Антенна с активным рефлектором
Для проведения дальних любительских связей на коротких волнах широко используются направленные антенны различных типов. Сравнительно давно вошли в практику антенны типа "волновой канал", наиболее простые из которых содержат два элемента — активный полуволновой вибратор и пассивный рефлектор. Однако двухэлементные антенны с пассивным рефлектором не дают удовлетворительной направленности излучения.
Если на частотах телевизионных каналов еще можно мириться с использованием многоэлементных антенн, то для KB диапазонов (даже 28 Мгц) они вместе с вращающим устройством представляют чрезмерно громоздкие сооружения. В связи с этим все более широкое применение находят двухэлементные антенны с активным рефлектором. Дело в том, что антенны с питанием рефлектора имеют ряд преимуществ перед антеннами с пассивными элементами.
Коротко эти преимущества сводятся к следующему. Коэффициент усиления двухэлементной антенны с обоими активными элементами эквивалентен усилению полноразмерной трехэлементной антенны с пассивными директором и рефлектором. При одинаковых значениях коэффициента усиления двухэлементная система легче, проще в конструктивном отношении и обладает меньшими моментом инерции и парусностью. Антенны с активным питанием позволяют получить большее подавление излучения назад, что в условиях любительской связи важнее, чем получение максимально возможных для данной системы значений коэффициентов усиления. Вместе с тем следует отметить, что антенны с активным питанием сложнее в настройке и более критичны к изменению параметров.
Принцип работы двухэлементной антенны с питанием рефлектора заключается в создании двух противофазных полей равных амплитуд в направлении, обратном главному максимуму излучения системы. Применение активного рефлектора позволяет добиться равенства токов в обоих элементах антенны и разности фаз, необходимой для максимального ослабления излучения назад. Расчеты, проведенные по общеизвестным формулам теории антенн [1], показывают, что коэффициент усиления у такой антенны на 3,4 дб выше, чем у антенны с пассивным рефлектором, а максимальное подавление излучения назад (с учетом потерь в соединительной линии) составляет 40- 50 дб, в то время как в пассивных системах оно не превышает 25 дб. Ширина диаграммы в горизонтальной плоскости по уровню 0,707Е составляет 58°, а ширина луча в вертикальной плоскости при высоте подвеса l/2 и угле излучения 30° составляет 32°.
Описываемая двухэлементная антенна с активным рефлектором является модификацией антенны HB9CV [2, 3], схема которой приведена на рис. 1. При оптимальном расстоянии между элементами, равном l/8, противофазные поля могут быть получены при запитывании элементов антенны с фазовым сдвигом 225°. Фазовый сдвиг 225° в питании рефлектора равен сумме фазовых сдвигов, возникающих за счет противофазной системы питания элементов (180°) и задержки в линии питания (45°).
Следует отметить, что в схеме антенны [2] приведены ошибочные данные, не обеспечивающие требуемый сдвиг фаз при питании коаксиальным кабелем.
Принципиальным недостатком этой антенны является трудность получения необходимого фазового сдвига, что обусловлено выбранной схемой питания. Любой фидерной линии присущ коэффициент укорочения, связанный с ее конструкцией и примененными материалами Для используемых в антенной технике фидерных линий коэффициент укорочения обычно составляет 1,05-1,66. Следовательно, для схемы рис. 1 при питании в точках XX вместо требуемого сдвига фаз (за счет линии), равного 45°, будет получена величина, зависящая от типа примененной линии.
Схема антенны, свободной от этого недостатка и позволяющей получить практически любой сдвиг фазы между двумя активными элементами, показана на рис. 2.
Точку подключения питающего фидера при известном коэффициенте укорочения линии легко определить по формулам:
где d — расстояние между элементами;
da — длина линии от точки включения до антенны;
dp — длина линии от точки включения до рефлектора;
Dlk — конструктивнее удлинение линии (10-20 см) и
где l — рабочая длина волны;
y — требуемый сдвиг фазы;
e — коэффициент укорочения.
Для питания антенны удобно пользоваться коаксиальным кабелем типа РК-75-7-11 (для которого e=1,52) и коаксиальным тройником типа ВР-193-Ф, делящим мощность поровну, между вибраторами. При использовании тройника для лучшего согласования необходимо в качестве соединительных линий использовать коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 150 ом (типа РК-150-4-11 или ему подобный).
