Антенны
Нашли ошибку? Сообщите нам ...Комментировать: УКВ-антенна с J-согласованиемРаспечатать: УКВ-антенна с J-согласованием

УКВ-антенна с J-согласованием



Эта антенна давно и вполне заслуженно пользуется популярностью у радиолюбителей. Конструкция её проста, она легко настраивается и согласуется с фидером с любым волновым сопротивлением. Однако большие размеры (общая длина равна 0,75λ) затрудняют её использование на КВ-диапазонах. Зато в УКВ-диапазонах она применяется достаточно часто.

Эскиз конструкции антенны

Рис. 1. Эскиз конструкции антенны

Антенна (рис. 1) представляет собой вибратор длиной λ/2, запитанный с конца через согласующее устройство, выполненное в виде четвертьволновой открытой линии, замкнутой на нижнем конце. Высокое входное сопротивление полуволнового вибратора при питании с конца (несколько килоом) легко трансформируется к волновому сопротивлению кабеля выбором оптимального расстояния от точек питания (Х1, Х2) до замкнутого конца линии. Использование в качестве трансформатора открытой линии обеспечивает малые потери при больших коэффициентах трансформации. Усиление J-антенны - +0,25 дБд, оно несколько превосходит усиление диполя (за счёт двухпроводной линии).

Вертикальная J-антенна из-за неполной симметрии имеет небольшое излучение с горизонтальной поляризацией (рис. 2).

Параметры и диаграмма направленности

Рис. 2. Параметры и диаграмма направленности

Модифицируем J-антенну, отогнув четвертьволновую линию на 90 градусов (рис. 3). Немного уточнив размеры, нетрудно получить хорошее согласование и усиление 0 дБд. Однако у этого варианта антенны уже заметная часть излучения имеет горизонтальную поляризацию. Его вызывает синфазный ток в двухпроводной линии, играющего в J-антенне роль противовеса (токоприёмника).

Модифицированная конструкция антенны

Рис. 3. Модифицированная конструкция антенны

Добавим ещё один полуволновый вибратор, подключив его к свободному концу двухпроводной линии (рис. 4). Получаем полностью симметричную конструкцию в вертикальной плоскости. Синфазный ток в двухпроводной линии отсутствует, как, впрочем, и излучение с горизонтальной поляризацией. Этот вариант - коллинеарная антенна из двух полуволновых вибраторов с питанием через четвертьволновую замкнутую на конце линию.

Модифицированная конструкция антенны

Рис. 4. Модифицированная конструкция антенны

Такая антенна описана SM0VPO на его сайте в статье "6 dB collinear VHF antenna by Harry Lythall - SM0VPO". Её усиление (около 2,4 дБд) получено за счёт сужения диаграммы направленности в вертикальной плоскости. В горизонтальной плоскости диаграмма излучения круговая. Антенна конструктивно очень проста и может изготавливаться из одного отрезка алюминиевого прутка или трубки. Для сохранения симметрии антенны кабель питания желательно подключать через симметрирующий трансформатор. SM0VPO использует симметрирующий трансформатор в виде U-колена. Можно ограничиться и несколькими ферритовыми кольцами, надетыми на кабель вблизи точки питания антенны.

Назовём эту конструкцию для краткости Super-J антенной. А какая возможна её дальнейшая модификация?

Модифицированная конструкция антенны

Рис. 5. Модифицированная конструкция антенны

Добавив в конструкцию рефлекторы, получим двухэлементную Super-J антенну (рис. 5). Это уже направленная коллинеарная антенна с усилением +5,8 дБд. А если добавить директоры, получаем трёхэлементную Super-J антенну (рис. 6) с усилением +8 дБд (рис. 7). Попытка добавить второй директор даёт прибавку в усилении всего 0,8 дБ, но заметно увеличивает длину антенны...

Модифицированная конструкция антенны

Рис. 6. Модифицированная конструкция антенны

Параметры и диаграмма направленности

Рис. 7. Параметры и диаграмма направленности

В чём преимущество этих антенн перед многоэлементными Yagi?

При равной площади коэффициенты усиления у них примерно равны, но преимущества Super-J антенн - малая длина бумов, связанный с этим малый радиус поворота и удобство согласования. К недостаткам можно отнести необходимость использования диэлектрической мачты, хотя бы верхней её части.

На рис. 8 приведена фотография трёхэлементной Super-J антенны на диапазон 144 МГц, выполненной из алюминиевого прутка диаметром 8 мм.

Рис. 8. Трёхэлементная Super-J антенна на диапазон 144 МГц

Диэлектрическая мачта (например, стеклопластиковая) и изоляционная распорка расположены в промежутках между элементами. На рис. 9 они показаны более жирными линиями. Кабель питания лучше отводить горизонтально за рефлекторы и возвращать к мачте широкой петлёй, подальше от концов рефлектора. На этом участке (вблизи антенны) через каждые 0,5 м на кабель желательно надеть трубчатые ферритовые магнитопроводы (от кабелей питания мониторов).

Конструкция антенны

Рис. 9. Конструкция антенны

Аналогичную трёхэлементной Super-J антенну можно изготовить и на диапазон 430 МГц. В таблице и на рис. 10 приведены необходимые конструктивные размеры для частот 145 и 435 МГц. Размеры элементов и расстояние между их осями указаны в сантиметрах (D - диаметр алюминиевых или медных проводников, из которых изготавливается антенна). Входное сопротивление в точке питания - 50 или 200 Ом. Если для симметрирования используется U-колено, оно трансформирует сопротивление фидера к 200 Ом, поэтому место подключения к двухпроводной линии будет несколько дальше от замкнутого конца. При этом размеры согласующего шлейфа немного изменяются (см. таблицу).

