Правильное высказывание может быть ошибочным. Это не каламбур, а констатация факта. Вырванное из контекста правильное высказывание может ввести в заблуждение, если, например, не названы ограничения, при которых оно справедливо. Нечто подобное, по мнению автора этой статьи, произошло с характеристиками популярной антенны 6λ/8.

У коротковолновиков и ультракоротковолновиков, а также среди владельцев Си-Би радиостанций пользуется популярностью вертикальная антенна длиной 5λ/8. Из радиолюбительской литературы и рекламы хорошо известно, что вертикальный излучатель длиной 5λ/8 дает максимально прижатый к земле лепесток диаграммы направленности в вертикальной плоскости (в горизонтальной диаграмма круговая) и поэтому обладает максимальным КНД. Простейший вариант антенны изображен на рис. 1,а. Длина излучателя 5λ/8 не резонансная, поэтому ее доводят до Зλ/4 введением в полотно излучателя индуктивного элемента: катушки L или отрезка замкнутой линии с электрической длиной λ/8.

"Обратный" ток с оплетки кабеля растекается по четвертьволновым противовесам. Они не участвуют в излучении, поскольку токи в них направлены в противоположные стороны. Отгибать противовесы вниз нельзя, так как в этом случае электрическая длина антенны увеличится из-за вертикальной составляющей тока противовесов, что пагубно скажется на диаграмме направленности. Часто нижний по рисунку вывод катушки индуктивности соединяют с противовесами. В эту же точку подключают оплетку, а центральный проводник кабеля - к отводу катушки. В диапазоне 27 МГц противовесы часто делают короче λ/4, соответственно увеличивая индуктивность для настройки антенны в резонанс.

Распределение тока в антенне показано на рис. 1,б. Оно с хорошей точностью может считаться синусоидальным. Диаграмма направленности (рис. 1,в) имеет "нуль" под углом к горизонту и ненужный побочный лепесток под еще большим углом. Этот лепесток - плата за прижатый к горизонту главный лепесток и упомянутый максимальный КНД. Вот, пожалуй, вкратце и все. что было известно автору (так же, как и другим радиолюбителям) об этой антенне, и... вызывало некоторое недоумение.

Об антенне Пять восьмых лямбда

Не давал покоя нижний участок излучателя, где ток направлен в противоположную сторону по отношению к току в верхней, полуволновой части. Ведь известно, что диаграмма направленности формируется следующим образом: поля от каждого малого отрезка излучателя суммируются в любом направлении с учетом их амплитуд и фаз. В направлении на горизонт длины путей распространения волн от всех отрезков одинаковы и дополнительного набега фазы нет. Поля от участков верхней, полуволновой части антенны синфазны и складываются по амплитуде, а поля от нижней части (где направление тока противоположно) противофазны и... вычитаются!

Из этих соображений получалось, что более короткий - полуволновый вертикальный излучатель должен работать лучше, чем вибратор длиной 5λ/8. А если направление тока в нижнем участке излучателя длиной 5λ/8 каким-либо образом изменить на противоположное, то он будет более эффективным. Для доказательства этого вывода можно было либо рассчитать КНД теоретически, либо поставить соответствующий эксперимент. Но подозревая, что это все давным-давно сделано, автор предпочел изучить старые литературные источники. И что же оказалось?

Впервые вертикальная антенна-мачта длиной 5λ/8 была описана С. Баллантайном еще в 1924 г. [1]. Она разрабатывалась как средневолновая радиовещательная антифединговая антенна. Дополнительным достоинством этой антенны, немедленно ставшей весьма популярной, оказалось то, что она действительно создает в направлении на горизонт максимальную напряженность поля, но лишь в классе антенн с естественным (синусоидальным) распределением тока вдоль вибратора, расположенного непосредственно над идеально проводящей поверхностью.

Первую часть утверждения многие помнят хорошо, а про вторую часть авторы статей в радиолюбительской литературе, видимо, немножко подзабыли. В профессиональной же сообщается [2]: "If special means are taken to prevent a reversal of currents below the upper half wavelength of the radiator, further horizontal gain can be obtained...". Иными словами, если реверсировать направление тока в нижней части антенны, получится дополнительный выигрыш в излучении на горизонт. При этом возможно и дальше наращивать длину антенны с целью увеличения выигрыша. Напомним, что у классической антенны длиной 5λ/8 увеличивать длину уже нельзя, так как резко увеличивается побочный лепесток диаграммы и уменьшается главный.

