HELLORADIO.RU — интернет-магазин средств связи
EN FR DE CN JP

Активное питание двух вибраторов

Активное питание двух вибраторов

EW8AU
Владимир Приходько,
246027 Гомель а/я 68, Беларусь
Email - dmitry.by (at) tut.by

Симметричный вибратор и другие простейшие антенны обладает слабыми направленными свойствами. Улучшение направленных свойств  можно получить применением антенн, состоящих из нескольких вибраторов. Такие антенны могут отличаться взаимным расположением вибраторов в пространстве и системой питания. Обычно на практике в качестве связанных активных вибраторов используют симметричные вибраторы одинаковых размеров, так что с достаточной точностью можно считать их диаграммы одинаковыми. Для формирования характеристики направленности с одним главным направлением излучения или приема рассмотрим систему, состоящую из двух одинаковых вибраторов удаленных друг от друга на расстояние d = 0,25 лямбда. Если антенна состоит из двух вибраторов и расстояние между ними равно 0,25 лямбда, то волна напряжения подойдет ко второму вибратору на четверть периода позже, чем к первому и токи в них будут сдвинуты на 90°. При этом первый вибратор будет выполнять роль рефлектора и диаграмма направленности системы примет вид показанный на рис.1а.

Если перевернуть второй вибратор на 180° или, что - то же, перекрестить провода фидера, то он станет  играть роль рефлектора и диаграмма направленности антенны повернется на 180° ( рис. 16). То же самое произойдет при изменении места подключения питающего фидера (рис. 1в).

Рис. 1

Питание вибраторов удобнее осуществлять раздельно, применяя в качестве фидера двухпроводную линию или коаксиальный кабель При питании коаксиальным кабелем каждый вибратор должен иметь симметрирующее устройство. Необходимый фазовый сдвиг обеспечивается удлинением фидера одного из вибраторов на величину равную 0,25 лямбда х К, где К - коэффициент укорочения. Отрезки фидера l1, L2 равны между собой и кратны 0,5 лямбда. Дополняющий отрезок фидера L3 равен 0,25 лямбда x К. Основной (общий) фидер питания L4 произвольной длины.

При таком способе питания после переключателя необходимо поставить трансформатор сопротивлений ФНЧ на сосредоточенных элементах. При противофазном питании сопротивление в точке А на рис.2 будет равно примерно 20 Ом, его нужно трансформировать в 75 или 50 Ом. Точное значение сопротивления можно определить только после установки антенны, измерив это значение высокочастотным мостом на частоте резонанса, так как основные измерения сопротивления связаны с высотой подвеса антенны относительно земли и окружающих предметов.

Основной   недостаток   противофазные антенн - низкое значение сопротивления излучения связанные с этим трудности в питании и настройке могут быть устранены применением в качестве излучателей высокоомных шлейфов -вибраторов,   антенну при этом можно питать двухпроводной  линией  и  в качестве трансформатора сопротивлении (ТС)     применить  четвертьволновый трансформатор    нужного    волнового сопротивления.

В связи с тем,  что радиолюбительские диапазоны занимают сравнительно небольшие участки, можно снизить требования к широкополосности антенн, упростив тем самым согласование и настройку. Для примера рассмотрим один из способов питания двухэлементной противофазной антенны коаксиальным кабелем, рис 3, не применяя никаких согласующих  устройств.           

Плечи вибратора выполнены из П - образного профиля 12х12 мм Симметрирующей приставкой являются две трубки диаметром 10 мм, длиной 0.24 лямбда хК

Для удобства измерений антенна моделировалась в высокочастотном участке диапазона на частоте 270 мегагерц. Было изготовлено два полуволновых симметричных вибратора с четвертьволновыми симметрирующими приставками, питание осуществлялось коаксиальным кабелем 75 Ом

Резонансная длина вибратора рассчитывается по формуле:

При измерении высота подвеса вибратора от земли составила 1 метр 720 мм, это чуть больше 1,5 лямбда для частоты 270 МГц. Измерив один вибратор мы получили такие значения:

F резонансная – 256 МГц,   КСВ =1,1,   Ra = 80,6 Ом,   Кх = 4,9 Ом.

Как видим, резонансная частота ниже расчетной, это связано с тем, что формула дана для относительно тонких проводников плеч вибратора. В нашем примере это неважно, так как в первую очередь нас интересует взаимосвязь двух вибраторов при синфазном и противофазном питании для получения однонаправленной диаграммы.

Итак, измерив поочередно каждый из вибраторов, мы убеждаемся в их идентичности.   Теперь интересно посмотреть влияние вибраторов друг на друга. Устанавливаем два вибратора на стенде, при расстоянии между вибраторами 0,25 лямбда кабель питания каждого из вибраторов 1,5 лямбда  (кратно 0,5l ), изменение питания в фазе или противофазе, мы будем осуществлять разворачивая один из вибраторов на 180°.