При расчете длин элементов антенной системы (которые составляют 0,5l для рефлектора и 0,46l для собственно антенны) необходимо учитывать их коэффициент укорочения, зависящий от диаметра. Рассчитанные значения для антенны диаметром 22 мм и согласующей линии диаметром 20 мм даны в табл. 1. Здесь же указаны размеры согласующих элементов.
Рефлектор антенны
рефлектор антенны — рефлектор Ндп. отражатель Вторичный излучатель антенны или совокупность вторичных излучателей, расположенные по отношению к первичному излучателю со стороны, противоположной главному лепестку диаграммы направленности антенны с целью увеличения… … Справочник технического переводчика
Рефлектор антенны — 397. Рефлектор антенны Рефлектор Ндп. Отражатель Источник: ГОСТ 24375 80: Радиосвязь. Термины и определения оригинал документа … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
РЕФЛЕКТОР — (ново лат., от лат. reflectere отклонять, загибать назад). Отражатель; вогнутое зеркало, для отражения лучей и усиления через это света; снаряд для отражения тепла. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910.… … Словарь иностранных слов русского языка
Рефлектор — Рефлектор отражатель или зеркало антенны либо другого источника или приёмника какого либо излучения. Рефлектор (телескоп) телескоп, объективом которого является зеркало. Рефлектор распространённое в обиходе название бытового… … Википедия
РЕФЛЕКТОР — (от лат. reflecto обращаю назад отражаю),1) отражатель устройство, состоящее из одного или нескольких зеркал и обеспечивающее почти полное отражение падающих на него электромагнитных (напр., световых) или звуковых волн. Отражающая поверхность… … Большой Энциклопедический словарь
рефлектор — а, м. reflecteur, нем. Reflektor <лат. reflectere обращать назад. 1. Отражатель света в форме вогнутого зеркала. БАС 1. В передней .. на стене висел жестяной подсвечник с рефлектором , какой в Москве почему то называется передней лампой .… … Исторический словарь галлицизмов русского языка
рефлектор — а; м. [от лат. reflectere обращать назад, отражать] 1. Отражатель лучей, исходящих от источника света. Надеть на лампу р. // Разг. Источник света, снабжённый таким отражателем. Осветить рефлекторами сцену. Работать при свете рефлекторов. 2.… … Энциклопедический словарь
РЕФЛЕКТОР — (от лат. reflecto загибаю назад, поворачиваю) 1) телескоп, в к ром изображение небесного светила создаётся вогнутым зеркалом или системой зеркал. Приёмник излучения может располагаться в гл. фокусе параболич. зеркала, сбоку от трубы Р., позади… … Большой энциклопедический политехнический словарь
Рефлектор (зеркало) — Радиоантенна с рефлектором (задний, самый длинный стержень) … Википедия
Рефлектор — (от лат. reflecto обращаю назад отражаю) 1) Отражатель устройство, состоящее из одного или нескольких зеркал и обеспечивающее почти полное отражение падающих на него электромагнитных (напр., световых) или звуковых волн. Отражающая поверхность… … Астрономический словарь
Рефлектор антенны что это
Все время не отступает мысль, как сделать ЕН антенну направленной? Делалось несколько попыток «скрестить» ЕН антенну с резонансным проволочным рефлектором, но результат как-то не обнадеживал. Пробовал фазировать несколько ЕН антенн. (см., например, статью «ИСПЫТАНИЯ СИСТЕМЫ ИЗ 2-х ЕН АНТЕНН» на этом сайте), результат вроде бы и был, но какой-то неоднозначный и к тому же, эти опыты повторить в 2006 году так и не удалось.
Так или иначе, но к этому вопросу все время возвращаюсь опять и опять. Натолкнули на мысль, как реализовать эту задумку, статьи К.П. Харченко по лучистой энергии. Недавно. «обшаривая» интернет, увидел статью RA3XB «Параболоцилиндрическая — антенна RA3XB» http://www.qrx.narod.ru/anten/ant_ra3xb.htm опубликованную еще в 2003 году. И сразу захотелось повторить такой параболоцилиндрический рефлектор (из-за того, что он прост по конструкции) в «содружестве» с ЕН антенной.
