Антенны с круговой диаграммой направленности

Антенны с круговой диаграммой направленности

Для связи с подвижными объектами наибольшее распространение получили антенны с вертикальной поляризацией. Это связано с тем, что на автомобиле весьма сложно построить эффективную антенну горизонтальной поляризации. По той же причине в качестве базовых антенн выбираются антенны с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, одинаково хорошо работающие в любом направлении.

Наиболее широкое применение в этой группе получили антенны типа «Ground Plane» (GP) — рис. 1.

Рис. 1 Конструкция антенны GP

Штыревая конструкция антенны удобна для размещения, как на крыше здания, так и на автомобиле. Она проста и, в то же время, достаточно эффективна. Длина штырей (/4) для работы в диапазоне 27 МГц зависит от диаметра трубок Для нормальной работы антенны она снабжается тремя противовесами, которые можно выполнить из трубки или антенного канатика. Длина противовесов выбирается равной четверти длины волны, или на 2,5% больше / Входное сопротивление антенны зависит от угла между противовесами и мачтой: чем меньше этот угол (противовесы прижаты к мачте), тем больше сопротивление. Для получения входного сопротивления 50 Ом угол выбирается 30…45. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости имеет максимум под углом 30 к горизонту. Усиление антенны примерно равно усилению вертикального полуволнового диполя. Наилучшая работа обеспечивается при высоте мачты около 6 м.

Эта антенна наиболее широкополосная из всех вариантов GP. После настройки антенны в резонанс минимума КСВ на средней частоте добиваются изменением угла установки противовесов.

Недостаток данной конструкции — отсутствие соединения штыря с мачтой, что требует дополнительных мер по грозозащите и защите от статического электричества. Наиболее простой способ защиты — использование короткозамкнутого шлейфа из кабеля длиной /4, подключенного к фидеру с помощью тройника. Шлейф обеспечивает соединение центральной жилы фидера с заземленной оплеткой по постоянному току и не влияет на согласование антенны — рис.

Длина шлейфа рассчитывается с учетом коэффициента укорочения используемого кабеля и составляет около 2 м.

Конструкция полуволновой антенны GP длиной /2 — рис. По сравнению с вышеописанной антенной она имеет вдвое большую длину штыря, что предъявляет повышенные требования к обеспечению ветровой прочности конструкции. Антенна не нуждается в противовесах, роль которых выполняет мачта, а ее диаграмма направленности в вертикальной плоскости сильнее прижата к горизонту, что улучшает условия радиообмена с удаленными корреспондентами. Поскольку антенна имеет высокое входное сопротивление, кабель подключается к ней через согласующий высокочастотный трансформатор. Основание штыря соединяется с заземленной мачтой через согласующий трансформатор, что автоматически решает проблемы грозозащиты и статики. Усиление антенны по сравнению с полуволновым диполем составляет около 4 дБ.

Рис. 3 Полуволновая антенна GP

Наиболее эффективная для дальней связи антенна — GP длиной 5/8 — рис. 4. Она несколько длиннее полуволновой антенны, а кабель фидера подключается к согласующей индуктивности, расположенной в основании вибратора. Этот тип антенны требует использования не менее трех противовесов длиной (0,1…0,2), расположенных в горизонтальной плоскости. Антенны этого типа узкополоснее полуволновых, в связи с этим требуют более тщательной настройки. Настройку на средней частоте обеспечивают как изменением длины штыря, так и регулировкой величины согласующей индуктивности. Нужное входное сопротивление достигается выбором точки подключения кабеля к согласующей катушке. Усиление этой антенны составляет 5…6 дБ, максимум диаграммы направленности расположен под углом 15 градусов к горизонту. Штырь этой конструкции также заземлен на мачту через согласующую катушку. Примерные данные согласующей катушки для волнового сопротивления кабеля 50 Ом: диаметр каркаса 18 мм, диаметр провода 1,5 мм, число витков 22, шаг намотки 2,5 мм, отвод от 9-го витка, считая от заземленного конца катушки.