Сначала   запитаем только один вибратор,   чтобы посмотреть, как на его характеристики повлияет второй неподключенный вибратор. Кабель неподключенного вибратора не нагружен, т.е. имеем режим холостого хода, обозначим его буквами XX.

Измеряем первый вибратор

Fреэ = 251 Мгц  КСВ = 1,2, Ra = 66,75 Ом, Rх (реактивность) -12.150м.

Закорачиваем кабель питания второго вибратора, режим короткого замыкания (КЗ).

Измеряем первый вибратор

Fреэ = 250 МГц  КСВ = 1,5, Кд-б0 Ом, Rх = 23,40м.

Мы видим, какое влияние оказывает второй неподключенный вибратор на первый. Теперь переведем систему для формирования характеристики направленности с одним главным направлением излучения или приема. Запитаем два вибратора, удлинив при этом кабель питания одного из вибраторов на 0,25 лямбда хК, тем самым обеспечив сдвиг фазы на 90°

Развернем вибраторы таким образом, чтобы запитка была в фазе, т.е. центральная жила коаксиального кабеля в точке подключения к вибратору у первого и второго вибраторов находились бы с одной стороны, например справа (или слева), как показано на рис. 4.

Дадим таблицу измерений

 

F МГц

КСВ

Ra Ом

Rx OM

Два вибратора в фазе с линией задержки (л.з.) 90°

246

1,04

78

1,5

Два вибратора в противофазе с л.з. 90°

270

1,05

81,75

2,77

Два вибратора в противофазе с л.з. 90° на частоте 246 MГц

246

4

21.75

41,25

Что мы видим из этой таблицы? При запитке двух вибраторов в фазе с линией задержки 90° (0,24 лямбда хК) резонансная частота понизилась и на этой частоте (246 МГц) мы получили хорошее согласование. При повороте одного из вибраторов на 180° (запитка в противофазе) резонансная частота системы уходит в верх и на частоте 270 MГц мы  также имеем  хорошее согласование.

Какой же режим лучше? Если связать это с диаграммой направленности и усилением, то запитка в противофазе немного лучше. Это связано с тем, что для частоты 270 МГц,   вибраторы имеют длину больше полуволны,   значит растет входное сопротивление и сужается диаграмма направленности увеличивая усиление антенны. При запитке в фазе расширяется диаграмма и падает усиление. А так как мы корректируем (увеличиваем) размеры сразу двух вибраторов, то даже таким малым приростом пренебречь нельзя.

Здесь следует иметь в виду, что если бы в настройке этой системы мы шли традиционным путем, то первое, что бы мы сделали, это измеряли бы все параметры для частоты 256 МГц. так как одиночный вибратор у нас настроен на эту частоту. Для частоты 256 МГц, как в фазе, так и в противофазе, значение КСВ было бы около 2. Пришлось бы трансформировать сопротивление и компенсировать реактивность не зависимо от запитой ( в фазе или в противофазе).

Рассмотрим еще один пример. Иногда радиолюбители спрашивают о разнице между запиткой с осуществлением сдвига в линии питания 90° и 270° и какую линию задержки длиной 0.25 лямбда хК или 0,75 лямбда хК лучше ставить в тракте питания одной из антенн.

Посмотрим таблицу измерений

 

F МГц

КСВ

Ra Ом

Rx OM

Два вибратора в  фазе с л.з. 270°

270

1,05

72.75

3

Два вибратора в противофазе с л.з. 270°

248

1,24

84,75

5,02

Мы видим, что принципиальных различий нет, но в отличие от первого случая, запитка в фазе предпочтительнее. По идее, эти таблицы должны были совпадать, если поменять значения в фазе и в противофазе. Небольшое отклонение в КСВ (1.14) обусловлено неточностью изготовления линии задержки в 270° ( все таки частота высокая ). На низких диапазонах цифры будут одинаковыми.

Интересен другой случай. А что если задержать сигнал не на 90°, а на np+90° или n+3600? Например, возьмем np+90° , энное количество (5 - 10 длин волн) +0,25 лямбда. В  том случае у нас есть два сигнала, один из которых задержан по времени. При сложении сигнал будет увеличиваться в два раза, а шум и импульсная помеха в корень из 2. Такая система будет обладать большей селекцией и работает примерно как ночь - фильтр в тракте ПЧ, конечно с меньшей степенью подавления помехи.  Но, так как вся радиотехника построена на компромиссах,  рассмотрим не только положительные качества данной системы, но и отрицательные.

