Улучшение основных характеристик антенн с активным рефлектором

При настройке антенн с двумя запитанными вибраторами радиолюбители уделяют основное внимание только фазировке и согласованию чтобы получить приемлемый КСВ и наибольшее подавление заднего лепестка в диаграмме направленности антенны.

При традиционных методах согласования система из двух противофазных вибраторов имеет низкое входное сопротивление, что увеличивает потери и снижает КПД антенны Непосредственное соединение двух кабелей снижения на не развязанный тройник приводит к дополнительной связи вибраторов по питанию, что затрудняет настройку каждого из элементов антенны. Дополнительный трансформатор сопротивлений, имеющий большой коэффициент трансформации, сужает полосу пропускания антенны.  Решение этой проблемы сводится к развязке по питанию, т.е. изменению схемы питания двух вибраторов. Существует несколько балансных устройств, общими свойствами которых является развязка и согласование. К устройствам такого типа относятся:  направленный ответвитель, квадратный мост, гибридное кольцо. Свойство согласования состоит в том, что устройство согласовано со стороны любого из входов,   если остальные входы нагружены на согласованные сопротивления. Свойство развязки означает, что входы попарно развязаны.

Направленный ответвитель на связанных линиях передачи.

Простейшим примером такого направленного ответвителя является  КСВ - метр широко применяемый радиолюбителями для измерения КСВ. Обычно он изготавливается из РК - кабеля, под оплетку которого продет проводник вторичной линии. В диапазоне УКВ направленный ответвитель можно изготовить на полосковых линиях или разместить два проводника длиной 0,25 лямбда над экраном с воздушным зазором, предусмотрев заранее универсальный узел крепления одного из элементов линии передачи для регулировки связи между линиями. Особенностью согласованного направленного ответвителя является то, что он обеспечивает постоянный фазовый сдвиг, равный 90° между ответвленным и прошедшим напряжениями падающей волны. Направленный ответвитель на связанных линиях передачи является весьма широкополосным устройством, развязка и согласование в нем вообще не завися г от частоты и при выборе длины отрезка связанных линий равной 0,25 лямбда(на средней частоте диапазона), отношение крайних частот рабочей полосы составляв 1,5-2. Другой особенностью направленного ответвителя является обеспечение заданного коэффициента деления мощности для каждого элемента антенны не зависимо от их согласования с фидерами в широком диапазоне волн.   Для уменьшения габаритов ответвителя двухпроводную линию иногда наматывают на каркас. Примером этого может сложить направленный ответвитель, схема и конструкция которого приведены в справочнике для радиолюбителей авторов 3.Беньковский, Э.Липинский., «Любительские антенны коротких и ультракоротких волн, стр. 403.

Сразу отметим, что не имея хорошей базы приборов, настроить такой ответвитель в домашних условиях практически невозможно. Требуется проводить много измерений индуктивности, волнового сопротивления, измерять степень связи между катушками. причем при изменении связи изменяется и волновое сопротивление каждой линии. Поэтому этот пример больше подходит для теоретического ознакомления или для суммирования антенн при конструировании телевизионных антенных решеток, которые работают только на прием, предъявляя к ним меньшие требования к степени согласования и настройки.

Квадратный мост.

Квадратный мост представляет собой замкнутое кольцо из четырех четвертьволновых отрезков линий передачи. В точках соединения этих отрезков подключаются входные линии.

Волновые сопротивления отрезков линий образующих квадратный мост неодинаковы: два параллельных отрезка имеют волновое сопротивление, равное волновом) сопротивлению входной линии Wo, два других - Wo/корень из 2 (или Wox *корень из 2, если подводящие линии включены в кольцо последовательно). Взаимно развязанными входами в этом устройстве являются смежно расположенные входы 1-2 и 3-4. При возбуждении моста со стороны входа 1 напряжение на выходе 2 равно нулю. Мощность делится поровну между входами 3 и 4 со сдвигом фазы 90° .

В принципе квадратный мост может обеспечить и не равное деление мощности на выходах, но при этом суммарная мощность на них остается прежней. Неравное деление реализуется выбором волновых сопротивлении отрезков линий в продольных и поперечных плечах моста. Недостаток квадратного моста заключается в малой полосе пропускания ± 5%. Для увеличения широкополосности включают несколько последовательно соединенных мостов.

Гибридное кольцо.

С точки зрения практического         применения,    наибольший  интерес для радиолюбителей, из балансных схем представляет гибридное кольцо. Рассмотрим схему гибридного кольца, выполненного из отрезков коаксиальной линии передачи.

