Антенны для УКВ диапазона

На УКВ работают радиостанции самого различного назначения: радиолокационные, связные, телевизионные, радиовещательные и т. п. На этих же волнах в последнее время начали работать и радиолюбительские приемо-передающие радиостанции.

Приемные и передающие антенны, применяемые на УКВ, значительно отличаются от антенн для длинных, средних и даже коротких волн.

УКВ антенны имеют относительно небольшие размеры при весьма хороших качественных показателях. Внутри УКВ диапазона антенны различных поддиапазонов также резко отличаются друг от друга как по принципу действия, так и по конструкции.

Так, например, антенны сантиметрового поддиапазона сильно отличаются от антенн метрового поддиапазона. Между ними трудно найти даже какое-либо внешнее сходство.

Мы будем рассказывать об антеннах, к которым з -настоящее время радиолюбители и телезрители проявляют наибольший интерес: об антеннах метрового диапазона (10—1 м) и длинноволновой части дециметрового диапазона (1 м — 50 см). Эти антенны применяются в повседневной практике для приема телевидения и в качестве приемных и передающих антенн связных радиолюбительских УКВ станций.

Выбор и -конструирование приемной и передающей аінтенн — весьма серьезный этап в практике работ радиолюбителя. Поэтому мы хотим рассказать о некоторых важнейших свойствах УКВ антенн, что поможет разумно и обоснованно выбирать антенны для различных УКВ установок.

Направленные свойства УКВ антенн. Под направленными свойствами антенн понимают их способность излучать электромагнитную энергию относительно узкими пучками в определенных желаемых направлениях. Дело в том, что вообще не существует антенн, излучающих электромагнитную энергию равномерно во всех направлениях.

Симметричный полуволновый вибратор

Рассмотрим сначала простейшую и в то же время наиболее распространенную УКВ антенну — симметричный полуволновый вибратор (рис. 1). Этот вибратор состоит из двух расположенных на одной оси металлических стержней.

Общая длина вибратора составляет примерно половину длины волны. Расположим вибратор. горизонтально, т. е. параллельно земле, и мысленно проведем плоскость перпендикулярно оси вибратора (вертикальную плоскость).

В этой плоскости излучаемая мощность распределяется равномерно во всех направлениях. Поэтому говорят, что горизонтальный вибратор является ненаправленным в вертикальной плоскости.

В горизонтальной же плоскости излучение является направленным, причем наибольшая мощность излучается перпендикулярно вибратору, а в направлении его оси излучение полностью отсутствует

Соответственно вертикально расположенный вибратор излучает равномерно во всех направлениях в горизонтальной плоскости и неравномерно—в вертикальной.

Рис. 1. Диаграммы направленности полуволнового вибратора.

Для наглядности направленные свойства антенн изображают графически в виде диаграмм направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях (рис. 1). Необходимо подчеркнуть, что диаграмма направленности не дает возможности определить, какую же мощность излучает антенна в определенном заданном направлении, поскольку величина этой мощности зависит не только от формы диаграммы, но и от общей мощности передатчика.

Диаграмма направленности антенны характеризует . лишь распределение мощности передатчика в пространстве независимо от полной величины этой мощности и определяется только конструкцией антенны.

На рис. 2 изображены для примера некоторые воз-можные диаграммы направленности УКВ антенн в горизонтальной плоскости.

Антенна, имеющая диаграмму типа а, излучает в горизонтальной плоскости равномерно во все стороны. Такую диаграмму должны иметь антенна радиолюбительского передатчика, если направление на корреспондента заранее неизвестно, а также телевизионная передающая антенна.

Диаграммы типов б и в имеют два симметричных лепестка. Антенны с такими диаграммами излучают одинаково в двух противоположных направлениях. Часто бывает полезным сконцентрировать излучение только в одном направлении. Тогда інужно воспользоваться однонаправленными антеннами, имеющими диаграммы направленности типа д.

