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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Vertikale Richtantenne. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / HF-Antennen Die Aufgabe, eine Richtantenne mit vertikaler Polarisation zu schaffen, ist nicht so einfach, wie es auf den ersten Blick scheint. Es scheint, dass er die Elemente eines herkömmlichen Strahls (Wellenkanal) vertikal gedreht hat und alles in Ordnung ist, aber es stellt sich die Frage, ob eine solche Antenne am Mast befestigt werden soll. Bei VHF ist es möglich, den Trägerbalken in Strahlungsrichtung zur Seite des Mastes zu bewegen, aber eine solche Antenne erweist sich als mechanisch unausgeglichen und erfordert einen sehr dicken und starken Mast für ihre Befestigung. Die Hauptvorteile vertikaler Antennen verschwinden - kleine horizontale Abmessungen, Leichtigkeit und einfache Installation. Aber dazu später mehr, aber zuerst müssen wir uns mit dem gewählten Konzept einer vertikalen Richtantenne befassen. Der Wunsch, eine einfache und leichte Antenne zu entwerfen, veranlasste uns, uns dem Design des ZL-Strahls zuzuwenden, der nur zwei aktiv betriebene Elemente enthält und sehr kleine Längenabmessungen in der Größenordnung von L / 8 ... L / 10 hat. Gleichzeitig ist der Richtfaktor (DFA) dieser Antenne ziemlich signifikant und entspricht, wie in der Literatur angegeben, dem DFA eines Strahls aus drei Elementen mit passiven Elementen. Die gleiche Idee wird beim "Schweizer Quadrat" verwendet, das ebenfalls sehr gute Parameter und eine noch höhere Richtwirkung hat. Daher verdient das Funktionsprinzip dieser Antennen eine sorgfältige Analyse, die wir jetzt durchführen werden.
Nehmen wir zwei hypothetische Punktstrahler S1 und S2, die sich im Abstand d befinden, wie in Abb. 1 oben. Lassen Sie die Sendeleistung gleichmäßig auf die Sender aufteilen, damit die Amplituden der von den Sendern erzeugten Felder gleich sind. Aber die Anregungsphasen der Strahler müssen unterschiedlich sein, um eine gerichtete Strahlung zu erhalten. Betrachten wir zunächst den einfachsten Fall, wenn d = V4 und die Strahler quer gespeist werden, d.h. die Phasenverschiebung der an sie angelegten Schwingungen beträgt 90°. Auf dem Vektordiagramm (in der mittleren Reihe, in der Mitte) sind die Schwingungen der Emitter durch die Vektoren s1 und s2 dargestellt. Der Winkel φ entspricht einer zusätzlichen Phasenverschiebung von Schwingungen bis zu 180°. Wir sind uns auch einig, dass der Phaseneinbruch (Phasenverzögerung), wenn sich eine Welle über eine bestimmte Entfernung ausbreitet, berücksichtigt wird, indem der Vektor um den entsprechenden Winkel im Uhrzeigersinn gedreht wird. So erhält beispielsweise eine Welle, die einen Viertelwellenweg zurückgelegt hat, einen Phaseneinbruch von 90°. Betrachten wir die Abstrahlung des Systems nach rechts, und die Phasen der Wellen werden direkt in der Nähe des Senders S2 gemessen (bei weiterer Ausbreitung nach rechts erhalten beide Wellen von zwei Sendern die gleiche Phasenverschiebung und die Phasenbeziehung zwischen ihren Schwingungen ändert sich nicht). Das entsprechende Vektordiagramm ist in der mittleren Reihe rechts dargestellt. Die Schwingung s2 wird sich nicht ändern und die Schwingung s1 wird eine Phasenverschiebung von 90° annehmen, nachdem sie den Weg L/4 durchlaufen hat. Infolgedessen sind die Wellen phasenverschoben und es gibt keine Strahlung in diese Richtung. Wenn sich Wellen zur linken Seite der Emitter ausbreiten, bleibt der Vektor s1 in derselben Position und der Vektor s2 dreht sich um 90 ° im Uhrzeigersinn, da die Welle vom Emitter s2 den Weg L / 4 passiert. Das Vektordiagramm der Schwingungen in der