Как видно из рисунка,   гибридное кольцо представляет собой отрезок линии длиной 1,5 лямбда замкнутый в петлю. Четыре параллельно включенных в петлю отвода являются входами гибридною кольца.

Расстояние между отводами 1 и 3, 3 и 2, 2 и 4 равно лямбда/4, расстояние между отводами 1 и 4 составляет 3лямбда/4. Волновое сопротивление линии в кольце wk отличается от волнового сопротивления отводов Wo. Гибридное кольцо имеет одну плоскость симметрии и относится к типу балансного восьмиполюсника. В согласованном гибридном кольце взаимно развязаны входы 1-2 и 3-4. Каждое плечо схемы является четвертьволновым трансформатором (дополнительный отрезок линии длиной лямбда/2, включенный между входами 1 и 4, не оказывает влияния на трансформацию сопротивлений). Волновое сопротивление этих трансформаторов (т.е. волновое сопротивление линии в кольце) должно быть таким, чтобы обеспечивалось согласование.

Например, если мы рассматриваем выходы Wo под нагрузку 50 Ом, кольцо следует изготовить из коаксиального кабеля с волновым сопротивлением  70,7 Ом. Естественно, что такой кабель нашей промышленностью не выпускается, поэтому можно применить кабель с волновым сопротивлением  75 Ом,  смирившись с небольшим ухудшением КСВ. Значение КСВ при этом будет 1,06. При возбуждении гибридного кольца со стороны входа 1, мощность на входах 3 и 4 делится поровну, а фазы сигналов по отношению к фазе сигнала на первом входе отстает соответственно на 90 и 270°, т.е. оказались противофазными. При возбуждении гибридного кольца со стороны входа 2, мощность поделится поровну между входами 3 и 4, а фазы сигналов по отношению к фазе сигнала на втором входе отстают на 90°, т.е. оказываются в фазе. Значит, изменяя входы при питании антенн, мы можем запитывать вибраторы в фазе или противофазе. Наличие в гибридном кольце отрезков линии определенной электрической длины, особенно отрезка длиной 3l/4, приводит к тому, что полное согласование, развязка и равное деление мощности имеют место только на одной частоте. Рабочая полоса частот, в которой параметры гибридного кольца меняются в допустимых пределах составляет ± 10%, что в два раза больше по сравнению с квадратным мостом. 

Перед тем,  как подойти к практическому применению гибридного кольца   для питания антенн с активным рефлектором, рассмотрим все функции этого балансного устройства:

1) Деление мощности на равные части или в заданном соотношении без нарушении согласования.

2) Получение двух сигналов с заданной разностью фаз. Например, сигналы на входах гибридного кольца либо  синфазны, либо имеют разность фаз 180°. В последнем случае гибридное кольцо может выполнять функцию симметрирующего устройства от коаксиальной линии к двухпроводной или от коаксиальной линии к симметричному вибратору.  Подобный переход будет согласованным,  если волновое сопротивление двухпроводной линии выбрано равным 2Wo (где Wo - волновое сопротивление входных линий гибридного кольца). Если двухпроводная линия или другая симметричная нагрузка не имеет асимметрии, то мощность на балластном резисторе не выделяется, что позволяет измерить коэффициент асимметрии измеряя переменное ВЧ - напряжение на балластном резисторе.  Значит. выполняя функцию симметрирующего устройства, гибридное кольцо является еще и прибором для измерения асимметрии.

3) Работа двух генераторов на общую нагрузку.

Однако, решение подобной задачи без потери части мощности обоих сигналов не возможно. В этом случае развязка достигается за счет потери   половины мощности каждого из сигналов на балластном резисторе.

4) Одновременная работа приемника и передатчика на общую антенну.

5) Переменный аттенюатор с изменением затухания от очень малых до больших величин.

Аттенюатор состоит из двух гибридных колец и переменного фазовращателя. Переменный фазовращатель может быть заменен отрезками коаксиального кабеля разной длины, которые переключаются при помощи реле или галетного переключателя. В этом случае мы реализуем дискретный аттенюатор. Разность фаз сигналов, поступающих на входы 3 и 4 второго гибридного кольца, регулируется при помощи фазовращателя, включенного в один из каналов и, в зависимости от этой разности фаз, изменяется соотношение между мощностью входного сигнала и мощностью, рассеиваемом на поглощающем сопротивлении. Если эти сигналы синфазны, то вся мощность поступает на выход аттенюатора и его затухание имеет минимальную величину, определяемую потерями в соединительных отрезках линий и в линиях гибридных колец. Если же разность фаз сигналов составляет 180°, то, наоборот, вся мощность выделяется в поглощающем сопротивлении, и сигнал на выходе аттенюатора равен нулю.