Как видно из рисунка, эти диаграммы имеют обычно, помимо основного лепестка, небольшие «задние» или «боковые» лепестки, что указывает на некоторый расход мощности передатчика на излучение в нежелательных направлениях.

Отметим, что антенна с диаграммой направленности типа д излучает электромагнитные волны более узким пучком и является, следовательно, более направленной. Ширина основного лепестка диаграммы направленности измеряется в градусах и отсчитывается по уровню половинной мощности или 0,7 напряжения (угол а на диаграмме г).

Рис. 2. Различные формы диаграмм направленности УКВ антенн.

Возникает вопрос: как выбрать передающую УКВ антенну с точки зрения формы диаграммы направленности? Для ответа на этот вопрос необходимо знать, в пределах -какого угла может меняться направление от передающей антенны к возможному корреспонденту.

Необходимо, чтобы этот угол укладывался в пределах угла раствора основного лепестка диаграммы направленности по уровню половинной мощности.

Заметим, что чем уже основной лепесток диаграммы направленности и чем меньше задние и боковые лепестки, тем большая мощность излучаемых волн (при неизменной общей мощности передатчика) излучается в главном направлении и тем больше дальность связи в этом направлении.

Основные типы антенн и соответствующие им диаграммы направленности будут показаны ниже. До сих пор мы рассматривали передающие антенны. А как обстоит дело с направленными свойствами приемных антенн?

Пусть некоторая аінтенна используется как передающая для излучения сигналов в пространство и имеет диаграмму направленности, изображенную на рис. 2,д. Максимум мощности излучаемых волн соответствует направлению, показанному сплошной стрелкой. Если эту же самую антенну применить для приема, то мощность сигналов, поступающих на вход приемника, будет максимальной, когда сигнал приходит с того же направления (пунктирная стрелка).

Таким образом, оказывается, что диаграмма направленности любой антенны остается неизменной при работе ее как на передачу, так и на прием. При выборе типа приемной антенны с точки зрения диаграммы направленности нужно учитывать те же соображения относительно необходимого угла раствора диаграммы в горизонтальной плоскости.

Следует еще добавить, что чем уже основной лепесток диаграммы направленности и меньше баковые лепестки, тем слабее сказываются различные помехи приему (медицинские, индустриальные и т. п.).

Коэффициент усиления УКВ антенн. Приемные и передающие УКВ антенны характеризуются не только диаграммой направленности, но и величиной коэффициента усиления.

Пусть имеются два передатчика одинаковой мощности. Антенна первого передатчика — полуволновый вибратор (рис. 1), антенна второго передатчика — однонаправленная с диаграммой, изображенной на рис. 2,д.

Антенна второго передатчика создает в главном направлении более сильное электромагнитное поле. Это, очевидно, объясняется тем, что, во-первых, антенна второго передатчика излучает только в одну сторону и, во-вторых, концентрирует излучение в более узком пучке.

Если антенна второго передатчика создает на определенном расстоянии электромагнитное поле, например, вдвое большей силы (напряженности), то говорят, что эта антенна имеет относительно полуволнового вибратора коэффициент усиления по полю, равный 2.

Коэффициент усиления любой антенны определяют путем ее сравнения с полуволновым вибратором, коэффициент усиления которого условно принят равным единице.

Понятие коэффициента усиления можно распространить и на приемные антенны. При этом коэффициент усиления по полю показывает, во сколько раз увеличивается напряжение на входе приемника при использовании данной антенны по сравнению со случаем использования полуволнового вибратора.

Нужно заметить, что увеличение коэффициента усиления необязательно связано с уменьшением ширины диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. Можно увеличить коэффициент усиления приемных и передающих антенн УКВ станций, сужая диаграмму направленности в вертикальной плоскости и не ограничивая тем самым угол, в пределах которого возможна связь.

Фидеры для УКВ антенн. Приемная и передающая антенны связаны соответственно с приемником и передатчиком фидером.

