Глава 4. Ромбические антенны

Ромбическая антенна является дальнейшим развитием антенны Бевереджа. Читатель, внимательно прочитавший главу о них, понимает, что антенне Бевереджа присущи свои недостатки. Это – малый КПД, сильное влияние земли. Всё это устранено в ромбической антенне. Ромбическая антенна, как и антенна Бевереджа является антенной бегущей волны. В дальнейшем будем ее называть “Р.А”.

 

1. Переход от антенны Бевереджа к Р.А.

Относительно высокие характеристики антенны Бевереджа (или антенны бегущей волны-АБВ) при минимальных затратах на ее изготовление, послужили причиной попыток ее использования и в УКВ - диапазоне. Но УКВ антенны должны быть приподняты над землей для повышения дальности связи.

Простое поднятие АБВ над землей приводит к тому, что провод, который ранее был “земляным”, тоже начинает излучать (рис.1). КПД антенны в таком случае должен увеличиться примерно вдвое.

Приподняв антенну Бевереджа над землей, мы получили разные высоты под проводниками h₁ и h₂. Такое расположение дает нам рассимметрирование антенны и искажение ее диаграммы направленности. Очевидный путь исправления такого положения – параллельное расположение проводников относительно земли (рис.2).

Чем выше над землей будет поднята антенна, тем меньше будет влияние земли на работу антенны. На практике доказано, что высота подвеса около длины волны уже почти полностью исключает влияние земли. Значит, подняв антенну, мы еще более увеличим ее КПД. Но то, что возможно на УКВ, в диапазоне КВ и СВ не всегда возможно, поэтому в этих диапазонах волн Р.А. подвешивается на той высоте, которую можно реально обеспечить для эффективной работы антенной системы.

Очевидно, что, выполнив антенну точно по рис.2, мы получим точки перегиба, где будет резко меняться волновое сопротивление антенны. Это может вызвать повышенный КСВ.

Но для увеличения интенсивности излучения ЭМВ необходимо увеличивать расстояние d между проводами полотна антенны.  Из этого логически вытекает построение ромбической антенны как показано на рис.3. Это антенна, поднятая над землей на значительную высоту и образующая ромб. Она имеет коэффициент усиления и КПД гораздо выше антенны Бевереджа.

Исходя из реальных условий, которые обычно существуют при установке радиолюбительских антенн, ниже рассмотрим два варианта выполнения ромбических антенн – оптимальный и неоптимальный.

 

2. Неоптимальная ромбическая антенна.

Неоптимальная ромбическая антенна – это антенна, сторона ромба которой меньше половины длины волны и высота подвеса меньше четверти длины волны.

Скорее всего, именно такую антенну Вы сможете использовать на 160 и 80 метров. Входное сопротивление такой антенны все равно будет равно примерно 600 Ом. Неоптимальность ее заключается в том, что она будет иметь КПД около 10-20%, т.е. почти 80% мощности передатчика будет рассеиваться на нагрузочном резисторе. Угол излучения ЭМВ в вертикальной плоскости будет более 45° . В то же время эта антенна будет иметь подавление заднего лепестка не менее 10 децибел. Являясь неоптимальной, Р.А. на 160 и 80 метров эта антенна работает все равно эффективнее подвешенных на такой же высоте диполей, которые и необходимо настраивать и низких штырей, имеющих КПД в этих диапазонах на порядок ниже, чем Р.А.

Поэтому, если Вы имеете достаточное количество провода и подходящие точки опоры, то можно смело ставить Р.А. (рис.5), которая не нуждается в настройке и работает во всех любительских диапазонах. При переходе к верхним диапазонам неоптимальная антенна станет оптимальной.

 

3. Оптимальная Р.А.

Приведу данные расчета оптимальной Р.А. (1).

В такой антенне высота подвеса равна длине волны, сторона L равна 4 длинам волн, а угол b равен 120° (рис.3). Антенна с этими данными имеет подавление заднего лепестка не менее 20 децибел, угол излучения к горизонту в вертикальной плоскости не более 15° . Рекомендуемое сопротивление нагрузки составляет около 400 Ом. КПД такой антенны может достигать 90 %. При переходе к меньшим длинам волн характеристики антенны почти не меняются.

Понятно, что антенна для десятиметрового диапазона со стороной L длиной 40 метров и высотой подвеса равной высоте пятиэтажного дома 20 метров будет неоптимальной на 160 и 80 метров, но иметь уже очень хорошие параметры на 40- и 20-метровом диапазоне и превос-ходные параметры на остальных верхних диапазонах.

 

4. КПД, мощность.

На рис.4 показан рассчитанный мной КПД для ромбической антенны, приведенной на рис.3.

Поскольку в Р.А. существует режим бегущей волны и, вследствие этого, возможно ее оптимальное согласование с кабелем, она может выдержать большие мощности, подводимые к ней. Например, при выполнении такой антенны из провода диаметром 4-6 мм, она может выдержать мощность, подводимую к ней в 600-800 киловатт. Необходимо лишь так выбрать нагрузку, чтобы она выдержала мощность, рассеиваемую на ней. Для повышения КПД Р.А. Б.В. Брауде предложил ромбическую антенну с плавной трансформацией сопротивления. Формула для КПД АБВ (см. раздел “Антенна Бевереджа”), верна и для Р.А. Из нее видно, что еще один путь к повышению КПД антенны- это уменьшение сопротивления нагрузки. Но для подавления заднего лепестка необходимо согласование волнового сопротивления Р.А. с нагрузочным, а при больших расстояниях между проводами полотна волновое сопротивление равно около 600 Ом. В антенне Б.В. Брауде волновое сопротивление плавно трансформируется от высокого значения к низкому (рис.6).

