Записки программиста

Сегодня мы познакомимся с антенной, которая ранее не рассматривалась в этом блоге. Она называется петлевой диполь, петлевой вибратор или folded dipole. Петлевой диполь обычно не используется, как самостоятельная антенна, однако его часто применяют в качестве активного элемента в антеннах Уда-Яги. Дело в том, что в плане диаграммы направленности, усиления и так далее петлевой диполь аналогичен простому диполю. Главное же его отличие заключается в более высоком входном сопротивлении, около 300 Ом. С увеличением числа элементов входное сопротивление антенны Уда-Яги снижается, из-за чего затрудняется ее согласование. Использование активного элемента с высоким входным сопротивлением позволяет решить эту проблему.

Как можно догадаться по названию, петлевой диполь представляет собой вытянутую петлю. Периметр петли составляет около 1 λ. Используя балун 1:4 мы можем преобразовать импеданс антенны из 300 Ом в 75 Ом, что даст нам КСВ 1.5 при запитке коаксиальным кабелем 50 Ом. Это около 4% отраженной мощности, что, как правило, не критично. К тому же, реальный КСВ будет отличаться, так как антенна находится не в свободном пространстве. На нее влияет земля и находящиеся поблизости предметы, например, та же линия запитки. При необходимости 75 Ом можно преобразовать в 50 Ом, добившись тем самым полного согласования. Далее будет показано, как этого достичь.

Чтобы было интереснее, антенну было решено делать на радиолюбительский УКВ диапазон 2 метра. На УКВ вместо балуна 1:4 на ферритовых кольцах применяют схему под названием U-колено (иллюстрация позаимствована отсюда [PDF]):

Из рисунка мы сразу понимаем этимологию слова «U-колено»: полуволновой отрезок кабеля по форме напоминает латинскую букву U. В английском языке U-колено обычно называют как-то в стиле «1:4 coax balun».

Как же это работает? Когда ток выходит из коаксиального кабеля (слева), ему нет особой разницы, куда течь, поэтому он делится пополам. Половина тока уходит в антенну, а половина — в U-колено. Так как длина последнего составляет λ/2, то, пройдя U-колено, ток приходит в антенну в противофазе. Таким образом, имели ток I и напряжение от 0 до V, а получили ток I/2 и напряжение от -V до V. Применяя закон Ома, приходим к выводу, что импеданс увеличился в 4 раза.

Но этим мы показали лишь то, что U-колено выполняет роль трансформатора. Спрашивается, работает ли оно также и балуном? Ответ можно найти у Игоря Викторовича в разделе 3.6.5.3 на странице 128:

А [синфазный ток] в данном случае вообще отсутствует! Ему просто нет пути на оплетку — обратите внимание (это не ошибка и не опечатка) — оплетка кабеля с антенной вообще не соединена. Поэтому ничего с антенны на оплетку затечь не может.

Таким образом, U-колено выполняет роль не только трансформатора, но и балуна.

С теорией более-менее разобрались. Давайте же проверим все это хозяйство в деле. Антенна у меня получилась вот такая:

Полотно антенны было сделано из измерительной рулетки. Не знаю, что за металл в ней используется, но он неплохо паяется. Металл тонкий и его можно резать простыми ножницами, если у вас нет специальных ножниц по металлу. Краска легко снимается с рулетки при помощи надфиля. Полотно антенны крепится при помощи нейлоновых стяжек к Т-образной конструкции из пары труб ПВХ. При этом антенна прекрасно держит форму. Диаметр короткой трубы — 25 мм, диаметр длинной — 16 мм. В первой, более толстой, трубе при помощи шуруповерта и ступенчатого сверла было просверлено отверстие, в которое и вставляется вторая, более тонкая, труба.

В качестве кабеля 75 Ом был использован RG-6U+CU. Он недорог и имеет еще меньшие потери [PDF], чем RG213. Обратите внимание, что обычный кабель RG6 имеет алюминиевую оплетку, которая нам не подходит. Перед покупкой убедитесь, что используете вариацию кабеля с медной оплеткой, которая без проблем паяется с обычным флюсом, тем же ЛТИ-120. Измеренный коэффициент укорочения кабеля составил 0.84. Это типичное значение для кабеля со вспененным полиэтиленом в качестве диэлектрика. Таким образом, в U-колене использовался отрезок кабеля длиной 87 см.

После подстройки плечи антенны получились по 47.5 см. Здесь имеется ввиду расстояние от края до центра антенны, а не общая длина полотна в каждом из плеч. При этом был получен следующий график КСВ:

Можно заметить, что антенна имеет входной сопротивление около 75 Ом, как и ожидалось. Настройка велась на балконе, поэтому график немного менялся в зависимости от положения антенны. Но в среднем он выглядит, как на приведенном скриншоте, и КСВ никогда не превышает 1.5. В принципе, с такой антенной можно без проблем проводить радиосвязи. Проверено.

Но из спортивного интереса было решено попробовать согласовать ее еще лучше. Для этого был использован трансформатор из λ/12 отрезков кабелей (иллюстрация позаимствована отсюда):

Используя данную схему, можно согласовать любые два чисто активных импеданса для заданной частоты, если вы найдете подходящие кабели. В качестве кабеля 50 Ом я использовал RG213. Как мы ранее уже выясняли, его КУ составляет около 0.665. Соответственно, был использован отрезок длиной 11.5 см. Длина отрезка RG6 составила 14.5 см.

Итоговый график КСВ:

Если читать график буквально, то резонанс попал чуть ниже 145 МГц. Но раз антенна имеет полосу по уровню КСВ < 2 аж в 40 МГц, было решено не инвестировать время в ее дальнейшую подстройку. К тому же, есть подозрения, что провал ниже 145 МГц вызван влиянием на антенну ее окружения.

А что происходит с диаграммой направленности антенны на ее рабочем диапазоне? Ответ нам поможет получить cocoaNEC. Если верить модели (файл .nc), диаграмма направленности антенны в свободном пространстве остается неизменной во всей полосе.

Как уже было отмечено, петлевой диполь сам по себе используется редко. Антенна работает точно так же, как fan dipole с двумя парами плеч одинаковой длины, то есть, утолщенный диполь (файл .nc), и не дает по сравнению с ним существенных преимуществ. Отличие заключается только в более высоком входном сопротивлении.

Зато мы опробовали пару новых способов согласования. Особенно полезной мне видится схема на λ/12 отрезках кабелей. С ее помощью можно использовать RG6 в качестве замены RG213, преобразовав импеданс в 50 Ом на каждом из концов кабеля для заданой частоты. Таким образом, получаем более дешевый кабель, имеющий меньшие потери.

Метки: Антенны, Беспроводная связь, Любительское радио.