Выбор типа фидера и способа его подключения к антенне — важный момент в процессе конструирования УКВ антенны как для приемо-передающей радиостанции, так и для телевизионного приемника.

В качестве фидеров могут быть применены симметричные кабели, экранированные (РД-13) или неэкранированные (КАТВ), и несимметричные экранированные (кабели РК-1. РК-3, РК-49, и т. п.). На рис. 3 показаны конструкции кабелей различных типов.

Как для телевизионных антенн, так и для антенн приемо-передающих УКВ радиостанций лучше всего использовать несимметричный экранированный кабель. Этот кабель относительно недорог; он может быть прикреплен простейшими скобками непосредственно к любой стене: деревянной, кирпичной и т. п.

Кроме того, в случае применения такого кабеля практически исключаются потеря мощности передатчика и искажение диаграммы направленности антенны за счет излучения самого фидера.

Рис. 3. Кабели, применяемые на УКВ. а—несимметричный экранированный кабель; б—симметричный экранированный кабель; в—симметричный неэкранированный кабель.

Могут быть случаи, когда передатчик имеет симметричный выход, а переход на коаксиальный кабель почему-либо невозможен. В таких случаях следует применить экранированный симметричный кабель, а при отсутствии последнего — неэкранированный. Следует иметь в виду, что неэкранированный кабель крепится к стенам с помощью специальных изоляторов.

Подключение фидеров к антеннам различных типов нужно производить только так, как показано на приводимых ниже рисунках. Эти схемы подключения фидеров обеспечивают как симметрирование (при переходе от несимметричного кабеля к симметричной антенне), так и согласование.

Неправильное подключение фидера к антенне приводит к уменьшению излученной мощности, а также к частотным искажениям передаваемого и принимаемого сигналов. При приеме телевидения могут появиться специфические искажения в виде повторных контуров изображения.

Типы антенн для любительских радиостанций и приема телевидения. В принципе для любительских приемо-передающих УКВ радиостанций и приема телевидения могут применяться антенны одних и тех же типов. Поэтому целесообразно рассказывать об этих антеннах одновременно, делая в случае необходимости соответствующие оговорки.

Простейшей, наиболее распространенной антенной для любительской УКВ радиостанции и для приема телевидения является полуволновый вибратор (рис. 4).

Полуволновый вибратор может быть использован на любом из 12 телевизионных каналов в диапазоне частот 48,5—230 Мгц, а также в радиолюбительских УКВ диапазонах: 28—29,7, 144—146 и 420—425 Мгц.

Существуют две основные разновидности полуволновых вибраторов: линейный полуволновый вибратор (рис. 4,а) и полуволновый шлейф-вибратор (рис. 4,6). По своим электрическим характеристикам оба вибратора являются примерно равноценными; они имеют одинаковые диаграммы направленности и одинаковые коэффициенты усиления.

Полоса пропускания шлейф-вибратора несколько шире, однако это не имеет существенного значения, поскольку полоса правильно выполненного линейного вибратора вполне достаточна для пропускания частот любого телевизионного канала, а тем более канала радиолюбительской станции.

Оба вида вибраторов выполняются обычно из трубок (стальных, латуінных, медных, дюралюминиевых). Их можно изготовлять также из .металлических полосок или уголков. Основные конструктивные размеры их приведены на рис. 4.

Под длиной волны Я в случае выполнения вибратора для приема телевидения следует понимать длину волны, соответствующую средней частоте телевизионного канала; в случае же выполнения вибратора для любительской УКВ радиостанции под К нужно понимать длину волны, соответствующую несущей частоте.

Возможные способы подключения фидеров к линейному полуволновому вибратору приведены на рис. 4,в, г, д и е. Схемы на рис. 4,в и г применяют в случае использования в качестве фидеров несимметричных экранированных кабелей с волновым сопротивлением 75 ом (РК-1, РК-3 и т. д.).