Nähe des Senders s1 ist in Abb. 1 in der mittleren Reihe links dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die Wellen von den Sendern S1 und S2 in Phase addiert werden und die Gesamtschwingung eine doppelte Amplitude annimmt. Genauso kann man das Strahlungsfeld in anderen Richtungen finden. Für eine eher bildliche Darstellung können wir davon ausgehen, dass Fig. 1 eine Draufsicht auf zwei Peitschenantennen S1 und S2 von oben zeigt. Ein solches System aus zwei Stiften hat ein Strahlungsmuster, das einer Niere nahe kommt. Das Strahlungsmaximum wird nach links gerichtet, und der Strahlungsnullpunkt wird nach rechts gerichtet. In den seitlichen Richtungen (oben und unten in der Figur) wird das System auch strahlen, und zwar ziemlich signifikant, da sich zwei Quadraturwellen in diesen Richtungen addieren. Es ist möglich, die Schärfe des Strahlungsmusters etwas zu erhöhen, indem die Emitter S1 und S2 näher zueinander platziert werden, beispielsweise in einem Abstand von L/8. Vektordiagramme für diesen Fall sind in der unteren Reihe in Abb. 1 dargestellt. eines. Ausgehend davon, dass nach wie vor keine Abstrahlung nach rechts erfolgen sollte, bestimmen wir die Phasenverschiebung der Schwingungen der Emitter. Er sollte 4p/135 oder 1° betragen, wie im Vektordiagramm in der Mitte der unteren Reihe gezeigt. Dann dreht sich der Schwingungsvektor s4 bei Abstrahlung nach rechts um einen Winkel von n / 45 bzw. 2° und ist gegenphasig zum Vektor s1 (siehe Vektordiagramm in der unteren Reihe rechts). Bei Abstrahlung nach links sind die Vektoren s2 und s1,41 nicht mehr in Phase, sondern in Quadratur, und die resultierende Feldamplitude verdoppelt sich nicht mehr wie im vorherigen Fall, sondern ist nur noch 2-mal größer als das Feld jedes Emitters (Vektordiagramm links). Auch die Abstrahlung zur Seite wird geringer sein, da sich in diesen Richtungen gegenphasige Felder addieren. Der Abstand zwischen den Emittern kann noch kleiner gemacht werden, aber um eine unidirektionale Strahlung zu erhalten, muss der Winkel , der die Phasenverschiebung in den Emittern gegenphasig ergänzt, die Bedingung erfüllen: φ = XNUMXpd/L, d.h. soll auch abnehmen. Es sollte nicht angenommen werden, dass der Wirkungsgrad einer "kurzen" Antenne mit kleinem d und fast phasenverschobenen Strahlern geringer ist als der Wirkungsgrad einer "großen" mit einem Abstand d = L/4. Wenn Elementverluste vernachlässigt werden können, muss die gesamte dem Antennensystem zugeführte Leistung abgestrahlt werden und die Felder beider Antennen müssen gleich sein (unter Vernachlässigung eines kleinen Unterschieds in den Strahlungsmustern). Aber die Ströme in den Elementen einer "kurzen" Antenne zum Erzeugen desselben Feldes sind groß, und wenn Verluste in den Elementen berücksichtigt werden, steigen sie aufgrund großer Ströme ebenfalls an. Gegenphasige Ströme in den Elementen einer „kurzen“ Antenne ähneln gegenphasigen Strömen in der Spule und dem Kondensator eines Parallelschwingkreises, deren Amplitude proportional zum Qualitätsfaktor ist. Wenn der Abstand zwischen den Vibratoren verkürzt wird und sich die Ströme in ihnen der Gegenphase nähern, erhöht sich auf die gleiche Weise der äquivalente Qualitätsfaktor des Antennensystems und dementsprechend verringert sich sein Betriebsfrequenzband. Das ist der Preis für das Downsizing. Bei einem Abstand zwischen den Vibratoren L/8...L/10 übersteigt der Anstieg der Verluste in den Elementen und des entsprechenden Qualitätsfaktors jedoch nicht das 1,4...2-fache und macht sich durch die Reduzierung der Antennenabmessungen vollständig bezahlt. Dies wird durch die langjährige Praxis der Konstruktion von ZL-Trägern bestätigt.
