Существует несколько вариантов рамочных антенн, отличающихся друг от друга геометрической формой активного элемента, который может быть выполнен в виде круга или многоугольника, например, четырех или треугольника. В любом случае периметр рамки должен быть равен примерно длине волны. Наиболее удачной формой является квадрат, так как он представляет собой синфазную решетку из двух полуволновых укороченных вибраторов.

 Рис.1.

На рис.1а показан полуволновой вибратор, а на рис.1б — полуволновой укороченный вибратор, вертикальные стороны которого не излучают, а значит, и усиление укороченного вибратора будет меньше.

Но квадрат можно рассматривать как синфазную решетку из двух укороченных полуволновых вибраторов, поэтому общее усиление рамочной антенны в виде квадрата будет больше, чем у одиночного полуволнового вибратора. Для настройки в резонанс общий периметр излучающей рамки должен быть на 1,5% больше l (т.е. равна 1,015l ).

Рис.2.

Направленные свойства антенны, кроме диаграммы направленности, выражаются количественной мерой — коэффициентом направленного действия (КНД) G. Этот важный параметр показывает, во сколько раз должна быть увеличена мощность, излучаемая антенной в главном направлении, если ее заменить ненаправленной антенной, излучающей одинаково во всех направлениях. Обычно КНД выражают в децибелах.

Так, например, полуволновой вибратор имеет КНД по мощности G = 1,64 (что составляет 2,15 дБ). На практике чаще пользуются КНД, отнесенным к полуволновому вибратору. Легко видеть, что разница составляет 2,15 дБ. Так, например, если КНД антенны, отнесенной к идеальному излучателю, равен 10 дБ, то КНД, отнесенный к полуволновому вибратору, составит

10 - 2,15 = 7,85 (дБ).

Иногда используют другой параметр, подобный КНД. Его называют "усилением" антенны. Он равен произведению КНД на КПД антенны. КПД учитывает все потери в антенне. Одиночный полуволновой вибратор имеет G=2,15 дБ, вибратор в виде квадрата — 3,1 дБ.

 Рис.3.

Мнение о том, что рамочные антенны менее подвержены индустриальным низкочастотным помехам, необоснованно. Разрезной полуволновой вибратор, имеющий симметрирующее устройство в виде короткозамкнутого четвертьволнового шлейфа, в такой же степени защищен от низкочастотных индустриальных помех, как и рамочный излучатель.

Рассмотрим влияние конфигурации рамки (рис.2) на параметры антенны. Изменение конфигурации рамки при одной и той же длине проводника приводит к ухудшению КНД, изменению входного сопротивления и поляризации излучающего элемента.

 Рис.4.

Превращая квадрат в петлевой вибратор (рис.2а), мы уходим от синфазной укороченной решетки. Это приводит к падению усиления и росту сопротивления. Вытягивая квадрат в высоту, приходим к неизлучающей двухпроводной линии (рис.2с).

В "дельте" (или треугольнике) в трех острых углах токи текут встречно, образуя неизлучающие участки, т.е. уменьшается апертура, и, соответственно, падает усиление. При низком размещении антенны над землей, наибольшее влияние земля оказывает на треугольник, запитанный в середину нижней стороны.

Рис.5.

Теория и практика показывают, что вибратор с горизонтальной поляризацией, расположенный близко от проводящей поверхности, образует со своим зеркальным отображением плохо излучающую систему (условно можно считать, что процессы в такой системе похожи на процессы в двухпроводной линии).

На рис.3 показано изменение входного сопротивления антенны типа "треугольник" при разной высоте подвеса над землей.

На НЧ-диапазонах наиболее удачным вариантом конфигурации и размещения рамки относительно земли является "квадрат", установленный на одном из углов и запитанный сверху (рис.4). По высокой частоте нижний угол является точкой нулевого потенциала, и его смело можно (и нужно) заземлить.

