Приветствую, друзья. С Вами Тимур Гаранин.
В этот раз мы поговорим об антеннах с четвертьволновыми шунтами. В предыдущих роликах мы рассматривали TRAP-антенны и примеры применения коаксиального кабеля, в т.ч. четвертьвоновые трансформаторы. Так вот антенны с четвертьволновыми шунтами объединяют в себе два этих подхода.
Спасибо одному из подписчиков за то, что подбросил такую замечательную тему.
Антенны с четвертьволновыми шунтами используют отрезки кабеля в четверть длины волны в качестве колебательных контуров, т.е. разрывают полотно на заданной частоте.
Вспомним, как работают TRAP-антенны. Они представляют собой несколько отрезков полотна, разделенных колебательными контурами. На резонансной частоте сопротивление КК очень высоко, поэтому для частоты внутреннего диполя контуры представляют собой обрыв полотна. А низкая частота большого диполя беспрепятственно проходит сквозь всё полотно, индуктивность контура для неё действует как удлиняющая.
Теперь вспомним, как действует четвертьволновый трансформатор.
Если на дальнем от генератора конце мы имеем обрыв цепи, то на генераторе будет короткое замыкание. Если на дальнем конце короткое замыкание – на генераторе будет холостой ход. Говоря иначе, реактивное сопротивление замкнутого конца четвертьволнового трансформатора равно реактивному сопротивлению последовательного колебательного контура, а реактивное сопротивление открытого конца равно сопротивлению параллельного контура.
Это свойство четвертьволнового трансформатора великолепно подходит для того, чтобы создавать многодиапазонные антенны по принципу TRAP-антенн. Рассмотрим, как это делается.
Представим себе обыкновенный полуволновый диполь, допустим на частоту 300 МГц. Каждое его плечо равно четверти длины волны.
А теперь заменим его вибраторы на четвертьволновые коаксиальные трансформаторы, коротко замкнутые на подключаемом конце и разомкнутые на дальнем конце.
Для генератора это ничего не изменило. Генератор видит только активное сопротивление этой системы, которое по прежнему равно 75 Ом, а реактивное в точке подключения по прежнему равно нулю. Четвертьволновые трансформаторы излучают своей внешней поверхностью точно так же как обычный диполь. Противофазный ток, который появился во внутреннем проводнике, нас не волнует, т.к. он чисто реактивный, генератор его не видит, разве что потери на омическом сопротивлении, но они настолько малы, что их можно не учитывать. Генератор работает только на излучение с оплётки кабеля.
На дальнем от генератора конце плеча такого диполя у нас имеется разомкнутый конец четвертьволнового трансформатора. Этот разомкнутый конец коаксиала имеет свойства параллельного колебательного контура, при чём на частоте диполя. Поэтому такая антенна представляет собой не просто диполь, а диполь с параллельными контурами на концах плечей. И если мы подключим дополнительные отрезки полотна к центральной жиле на концах четвертьволновых трансформаторов, мы получим полный аналог TRAP-антенны.
Сигнал fв, в нашем случае 300 МГц, будет отражаться от точки соединения открытого конца коаксиала и продолжения полотна. В то время как низкочастотный сигнал fн, допустим 150 МГц, будет беспрепятственно проходить дальше по полотну. При чём точка соединения коаксиала и внешнего участка полотна будет работать как удлинительная индуктивность аналогично обычным TRAP-антеннам.
Рассмотрим распределение тока в такой антенне на двух частотах. Видим, что при работе на верхней частоте задействуется только центральный участок, т.е. внутренний диполь. А при работе на нижней частоте, которая в данном случае в два раза ниже верхней, задействуется всё полотно.
Несмотря на замечательные характеристики при работе в двух диапазонах, такие антенны имеют существенные ограничения в своём применении.
Во-первых, антенны такой конструкции могут работать только на двух частотах. Если нам нужно большее количество частот, конструкцию придётся усложнять.
А второе ограничение связано с соотношениями частот. И здесь нужно пояснить подробнее.
Ток во внешней части полотна подавляется по-разному в зависимости от соотношения длин волн.
Если внешняя часть полотна кратна нечетному количеству λ_в/4, то ток высокой частоты подавляется полностью в выступающей части полотна. Т.е. когда верхняя и нижняя частоты отличаются в чётное количество раз, 2, 4 и т.д., тогда антенна работает как двухчастотная. Например внутренняя часть работает на 300 МГц, а всё полотно целиком – на 150 МГц.