Eines der einfachsten ZL-Trägerdesigns ist in Abbildung 2 dargestellt. Es enthält zwei geteilte Halbwellenrüttler (häufig werden Schleifenrüttler verwendet), die durch eine Freileitung mit gekreuzten Drähten verbunden sind. Da der Wellenverkürzungskoeffizient in der Freileitung nahe Eins ist, entspricht dann, wenn das System an den Punkten "X-X" mit Strom versorgt wird, die Phasenverschiebung der Schwingungen in den Vibratoren gerade der obigen Formel. Eine genauere Phasenlage der Elemente wird durch Veränderung (Auswahl) ihrer Länge erreicht. Dabei ändert sich die Resonanzfrequenz des Elements und wie bei jedem Schwingkreis entsprechend seiner Phase-Frequenz-Charakteristik die Phase der Schwingungen in ihm. Tatsächlich kann die Leistung sogar bis zur Mitte der Linie gebracht werden, und die Phasenlage der Elemente kann auf diese Weise erfolgen: Ein Element wird leicht verkürzt und das andere leicht verlängert. Die Verstimmung der Elemente ist sehr gering, da die erforderliche Phasenverschiebung in jedem Element nur f/2 beträgt. Das Strahlungsmuster des ZL-Strahls in der horizontalen Ebene (im Azimut) wird merklich verengt, auch weil die Vibratoren selbst nicht seitlich abstrahlen. In der vertikalen Ebene ist das Diagramm etwas breiter. Diese Antenne eignet sich sehr gut als kleine Richtantenne mit horizontaler Polarisation. Sein Wirkungsgrad erreicht nach zahlreichen Angaben aus der Literatur 4 dB gegenüber einem Dipol bzw. 6 dB gegenüber einem isotropen (omnidirektionalen) Strahler. Aus offensichtlichen konstruktiven Gründen ist es nicht ganz einfach, die ZL-Strahlrüttler vertikal zu positionieren, außerdem gibt es Probleme mit der Verkabelung der Stromleitung. Angesichts dieser Schwierigkeiten wandte sich der Autor den Gedanken zu geeigneteren Vertikalstrahlern zu, die im Einklang mit der ZL-Beam-Ideologie in geringem Abstand voneinander platziert werden könnten. Einer dieser Strahler ist die J-Antenne, von der in Abb. 3 zwei Versionen dargestellt sind, die sich nur in der Art der Anpassung an den Speiser unterscheiden.
Die J-Antenne ist ein Halbwellen-Vertikalvibrator, der vom unteren Ende gespeist wird. Am Ende ist der Widerstand des Vibrators sehr hoch und erreicht gemäß dem Ohmschen Gesetz mehrere Kiloohm - schließlich ist der Strom hier klein und die Spannung hoch. Zur Anpassung an einen geringen Leitungswiderstand wird eine Viertelwellen-Zweidrahtleitung verwendet. Bei der ersten Variante (links in Abb. 3) sollte sein Wellenwiderstand gleich dem geometrischen Mittel zwischen Rüttel- und Kabelwiderständen sein, d.h. alles im Bereich von 300 ... 600 Ohm. Eine genaue Anpassung kann erreicht werden, indem der Wellenwiderstand der Leitung (praktisch - der Abstand zwischen den Leitern) geändert wird. Das ist nicht ganz bequem, daher ist die zweite Version der J-Antenne (rechts in Abb. 3) in vielerlei Hinsicht besser. Hier werden die Leiter der Viertelwellenleitung einfach am unteren Ende geschlossen, und dieser Punkt mit Nullpotential kann mit einem Draht beliebiger Länge, verbunden mit einer beliebigen "Masse", beispielsweise dem Dach eines Hauses oder geerdet werden Auto, was konstruktiv praktisch ist, aber Sie können überhaupt keine Verbindung herstellen. Die Stromversorgung der Leitung erfolgt über einen Autotransformator an den Punkten "XX", die sich in einer bestimmten Höhe über dem kurzgeschlossenen Ende der Leitung befinden. Mit jedem Kabel lässt sich die Antenne leicht anpassen, indem einfach die „XX“-Speisepunkte verschoben werden. Der Wellenwiderstand einer Zweidrahtleitung spielt bei dieser Ausführungsform keine große Rolle. Der weitere Gedankengang war folgender: Wenn zwei J-Antennen in einem Richtsystem nebeneinander stehen, ist es dann möglich, diese über eine gemeinsame Zweidrahtleitung zu versorgen und zu koordinieren? Schließlich sind die Spannungen an den Leitern des offenen Endes der Leitung gegenphasig, was genau erforderlich ist, um zwei eng beieinander liegende Vibratoren mit Strom zu versorgen! Nun, die notwendige Phasenverschiebung der Schwingungen in den Vibratoren +f/2 und -f/2 kann durch Ändern ihrer Länge erreicht werden - Verkürzen des einen und Verlängern des anderen. Es bleibt zu entscheiden, wie die durch L / 8 getrennten Enden der Halbwellenvibratoren mit den nebeneinander liegenden Enden der Zweidrahtleitung verbunden werden. Es stellte sich als einfach heraus - schließlich ist der Strom an den Enden der Vibratoren gering, sie strahlen fast nicht ab, sodass nichts verkehrt ist, wenn die Enden der Vibratoren zueinander gebogen und direkt mit den Enden verbunden werden der Linie. Alles war unglaublich einfach, so sehr, dass Zweifel aufkamen - würde es funktionieren? Ein Experiment musste her. Gesagt getan, die Antenne mit einer Frequenz von 430 MHz (Wellenlänge 70 cm) wurde aus einem einzigen Stück Kupferdraht mit einem Durchmesser von 1,7 mm gebogen. Seine Skizze mit während der Experimente verfeinerten Abmessungen ist in Abb. 4 b) dargestellt.
