Эффективная УКВ антенна


Инж. И. Пикельберг
Для служебных и любительских радиосвязей широко используются УКВ. Радиосвязь на УКВ имеет следующие преимущества: независимость от погоды, времени суток, года, малый уровень помех, небольшие габариты аппаратуры и антенн. Служебные радиосвязи на УКВ осуществляются с помощью подвижных, переносных и стационарных радиотелефонных станции. Они применяются на строительстве, в сельском хозяйстве, на нефтепромыслах, в лесхозах, на трапспорте. В городах радиотелефонными станциями оборудуют автомашины скорой медицинской помощи, пожарные и аварийные автомашины, такси.

В качество антенн обычно применяют вертикально расположенные четвертьволновый несимметричный или полуволновым симметричный вибраторы.

Диаграмма направленности вертикального вибратора я горизонтальной плоскости имеет форму окружности, что позволяет с успехом использовать его для установления связи в любом направлении вдоль земной поверхности. В вертикальной плоскости антенна имеет главный максимум излучения, расположенный вдоль земной поверхности, что особенно выгодно в случае низко расположенных антенн, столь характерных для подвижных объектов. Наиболее удобной в конструктивном отношении антеннoй подвижного объекта является четвертьволновый штырь. Увеличение напряженности поля в пункте приема возможно путем применения передающих антенн, создающих еще более направленное излучение в вертикальной плоскости. Одним из известных путей создания таких антенн для стационарных радиостанции является конструирование многоярусных коаксиальных антенн. Их усиление в 2,5—3,5 раза больше, чем у вертикального симметричного вибратора. Для сравнения диаграммы направленности в вертикальной плоскости этих антенн изображены на рис. 1


Рис. 1. Нижние лепестки диаграммы, направленности в вертикальной
плоскости вертикального вибратора (1) и многоярусной коаксиальной антенны (2).

На рис. 2 показана коаксиальная антенна, которая состоит из трех симметричных вертикальных полуволновых разрезных вибраторов I, II и III, расположенных на общей вертикальной мачте.


Рис. 2. Трехъярусная коаксиальная антенна (а) и распределение тока вдоль неё (б).

Каждое из плеч вибраторов имеет длину около λ/4, где λ — средняя длина волны рабочего диапазона. Вибраторы выполняют из металлической трубки с наружным диаметром 12—30 мм. Коаксиальный кабель проходит внутри плеч б — е. Центральная жила и внутренняя изоляция кабеля непрерывны по всей своей длине. Центральная жила припаяна к плечу а в точке 2. Оплётка кабеля оканчивается в точке 3 и имеет разрывы между точками 6—7 и 10—11. В точках 3, 6, 7, 10, 11 она припаяна к трубкам.

Вибраторы также могут быть выполнены из оплетки кабеля этой же или другой марки, дли чего снятую с кабеля оплетку следует надеть в виде чулка па наружную изоляцию фидера. Применение вибраторов из оплетки кабеля делает антенну более легкой, а при отсутствии трубок и избытке кабеля ускоряет ее изготовление.

Центральная жила кабеля и плечо а могут быть рассмотрены как одиночный провод конечной длины. В таком проводе устанавливается стоячая волна тока с узлом на конце. Волна, распространяющаяся по плечу а, не испытывает укорочения. Волна, распространяющаяся в коаксиальном кабеле, укорачивается (расчет коэффициентов укорочения см. в журнале «Радио» 1964. №7, стр. 31—32). Ввиду отсутствия оплетки кабеля между точками 6-7 и 10-11 волна здесь не испытывает укорочения, однако из-за малой длины участков (50—70 мм) с достаточной для практики точностью этим можно пренебречь. Плечи б, в, г, д питаются следующим образом. Под влиянием тока центральной жилы на внутренней поверхности оплетки наводится ток, который попадает и па наружную поверхность трубки. Ток, наводимый на внутренней поверхности оплетки, противофазен току центральной жилы. При выходе на поверхность трубки ток меняет свое направление па 180 град и в точках питания антенны становится синфазным с током центральной жилы. Ток плеча а является продолжением тока центральной жилы, ток плеча е - продолжением тока внутренней поверхности оплетки фидера.

Известно, что синфазно питаемые и расположенные на одной линии вибраторы создают излучение, концентрированное в узком пучке, лежащем в плоскости, проходящей через эту линию. Для синфазного питания полуволновых вибраторов I, II и III расстояние между вибраторами выбирается равным длине волны в кабеле Лк. Задачу симметрирования антенны решают плечи вибраторов б — е, каждый из которых совместно с наружной поверхностью оплетки образует известный в радиотехнике симметрирующий «стакан».

Входное сопротивление одного полуволнового вибратора равно 75 ом. С увеличением числа последовательно питаемых вибраторов входное сопротивление антенны несколько падает и при трех вибраторах достигает 50 ом. Поэтому для питания антенны можно применить стандартные коаксиальные кабели с волновыми сопротивлениями 75 или 50 ом.

Общая длина антенны L (расстояние между точками 1—12) равна

где N— число симметричных полуволновых вибраторов антенны. На длинноволновом участке УКВ диапазона общая длина антенны может достигать больших размеров. Если это создает конструктивные неудобства, то можно ограничиться двумя вибраторами I и II при некотором уменьшении усиления.

Мачту антенны изготавливают из дерева или другого непроводящего материала. Трубки крепят на изоляторах. Кабель между точками 4—5, 8—9 крепят к мачте с помощью скобок. В точках 3, 6, 7, 10, 11 оплетку кабеля раскладывают равномерно но всей поверхности среза трубки и припаивают к ней. Промежутки 2—3, 6—7, 10—11, а также зазоры между трубкой и кабелем в точках 4, 5, 8, 9, 12 герметизируют пластилином. Отверстие 1 закрывают пробкой и также герметизируют.

Пример расчета антенны

Задание. Рассчитать трехъярусную антенну для работы в диапазоне 144—146 Мгц.

Применим трубку с наружным диаметром D=28 мм и внутренним d=25 мм. Определяем длину плеча вибратора с учетом укорочения l=k(λ/4), где k — коэффициент укорочения, зависящий от отношения длины волны к диаметру трубки λ/D. Значения этого коэффициента даны в таблице.

λ/D

20

40

100

200

400

1 000

2 000

4 000

10 000

h

0.925

0,942

0.956

0.962

0.967

0.970

0.972

0.975

0,978

Интерполируя, находим k=0,95. Следовательно,

Выбираем кабель РК-50-7-12 с волновым сопротивлением 50 ом и наружным диаметром 11,2 мм. Внутренняя изоляция кабеля — из полиэтилена, имеющего ε=2,5.

Определяем расстояние между точками питания вибраторов:

Длина антенны:

Описанная антенна была сконструирована и опробована на длинноволновом участке УКВ диапазона. Результаты эксплуатации в течение ряда лет подтвердили ее эффективные свойства.

ЛИТЕРАТУРА:

Б. Ф. Дубровин, «Радиотелефонная связь с подвижными объектами», Госэнергоиздат, 1956 г.
И. П. Жеребцов, «Техника метровых волн», из-во ДОСААФ, 1955 г.


Paдиo № 1, 1971 г.