6) Сравнение фаз двух сигналов.

Сравниваемые сигналы подаются на развязанные входы 3 и 4 гибридного кольца. Равенство фаз этих сигналов отмечается по минимуму показаний индикатора, включенного на вход 2.

7)   Измерение сопротивлений антенн или других устройств в качестве схемы сравнения.

Эталонное   сопротивление   может   быть переменным с отградуированной шкалой. Равенстве эталонного сопротивления и измеряемого ( Rx) отмечается по нулевым показаниям индикатора.

8) Запитка антенн для создания синфазных решеток.

Тракты запитки антенн Л1 и Л2 имеют одинаковую длину. Если необходим фазовый сдвиг между антеннами по питанию, он осуществляется изменением длины одного из трактов Л1 или Л2;

9) В УКВ и СВЧ диапазонах гибридные кольца выполняются в полосковом варианте и находят широкое применение не только в антенной технике, но и в создании балансных смесителей, фазовых детекторов, делителей и сумматоров высокочастотных сигналов. Общим для этого класса устройств является то, что преобразуемый сигнал и сигнал гетеродина (или опорный сигнал) подаются на два взаимно развязанных входа трехдецибельного моста, а два других входа моста подключены к детекторам, после которых выходные сигналы суммируются.

Развязка между цепями сигнала и  гетеродина обеспечивается за счет моста. благодаря чему допускается сильная связь гетеродина с детекторами и может реализоваться оптимальный режим преобразования. В балансных смесителях на основе гибридного кольца подавляются шумы сигнала гетеродина.

Рассмотренные выше балансные устройства выполняются из отрезков линии передачи и их размеры сравнимы с длиной волны. Один из путей уменьшения габаритов конструкций заключается в применении в схемах сосредоточенных реактивных сопротивлений,    т.е.    в замене отрезков линии передачи    эквивалентными четырехполюсниками из реактивных сопротивлений.

Четырехполюсник для замены отрезка линии передачи длиной З лямбда /4.     Четырехполюсник для замены отрезка линии передачи длиной 0,25 лямбда.

Таким образом, заменяя отрезки линии в гибридном кольце эквивалентными четырехполюсниками получаем схему.

Расчет частотных характеристик, произведенный по методу симметрии показал, что все элементы матрицы рассеивания схемы частотно зависимы, но тем не менее, по широкополосности эта схема мало уступает схемам на связанных линиях передачи. Конструирование балансных восьмиполюсников на сосредоточенных реактивных элементах дает большие возможности, как сточки зрения получения большого разнообразия схем, так и для управления их частотными характеристиками.  Кроме того, это дополнительная возможность применения восьмиполюсных схем в диапазонах метровых и коротких волн. Ознакомившись с функциями гибридного кольца мы видим, что это не только устройство сложения или деления мощности, но и прибор, с помощью которого можно измерить основные параметры антенны, особенно это актуально для радиолюбителей не имеющих хорошей базы приборов.

Рассмотрим    практическую схему гибридного  кольца  для  двадцатиметрового  диапазона.

Трехдецибельное гибридное кольцо с равным делением мощности (например, для сложения сигналов двух антенн или для запитки двухэлементной антенны с активным питанием двух элементов).

Катушки намотаны проводом ПЭЛ, диаметром 2,3 мм, диаметр оправки - 12 мм. виток к витку, бескаркасные,  15 витков. В процессе настройки возможно придется раздвинуть витки катушки или укоротить на один виток (в том случае,  если нет возможности точно измерить индуктивность).

Если входы гибридного кольца 750м, то L1 L2 = 1,19мкГн, C1 C2г = 106 пФ.

Конденсаторы надо применять слюдяные КСО, рассчитанные на напряжение не менее 500 В. Схема распаивается в глубокой прямоугольной коробке, изготовленной из двустороннего фольгированного стеклотекстолита. В этой коробке закрепляются четыре коаксиальных разъема типа СР-50-165 ФВ, катушки индуктивности, конденсаторы и экраны (а) между катушками (из белой жести или из фольгированного стеклотекстолита).

В схеме гибридного кольца присутствует балансный резистор. желательно, чтобы это была согласованная 50 омная нагрузка в коаксиальном исполнении, ватт на 10.   Мощность рассеиваемая на этом резисторе будет зависеть от степени согласования и настройки гибридного кольца и антенн, чем лучше будет настроено гибридное кольцо   и   антенно-фидерные подводящие тракты,    включая антенны, тем меньшая мощность будет   рассеиваться   на   этом резисторе.