Das Stromkabel mit einem Wellenwiderstand von 50 Ohm wurde wie in Abb. 4 c) gezeigt angeschlossen. Es ist sinnvoll, die Kontakte an den Speisepunkten „XX“ beweglich zu machen, um die Lage dieser Punkte entsprechend dem minimalen SWR zu wählen. Leider war nichts zum Messen des SWR vorhanden und die Position der Einspeisepunkte wurde nach dem Maximum des Antennenfeldes in Hauptrichtung gewählt. Es wurde ein selbstgebauter Feldindikator verwendet, bestehend aus einer Dipolantenne, einem Diodendetektor und einem 50-µA-Messkopf. Die Signalquelle war ein Messoszillator mit einer Ausgangsimpedanz von 50 Ω und einem Dämpfungsglied mit einem Schritt von 1 dB. Zuerst wurde die Antenne in einem Tischschraubstock für die untere Basis der Zweidrahtleitung befestigt, dann wurde ein primitiver Schwenkständer hergestellt. Obwohl die Messungen in einem nicht ausgestatteten Raum durchgeführt wurden und keinen Anspruch auf hohe Genauigkeit erheben, hat die Antenne die Erwartungen voll erfüllt! Erstens funktionierte die Antenne und gab eine unidirektionale Strahlung in Richtung des kurzen Vibrators. Zweitens musste im Vergleich zu einem Halbwellendipol am selben Ort und mit demselben Kabel gespeist der Oszillatordämpfer um 4 dB verschoben werden, um dasselbe Signal auf der Feldanzeige zu erhalten. Dies ermöglicht es uns, den Richtwirkungsfaktor der Antenne mit derselben Zahl zu bewerten. Das Strahlungsmuster in der vertikalen Ebene (der Ebene der Vibratoren) ist in Fig. 4a gezeigt und entspricht im Allgemeinen vollständig den ähnlichen Mustern von Strahlen mit zwei Elementen. In der horizontalen Ebene ist das Diagramm gleich, aber etwas breiter. Es ist merkwürdig, dass es durch Anpassen der Länge der Elemente möglich ist, das vollständige Fehlen der hinteren Keule zu erreichen (auf jeden Fall hat die Feldanzeige sie nicht erkannt), aber gleichzeitig war der Gewinn etwas um a Bruchteil eines Dezibels, weniger als beim Einstellen der Antenne auf die maximale Verstärkung. Abschließend präsentieren wir einige praktische Überlegungen zum Design der vorgeschlagenen Antenne. Um die mechanische Festigkeit zu erhöhen, können Sie an den Enden einer Zweidrahtleitung im Bereich ihrer Biegung und des Übergangs zu den Leitern des Vibrators einen Isolator installieren. Der Isolator muss von guter Qualität sein, da sich hier der Spannungsbauch befindet. Die Biegungen selbst müssen nicht rechtwinklig ausgeführt werden, die „Schultern“ der Antenne können auch geneigt werden. Darüber hinaus scheint dem Autor die Position der "Schultern" nicht besonders kritisch zu sein - sie können etwas höher und etwas niedriger liegen. Viel wichtiger ist es, die gesamte Länge der Leiter von der Unterseite der Zweidrahtleitung bis zum oberen Ende des Vibrators zu beachten. Es sollte ungefähr 0,73 l sein. für einen kurzen Vibrator (Direktor) und etwa 0,77 l für einen langen (Reflektor). Mit zunehmendem Durchmesser der Leiter (Rohre), aus denen die Antenne besteht, nimmt ihre Länge etwas ab. Den Verkürzungsfaktor für „dicke“ Vibratoren finden Sie in der Antennenliteratur. Wir stellen auch fest, dass es nicht erforderlich ist, Vibratoren und eine Zweidrahtleitung aus Rohren mit demselben Durchmesser herzustellen. Die Antenne wird stärker und hält Windlasten besser stand, wenn die Zweidrahtleitung aus Rohren mit größerem Durchmesser besteht und die Vibratoren relativ dünn ausgeführt sind. Zur leichteren Einstellung ist es sinnvoll, die Vibratoren am oberen Ende mit "Top-Ends" auszustatten, die teleskopisch in das Hauptrohr eingeführt werden, da das Kürzen der Vibratoren mit Drahtschneidern, wie es der Autor getan hat, mit irreversiblen Folgen verbunden ist - nachher dass der Vibrator nur mit einem Lötkolben verlängert werden kann. Autor: Vladimir Polyakov (RA3AAE), Moskau; Veröffentlichung: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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