Для улучшения формы диаграммы направленности и усиления, оптимальная высота подвеса должна составлять 0,5l от геометрического центра фигуры (рис.4а), но т.к. квадрат является синфазной решеткой, можно поставить нижний угол прямо на землю, немного потеряв при этом в усилении (рис.4б).

Рис.6.

Еще один положительный фактор заключается в том, что на квадрат, установленный на одном из углов и запитанный сверху, мачта практически не оказывает никакого влияния.

Квадрат запитывается в верхней точке при помощи короткозамкнутого четвертьволнового шлейфа, который несет в себе сразу две функции, являясь трансформатором сопротивлений и симметрирующим устройством.

Шлейф представляет собой двухпроводную линию длиной 0,25l , закороченную с нижнего конца.

Он может быть выполнен из антенного канатика (рис.5), являясь продолжением полотна рамки, или из биметалла. Расстояние между проводниками шлейфа — 50...150 мм (не критично).

При помощи ВЧ-моста или КСВ-метра в верхней части шлейфа находится точка подключения кабеля питания. На НЧ-диапазонах в одиночных квадратах стороны рамки могут выполнять роль части оттяжек, поддерживающих мачту.

Если позволяет место, оттяжки можно удлинить до 0,5l и использовать как дополнительные антенны для создания синфазной решетки с большим коэффициентом усиления (рис.6).

Рис.7.

Для этого параллельно нижним полотнам квадрата установлены дополнительные проводники, образующие двухпроводные линии.

В точках 2 и 4 эти проводники крепятся к изоляторам и переходят в полуволновые вибраторы-оттяжки (отрезки 1-2 и 4-5). Двухпроводные линии в точке 6 закорочены и заземлены на мачту.

Рис.8.

В результате мы получили два короткозамкнутых четвертьволновых шлейфа, которые являются фазосдвигающими цепями, запитывающими два дополнительных вибратора. В точках 7 и 8 требуется установить короткозамыкатели для регулировки длины шлейфов.

Схема эквивалентна запитке обычной коллинеарной антенны (рис.7).

На базе такой антенны возможно изготовление двухэлементной антенны с активным питанием элементов, в которой можно изменять или переключать диаграмму направленности. Антенны располагаются параллельно друг другу на расстоянии 0,15 ± 0,25l .

Схема питания двухэлементной антенны с переключением диаграммы направленности показана на рис.8.

Длина линии задержки зависит от расстояния между антеннами.

Если расстояние между антеннами составляет 0,25l , то длина линии задержки равна 90l . Длина кабеля линии задержки равна 0,25l - k (где k — коэффициент укорочения кабеля).

Отрезки кабеля, соединяющие обе антенны, могут быть любой длины, главное, чтобы они были равны между собой. Кабель, соединяющий антенны, и кабель линии задержки имеют волновое сопротивление 75 Ом.

Рис.9.

При соединении двух антенн сопротивление в точке подключения реле составит 37,5 Ом, поэтому после реле необходимо установить четвертьволновый отрезок кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом, тем самым, трансформируя 37,5 Ом в 75 Ом. 75-омный кабель, который проложен к передатчику, может иметь произвольную длину.

Поворотные антенны типа двойной квадрат также целесообразно располагать как квадрат, установленный на одном из углов и запитанный сверху (рис.9).

Такая конструкция более ветроустойчива, в точку питания не затекает вода, настроечные шлейфы находятся в нижней части рамок, что создает дополнительные удобства при их настройке. Четвертьволновое симметрирующее устройство, выполненное из РК-кабеля, крепится к верхней вертикальной стойке.

Рис.10.

Рассмотрим конструкцию узла крепления симметрирующего устройства и полотна рамки (рис.10).

1. Кабель РК.

2. Несущая вертикальная стойка.

3. Антенный канатик или провод (полотно рамки).

4. Диэлектрическая крышка.

5. Изолятор (пластина из стеклотекстолита).