В авторском варианте, при запитке двух вибраторов с применением гибридного кольца, рассеиваемая мощность на резисторе составила 240 мВт на 100 Вт подводимой к системе мощности. Десяти ватный резистор необходим только в процессе настройки, так как снижение мощности подводимого сигнала при настройке менее  10 -15 Вт  не обеспечивает нормальных напряжений на самодельных КСВ - метрах по причине их малых линейных размеров по отношению к длине волны.

Вообще, в процессе настройки самого гибридного кольца, нам необходимо иметь три таких согласованных резистора. В крайнем случае, резистор нужной величины и мощности можно собрать из нескольких безиндукционных резисторов типа  С2-10-2. включив их параллельно и распаяв внутри коробки гибридного кольца.

Для настройки гибридного кольца необходим высокочастотный генератор или можно воспользоваться трансивером в режиме передачи.

Установить трансивер или генератор на частоту 14,150 МГц, выход генератора нагрузить через КСВ - метр на согласованную нагрузку, установив КСВ равным 1. приступить к настройке гибридного кольца. Схема при настройке выглядит следующим образом.

Входы кольца 1,4,2 нагружаются согласованными резисторами, на вход 3 подключаем  КСВ - метр. Независимо от показаний  КСВ - метра,  высокочастотным вольтметром или осциллографом измеряем напряжение на всех резисторах, составляем таблицу этих напряжений. Чтобы не вносить дополнительной емкости при измерениях, измерения проводить с делителем 1:10 (стандартный делитель от осциллографа). Если мы ставим заранее измеренные индуктивности, то правильно собранная схема практически не требует настройки. Небольшую коррекцию индуктивностей осуществляют раздвигая или сжимая витки катушек. Мощность, поданная на вход 3, должна поровну разделиться между входами 1-2. Высокочастотное напряжение на входе 4 должно быть минимальным или вообще отсутствовать. Это указывает, на то, что на этой частоте гибридное кольцо настроено.  Так как применяемые в схеме конденсаторы имеют небольшой разброс, возможно придется немного поварьировать и емкостью. При настрой описанного кольца автору этой статьи пришлось уменьшить индуктивность двух катушек l1,  немного раздвинув витки в катушках. Дальнейшей настройки не потребовалось.

После настройки кольца,    дальнейшая настройка всей системы должна осуществляться в следующем порядке.

1) Настроить два вибратора в резонанс. (Вибраторы должны обязательно иметь симметрирующие узкополосные устройства.) Кабели питания первого и второго вибраторов должны быть одинаковой длины и кратны 0,5 лямбда.
2) Если входное сопротивление вибратора отличается от волнового сопротивления применяемого кабеля, поставить в каждый фидер снижения трансформатор сопротивлений (например ФНЧ).
3) Далее следует реле направлений.
4) При расстоянии между вибраторами, например 0,25 лямбда, после реле устанавливается отрезок кабеля длиной 0,25 лямбда х К в качестве линии задержки.
5) Вибраторы запитать в противофазе (см. начало статьи).
6) Для удобства настройки, на каждый кабель снижения, поставить вставку (КСВ - метр) одинаковой длины.

Вставку кабеля  Л5 (линию задержки)  обычно берут немного больше требуемой длины, чтобы при настройке антенны подобрать длину линии задержки по максимальному подавлению заднего лепестка в диаграмме направленности антенны. Трансформаторы    сопротивлений желательно устанавливать как можно ближе к вибраторам, не далее 0,5 лямбда.. Линии  питания  должны  быть одинаковы по длине Л1=Л2, Л3=Л4. Вибраторы антенны настраиваются в резонанс  при помощи    ГИРа,    а входное сопротивление  каждой  антенны можно измерить гибридным кольцом (см. функции гибридного кольца). Настройка противофазной системы из двух вибраторов осуществляется с помощью        дополнительного генератора  (маяка),     который располагают на расстоянии 2-5 лямбда от антенны.  Антенна маяка должна быть расположена на такой же высоте, как и сама антенна. Настроив вибраторы антенны в резонанс, трансформировав их входные сопротивления, проверив КСВ, изменяя длину линии задержки в тракте питания добиваемся максимального подавления заднего лепестка в диаграмме направленности антенны. При этом, если на линию задержки поставить два дополнительных реле, можно включить два кабеля разной длины, один кабель подобрать по длине для максимального подавления заднего лепестка, а второй - на максимальное усиление вперед, этим мы обходим один из компромиссов при настройке антенны. Итак, применив гибридное кольцо, мы улучшим условия согласования и настройки антенны, развязав антенны по питанию. Основная настройка сводилась к согласованию и фазированию.

