Мысль об открытии этой темы возникла после того, как в теме о базуке очевидным стало недопонимание работы четвертьволнового шлейфа (стаба). http://www.cqham.ru/forum/showthread.php?t=153 68&page=16
Ряд довольно опытных радиолюбителей полагает, что стаб всегда является резонатором вне зависимости от способа его включения в антенную цепь. Меж тем, условием, при котором он является резонатором, является наличие на его «разомкнутых» концах разнополярных пучностей напряжения. Оказалось, что коллеги просто не владеют анализом распределения тока и напряжения (заряда) в антенных цепях. В «доммановскую» эру этот анализ был одним из основных при оценке конструкций антенн, так как позволял судить о примерных величине входного сопротивления и ДН. Да и сегодня он сбережёт немало времени при проектировании антенны, так как в отличие от моделировщика объясняет, почему получился тот или иной результат.
Методика предварительного анализа основана на распределении тока и заряда по полотну антенны и наложении излучений отдельных элементов антенны.
Распределение тока и заряда по полотну антенны
Это распределение аналогично распределению тока и напряжения в длинных линиях. Открываем учебник по радиотехнике и просматриваем соответствующий раздел. Так как радиолюбители в основном имеют дело с замкнутыми в виде «петли» и разомкнутыми (вибратор) антеннами особое внимание обращаем на примеры линий разомкнутой и замкнутой на конце. Стараемся ясно представить:
- почему на разомкнутых концах линии возникают пучности напряжения, а на замкнутом конце линии – пучность тока.
- почему через 90° от пучности по длине линии образуется узел.
- почему пучность напряжения и узел тока и, наоборот, пучность тока и узел напряжения находятся в одном сечении линии.
Если сразу это не осилить, то возьмите основные положения теории длинных линий за аксиомы. Понимание, если есть интерес, возникнет позже.
Рассмотрим базовые примеры.
Полуволновой вибратор, запитанный посредине в разрыв полотна.
В каждую половинку диполя из фидера или источника эдс втекает токовая волна (падающая или прямая). Фронтальные половинки втекающих волн отличаются знаком зарядов. Пусть в левую половинку затекает «положительная» полуволна, а в правую – «отрицательная». Дойдя до концов диполя, волны отражаются, образуя пучности напряжения соответствующих знаков. Слева – положительная пучность напряжения, справа – отрицательная. Отраженные волны совместно с падающими образуют стоячие волны тока и напряжения. Хотя волна тока и стоячая, преимущественное движение зарядов в ней существует. Обычно направление тока принимают от положительной пучности напряжения к отрицательной. В данном примере – слева направо.
Волновой вибратор
Подсоединим к правому концу вибратора полуволновой отрезок. Теперь вибратор стал волновым, запитанным на расстоянии λ/4 от левого конца. Каково теперь распределение тока и заряда?
Вначале я попробовал расписать образование пучностей и узлов тока и заряда, как и в предыдущем, примере поэтапно, но понял, что это будет сложно для понимания начинающим. Поэтому запомним правило: если на конце вибратора находится положительная пучность заряда, то через λ/2 по его длине будет отрицательная пучность, а ещё через λ/2 – снова положительная.
Т.е пучности возникают в точках кратных λ/2 от конца вибратора, а знак их полярности чередуется. Таким образом, в полупериоде колебания ток в одной половинке вибратора течёт слева направо, а в другой –справа налево. В точке питания имеем узел напряжения и пучность тока, следовательно, входное сопротивление будет небольшой величины.
Если же волновой вибратор запитать посредине, то пучности заряда на его концах будут противоположны по знаку. В точках питания также будут узлы тока и пучности заряда, противоположные по знаку пучностям на концах. Следовательно, входное сопротивление будет высоким, а токи в половинках вибратора текут в одном направлении.
Какое значение имеет направление движения токов?
ДН вибратора формируется наложением друг на друга излучения всех его элементарных отрезков. У полуволнового вибратора ДН в разрезе представляет «восьмёрку». Если у волнового вибратора токи в его половинках текут в одинаковых направлениях (синфазное излучение двух элементов), «восьмёрка» вытягивается, коэффициент направленного действия увеличивается. Если же токи противофазны, «восьмёрка» распадается на четыре лепестка. Вот почему ДН волнового вибратора зависит от места запитки.