Благодаря этому на конце нагрузки волновое сопротивление получается низким, уменьшается и среднее сопротивление антенны. Уменьшение сопротивления антенны, кроме увеличения ее КПД, позволяет также увеличить и КПД согласующих устройств. Недостатком такой антенны является то, что ее можно использовать только для работы в одном направлении.

Рекомендации по выбору и размещению нагрузки приведены в главе, посвященной антенне Бевереджа. Но в антенне Бевереджа нагрузка легко доступна, а в Р.А. она может быть труднодоступной при расположении ее прямо у полотна антенны. Для обеспечения доступа нагрузка и трансформатор подключаются к Р.А. через двухпроводную открытую линию (рис.7). Это необходимо потому, что в Р.А. возможно повреждение, как нагрузки, так и трансформатора и при прямом ударе молнии в антенну и при чрезмерной мощности, подводимой к Р.А. на ее неоптимальных частотах.

 

5. Диаграммы направленности Р.А.

Упрощенный график диаграммы направленностей в вертикальной плоскости для Р.А., показанной на рис.3, приведен на рис.8. Подробные графики диаграммы направленности для различных типов Р.А. приведены в Л.1.

В Р.А. с длиной L более 4 длин волн, на которых она работает, будут присутствовать боковые лепестки большой интенсивности (рис.9). Если радиолюбители могут с ними примириться, то для профессиональной связи они могут быть “лишними”.

Для борьбы с ними применяется двойная ромбическая антенна, предложенная Г.Айзенбергом. Такая антенна состоит из двух ромбических антенн, смещенных примерно на 0,25 L в горизонтальной плоскости относительно малой оси ромба и на 0,1 L в вертикальной плоскости (рис.10). При таком выполнении Р.А. боковые лепестки одной антенны попадают в минимум другой. При этом задние лепестки вычитающие, а передние складывающие. В результате этого уровень задних лепестков снижается, а передних возрастает. КПД двойной антенны несколько выше, чем одиночной.

В любительских условиях, двойную Р.А. выполнять нецелесообразно. Для переключения диаграммы направленности “вперед-назад” можно использовать способы, приведенные в главе об антенне Бевереджа.

 

6. Суррогатные ромбические антенны.

Если невозможно использовать ромб, поднятый на одинаковую высоту, для полотна Р.А., то можно использовать и суррогатные Р.А. Необходимо лишь, чтобы минимальная высота подвеса сторон Р.А. была не менее одного метра, на концах питания и нагрузки антенна “сходилась”, а в середине расширялась. Тупой угол b (рис.3) не должен превышать 120°. Примеры суррогатных антенн приведены на рис.11.

Антенны на рис.11а даже иногда используются и в профессиональной связи. Конечно, КПД и диаграмма направленности суррогатных Р.А. будут хуже, чем КПД и диаграмма направленности классической Р.А. Но, если невозможно установить нормальную Р.А., можно вполне обойтись и суррогатной.

7. Грозозащита Р.А.

Ромбические антенны вследствие своих значительных размеров и большой высоты подвеса сильно подвержены статическому электричеству и прямому попаданию молнии в полотно антенны. При использовании коаксиала для питания РА через трансформатор, накопленный антенной статический заряд может прожечь трансформатор и повредить радиоаппаратуру. Для снятия статического заряда используются обычные меры – заземление полотна антенны через резистор сопротивлением 10-50 КОм и мощностью свыше 5 Ватт на надежную электротехническую “землю”. При прямом попадании молнии такой резистор может сгореть. Для защиты резистора от перенапряжения в антенне используют разрядники (рис.12).

Простейший самодельный разрядник – это подстроечный конденсатор марки КПВ с немного введенными внутрь пластинами и зазором между ними около 0,5-1мм. Его необходимо защищать от влаги.

 

8. Влияние на работу Р.А. посторонних предметов.

Если посторонние предметы находятся на расстоянии более метра от полотна Р.А., можно не обращать на них внимание. Они исказят Д.Н. антенны, но на ее входное сопротивление, а значит, на согласование с линией питания повлияют мало.

Проблема в том, что сама Р.А. излучает интенсивную ЭМВ, имеющую как вертикальную, так и горизонтальную составляющую.

Между проводами полотна антенны существует сильное электромагнитное поле. Вследствие этого ромбическая антенна наведет значительные токи в вертикальных и горизонтальных проводах, расположенных внутри нее и на большом удалении от нее. Это может стать причиной TVI и радиопомех. Избавиться от них практически невозможно. Посторонняя антенна, находящаяся внутри полотна Р.А. будет работать плохо. Это относится ко всем типам антенн – и к штыревым, и к дипольным, и к рамочным. Лишь в одном случае можно не обращать внимание на внешнюю Р.А. – если расстояние от внутренней антенны до полотна Р.А. не менее длины волны, на которой работает внутренняя антенна. Можно попытаться уменьшить влияние внешней Р.А. на внутреннюю антенну путем подключения к фидеру питания Р.А. емкости, индуктивности и комбинации того и другого, так как это рекомендовалось в главе, посвященной магнитным антеннам.

Исходя из вышеизложенного, лучшим местом размещения Р.А. будет свободное от посторонних предметов пространство, и желательно свободное пространство в главном лепестке ее диаграммы направленности.

 

ЛИТЕРАТУРА:

1. Г.З. Айзенберг. Коротковолновые антенны. М. Радио и связь. 1985.

И.Н.Григоров (RK3ZK).