Первое, чем больше длина фидера питания, тем больше потерь, больше затухание сигнала в фидере.   Второе,   это сужение полосы пропускания, в которой будет наблюдаться положительный эффект подавления импульсной помехи.

Затухание в одном из каналов, с одной стороны, приводит к уменьшению уровня усиления всей системы, но, с другой стороны, улучшает подавление заднего лепестка в диаграмме направленности. Это связано с тем, что основное внимание при настройке таких антенн радиолюбители уделяют только балансировке фаз.  Но мы должны понимать, что получить большие значения подавления заднего лепестка в диаграмме направленности можно только выровняв фазы и амплитуды двух антенн. Представьте, что в ближней зоне стоит генератор в направлении главного лепестка антенны, если бы мы измерили амплитуды на одном и втором вибраторе, мы бы увидели разницу в амплитудах. Говоря простым языком, один вибратор затеняет второй, перехватывая часть энергии. На прием с главного направления это не очень сказывается, но вот при подавлении помехи или сигнала пришедшего сзади антенны, разница в амплитудах не дает полного подавления мешающего сигнала. Для начинающих радиолюбителей это будет понятно на примере подавления несущей в модуляторе или смесителе вашего трансивера.

В приведенных выше примерах расстояние между вибраторами 0.25 лямбда выбрано из условий наибольшего усиления антенны, так как улучшить F/B можно изменив схему питания, чтобы иметь возможность не только фазовой балансировки, но и регулировки или перераспределения мощности между вибраторами.

Приведенные выше примеры позволяют упростить и изменись порядок настройки антенны в целом. Рассчитываем высоту подвеса вибраторов над землей или учитываем возможную установку по высоте. В удобном масштабе рисуем эскиз или чертеж расположения элементов, чтобы определить длину фидерных линий от каждого вибратора до общей точки соединения с основным фидером. Не забываем учитывать четвертьволновую вставку 90° линии задержки. Как таковой вставки нет, просто один кабель снижения от вибратора до точки подключения к основному фидеру выбирается кратным 0,5 лямбда X, а второй кабель такой же длины плюс 0.25 лямбда X.

Естественно, что необходимо учитывать коэффициент укорочения в кабеле для выбранной частоты.

Например, для частоты 7 МГц - 0,5 лямбда = 21м 248мм, коэффициент укорочения для кабеля с полиэтиленовой изоляцией равен 1,52,

0,25 лямбдаl = 7.048. например, если длина одного фидера будет равна 14м 97мм, длина второго с линией задержки – 22м 18мм.
Еще два отрезка кабеля длиной по 10м 200мм нам нужно отрезать для изготовления симметрирующего устройства. Расстояние между вибраторами - 10м 200мм. это размер не очень критичен( ~~ 10 метров).

Полотна вибраторов нужно  сделать таким образом,   чтобы можно было peгулировать длину плеч вибратора, поэтому длину каждого плеча берут немного больше расчетного значения, например по 10м 700мм. Полотна плеч вибратора по краям размечают краской с шагом 50 - 100 мм. Настройка сводится к тому. что к главном) фидеру питания подключается ВЧ - мост или КСВ - метр. Измеряя KCB или сопротивление на частоте 7 МГц укорачиваем вибратор до тех пор, пока сопротивление не станет равно 75 Ом или пока КСВ - метр не покажет единицу. Разметка полотна плеч вибратора делается для того, чтобы одновременно укорачивать два вибратора на одну и ту же величину. При настройке таким простым способом, основной фидер питания от передатчика до реле переключающею направление излучения антенны, необходимо также сделать кратным полуволне. Хочется подчеркнуть, что питание антенны при этом будет происходить в режиме бегущей волны, а кабель кратный полуволне необходим для правильной настройки антенны. Симметрирующее устройство мной подробно описано в журнале Радиодизайн N 13.

Настраивая антенну с помощью КСВ - метра, сначала настраивают П - контур и выходной каскад передатчика на согласованную нагрузку и больше эти ручки настройки не трогают Настройка сводится только к изменению длин плеч вибраторов. Улучшить параметры антенны по этой схеме согласования можно путем увеличения диаметров плеч вибраторов, выполнив их из нескольких проводников.         

Диаграмма направленности в вертикальной плоскости в зависимости от высоты подвеса антенны над землей

Диаграмма направленности в вертикальной плоскости в зависимости от высоты подвеса антенны над землей

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

Другие схемы в этом разделе

Активная дифференциальная антенна для диапазона 5 Гц-500 кГц Анализ антенны Yagi 145 - 5el

Комментарии

Обсуждение этой схемы - Скажите свое мнение!

Оставьте свое мнение

Авторизуйтесь, чтобы оставлять комментарии

Комментарии 0


Обсуждение этой схемы - Скажите свое мнение!

Партнеры