Сказано — сделано. Поехал в магазин, купил пару досок шириной 300 мм и лист фанеры (толщиной 3 мм) 1500 х 1500 мм. Как покупал фанеру — это отдельная «песня», как раз в репертуар Задорнову 🙂
В статье RA3XB вполне понятно и доступно изложено изготовление такого параболоцилиндрического рефлектора. Отличие параболоцилиндрического рефлектора от «тарелки» заключается в том, что в нем есть не точка фокуса, а фокусная ось, что очень удобно для проведения экспериментов, да и материалы для изготовления вполне доступны. При наличии инструментов для работы по дереву (электролобзик и т.д.) процесс изготовления рефлектора становится не только быстрым, но и увлекательным. Здесь я не буду описывать как изготовить сам рефлектор, а только приведу рисунок Рис. 1 и Рис. 2, кстати, взятые из упомянутой статьи и таблицу Табл. 1 разметки кривизны «параболы».
Табл. 1 (к рисунку Рис. 2) для разметки «параболы» боковых досок
* более подробно о разметке параболоцилиндрического рефлектора можно прочитать в статье RA3XB по ссылке, приведенной в начале статьи.
После изготовления рефлектора, внутреннюю часть его обклеиваем алюминиевой пищевой фольгой и я дополнительно еще пропаял швы обычным припоем, с помощью флюса «Ф-59а», для алюминия (паяет прекрасно).
Готовый параболоцилиндрический рефлектор выглядит так как показано на рисунке Рис. 3 и Рис. 4
И так, все готово. Теперь можно вынести рефлектор и на улицу, подальше от стен и зданий. погода теплая, цветет сирень, каштаны и черемуха одновременно! поют соловьи 🙂
Вот как выглядит место проведения эксперимента (Рис. 5)
Рис. 5
Место проведения эксперимента.
3 dB, а при расстоянии меньше 1/8 длины волны уровень показаний падает. Но это классика и все мы это «проходили».
Далее заменяем Диполь на ЕН антенну . Засекаем уровень от ЕН антенны на Индикаторе Поля (он чуть больше, чем от Диполя) и подносим резонансный рефлектор к ЕН антенне, как мы это проделывали только что с Диполем. Результат тот же самый (примерно +
3 dB), но рефлектор приходится держать уже не горизонтально, а вертикально, сказывается поляризация. Проделываем то же самое с другими ЕН антеннами и получаем тот же самый результат. Таким образом убеждаемся, уже без всяких сомнений, что если к ЕН антенне добавить резонансный рефлектор, то мы получим усиление системы ЕН + Рефлектор
3 dB. А что это значит? А это значит, что усиление не взялось «ниоткуда», а сформировалась диаграмма направленности. Попробуем физически зафиксировать Рефлектор на максимуме усиления, а Индикатором Поля обнесем сисетму со всех сторон с одним и тем же радиусом. Понятно, что тело человека влияет на измерения, но мы и не измеряем инструментально, а только хотим убедится в верности предположений. Да, сигнал сбоку и сзади от системы меньше, чем в первой точке измерения.
И это очень важный вывод! Вот теперь бы и Рефлектор сделать таким же маленьким и эффективным как и ЕН антенна! Но через голову не перепрыгнешь 🙂 это дело будущего.
Но, у нас же есть еще нерезонансный параболоцилиндрический рефлектор, с которым мы хотели провести эксперименты с ЕН антеннами на разные частоты. Не будем откладывать на потом то, что можно сделать сразу и подтвердить или засомневатся опять в возможности работы ЕН антенны с рефлектором. И так, к делу. Достаем рефлектор и устанавливаем его так, как показано на рисунке Рис. 5
В фокус рефлектора (55 сантиметров) ставим на штанге трансивер «Kenwood TH-F7Е» с ЕН антенной, Рис. 6
Расстояние до антенны от рефлектора подбиралось по максимуму сигнала на Индикаторе Поля.
Рис. 6
ЕН антенна в фокусе рефлектора.