Вибратор длиной 2λ
Теперь к правому концу волнового вибратора, запитанного посредине, подсоединим ещё один волновой вибратор. Какое распределение тока будет в этой конструкции?
Предположим, что на левом конце вибратора положительная пучность зарядов. Следовательно, в точке подключения провода фидера или клеммы источника будет отрицательная пучность. На другой клемме – положительная пучность. В точке подключения волнового вибратора – отрицательная. Посредине подключённого вибратора – положительная. И на его конце – отрицательная.
Таким образом, в трёх полуволнах токи текут слева направо и в одной – справа налево. Чтобы улучшить ДН «нехорошую» полуволну согнём пополам и получим четвертьволновой шлейф, замкнутый на конце – стаб. На «разомкнутых» концах шлейфа находятся пучности зарядов, противоположных по знаку. Токи в сторонах шлейфа противоположны по направлению, поэтому он не излучает. И теперь имеем антенну с тремя синфазными полуволнами токов.
Петлевые антенны.
В петлевых (рамки) антеннах всё проще. Ровно посредине длины петли образуется пучность тока. На расстоянии λ/4 от неё в обе стороны – пучности заряда. И т.д. по длине петли. Для примера возьмём квадрат с периметром λ, запитанный посредине какой-либо стороны. Предположим, что квадрат расположен вертикально и питание производится в горизонтальную сторону. Посредине противоположной стороны будет располагаться пучность тока, а посредине боковых сторон пучности зарядов. Следовательно, в горизонтальных сторонах квадрата токи совпадают по направлению. В одной из вертикальных сторон токи «вытекают» из центра стороны в противоположных направлениях. В противоположной вертикальной стороне токи «втекают» в центр с противоположных направлений.
Запомним ещё одно правило.
Если два проводника расположены параллельно друг другу на небольшом в сравнении с длиной волны расстоянии и токи в них синфазны, то их общее сопротивление излучения возрастает примерно в квадрат. Например, входное сопротивление петлевого вибратора примерно 300 Ом, а входное одиночного вибратора – 75 Ом.
Если же токи в проводниках противофазны, то они не излучают. Если же проводники расположены по одной оси (соосно), но токи в них противоположны по направлению, то их излучение минимально. Поэтому у квадрата в излучении принимают фактически только две стороны, в данном примере – горизонтальные. Т.е. имеем синфазное излучение двух элементов. Основной лепесток ДН будет перпендикулярен плоскости квадрата. Излучение же в плоскости квадрата в направлении горизонтальных сторон будет отсутствовать, а в направлении вертикальных будет несколько ослаблено, так как излучения горизонтальных сторон при расстоянии между ними равном λ/4 не совпадают по фазе на 90°. Совсем другая ДН будет при запитке квадрата более короткими или длинными волнами. Но прежде рассмотрим основные принципы формирования ДН.
Как спрогнозировать ДН.
Предположим, что мы имеем две вертикальные антенны, отстоящие друг от друга на половину длины излучаемой волны. Если токи в этих антеннах противофазны, то излучение одной антенны, достигнув второй антенны, совпадет по фазе с ее излучением. То есть, по линии, соединяющей эти антенны, излучения складываются и оно максимально. Напротив, в направлении, перпендикулярном этой линии, излучения антенн будут складываться в противофазе. В итоге ДН в плане будет напоминать восьмерку.
Восьмерка получиться также, если эти антенны запитать синфазно, с той лишь разницей, что по линии, соединяющей антенны, будет минимум излучения, а по линии, перпендикулярной ей и проходящей через ее центр, - максимум.
Любая антенна имеет какую-то конфигурацию в пространстве. Поэтому её ДН зависит от распределения тока и заряда и расстояний между её отдельными частями. Отдельные элементы антенн не только излучают подведенную к ним энергию, но и переизлучают энергию, наведенную в них излучением других элементов. Учёт переизлучения при первоначальном анализе практически невозможен. Он делается с помощью моделировщиков. Поэтому в дальнейшем мы не учитываем взаимовлияние отдельных элементов антенны друг на друга, а также влияние на них земли.