В схеме на рис. 4,в подключение кабеля производится через U-образиое колено из того же кабеля; в схеме на рис. 4,г кабель подключается через симметрирующий короткозамкнутый мостик, изготовленный из трубок.

Обе схемы являются примерно равноценными, хотя схема, изображенная на рис. 4,г, обеспечивает все же пропускание более широкой полосы частот. Схема на рис. 4, д применяется в случае использования в качестве фидера симметричного экранированного кабеля РД-13 с волновым сопротивлением 75 ом, схема на рис. 4,е — в случае использования симметричного неэкранированного ленточного кабеля КАТВ с волновым сопротивлением 300 ом.

Рис. 4. Схемы подключения кабелей к антенным вибраторам.

• а—линейный полуволновый вибратор;
• б—полуволновый шлейфвибратор;
• в—подключение кабеля через колено;
• г—подключение кабеля через четвертьволновый мостик;
• д — подключение симметричного экранированного кабеля;
• е — подключение симметричного неэкранированного кабеля;
• ж—подключение кабеля через U-колено;
• з — подключение симметричного неэкранированного кабеля;
• п — подключение симметричного экранированного кабеля;
• к — подключение кабеля к несимметричному четвертьволновому вибратору.

Возможные способы подключения фидеров к полуволновому шлейф-вибратору (вибратору Пистолькорса) показаны на рис. 4,ж,з и и. Схема на рис. 4,ж применяется при использовании несимметричных экранированных кабелей с волновым сопротивлением 75 ом (РК-1, РК-3 и т. д.), схема на рис. 4,з — при использовании симметричного неэкранированного кабеля с волновым сопротивлением 300 ом (КАТВ), схема на рис. 4,и — при использовании симметричного экранированного кабеля с волновым сопротивлением 75 ом (РД-13).

На рис. 4,к показана антеніна, называемая четвертьволновым вертикальным вибратором и применяемая обычно в тех случаях, когда антенну можно расположить над большим металлическим листом (например, для автомобильных станций).

Заметим, что для обеспечения согласования кабеля с антенной в схемах на рис. 4,е и и кабели подключаются через четвертьволновые согласующие трансформаторы, выполненные из отрезков кабеля.

Все рассмотренные схемы подключения фидеров к полуволновым вибраторам с равным успехом могут быть использованы как для передающих, так и для поиемных антенн.

Какой вибратор лучше применять: линейный или шлейф-вибратор? Мы уже отмечали, что с точки зрения электрических характеристик оба вибратора примерно равноценны.

Поставленный вопрос следует решать, исходя только из конструктивных соображений и наличных материалов. Шлейф-вибратор требует, например, для изготовления вдвое большего расхода трубок.

В то же время шлейф-вибратор легко установить на любой мачте — металлической или деревянной, так как его можно прикрепить в средней точке (точка 0 на рис. 4,6) непосредственно к мачте с помощью сварки или металлического хомута без всяких изоляторов. Крепление линейного вибратора к мачте требует изоляторов: керамических, пластмассовых, полистироловых или из органического стекла.

В качестве антенн с относительно большим коэффициентом усиления и с лучшими направленными свойствами, чем у полуволнового вибратора, для приема телевидения и для УКВ любительских станций применяют антенны типа «волновой канал», состоящие из нескольких вибраторов.

Простейшая антенна этого типа — двухэлементная—состоит из двух вибраторов (рис. 5,а), расположенных в одной плоскости и закрепленных на стреле, которая выполняется из металлической трубы, уголка или деревянного бруса.

Рис. 5. Направленные УКВ антенны типа волновой канал. а—двухэлементная, антенна (коэффициент усиления по напряжению 1,35); б—трехэлементная антенна (коэффициент усиления по напряжению 1,85); в—пятиэлементная антенна (коэффициент усиления по напряжению 2,4).

В качестве одного из вибраторов, который называют активным (к этому вибратору подключается фидер), используют линейный полуволновый вибратор или полуволновый шлейф-вибратор, описанные выше и показанные на рис. 4.

