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无线电电子与电气工程百科全书 垂直定向天线。 无线电电子电气工程百科全书
创建具有垂直极化的定向天线的任务并不像乍看起来那么简单。 看起来他垂直转动了传统波束（波道）的元素，一切都井井有条，但问题是将这样的天线连接到桅杆上。 在 VHF 上，您可以将载波波束沿辐射方向移动到桅杆的一侧，但这样的天线在机械上是不平衡的，并且需要非常厚且坚固的桅杆来连接。 垂直天线的主要优点消失了 - 水平尺寸小、重量轻且易于安装。 但稍后会详细介绍，但首先我们需要详述垂直定向天线的选择概念。 设计简单轻便的天线的愿望使我们转向了 ZL 波束的设计，它仅包含两个有源供电元件，并且长度非常小，约为 L / 8 ... L / 10。 同时，如文献中所述，该天线的方向性系数 (DFA) 非常重要且等效于具有无源元件的三元波束的 DFA。 同样的思路用在“瑞士广场”上，同样有很好的参数，甚至更高的指向性。 因此，这些天线的工作原理值得仔细分析，我们现在将进行分析。
让我们取两个假设的点辐射器 S1 和 S2，它们位于距离 d，如图 1 所示。 4 在上面。 让发射器功率在发射器之间平均分配，因此发射器产生的场的幅度将相同。 但是为了获得定向辐射，发射器的激发相位必须不同。 首先，让我们考虑最简单的情况，当 d = V90 时，辐射器以正交方式馈电，即施加于它们的振荡的相移为 1°。 在矢量图上（在中间行，在中间），发射器的振荡由向量 s2 和 s180 表示。 角度 φ 对应于高达 90° 的额外振荡相移。 让我们也同意，通过将矢量顺时针旋转适当的角度来考虑波传播一定距离时的相位侵入（相位滞后）。 因此，例如，经过四分之一波路径的波将获得 XNUMX° 的相位偏移。 让我们考虑系统向右的辐射，波的相位将在发射器 S2 附近直接测量（进一步向右传播，来自两个发射器的两个波将获得相同的相位侵入，并且相位关系它们之间的振荡不会改变）。 相应的矢量图显示在右侧的中间行。 振荡 s2 不会改变，振荡 s1 在经过路径 L/90 后将获得 4°的相移。 结果，波将异相，并且在这个方向上没有辐射。 当波传播到发射器的左侧时，矢量 s1 将保持在同一位置，矢量 s2 将顺时针旋转 90°，因为来自发射器 s2 的波将通过路径 L / 4。 发射器 s1 附近的振荡矢量图示于图 1 左侧中间行。 可以看出，来自发射器 S1 和 S2 的波同相相加，总振荡幅度增加一倍。 以完全相同的方式，可以找到其他方向的辐射场。 为了更形象的表示，我们可以假设图 1 显示了两个鞭状天线 S1 和 S2 的俯视图。 这种由两个针组成的系统将具有接近心形的辐射模式。 辐射最大值将指向左侧，而辐射零将指向右侧。 在横向（图中上下），系统也会辐射，而且辐射非常显着，因为两个正交波会在这些方向上叠加。 通过将发射器 S1 和 S2 彼此靠近放置，例如距离 L/8，可以稍微增加辐射图的锐度。 这种情况的矢量图示于图 1 的底行。 一。 基于像以前一样应该不存在向右的辐射这一事实，我们确定了发射器振荡的相移。 它应该是 4p/135 或 1°，如底行中心的矢量图所示。 然后，当向右侧发射时，振荡矢量 s4 将转动 n / 45 或 2° 角，并与矢量 s1 反相（见右下排矢量图）。 当向左发射时，矢量 s2 和 s1,41 将不再同相，而是正交，产生的场幅度将不再像前一种情况那样加倍，而是仅比场大 2 倍每个发射器（左侧的矢量图）。 侧面的辐射也将减少，因为在这些方向上添加了接近反相的场。 发射器之间的距离可以做得更小，但为了获得单向辐射，将发射器中的相移补充到反相的角度 必须满足条件： φ = XNUMXpd/L，即也应该减少。 不应认为具有小 d 和几乎异相发射器的“短”天线的效率低于距离 d = L/4 的“全尺寸”天线的效率。 如果元件损耗可以忽略不计，那么提供给天线系统的所有功率都必须辐射，并且两个天线的场必须相同（忽略辐射方向图的微小差异）。 但是“短”天线的元件中产生相同场的电流很大，如果考虑到元件中的损耗，它们也会因大电流而增加。 “短”天线元件中的反相电流类似于并联振荡电路的线圈和电容器中的反相电流，其幅度与品质因数成正比。 同样，当振子之间的距离缩短且振子中的电流接近反相时，天线系统的等效品质因数增大，相应地，其工作频带减小。 这就是缩小规模的代价。 但是，随着振动器之间的距离 L/8...L/10，元件损耗和等效品质因数的增加不会超过 1,4...2 倍，并且通过减小天线尺寸完全得到回报，这是ZL梁的长期设计实践所证实的。