На расстоянии 6 метров от передатчика устанавливаем Индикатор Поля. Потом меняем ЕН антенну на стандартную «резинку» от трансивера. Далее повторяем измерения, но уже без рефлектора. Подводим результаты и повторяем их еще раз, но уже с другой ЕН антенной — плоской. И еще раз повторяем, с другой ЕН антенной (в кожухе и с хомутиком настройки). Практически при всех ЕН антеннах результаты одинаковые.
Результаты измерений сведены в таблицу Табл. 2
1 dB меньше чем от остальных ЕН антенн.) см. Рис. 7
Рис. 7
Короткая плоская ЕН антенна (5 см. длиной).
8,5 dB. Реально же мы получили 7 dB с ЕН антенной и 6 dB с «резинкой»(несколько заниженный реальный результат измерений, исключая короткую плоскую ЕН антенну, я отношу за счет неидеальности кривизны рефлектора, его поверхности и погрешности измерений).
Cамый главный ВЫВОД заключается в том, что можно сформировать диаграмму направленности у ЕН антенны. с нерезонансным рефлектором.
Естественно, используя антенны на более высокую частоту (435 МГц, 1296 Мгц и т.д.) можно получить большее усиление, при тех же размерах рефлектора.
Как бы заранее зная результат, все же попробуем установить в фокус параболоцилиндрического рефлектора ЕН антенну на частоту 28,120 Мгц (диапазон 10 метров), см. Рис. 8 и потом на частоту 14,070 Мгц см. Рис. 9
 |
1,3 и соответственно
1dB). Практически эту разницу уже не ощутить.
Таким образом, проведя эти опыты, стало ясно, и подтвердилось практически, что ЕН антенну можно сделать направленной, добавляя к ней полноразмерный резонансный рефлектор или нерезонансный параболический. Есть какое-то внутреннее чувство, что эта статья и серия опытов, не последние в экспериментах по изучению направленных свойств ЕН антенн.
Как я и чувствовал, удалось продолжить серию опытов по влиянию рефлектора на ЕН антенну. Дело это важное и видимо этим опыты не закончатся. Если вспомнить историю, то совершенно очевидно, какое большое значение имели опыты японцев Синтаро Удо и Хидэцугу Яги, в результате которых появились направленные антенны Уда-Яги (в простонародии просто «Яги» или «Волновой канал»), а было это совсем не так и давно — в 1926 году.
К сожалению, провести некоторые измерения удалось только в ближней зоне (не более 15 длин волн), для полной картины, необходимо провести измерения и в дальней зоне (сотни длин волн), как это было описано в статье по измерению полей от ЕН антенны на этом сайте Здесь .
- Все измерения проводились на частоте 145,5 МГц.
- Использовались только автономные источники питания.
- Антенны подсоединялись к передатчику без кабеля, непосредственно к разъему трансивера.
А на рисунке Рис. 2 измерительный приемник с цифровым индикатором. Такая «связка» приборов дает возможность проводить измерения на достаточно высоком уровне (точность измерений до 0,1 dB в диапазоне 60 dB), но реализовать эту точность в сложившихся условиях, конечно не удасться.
Техника проведения эксперимента проста:
Устанавливаем измерительный приемник на деревянной штанге в 30 метрах от передатчика и меняя антенны на передатчике, записываем показания индикатора измерительного приемника.
Затем устанавливаем на треноге, на расстоянии примерно 0,25 длины волны от антенны, проволочный рефлектор (вертикально) длиной 1030 мм. из толстого (диаметром 4 мм.) медного провода и повторяем измерения.
Результаты измерений сведены в таблицу Табл.1
В первой колонке таблицы перечислены используемые для эксперимента антенны. Во второй колонке, показана разность между уровнями сигнала на измерительном приемнике от разных антенн, при этом уровень сигнала от Диполя принят за «0». В третьей колонке указан прирост уровня сигнала на измерительном приемнике, когда с антеннами был использован рефлектор (на расстоянии 0,25 длины волны от антенн). И, наконец, в четвертой колонке указана разность уровеней сигнала на измерительном приемнике, при использовании рефлектора, при этом уровень от Диполя принят за «0».
И что же мы видим?
