Владимир Поляков (RA3AAE) г. Москва: Вертикальная направленная антенна

"KB журнал", 1998, # 5, с. 27-31

(в сокращении)

Желание сконструировать простую и легкую антенну заставило обратиться к конструкции ZL-бима, содержащего всего два элемента с активным питанием и имеющего очень малые размеры в длину (порядка L/8... L/10). В то же время коэффициент направленного действия (КНД) этой антенны довольно значителен и эквивалентен, как указывают в литературе, КНД трехэлементного бима с пассивными элементами.

Одна из самых простых конструкций ZL-бима показана на рис.1. Он содержит два разрезных полуволновых вибратора (часто используют и петлевые вибраторы), соединенных воздушной линией с перекрещивающимися проводами. Поскольку коэффициент укорочения волны в воздушной линии близок к единице, то при питании системы в точках Х-Х сдвиг фаз колебаний в вибраторах как раз соответствует вышеприведенной формуле. Более точная фазировка элементов достигается изменением (подбором) их длины. При этом изменяется резонансная частота элемента и, так же как у любого колебательного контура в соответствии с его фазочастотной характеристикой, фаза колебаний в нем. Собственно говоря, питание можно подвести даже к середине линии, а фазировку элементов осуществить именно таким способом: один элемент немного укоротить, а другой немного удлинить. Расстройка элементов получается очень небольшой, так как необходимый фазовый сдвиг в каждом элементе составляет всего ф/2.

Диаграмма направленности ZL-бима в горизонтальной плоскости (по азимуту) заметно сужается еще и потому, что сами вибраторы вбок не излучают. В вертикальной плоскости диаграмма получается несколько шире. Эта антенна очень хороша как малогабаритная направленная антенна с горизонтальной поляризацией. По многочисленным данным из литературы ее КНД достигает 4 дБ относительно диполя или 6 дБ относительно изотропного (всенаправленного) излучателя.

По конструктивным соображениям расположить вибраторы ZL-бима вертикально не очень просто, кроме того, возникают проблемы с проводкой линии питания. Ввиду этих трудностей мысли автора обратились к более подходящим вертикальным излучателям, которые можно было бы расположить на небольшом расстоянии друг от друга, в соответствии с идеологией ZL-бима. Одним из таких излучателей является J-антенна, два варианта которой, отличающиеся только способом согласования с фидером, показаны на рис.2. J-антенна представляет собой полуволновый вертикальный вибратор, питаемый с нижнего конца. На конце сопротивление вибратора очень высокое и достигает нескольких килоом. Для его согласования с низким сопротивлением кабеля служит четвертьволновая двухпроводная линия. В первом варианте (слева на рис.2) ее волновое сопротивление должно равняться среднему геометрическому между сопротивлениями вибратора и кабеля, т.е. что-нибудь в районе 300...600 Ом. Точного согласования можно добиться, изменяя волновое сопротивление линии (практически - расстояние между проводниками). Это не совсем удобно, поэтому второй вариант J-антенны (справа на рис.2) во многих отношениях лучше. Здесь проводники четвертьволновой линии просто замкнуты на нижнем конце, и эту точку с нулевым потенциалом можно заземлить проводом любой длины, соединить с любой "массой", например, крышей дома или автомобиля, что удобно конструктивно, но можно и вообще никуда не присоединять. Питание к линии подводится автотрансформаторно, в точках, расположенных на некоторой высоте над короткозамкнутым концом линии. С любым кабелем антенна легко согласуется простым передвижением точек питания. Волновое сопротивление двухпроводной линии в этом варианте особого значения не имеет.

Дальнейший ход мысли был таков: если уж две J-антенны в направленной системе будут расположены рядом, то нельзя ли использовать для их питания и согласования одну общую двухпроводную линию? Ведь напряжения на проводниках открытого конца линии противофазны, что как раз и требуется для питания двух близко расположенных вибраторов! Ну а необходимый сдвиг фаз колебаний в вибраторах +ф/2 и -ф/2 можно получить изменением их длины - укорочением одного и удлинением другого. Остается решить, как соединить концы полуволновых вибраторов, разнесенных на L/8, с концами двухпроводной линии, расположенными рядом. Это оказалось несложно - ведь на концах вибраторов ток мал, они почти не излучают, поэтому ничего страшного не будет, если концы вибраторов изогнуть навстречу друг другу и напрямую соединить с концами линии. Антенна на частоту 430 МГц (длина волны 70 см) была согнута из цельного отрезка медной проволоки диаметром 1,7 мм. Ее эскиз с размерами, уточненными в процессе экспериментов, показан на рис.3-б. Кабель питания с волновым сопротивлением 50 Ом присоединялся так, как показано на рис.3-в. Контакты в точках питания полезно сделать подвижными, чтобы подобрать положение этих точек по минимуму КСВ.

К сожалению, КСВ было померить нечем, и положение точек питания было подобрано по максимуму поля антенны в главном направлении. Индикатор поля использовался самодельный, состоящий из дипольной антенны, диодного детектора и измерительной головки на 50 мкА. Источником сигнала служил измерительный генератор с выходным сопротивлением 50 Ом и аттенюатором с шагом 1 дБ.

Хотя измерения не претендуют на высокую точность, антенна работала и давала однонаправленное излучение в сторону короткого вибратора. При сравнении с полуволновым диполем, расположенным в том же месте и питаемым тем же кабелем, аттенюатор генератора приходилось вводить на 4 дБ, чтобы получить тот же сигнал на индикаторе поля. Это позволяет оценить КНД антенны такой же цифрой. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости (плоскости вибраторов) показана на рис.3а, и аналогична диаграммам двухэлементных бимов. В горизонтальной плоскости диаграмма такая же, но несколько шире. Подстройкой длины элементов можно добиться полного отсутствия заднего лепестка, при этом КНД получался несколько меньше, чем при настройке антенны на максимум КНД.

В заключение приведем некоторые практические соображения по конструктивному выполнению предложенной антенны. Для увеличения механической прочности можно установить изолятор на концах двухпроводной линии, в области ее изгиба и перехода в проводники вибратора. Изолятор должен быть хорошего качества, поскольку здесь находится пучность напряжения. Сами изгибы не обязательно делать под прямым углом, "плечи" антенны могут быть и наклонными. Более того, автору представляется, что положение "плеч" не особенно критично - они могут располагаться и немного выше, и немного ниже. Гораздо важнее соблюсти полную длину проводников от нижнего основания двухпроводной линии до верхнего конца вибратора. Она должна быть около 0,73L для короткого вибратора (директора) и около 0,77L для длинного (рефлектора). С ростом диаметра проводников (трубок), из которых изготовлена антенна, длина их несколько уменьшается. Коэффициент укорочения "толстых" вибраторов можно найти в литературе по антеннам. Заметим также, что нет никакой необходимости изготавливать вибраторы и двухпроводную линию из трубок одного диаметра. Антенна получится прочнее и будет лучше противостоять ветровым нагрузкам, если двухпроводную линию выполнить из трубок большего диаметра, а вибраторы сделать относительно тонкими.

Автор и редакция будут рады получить сведения о работе этой антенны от всех радиолюбителей, ее изготовивших.