www.qso.ru

\главная\р.л. конструкции\антенны\...

Антенны с активным питанием. Основные понятия.

Всем известно, что для получения направленной диаграммы излучения, при заданных размерах элементов и расстояния между ними, требуется вполне определенное значение фазы в элементах антенны, т.е. в рефлекторе и директоре, относительно активного вибратора. Этот сдвиг фазы, относительно активного вибратора, может быть достигнут несколькими способами:

Первые два способа были рассмотрены ранее многократно, поэтому подробнее остановимся на третьем способе, активном питании элементов антенны.

Полный расчет и анализ антенн с активным питанием, представляет достаточно сложную задачу, с применением элементов высшей математики, поэтому я изложу только основные моменты этого аспекта.

Существует ошибочное мнение среди радиолюбителей, которые считают, что для получения необходимой фазы питания элемента, надо лишь включить отрезок кабеля, соответствующей длины. К примеру, если нужна фаза -90 градусов, то нужно лишь включить отрезок кабеля, равный длине 90 градусов. Это утверждение справедливо только тогда, когда мы имеем все элементы антенны, у которых импеданс точно равен характеристическому сопротивлению кабеля. Например, если кабель 50 Ом, то импеданс элементов, должен быть

Z = 50 +j 0 Ом

Это может быть, если, например, кабель нагружен на чисто активное сопротивление 50 Ом. Тогда в кабеле, по всей его длине, установится режим бегущей волны, и значение тока и напряжения вдоль всей линии, будут одинаковы. В этом случае, величина задержки фазы тока или напряжения, будет точно равна длине линии, выраженной в электрических градусах. Такие линии задержки, можно применять в электронной аппаратуре, да и то, только на пассивных элементах, т.к. например, электороды транзисторов, ламп, имеют не чисто активный импеданс, а комплексный, т.е. содержащий мнимую часть. Поэтому даже в этом случае, необходимо учитывать этот фактор.

Если рассматривать антенны, то в реальных условиях, не встречается антенн, с чисто активным импедансом, не содержащим реактивность того или иного знака, тем более, если элементы антенны расположены в непосредственной близости друг от друга. Импеданс элементов никогда не будет равен характеристическому сопротивлению кабеля, а следовательно, в кабеле всегда будет режим стоячих волн. Мы уже знаем, что этот режим характеризуется тем, что значения напряжения и тока в кабеле не постоянны по его длине, причем они изменяются не по синусоидальному закону.

Теперь рассмотрим другой момент. 

На Рис. 4.3.1, представлен одиночный диполь, на высоте 0.5 лямбды. Его импеданс:

Z = 71 - j 32 Ом

КСВ, в кабеле 50, при таком импедансе будет 1.88

Расположим на расстоянии 0.25 лямбда, и на той же высоте, идентичный диполь, и запитаем оба диполя с любой, но одинаковой фазой, например 0 градусов. Импедансы диполей будут одинаковы, но больше, чем у одиночного диполя.

Z = 108.3 - j76.57 Ом

КСВ будет 3.42

Это результат взаимного влияния диполей друг на друга. Этот эффект подобен тому, как если бы мы сблизили два отдельно настроенных колебательных контура. Это приводит к взаимной расстройке контуров.

Перейдем к Рис.4.3.3, на котором предыдущая ситуация, но диполи запитаны с разницей фаз в -90 градусов. Это стандартная ситуация, для получения односторонней, кардиоидной диаграммы направленности. Обратите внимание, на импедансы диполей. Они существенно изменились. Один из них, с фазой питания 0 градусов стал:

Z = 25.37 - j 70.1 Ом

Второй диполь, с фазой питания -90 градусов, имеет:

Z = 114.8 + j 6.34 Ом

КСВ в линии 50 Ом будет 6,2 для первого диполя, и 2,3- для второго.

Для диполя с фазой питания 0 градусов в точке питания диполя, будем иметь :

U = 89.6 v и фаза -73.3 градуса
I = 1A 0 градусов

Для второго диполя:

U = 112.8v и фаза +94,2градуса
I = 1A -90 градусов

Теперь осталось отложить на графической бумаге два графика, с одинаковым периодом по всей длине линии. На каждом из них, должны быть представлены напряжения и ток. И самое главное: найти на этих двух графиках одну или несколько точек, в которых напряжения имеют одинаковую фазу и амплитуду, и в которых ток тоже имеет одинаковую фазу и величину. Задача не из легких, но значительно сложнее найти решение для трех элементной системы с активным питанием. Дело в том, что мы можем соединять в общую точку кабеля от диполей, только в том случае, если на концах этих кабелей, мы имеем полностью идентичные по фазе и величине напряжения и токи. Это важное заключение для всех антенных систем с активным питанием.