Установка антенны на крыше может сильно влиять на ее характеристики.

Общие рекомендации:

основание антенны желательно располагать не ниже 3 м от плоскости крыши;

вблизи от антенны не должно быть металлических предметов и конструкций (например, телевизионных антенн, проводов и т. п.);

устанавливать антенну желательно как можно выше;

для нормальной работы станции ближайшая базовая антенна не должна быть расположена ближе 200 м.

Эффективность работы антенны на передачу тем выше, чем меньше омические потери в ее элементах. Поэтому наилучшим материалом для элементов антенн являются медные трубки, однако приемлемым компромиссом можно считать применение алюминиевых (дюралевых) трубок (из-за высокого удельного веса и низкой прочности меди).

При необходимости расширения полосы частот диаметр трубок увеличивают, или используют трубки с ребристой наружной поверхностью. Поскольку ток, протекающий по штырю антенны, уменьшается к ее верхнему концу, диаметр верхней части штыря можно уменьшить без ухудшения ее параметров.

Рис. 5 Средство расширения полосы частот антенны

Одно из наиболее простых средств расширения полосы частот длинных штыревых антенн — применение втулки с четырьмя усами длиной около 100 мм и диаметром 4…5 мм, закрепляемой в верхней части штыря — рис. 6. При этом резонансная частота антенны понижается и длину штыря придется несколько уменьшить.

При работе антенны на передачу по ней протекают довольно большие токи, поэтому необходимо обеспечить очень хорошее соединение всех элементов между собой и позаботиться об их защите от коррозии.

Рис. 6 Конструкции серийных базовых антенн

На российском рынке имеются антенны заводского изготовления как отечественные, так и импортные, — рис. 7. Из опыта их эксплуатации — в соединениях элементов, которые осуществляются самонарезающими шурупами, под действием ветра достаточно быстро теряется электрический контакт. Более надежная конструкция штырей со стяжными хомутами. Практически все варианты промышленных антенн требуют дополнительной герметизации, предотвращающей попадание воды внутрь трубок, на согласующие трансформаторы, катушки и заделку кабеля, что приводит к необратимым последствиям.

Если на крыше здания, в котором размещается Ваше оборудование, есть достаточно высокая лифтовая будка, телевизионная антенна или пристройка высотой больше 5 метров, то антенну GP можно установить, используя капроновый трос-растяжку без мачты — рис. 8. Кроме капронового шнура и кабеля РК-50 потребуется еще 4 изолятора любого типа. Конец кабеля длиной 2,7 м освобождается от внешней изоляции и оплетки, оплетка расплетается и скручивается в 4 примерно одинаковые «косички». К ним присоединяются противовесы.

Противовесы можно сделать из любого медного (в крайнем случае, даже алюминиевого) провода, который прикручивается (или припаивается) к «косичкам». Длина противовесов должна быть 2,7 м. На концах противовесов закрепляются изоляторы, которые прикрепляются к проволочным или капроновым оттяжкам. Конец освобожденного от оплетки участка кабеля за полиэтиленовый изолятор прикрепляется к капроновому шнуру так, чтобы он не оторвался порывами ветра. Противовесы разводятся в стороны равномерно по кругу, оттяжки закрепляются на крыше (например, привязываются к кирпичам). Постарайтесь длину оттяжек подобрать так, чтобы между проводом противовеса и вертикалью был угол около 45°. Места соединений и место выхода кабеля из оплетки тщательно герметизируют пластилином, чтобы под оплетку не попала вода.

Рис. 7 Антенна GP без мачты

Эта антенна по своим характеристикам полностью соответствует классической антенне GP длиной / Такую антенну очень удобно устанавливать в полевых условиях между двумя деревьями, нужно только заранее заготовить кабель и противовесы с оттяжками.