Квадраты с не волновым периметром.
Попробуем запитать квадрат длиной волны в два раза больше первоначальной. Для такой волны периметр квадрата будет полуволновым. Поэтому пучность тока, как и прежде, будет посредине противоположной стороны, а пучности напряжения в точках запитки. Направления токов в противоположных сторонах квадрата противофазное, следовательно, основной лепесток ДН совпадает с плоскостью квадрата. При горизонтальном расположении квадрата – практически круговая ДН. Входное сопротивление высокое.
Запитаем квадрат волной в два раза меньше первоначальной. Пучность тока, как и прежде, будет посредине противоположной стороны. А пучности зарядов расположатся по углам квадрата, так как длина стороны квадрата теперь равна λ/2. Направление токов в противоположных сторонах противофазное, расстояние между ними – половина длины волны, следовательно, основные лепестки ДН будут лежать в плоскости квадрата и представлять собой фигуру похожую на георгиевский крест. То есть почти круговую. Таким образом, при горизонтальном расположении квадрат с периметром более волны в отличие от волнового уже мало «греет землю» и не всё «пуляет в небо». Входное сопротивление антенны невысокое.
Вот основные положения методики. Перейдём к примерам, проверенным практикой.
Прямоугольник UB5UG.
http://rf.atnn.ru/s3/an_763.html
Длина прямоугольника – λ. Распределение тока и заряда такое же, как и в волновом вибраторе, запитанном на расстоянии λ/4 от конца. Следовательно, токи в вертикальных и горизонтальных сторонах прямоугольника противофазны. Поэтому излучающими являются только вертикальные стороны. Единственным дополнением к статье является только то, что питание прямоугольника лучше производить через транс, гальванически развязав антенну с фидером. Если же посредине нижней горизонтальной стороны включить стаб, то замыкая (размыкая) его накоротко можно поворачивать ДН на 90°.
Вообще, творчество Ю.Мединца очень показательный пример создания антенн в «доммановскую» эру. На приведенном сайте вы найдёте ещё несколько его разработок, в основе которых лежат блестящие знания теорий длинных линий и АФУ.
Я бы такую антенну не делал.
http://news.cqham.ru/articles/detail.phtml?id=1077
Автор не раскрыл, почему он выбрал такое конструктивное решение. Проанализируем антенну. Примерно посредине плеча вибратора в полотно включена бухта восьми жильного кабеля. Включения жил кабеля произведено таким образом, что магнитные поля токов, протекающих по ним практически скомпенсированы. Бухта совместно с излучающими отрезками удлиняет плечо вибратора до λ. Таким образом, токи в концевом отрезке плеча и отрезке между бухтой и фидером текут в противоположных направлениях. Т.е. автор сознательно или нет понизил кпд антенны.
Входное сопротивление антенны высокое, поэтому применение воздушной линии оправдано. Но вот подключение линии к кабелю лучше всё-таки сделать с помощью транса, так как при низком подвесе антенны вероятность её несимметричности высока.
Петлевой вибратор это два параллельно соединённых вибратора или два последовательно соединённых стаба?
Название параграфа навеяно высказыванием одного из коллег в теме о базуке.
"Состоит он из двух четвертьволновых шлейфов соединённых ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО!" - это вы про Пистолькорса вибратор? Смело, современно... Пистолькорс бы точно оценил. Вы прям Акын - что видите на картинке о том тут же и поёте. Вибратор Пистолькорса это два параллельно соединённых полуволновых вибратора. Если докажете обратное - купите себе ещё коньячку.
Надеюсь, приведенная методика уже понятна читателю. Рисуем два четвертьволновых отрезка линии, замкнутых на одном конце и разомкнутых на другом. Располагаем их горизонтально, разомкнутыми концами навстречу друг другу. Соединяем верхние концы, а нижние подключаем к источнику. Что у нас получилось? – не ведаем. Анализируем распределение тока и заряда в этой конструкции. Она замкнута. Следовательно, ровно посредине её, в точке соединения верхних концов имеем пучность тока. На замкнутых концах - пучности напряжения.
Есть желающие найти отличия?
07.01.11
Сообщение от Vlad UR 4 III
Речь шла о 