Графический метод, как один из методов, не годится для практических целей, ввиду сложности воспроизведения графика распределения тока и напряжения в линии, т.к. они не подчиняются синусоидальному закону.

Существует второй способ настройки антенны. Это настольный способ моделирования, который заключается в следующем:

Предварительно соберем схемы а и б, для каждого элемента антенны, т.е. всего 4 схемы, изображенные на Рис. 4.3.4. Кольца, проницаемостью 100, диаметром 12 мм, имеют 8 витков провода, равномерно распределенных по поверхности. Схема а, будет конролировать величину тока, а схема б - величину сдвига фазы тока. Схема б, от одного из эквивалентов, должна соединятся кабелем 75 Ом с одним из входов двухлучевого осциллографа, и со вторым входом - от другого эквивалента.

Из конденсаторов, индуктивностей и резисторов, собираются эквиваленты импедансов элементов антенны. Для нашего случая, при частоте 14.15 Мгц, это будет:

+J 6.34 = 71 нГн
-J 70.1 = 160.4 пФ

Соединим последовательно резистор 114,8 Ом и катушку 71 нГн. Это будет эквивалент для первого элемента.

Соединим аналогично резистор 23,4 Ом и емкость 160,4 пФ, что будет вторым эквивалентом. Точность компонентов должна быть высокой +/- 1%

Подключим к обоим эквивалентам кабеля 50 Ом. Эквиваленты должны располагаться в пространстве, для уменьшения влияния паразитных емкостей с другими предметами. Центральную жилу кабелей пропустим через кольца(каждую жилу - через два кольца), получив таким образом на каждом эквиваленте по два измерителя, а и б. Другие концы кабеля, соединим вместе, и подключим к источнику сигнала, с частотой 14.15 Мгц.

Контролируя амплитуды тока на обоих эквивалентах по прибору а, и фазы тока(они должны быть с разницей 90 градусов) по прибору б, подбираем величину отрезков кабелей, подключенных к генератору сигнала, до получения условий:

амплитуды тока - равны
разность фаз - -90 градусов.

Процедура достаточно трудоемкая, но более удобная, чем то же самое, но на крыше.

Существует и третий способ расчета длины отрезков кабелей, для антенных систем с активным питанием. Этот способ - использование программы EZNEC-3. Эта программа позволяет расчитывать длину кабелей в метрах, футах или в электрических градусах, при заданных значениях фазы, частоты, сопротивления кабеля и импеданса элементов, который расчитывает сама программа. Этот способ самый быстрый, и самый точный.

Что же дает активное питание, какие преимущества?

Самое главное преимущество - возможность более полного подавления нежелательных излучений, а следовательно и повышение эффективности антенны. За счет чего это возможно? Это возможно за счет того, что при активном питании, в элементах антенны, достигается не только нужная фаза тока, но и одинаковая его амплитуда, т.к. питание переносится кабелем, практически без затухания. Излучение полностью будет подавлено только тогда, когда вектора токов, придут в точку пространства, с разницей фаз 180 градусов, и с одинаковыми амплитудами.

В системах с пассивным питанием, которые были рассмотрены ранее, ток в рефлекторе или директоре, возникает за счет наведенной э.д.с., и он всегда меньше тока в активном вибраторе, потому, что часть энергии от активного вибратора, теряется в пространстве между элементами, происходит затухание сигнала. По этой причине, полного подавления заднего лепестка в таких системах, никогда не удается добиться.

Есть и недостатки систем с активным питанием. Эти системы, значительно более чувствительны к изменению импеданса элементов. Изменение высоты подвеса, изменение расстояния между элементами, изменение расстояния до других предметов, приводят к серьезной расстройке параметров антенны. Такие системы лучше всего подвешивать на достаточной высоте, не ниже 0.5 лямбды, и подальше от посторонних предметов: стен домов, линий передач, мачт и т.д. Антенны с активным питанием - точно сбалансированная система, баланс которой легко нарушается вышеперечисленными причинами.

Это основные моменты, для понимания работы антенн с активным питанием.

Мастер Спорта СССР,
Александр Барский.
ex UA9XSD, UZ3XWB.

VA3TTT, Toronto, Canada, va3ttt@yahoo.com

Возврат