6. Медные или латунные пластинки для распайки РК — кабеля и полотна.

Крышка по одному из размеров больше изолятора (для создания вентиляционных щелей).

Симметрирующий мостик крепится к вертикальной стойке в нескольких местах изоляторами, показанными на рис.11.

Рис.11.

Окончательную настройку антенны необходимо производить на высоте ее постоянной эксплуатации или не ниже 0,5l , от земли. Для такой настройки необходимо изготовить несложные приспособления, позволяющие изменять периметр рамок дистанционно.

На рис.12 показан один из вариантов изготовления узла, позволяющего дистанционно изменять длину настроечного шлейфа каждой из рамок. Этот узел состоит из стеклотекстолитовой пластины (2), которая крепится к нижней трубе (1).

Рис.12.

На этой пластине крепится латунная или медная пластина (3) с роликом (4) и прижимным механизмом, (рычаг и пружина) который фиксирует ролик и не позволяет ему произвольно проворачиваться, обеспечивая дополнительный контакт шлейфа с полотном ролика.

Шлейф (5) выполнен из медного канатика. Длина шлейфа регулируется при помощи капроновых шнурков (6). Ролик (7) и корпус (8) изготовлены из пластмассы.

При настройке элементов, антенну временно фиксируют двумя дополнительными оттяжками, чтобы конструкция не раскачивалась во время настройки.

Вначале производят настройку активного элемента в резонанс, контролируя этот процесс ВЧ-мостом или при помощи КСВ-метра. Затем настраивают рефлектор по максимальному подавлению заднего лепестка диаграммы направленности антенны.

Настройка осуществляется с помощью измерительного зонда, расположенного на расстоянии не менее 2l от антенны. После настройки рефлектора необходимо еще раз подстроить активный элемент. Эти операции повторяются несколько раз.

После окончательной настройки, антенна опускается вниз, и измеряется длина настроенных шлейфов на каждой из рамок.

После этого с узла снимается ролик (4) прижим, пружина и пластмассовый блок. Гибкий шлейф меняют на жесткий, выполненный из биметалла, фиксируя его на пластине (2).

Рис.13.

Симметрирующий короткозамкнутый шлейф (рис.13) изготавливается из того же кабеля, которым запитывается антенна. Его длина — 0,25...0,96l , в нижней части шлейфа оплетки спаяны перемычкой.

По длине шлейфа установлены несколько изоляторов, выполненных из фторопласта или любой другой пластмассы (рис.11).

К точкам А подпаивается полотно рамки активного элемента (рис.10). В правом четвертьволновом отрезке шлейфа центральная жила кабеля не используется. Расстояние между проводниками шлейфа не критично, выбирается чисто из конструктивных соображений от 50 до 150 мм.

Короткозамкнутый четвертьволновый шлейф, являясь симметрирующим устройством, дополнительно несет несколько функций — улучшает КСВ по краям диапазона и является дополнительным фильтром верхних частот (ФВЧ), снижая уровень низкочастотных индустриальных помех.

Рис.14.

К наиболее неудачным конструкциям рамочных антенн следует отнести антенны типа G4ZU или им подобные, где рамки расположены не параллельно друг другу.

Степень подавления заднего лепестка в диаграмме направленности такого типа антенн напрямую связана с углом прихода радиоволн.

На трассах разной протяженности, с изменением угла прихода, подавление заднего лепестка может колебаться от нуля до максимум 12 дБ, коэффициент усиления таких антенн всегда ниже, чем у классических антенн, имеющих такое же количество элементов. Это связано с наличием больших боковых лепестков.

На рис.14 приведена диаграмма направленности антенны типа G4ZU, полученная в результате измерений на профессиональном стендовом оборудовании.

Пунктирной линией отображена диаграмма направленности антенны без симметрирующего устройства.

В. Приходько (EW8AU)

Материал подготовил А. Кищин (UA9XJK).