Второй из вибраторов двухэлементной антенны — пассивный (к нему фидер не подключается)—представляет собой цельную металлическую трубку, закрепленную «а стреле непосредственно, без всяких изоляторов.

Крепление 'пассивного вибратора, как и активного, производится симметрично относительно стрелы. Длину пассивного вибратора и его расстояние до активного выбирают таким образом, чтобы направить излученную активным вибратором мощность только в одну сторону.

С этой точки зрения пассивный вибратор двухэлементной антенны называют рефлектором. Таким образом, двухэлементная антенна является однонаправленной, что видно из приводимой диаграммы направленности.

Рис. 6. Контурно-щелевая антенна с рефлектором (коэффициент усиления по напряжению 1,9).

Трехэлементная антенна (рис. 5,б) содержит, помимо активного вибратора и рефлектора, еще один пассивный вибратор, называемый директором. Длина директора и его расстояние до активного вибратора выбраны таким образом, чтобы дополнительно усилить излучение в главном направлении. В соответствии с этим трехэлементная антенна имеет больший, чем у двухэлементной антенны, коэффициент усиления и более узкую диаграмму направленности.

Пятиэлементная антенна (рис. 5,в) содержит уже три директора, помимо рефлектора и активного вибратора, и имеет еще больший коэффициент усиления и еще более узкую диаграмму направленности.

Подключение фидеров к активным вибраторам многоэлементных антенн, изображенных на рис. 5, производится так, как показано на рис. 4,ж, з и и.

Можно, конечно, выполнить антенну с еще большим количеством директоров, однако особого смысла это не имеет, так как при увеличении числа директоров свыше трех происходит очень медленный рост коэффициента усиления, в то время как вес и сложность конструкции значительно возрастают.

Если для чего-либо (например, для дальнего приема телевидения) необходимо иметь очень большой коэффициент усиления, то выполняют так называемые синфазные антенны, состоящие из многоэлементных антенн типа «волновой канал», расположенных в несколько этажей или рядов.

Подробнее об этом можно прочитать в специальных статьях и книгах по антеннам. Длину U-образного колена для различных телевизионных каналов можно взять из следующей ниже таблицы.

На рис. 6 показана УКВ антенна, называемая контурно-щелевой. Она состоит из прямоугольной рамки, представляющей собой активный элемент антенны, и рефлектора. Рефлектор выполнен из пяти трубок, образующих плоскую решетку.

Коэффициент усиления антенны равен примерно коэффициенту усиления трехэлементной антенны типа «волновой канал», однако полоса пропускания этой антенны шире.

Рис. 7. Антенна с уголковым отражателем (коэффициент усиления по напряжению 3,6).

Подключение кабеля производится к точхам а и б так, как показано на рис. 4 ,ж, з и м;

Телевизионный канал	Длина U-образного колена, мм
Первый	1900
Второй	1600
Третий	1240
Четвертый	1120
Пятый	1030

Максимум излучения направлен перпендикулярно плоскости рамки. Наибольшее распространение контурно-щелевая антенна с рефлектором имеет в радиолюбительском диапазоне 144 —146 Мгц.

Рис. 8. Рупорная антенна (коэффициент усиления по напряжению при l = 0,5К равен 1,3, а при l = лямбда равен 2,б).

Нужно отметить, что если антенна расположена так, что плоскость рамки перпендикулярна земле, то структура излученного поля подобна структуре поля горизонтального вибратора (излучаются или принимаются только горизонтально поляризованные волны).

В диапазоне 420—425 Мгц весьма удобны также антенна с уголковым отражателем (рис. 7) и -одна из разновидностей рупорных антенн (рис. 8).

К антенне с уголковым отражателем кабель КАТВ следует подключать в точках а и б. Две боковые грани рупорной антенны покрыты металлической сеткой. Кабель подключается к точкам а и б.

Источник: Бурлянд В.А., Жеребцов И.П. Хрестоматия радиолюбителя. 1963 г.