Посмотрим на вторую колонку. Большая часть ЕН антенн показывает больший уровень сигнала по сравнению с Диполем (за исключением одной ЕН антенны, но я, честно, грешу, что она расстроилась, сбился хомутик, так как упала на землю при установке, а проверить ее настройку после падения, не догадался). Опираясь на прошлые измерения, так и должно быть. В предыдущих статьях неоднократно описывались опыты по измерению уровня поля от ЕН антенн и Диполя в ближней зоне, а мы как раз и проводим измерения в ближней зоне, поэтому вроде бы все укладывается в «рамки». Задача сейчас не сравнивать уровни полей от Диполя и ЕН антенн, это уже много раз делалось, а выяснить, влияет ли рефлектро на усиление антенны и как? Можно ли ЕН антенну сделать направленной?
Взглянем теперь на третью колонку таблицы. В неё занесены результаты уровней сигнала, когда совместно с антеннами использовался резонансный рефлектор. Результат уровня сигнала от Диполя просто классический (как в учебниках), прибавка 2,7 dB. Остальные ЕН антенны также подтверждают это правило, никаких чудес (естественно есть погрешность измерений).
Четвертая колонка приведена для наглядности и показывает разницу в прибавке сигнала между Диполем (уровень взят за «0») и остальными антеннами, при использовании рефлектора.
Какой же можно сделать вывод? А вывод очень важный: при эксплуатации ЕН антенн можно использовать рефлектор, с прогнозируемым результатом прибавки усиления в
3 dB, собственно, как и при использовании обычных дипольных антенн. Таким образом, ЕН антенну можно сделать направленной.
Уже после написания статьи, как радиолюбителю, захотелось изготовить такую ЕН антенну с рефлектором и попробовать в эфире ее работу. Сказано-сделано!
Такую направленную антенну с рефлектором можно изготовить буквально за несколько минут. На трансивер «Kenwood TH-F7E» я установил непосредственно ЕН антенну (длина 16 см.). Отрезал тоненькую реечку длиной 530 мм и закрепил ее на трансивере с помощью двух винтов М3 (вместо защелки). Противоположный конец реечки расщепил и зажал в нем проволочный рефлектор (медный провод диаметром 3 мм. и длиной 1030 мм.) на расстоянии 515 мм от ЕН антенны. Рефлектор закрепил на реечке с помощью обычного строительного скоча. Все. антенна готова! Рис. 3
Рис. 3 ЕН антенна с рефлектором, установлена на трансивере.
Теперь на испытания. Выхожу на крышу (дом двухэтажный в 30 км. от Питербурга). Настраиваюсь на частоту репитера. сигнал зашкаливает! 59+ . поворачиваю антенну в горизонтальной плоскости (держу в руке и поворачиваюсь с ней сам) сигнал на индикаторе трансивера (сегментный) меняется от максимума, до одного, двух сегментов. Никакого чуда нет, мы только что проводили измерения с этой антенной, с рефлектором и без него. Снимаю рефлектор (делается это на удивление просто 🙂 сигнал при повороте не меняется и сегментный индикатор показывает 3-4 семента. На передачу антенна работает также хорошо как и на прием, это подтвердили корреспонденты.
Теория радиоволн: антенны
Помимо свойств радиоволн, необходимо тщательно подбирать антенны, для достижения максимальных показателей при приеме/передаче сигнала.
Давайте ближе познакомимся с различными типами антенн и их предназначением.
Антенны — преобразуют энергию высокочастотного колебания от передатчика в электромагнитную волну, способную распространяться в пространстве. Или в случае приема, производит обратное преобразование — электромагнитную волну, в ВЧ колебания.
Диаграмма направленности — графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве.
Антенны
Симметричный вибратор
В простейшем случае состоит из двух токопроводящих отрезков, каждый из которых равен 1/4 длины волны.
Широко применяется для приема телевизионных передач, как самостоятельно, так и в составе комбинированных антенн.
Так, к примеру, если диапазон метровых волн телепередач проходит через отметку 200 МГц, то длина волны будет равна 1,5 м.
Каждый отрезок симметричного вибратора будет равен 0,375 метра.
Диаграмма направленности симметричного вибратора
В идеальных условиях, диаграмма направленности горизонтальной плоскости, представляет собой вытянутую восьмерку, расположенную перпендикулярно антенне. В вертикальной плоскости, диаграмма представляет собой окружность.