图 2 显示了最简单的 ZL 梁设计之一。 它包含两个分体式半波振动器（通常使用环形振动器），通过架空线用交叉线连接。 由于架空线路中的波缩短系数接近于XNUMX，那么当系统在“X-X”点供电时，振动器中的振荡相移恰好对应于上式。 通过改变（选择）它们的长度来实现更精确的元素相位。 在这种情况下，元件的谐振频率会发生变化，并且与任何振荡电路一样，根据其相频特性，其振荡相位会发生变化。 严格来说，电源甚至可以供电到线路的中间，元件的相位可以这样进行：一个元件稍微缩短，另一个元件稍微加长。 元件的失谐非常小，因为每个元件所需的相移仅为 f/2。 ZL 光束在水平面（方位角）的辐射方向图明显变窄，这也是因为振子本身不会侧向辐射。 在垂直平面上，图表稍微宽一些。 该天线非常适合作为水平极化的小型定向天线。 根据文献中的大量数据，其效率相对于偶极子达到 4 dB，或相对于各向同性（全向）发射器达到 6 dB。 由于明显的设计原因，将ZL梁振动器垂直放置并不容易，此外，电源线的接线也存在问题。 鉴于这些困难，作者的想法转向更合适的垂直散热器，这些散热器可以按照ZL梁的思想放置在彼此之间较小的距离。 其中一种辐射器是J型天线，其有两种版本，仅与馈线的匹配方式不同，如图3所示。
J 天线是一个从下端馈电的半波垂直振动器。 最后，振动器的电阻很高，达到几千欧，完全符合欧姆定律——毕竟这里的电流很小，电压很高。 为了使其与低电缆电阻相匹配，使用了四分之一波两线制线路。 在第一个变体中（图 3 左侧），其波阻抗应等于振动器和电缆电阻之间的几何平均值，即300 ... 600 欧姆范围内的任何东西。 通过改变线路的波阻抗（实际上是导体之间的距离）可以实现精确匹配。 这并不完全方便，因此 J 型天线的第二个版本（图 3 右侧）在许多方面都更好。 在这里，四分之一波长线的导体在下端简单地闭合，这个零电位点可以用任何长度的电线接地，连接到任何“质量”，例如房屋的屋顶或汽车，建设性地方便，但您根本无法在任何地方连接。 电力由一个自耦变压器在位于线路短路端上方一定高度的“XX”点提供给线路。 使用任何电缆，只需移动“XX”馈电点即可轻松匹配天线。 本实施例中的两线线路的波阻抗无关紧要。 进一步的思路如下：如果一个定向系统中的两个J天线并排放置，那么是否可以使用一条普通的两线制供电并协调它们？ 毕竟，线路开路端的导体上的电压是反相的，这正是为两个紧密间隔的振动器供电所需的电压！ 好吧，振动器 +f/2 和 -f/2 中振荡的必要相移可以通过改变它们的长度来获得 - 缩短一个并延长另一个。 仍有待决定如何将由 L / 8 分开的半波振动器的末端与并排放置的两线线的末端连接起来。 事实证明这很容易——毕竟振动器末端的电流很小，它们几乎不辐射，所以如果振动器的末端相互弯曲并直接连接到末端不会有任何问题的线。 一切都变得非常简单，以至于产生了怀疑——它会起作用吗？ 需要一个实验。 话音刚落，频率为 430 MHz（波长 70 cm）的天线由一根直径为 1,7 mm 的铜线弯曲而成。 其在实验过程中细化尺寸的草图如图 4 b) 所示。
波阻抗为 50 欧姆的电源线连接如图 4 c) 所示。 使“XX”馈电点处的触点可移动以便根据最小 SWR 选择这些点的位置很有用。 不幸的是，没有什么东西可以测量驻波比，而且馈电点的位置是根据主方向上天线场的最大值来选择的。 使用自制的现场指示器，由偶极天线、二极管检测器和 50 µA 测量头组成。 信号源是一个输出阻抗为 50 Ω 的测量振荡器和一个步进为 1 dB 的衰减器。 最初，天线被固定在台虎钳中，用于两线线的下底座，然后制作了一个原始的旋转支架。 虽然测量是在一个没有设备的房间里进行的，并且没有声称非常准确，但天线完全符合预期！ 首先，天线工作并向短振动器发出单向辐射。 其次，与位于同一位置并由同一根电缆馈电的半波偶极子相比，振荡器衰减器必须推入 4 dB 才能在现场指示器上获得相同的信号。 这使我们能够通过相同的数字来评估天线方向性因子。 垂直平面（振动器平面）中的辐射方向图如图 4a 所示，通常完全对应于二元光束的类似方向图。 在水平面上，该图是相同的，但稍微宽一些。 奇怪的是，通过调整元件的长度，可以实现完全没有后瓣（无论如何，现场指示器没有检测到它），但同时，增益有点，通过分贝的一小部分，比将天线调谐到最大增益时要小。 总之，我们提出了有关所提议天线设计的一些实际考虑。 为了增加机械强度，您可以在两线线路的末端安装绝缘体，在其弯曲和过渡到振动器导体的区域。 绝缘体必须是优质的，因为电压的波腹位于此处。 弯曲本身不必成直角，天线的“肩部”也可以倾斜。 此外，在作者看来，“肩膀”的位置并不是特别重要 - 它们可以位于更高或更低的位置。 更重要的是观察从两线线路底部到振动器顶端的导体的全长。 它应该是大约 0,73L。 对于短振动器（导向器）和长振动器（反射器）约 0,77L。 随着制造天线的导体（管）直径的增加，它们的长度会有所减少。 “厚”振动器的缩短因子可以在天线文献中找到。 我们还注意到，无需使用相同直径的管子制作振动器和两线制线路。 如果两线制的管子用大直径的管子做，振子做的比较薄，天线会更坚固，能更好地承受风荷载。 为了方便调整，在振动器的上端配备“顶桅杆”，可伸缩地插入主管中是有用的，因为像作者那样用剪线钳缩短振动器会带来不可逆转的后果 - 在那之后，振动器只能用烙铁加长。 作者：Vladimir Polyakov (RA3AAE)，莫斯科； 出版物：N. Bolshakov，rf.atnn.ru
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