пробками, для устранения затекания токов на нежелательные поверхности антенны. Несущая трубка служит также и надёжной грозозащитой, поскольку идёт вдоль всей антенны и напрямую соединяет верхушку с мачтой. Внутри уложен коаксиальный кабель и согласующие трансформаторы и шлейфы. Несмотря на то верхний элемент запитан относительно нижнего с некоторым фазовым сдвигом, ширина рабочей полосы всё равно достаточно высокая и составляет 11-12 МГц на VHF диапазоне, что неоднократно проверено при измерении диаграммы направленности и усиления антенны. Излучающая система сварена из алюминиевых сплавов и защищена прочным стеклопластиковым чехлом. Сверху антенна снабжена рым-болтом, удобным для подъёма антенны при установке.
Таким образом, вертикальная коллинеарная антенна F2VHF оказывается незаменимым элементом в ретрансляторах различных транкинговых систем, различных протоколов, например SmarTrunkII. Или для обычной мобильной радиосвязи, где имеется дуплексный разнос 4-5 МГц и даже более. Альтернативой таким антеннам по широкополосности являются только дипольные антенные решётки, которые, как известно, не имеют идеальной круговой диаграммы направленности.
Информация, представленная на этой странице не является официальной офертой.
Для уточнения актуальных параметров свяжитесь с отделом продаж перед оформлением заказа.
Самая простая коллинеартная антенна Франклина
Сегодня рассмотрим самую простую коллинеарную антенну, которая называется антенной Франклина. Чарльза Франклина. Патент на антенну он получил в 1924 году.
В самом простом виде антенна состоит из полуволновых синфазных отрезков и из четвертьволновых шлейфов, вынесенных в перпендикулярную плоскость. Эти четвертьволновые шунты принимают на себя полуволны тока противоположного направления.
При этом проводники в шунтах должны располагаться на определённом расстоянии друг от друга, во избежание появления емкостной связи между этими участками полотна.
Изначально антенна состояла из единого куска провода, поэтому для подключения к ней кабеля использовалось гамма согласование. Т.е. находилась такая точка в шлейфе, где сопротивление было равно сопротивлению кабеля.
Сопротивление антенны без входного шлейфа будет составлять 300 Ом. А на конце шлейфа сопротивление будет минимальным. Так что, меняя точку подключения, эту антенну можно согласовать с любым кабелем.
Дальнейшие вариации на тему антенны Франклина уже допускают иные способы согласования.
Можно подключаться просто к точке максимума тока в разрыве шлейфа, можно через симметричную линию, а можно укоротить начальные участки полотна до четверти лямбда.
Тогда мы получим классическую схему современной коллинеарной антенны. Правда в этом случае она обязана иметь противовес, либо быть симметричной.
Конечные полуволновые отрезки полотна рекомендуется укоротить на 10% относительно расчётной половины длины волны. Это делается для компенсации емкостной составляющей входного сопротивления. Но даже если Вы забудете это сделать, антенна всё равно будет работать, просто чуть похуже.
На практике, типичное усиление антенны Франклина с тремя шлейфами – 3,2 dBi. Что вполне ожидаемо, исходя из количества синфазных отрезков полотна.
Пятиэлементная антенна Франклина даст уже 5,4 dBi.
Антенна простая и понятная, строится чётко на основании длины волны, расположение максимумов и минимумов тока в отрезках полотна интуитивно понятно.
Для примера рассчитаем трёхэлементную антенну для частоты 2412 МГц. Это первый канал WiFi.
Длина волны 124 мм.
Для провода диаметром 3 мм возьмём коэффициент укорочения 5%.
Итого, целая лямбда в полотне 118 мм, а полуволновые отрезки равны 59 мм.
Соответственно, четвертьволновые шлейфы имеют длину около 29,5 мм.
Конечные отрезки полотна – 53 мм.
Расстояние между проводниками шлейфов – не менее 3 мм.
Точку подключения фидера стоит искать ближе к концу шлейфа. Т.к. кабель у нас вероятнее всего будет иметь сопротивление 50 Ом, а трёхэлементная антенна Франклина – 300 Ом. Это шестикратное рассогласование, поэтому точка подключения будет рядом с концом шлейфа.
Кстати, шлейфы можно загибать, например по кругу. От этого их работа не ухудшится. Это может пригодится при попытке установить антенну Франклина в трубчатый корпус.
Точно с такими же пропорциями строятся антенны и с большим количеством сегментов. С наращиванием сегментов увеличивается усиление, а диаграмма направленности становится более плоской, с максимальным усилением по горизонту.
Друзья, если ролик был интересен и полезен, поддержите канал комментарием, лайком и репостом. Смотрите другие ролики на канале, подписывайтесь, изучайте материалы в описании. Спасибо! Удачи!
Походная УКВ антенна: коллинеарная «Верёвка»
Захотелось мне иметь компактную УКВ антенну, которую можно будет закинуть на ближайшее дерево и без труда «пробить» пару-тройку десятков киллометров на двойке.
Сначала решил изготовить антенну по схеме PA0FBK, описание которой есть на многих сайтах в интернете.
Собрав антенну, и пережив все сложности в настройке (а это оказалось вообще не просто), понял что антенна мне не подходит по двум причинам.
Во первых усиление, оно низкое и подходит только для работы в городе. Во вторых 70см диапазон мне был ну вообще не нужен, и жертвовать характеристиками для многодиапазонности я был не готов.
Было решено сделать коллинеарную антенну из 2-х 5/8 половин, она обладает хорошим усилением, хорошей диаграммой направленности. Ну а для того, чтобы сделать её портативной, решил сделать её из кабеля RG-58.
Коэффициент укорочения кабеля я взял как 1.28 (0.78125), поэтому 5/8 длинны волны на частоте 145мгц будет 1010мм. Отрезаем 2 таких куска, центральную жилу обрезаем (работать будет только оплётка).
Далее делаем узел согласования по этой схеме:
На оправке из полипропиленовой трубы диаметром 20мм, наматываем 10 витков медного провода 1.5мм. Снизу оправки на термоклей или эпоксидку сажаем разъём SO-239.
Отвод от 3 витка со стороны антенны, подстроечный конденсатор без большого диапазона настройки, вроде 2-7пФ КТ4-23.
Между двумя участками по 5/8 волны нужно припаять катушку (она удлиняет верхний участок антенны до полного периода волны), её можно сделать из подобной оправки от трубы. Длинна провода для намотки — 606мм из того же кабеля, что и полотно антенны.
Получается вот такая антенна, которую можно свернуть и положить в карман рюкзака. (На конец с помощью термоусадки прикреплена веревка, чтобы удобней крепить к дереву)
Настройка антенны производится по минимуму КСВ путём подстройки конденсатора. Если минимума достигнуть не получается — нужно перенести отвод на 2 или 4 виток катушки (меньше витков — выше частота, антенна укорачивается), растянуть или сжать витки.
Важное замечание — питающий антенну кабель будет излучать (и не надо ему мешать), т.к. в антенне нет противовесов. Если будете крепить на него ферритовые фильтры — нельзя крепить их впритык к антенне. А в идеальном случае — можно пустить несколько противовесов прямо от разъёма.
Антенна протестирована в походных условиях, вертикально заброшена на низкое дерево (питающий кабель стелился по земле), и даже при такой высоте и мощности в 5Вт, рапорт 5/8 на расстоянии 30км. То что надо! Осталось найти дерево побольше…