В реальных условиях, на горизонтальной диаграмме присутствуют четыре небольших лепестка, расположенных под углом 90 градусов друг к другу.
Из диаграммы можем сделать вывод о том, как располагать антенну, для достижения максимального усиления.
В случае не правильно подобранной длины вибратора, диаграмма направленности примет следующий вид:
Основное применение, в диапазонах коротких, метровых и дециметровых волн.
Несимметричный вибратор
Или попросту штыревая антенна, представляет из себя «половину» симметричного вибратора, установленного вертикально.
В качестве длины вибратора, применяют 1, 1/2 или 1/4 длины волны.
Диаграмма направленности следующая:
Представляет собой рассеченную вдоль «восьмерку». За счет того, что вторая половина «восьмерки» поглощается землей, коэффициент направленного действия у несимметричного вибратора в два раза больше, чем у симметричного, за счет того, что вся мощность излучается в более узком направлении.
Основное применение, в диапазонах ДВ, КВ, СВ, активно устанавливаются в качестве антенн на транспорте.
Наклонная V-образная
Конструкция не жесткая, собирается путем растягивания токопроводящих элемементов на кольях.
Имеет смещение диаграммы направленности в стороны противоположную острию буквы V
Применяется для связи в КВ диапазоне. Является штатной антенной военных радиостанций.
Антенна бегущей волны
Также имеет название — антенна наклонный луч.
Представляет из себя наклонную растяжку, длина которой в несколько раз больше длины волны. Высота подвеса антенны от 1 до 5 метров, в зависимости от диапазона работы.
Диаграмма направленности имеет ярко выраженный направленный лепесток, что говорит о хорошем усилении антенны.
Широко применяется в военных радиостанциях в КВ диапазоне.
В развернутом и свернутом состоянии выглядит так:
Антенна волновой канал
Здесь: 1 — фидер, 2 — рефлектор, 3 — директоры, 4 — активный вибратор.
Антенна с параллельными вибраторами и директорами, близкими к 0,5 длины волны, расположенными вдоль линии максимального излучения. Вибратор — активный, к нему подводятся ВЧ колебания, в директорах, наводятся ВЧ токи за счет поглощения ЭМ волны. Расстояние между рифлектором и директорами подпирается таким образом, чтобы при совпадении фаз ВЧ токов образовывался эффект бегущей волны.
За счет такой конструкции, антенна имеет явную направленность:
Рамочная антенна
Применяется для приема ТВ программ дециметрового диапазона.
Как разновидность — рамочная антенна с рефлектором:
Логопериодическая антенна
Свойства усиления большинства антенн сильно меняются в зависимости от длины волны. Одной из антенн, с постоянной диаграммой направленности на разных частотах, является ЛПА.
Отношение максимальной к минимальной длине волн для таких антенн превышает 10 — это довольно высокий коэффициент.
Такой эффект достигается применением разных по длине вибраторов, закрепленных на параллельных несущих.
Диаграмма направленности следующая:
Активно применяется в сотовой связи при строительстве репитеров, используя способность антенн, принимать сигналы сразу в нескольких частотных диапазонах: 900, 1800 и 2100 МГц.
Поляризация
Поляризация — это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве.
Различают: вертикальную, горизонтальную и круговую поляризацию.
Поляризация зависит от типа антенны и ее расположения.
К примеру, вертикально расположенный несимметричный вибратор, дает вертикальную поляризацию, а горизонтально расположенный — горизонтальную.
Антенны горизонтальной поляризации дают больший эффект, т.к. природные и индустриальные помехи, имеют в основном вертикальную поляризацию.
Горизонтально поляризованные волны, отражаются от препятствий менее интенсивно, чем вертикально.
При распространении вертикально поляризованных волн, земная поверхность поглощает на 25% меньше их энергии.
При прохождении ионосферы, происходит вращение плоскости поляризации, как следствие, на приемной стороне не совпадает вектор поляризации и КПД приемной части падает. Для решения проблемы, применяют круговую поляризацию.
Все эти факторы факторы следует учитывать при расчете радиолиний с максимальной эффективностью.