Но если часть полотна, подключаемая к концу коаксиала, кратна чётному количеству λ_в/4, либо иначе кратна λ_в/2, тогда ситуация совершенно другая. Например верхняя частота 300 МГц, а нижняя 100 МГц. Тогда выступающие отрезки полотна работают как полуволновые вибраторы на частоте fв, как элементы коллинеарной антенны. Сопротивление полуволнового отрезка так же велико как сопротивление открытого конца коаксиала, поэтому вся антенна становится согласованной на λ_в. А низкая частота значительно ослабляется. Антенна становится практически однодиапазонной коллинеарной.
Иначе говоря, антенна такой конструкциии работает как двухдиапазонная тогда, когда от конца антенны до шунта нечётное количество λ_в/4, соотношение частот чётное. Если от конца антенны до четвертьволнового шунта расстояние составляет чётное количество λ_в/4 и соотношение частот нечётное, то антенна становится однодиапазонной.
Для того, чтобы такие антенны работали как двухдиапазонные на произвольных соотношениях частот, нужно, путём включения реактивных элементов в выступающую часть полотна, добиваться того, чтобы в точке раскрыва шунта у выступающей части полотна были параметры последовательного резонанса, т.е. максимума тока и минимума напряжения, на частоте fв.
Например, мы хотим сделать двухчастотную антенну с соотношением частот 1:3. Одним из способов реализации такой антенны является включение в определённую часть её полотна определённой индуктивности. [Детальнее: Овсянников В. В. «Вибраторные антенны с реактивными нагрузками»]
В результате включения индуктивности в полотно антенны мы достигаем условие последовательного резонанса в точке подключения выступающей части антенны к коаксиальному шунту, и антенна получает способность работать в двух диапазонах с соотношением частот 1:3, чего без дополнительной реактивности достичь нельзя.
В принципе, регулируя длину выступающей части антенны, индуктивность и место её включения в полотно, можно добится любого произвольного соотношения частот, на которых у антенны наблюдается резонанс и усиление.
Допустимо ли использовать в многочастотных антеннах шунты не из коаксиального кабеля, а из многопроводной линии? — Да,это допустимо и при этом открывается возможность создавать антенны более чем на две частоты.
На рисунке Вы видите пример трёхчастотной, а точнее трёхвибраторной, антенны, конструктивно представляющей трёхпроводную линию с двумя шунтами.
Шунты из симметричной линии обладают такими же свойствами как и коаксиальные четвертьволновые шунты. Т.е. на замкнутом конце имеют условия последовательного резонанса с минимальным реактивным сопротивлением, а на открытом конце – условия параллельного резонанса с максимальным реактивным сопротивлением.
Каждый проводник трёхпроводной линии работает как четвертьволновый вибратор для своей частоты. В полотне вибраторов 2 и 3 присутствую соответствующие индуктивности L2 и L3 для установления условий последовательного резонанса выступающих частей полотна в точках подключения к шунтам, как уже говорилось ранее.
Включение шунта непосредственно в точку соединения с фидером – не единственный вариант его расположения. Четвертьволновый шунт на верхнюю частоту можно включить в точку λ_в/2 от начала вибратора. И эффект будет тот же. Для высокой частоты раскрыв шунта будет представлять большое сопротивление, поэтому верхняя частота отразится от раскрыва шунта и не пройдёт дальше по полотну.
Ток высокой частоты будет распределён только внутри малого диполя размером λ_в/2, в то время как ток низкой частоты будет распределён по всему полотну.
Комбинируя количество вибраторов, расположения шунтов и реактивностей в вибраторах, можно теоретически добиться работы антенны в большом количестве диапазонов с любым соотношением частот.
Закрепим главное:
1. Диполь, плечи которого представляют собой четвертьволновые трансформаторы, аналогичен диполю с параллельными колебательными контурами на концах
2. Принцип работы двухдиапазонных антенн с коаксиальными шунтами близок к TRAP-антеннам
3. Наилучшее подавление высокой частоты в выступающей части полотна достигается при четном соотношении частот. Наихудшее подавление – при нечетном соотношении частот.
4. Используя реактивности в плечах антенны можно добиться многодиапазонного режима при любом соотношении частот
5. Использование четвертьволновых шунтов на основе многопроводных линий позволяет создавать многодиапазонные антенны
Надеюсь, ролик был для Вас полезен и Вы почерпнули для себя что-то новое. Ставьте лайк, в комментариях оставляйте вопросы и предложения для следующих выпусков. И обязательно делитесь роликом, это жизненно необходимо для роста канала.
Всем удачи!