Конструктивные размеры

Рис. 10. Конструктивные размеры

Таблица

Частота, МГц

Rвx, Ом

а

b

с

d

е

f

g*

h*

k

D

145

50

44

52,5

53

49

34,5

42

5

37

4

0,8

145

200

44

52,5

52

49

34.5

42

5,5

41,5

6

0,8

435

50

14,7

17,5

17,7

16,3

11,5

14

1,5

13

1,4

0,25

435

200

14,7

17,5

17,3

16,3

11,5

14

1,8

13,8

2

0,25

Размеры элементов, помеченных звёздочкой, уточняются при настройке.

Для удобства настройки согласующее устройство рекомендуется выполнять с двумя передвижными контактами (ползунами): один, замыкающий двухпроводную линию, используют для настройки в резонанс, второй, подключающий фидер, - для согласования на минимальный уровень КСВ. Это позволяет быстро настроить антенну, но после выбора положений ползунов нужно обязательно обеспечить надёжный контакт (пайкой или болтами). От сопротивления контакта исключительно сильно зависит КПД антенны. Нелишне помнить о недопустимости контакта медь-алюминий и защите контакта от влаги. Требования к сопротивлению контактов на разомкнутом конце J-колена, напротив, нестрогие, поскольку ток там минимален.

Первоначально антенна была изготовлена по рис. 4 на среднюю частоту 145 МГц из алюминиевого прутка диаметром 8 мм. Крепилась она к стеклопластиковой трубе диаметром 23 мм, используемой в качестве мачты. В качестве симметрирующего устройства использовалась ферритовая трубка, надетая на кабель вблизи точки питания антенны. Её испытания показали, что при расположении антенны на деревянном столе параллельно земле и при вертикальном её расположении настройки не совпадают. Поэтому настройку антенны необходимо проводить, установив её вертикально. Достаточно, чтобы расстояние от нижних концов вибраторов до земли было около 0,5 м. Передвигая замыкающую перемычку вдоль двухпроводного шлейфа и двигая точки подключения кабеля (эти подстройки взаимозависимы), довольно просто удалось согласовать антенну до КСВ<1,1 на желаемой частоте. Полоса рабочих частот антенны по уровню КСВ<1,5 превысила 5 МГц.

Затем к мачте и активным вибраторам были прикреплены бумы, также выполненные из алюминиевого прутка диаметром 8 мм, поскольку под рукой не имелось диэлектрических трубок необходимой жёсткости. В средней точке вибраторов напряжение близко к нулю, поэтому проводящий бум слабо влияет на характеристики антенны, что подтвердило предварительное моделирование.

На бумах были установлены рефлекторы и директоры, длины которых выполнялись по расчёту модели с помощью программы MMANA. Двухпроводная линия и бумы закреплены на мачте посредством пластин из винипласта толщиной 10 мми U-образных скоб. Элементы антенны крепятся к бумам с помощью дюралевых П-образныхскоб и болтов.

Пассивные элементы резко снизили входное сопротивление антенны. Однако слабо выраженный минимум КСВ был найден. Передвигая перемычку и сдвигая точки подключения кабеля, нашли положение, когда минимум КСВ соответствовал частоте 145 МГц и не превышал 1,2. Длины вибраторов не регулировались.

По сравнению с настройкой одноэлементной антенны настройка трёхэлементной антенны значительно более острая и критичная. Полоса по уровню КСВ<1,5 составила около 3 МГц. Длина шлейфа оказалась несколько меньше, а расстояние от замкнутого конца шлейфа до точки питания кабелем с сопротивлением 50 Ом несколько больше расчётных значений.

Работа антенны предварительно оценивалась в городских условиях (среди высоких зданий, полностью закрывавших горизонт) при расположении её оси над землёй на высоте всего 1,5 м. По сравнению с четвертьволновым автомобильным штырём она давала прирост сигнала на 2... 3 балла при связях на расстояниях 10...50 км. Направленность в горизонтальной плоскости была ярко выражена. Общее впечатление - антенна работает. Более аккуратные оценки работы Super-J антенны были сделаны на открытой местности в дачных условиях при подъёме антенны на мачту высотой 7 м. Её работа сравнивалась с работой четырёхэлементной антенны "квадрат" с вертикальной поляризацией. Антенны устанавливались попеременно на одной и той же стеклопластиковой мачте в одном и том же месте. Использовались один и тот же кабель в качестве фидера и один и тот же трансивер. Оценивалась работа по открытию и слышимости репитеров, расположенных на расстояниях от 30 до 100 км и оценкам корреспондентов при проведении QSO в прямом канале на расстояниях до 70 км.

В большинстве случаев оценки были очень близкими. Если слышали "квадрат", также слышали и Super-J. Четырёхэлементный "квадрат" имел более узкую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, поэтому его приходилось более точно направлять на корреспондента для получения максимальной оценки, Super-J почти не поворачивали. Общее впечатление - антенны имеют примерно равные усиления и хорошее подавление заднего лепестка. Испытуемая антенна в два раза легче "квадратов" и имеет существенно меньшие момент вращения и парусность.

Файлы для моделирования описанных антенн в программе MMANA можно найти здесь.

Автор: Владислав Щербаков (RU3ARJ), г. Москва


Дата публикации: 21.01.2017
Мнения читателей

Нет комментариев. Ваш комментарий будет первый.


Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному вышематериалу:








 



RadioRadar.net - datasheet, service manuals, схемы, электроника, компоненты, semiconductor,САПР, CAD, electronics