Реверсировав ток в нижней части антенны, целесообразно увеличить ее длину еще на λ/8, чтобы избавиться от согласующей катушки. В результате получится хорошо известная синфазная коллинеарная антенна, предложенная еще в 1911 г. инженером фирмы "Маркони" Франклином. Антенна Франклина представляет собой вертикальный провод, разбитый на отрезки по полволны, между которыми включены катушки (рис. 2,а) или четвертьволновые линии (рис. 2,6). В этих элементах и "спрятаны" обратные полуволны тока. Токи же в излучающих отрезках оказываются синфазными (рис. 2,в), что сужает диаграмму и значительно уменьшает побочный лепесток (рис. 2,г). Полоса пропускания такой антенны - несколько процентов.

Об антенне Пять восьмых лямбда

Динамика изменения диаграммы направленности при увеличении высоты антенны и числа "этажей" (по Франклину) иллюстрируется рис. 3, заимствованным из (2).

Об антенне Пять восьмых лямбда

Диаграммы приведены опять-таки для случая идеально проводящей земли. Отнести же почву под антенной к проводникам или диэлектрикам можно, вычислив тангенс угла потерь (отношение токов проводимости к токам смещения): tgδ = jnp/jcм = δ/ωεε0. У проводников он много больше единицы, а у диэлектриков много меньше. Тангенс угла потерь зависит от частоты. Одна и та же почва будет близка к проводнику при работе на средних волнах, а на высокочастотных КВ диапазонах и на УКВ (интересующий нас диапазон частот!) окажется диэлектриком. А это изменит фазу отражения от земли на обратную, и в направлении на горизонт окажется уже не максимум диаграммы направленности, а минимум. Главный лепесток диаграммы направленности в этом случае отрывается от поверхности и направляется под некоторым углом к ней (тем меньшим, чем выше над землей установлена антенна).

Иными словами, при работе над проводящей землей антенна 5λ/8 действительно превосходит полуволновый диполь. Объяснить это можно сужением диаграммы направленности из-за того, что основная излучающая часть находится выше над поверхностью, что и компенсирует уменьшение поля из-за излучения нижней части. Если же антенна 5λ/8 расположена в открытом пространстве, то такой компенсации не произойдет, исчезает ее преимущество перед полуволновым диполем. Сказанное в меньшей степени относится к многоэтажным антенным системам, составленным из УКВ антенн длиной по 5λ/8. Разнесение на большее расстояние основных, полуволновых излучающих отрезков, также как в случае проводящей земли, сужает диаграмму и компенсирует проигрыш от излучения участков с обратным током. Но и в этом случае исключение "обратных" участков должно дать выигрыш.

Не известно, были ли споры между Баллантайном и Франклином о достоинствах своих антенн. Скорее всего, нет. поскольку антенны создавались для совершенно разных целей. А вот среди радиолюбителей такие споры возникают неоднократно. Надеюсь, что приведенные в статье аргументы помогут в этих спорах сторонникам синфазных антенн. А практический вывод, к которому пришел автор этих строк, следующий. Если вы решили изготовить вертикальную ненаправленную антенну и имеете при этом возможность сделать ее высотой больше λ/2, но меньше λ, то наибольший положительный эффект получите не с антенной "пять восьмых лямбда", а с антенной Франклина (см. рис 2).

Литература

  • Ballantine S. On the optimum transmitting wave length for a vertical antenna over perfect Earth - Proc. IRE. 1924. December, p. 833.
  • Radio Engineering Handbook. Fifth ed McGraw-Hill. 1959. p. 20-24.
  • Автор: В.Поляков (RA3AAE)

    Добавить комментарий

    Защитный код
    Обновить

    Навигация

    Инструкции по эксплуатации

    Модуль RP023 питания 5/3,3 В для беспаечных макетных плат.
    Модуль питания для беспаечных плат
    Плата представляет собой модуль питания, имеющий в своем составе два стабилизатора напряжений 5 и 3,3 В. Модуль имеет форму и размеры, позволяющие его устанавливать на стандартные макетные платы, используемые на начальном этапе разработки электронных устройств. При этом значительно экономится драгоценное место на макете, которого, как известно, много не бывает. Напряжение каждой шины питания выбирается с помощью установленного на ней переключателя, что позволяет независимо устанавливать требуемое напряжение на каждой из линий питания. Входное напряжение в диапазоне от 5 до 12 В может подаваться на любой из имеющихся разъемов: стандартный круглый разъем типа DJK-02A или miniUSB. Для контроля выходных напряжений на плате имеется индикатор. Технические характеристики: Входное напряжение постоянное, В - 5…12 Нагрузочная способность каждого выхода, А - 1 Габаритные размеры без
    Цена 300.00 руб.
    Copyright © 2017 Электрические принципиальные схемы.