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. 2.5.

Рисунок 2.5 – 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 (l/4) для работы в диапазоне 27 МГц зависит от диаметра трубок – табл. 2.2.

Таблица 2.2 – Длина элементов антенны GP

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 l/3. 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 l/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. 2.6.

Рис. 2.6 – Короткозамкнутый шлейф

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

Конструкция полуволновой антенны GP длиной l/2 – рис. 2.7. 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. 2.7 – Полуволновая антенна GP

Наиболее эффективная для дальней связи антенна – GP длиной 5l/8 – рис. 2.8. 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)l, 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.

Рис. 2.8 – Антенна GP длиной 5l/8

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.

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. 2.9. При этом резонансная частота антенны понижается и длину штыря придется несколько уменьшить.

Рисунок 2.9 – Средство расширения полосы частот антенны

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.

На российском рынке имеются антенны заводского изготовления как отечественные, так и импортные, – рис. 2.10.

1 – l/4

2, 3 – l/2

4 – 5l/8

Рис.2.10 – Конструкции серийных базовых антенн

Список использованной литературы

1. Драбкин А. Л., Коренберг Е. Б. Антенны. — М,: Радио и связь, 1992. — 144 с.

2. Харченко К.П. Антенны горизонтальной поляризации. – М.; Радио и связь, 1984. – 48 с.

3. Кубанов В.П. Антенны и фидеры - назначение и параметры: Учебное пособие. - Самара: ПГУТИ, 2012. - 60 с.