Дальнейшее улучшение характеристик антенны связано с выравниванием амплитуд токов в вибраторах антенны. выровняв эти амплитуды, мы сможем подавить задний лепесток в диаграмме направленности антенны теоретически до нуля. Практически, из за влияния земли и переотражений , в каждом конкретном случае, при разной высоте подвеса антенны над землей и влиянии окружающих предметов, мы получим разные значения подавления, но они всегда будут намного выше, чем при простой традиционной схеме запитки. Для балансировки амплитуд, предварительно проводится измерение амплитуд в каждом канале. Измерение можно проводить приемником или трансивером по показанию S-метра. Точные значения не обязательны, можно измерять в относительных единицах, нам важно знать, во сколько раз амплитуда в первом вибраторе больше, чем во втором.

Для этих измерений отсоединяем кабель, идущий к трансиверу от третьего входа гибридного кольца, и ставим на этот вход 50-ти омную согласованную нагрузку. На фидер питания, идущий к приемнику, ставится делитель или аттенюатор и измеряется уровень сигнала от маяка на первом и на втором входах гибридного кольца (два активно запитанных вибратора антенны. при этом, подключены подключены ко входам 1 и 2 гибридного кольца). Сделав эти измерения, мы оцениваем разницу в разах или децибелах, и понимаем, что нам необходимо применить гибридное кольцо с неравным делением мощности. Неравное деление мощности реализуется подбором волновых сопротивлений в отрезках линий гибридного кольца.

Это еще раз говорит о том, что реализация гибридного кольца на дискретных элементах предпочтительнее, так как мы легко можем управлять его характеристиками. Расчет трехдецибельного гибридного кольца с равным делением мощности довольно прост, а вот при расчете с неравным делением мощности могут возникнуть трудности, поэтому проще привести конкретные цифры для разных значений амплитуд неравного деления в диапазоне возможных отклонений.

Ноль децибел - это равное деление мощности.

Допустим, мы определили, что разница амплитуд в каналах составляет 1,7 dB. значит нам необходимо применить гибридное кольцо с неравным делением мощности 1,7 dB. Номиналы индуктивности и емкости в нашей схеме придется изменить согласно приведенной таблице, выбрав третью позицию l,6dB. Нет смысла точно рассчитывать под ослабление 1,7 dB, так как измеренную заранее индуктивность, все равно придется корректировать после установки ее в схему. Невозможно учесть влияние экранов. В этом и будет заключаться процесс настройки.

Сложность настройки окупается полученным результатом и, надо иметь ввиду, что мы от простой двухэлементной антенны получаем параметры намного превосходящие параметры антенн с пассивными элементами типа вибратор - рефлектор или вибратор - директор.

Настройку антенн мы проводили по маяку.  В реальном эфире,  при разном прохождении дальнем или ближнем, меняется угол прихода радиоволн, поляризация. Радиоволны,  пересекая  области повышенного и пониженного давления с разными температурами подвержены рефракции, при этом возможны неадекватные оценки силы сигнала. Иногда происходит такая ситуация, что слушая корреспондента и переключая антенну, не замечаешь разницу в силе сигнала, и, в тоже время, перейдя на передачу, демонстрируя переключение  вперед - назад,  ваш корреспондент отмечает большое подавление заднего лепестка. Это иногда происходит как при передаче так и при приеме. В идеальном случае, хотелось бы иметь гибкую систему управления антенной, позволяющую адаптировать ее параметры при разных условиях прохождения, для разных трасс. То немногое, что еще можно сделать в домашних условиях, это применить дискретную линию задержки с шагом 10°. Изменение длины линии задержки на ± 30° от расчетного или выявленного в процессе настройки значения позволит проводить небольшую адаптацию антенны под конкретные условия прохождения.

Эта схема питания применима к любым вибраторам, диполям, квадратам, треугольникам. Дальнейшее улучшение параметров в антеннах с электронным сканированием возможно только при создании антенных решеток. Минимальное количество антенн в решетке, при котором заметно явное улучшение параметров, это две двухэлементные антенны, разнесенные по вертикали. Максимальное количество антенн в решетке, реализуемое в домашних условиях, четыре двухэлементные антенны. Две антенны в нижнем этаже, две в верхнем. При выборе количества антенн в решетке можно руководствоваться следующим правилом: лучше иметь одну или две хорошо настроенные антенны,  чем большое количество не настроенных или плохо настроенных антенн. То же самое можно сказать и про многоэлементные антенны типа волновой канал, не всегда большое количество элементов в антенне приводит к ожидаемым результатам.

EW8AU, Владимир Приходько,
246027, г. Гомель - 27, а/я 68
БЕЛАРУСЬ