Скелетно-щелевая антенна: мифы и реальность

Владимир ПОЛЯКОВ (RA3AAE)

Если судить по иностранной радиолюбительской литературе, скелетно-щелввая антенна пользуется популярностью на частотах выше 20 МГЦ. В публикуемой статье предпринята попытка ответить на вопрос — насколько заявленный в литературе ее коэффициент направленного действия соответствует действительности.

В книгах по УКВ антеннам неоднократно описывалась так называемая скелетно-щелевая антенна, причем все без исключения публикации сообщали о ее весьма высоких параметрах, большом коэффициенте направленного действия (КНД), широкой полосе частот и удобстве настройки. Идея антенны предложена Дж. Рамсеем еще в 1949 г. [1], ее конструкция показана на рис.1, заимствованном из [2]. Активный элемент антенны представляет собой три параллельных полуволновых диполя, расположенных в три этажа друг над другом. Для уменьшения габаритов антенны концы верхнего и нижнего диполей согнуты под прямым углом по направлению к среднему диполю и соединены с ним. От него же они и возбуждаются. Средний диполь сделан разрезным и соединен с согласующей четвертьволновой двухпроводной линией, одновременно служащей для крепления рефлектора. Рефлектор выполнен как у волнового канала в виде одиночного вибратора, электрическая длина которого несколько больше полуволны. Размеры антенны в длинах волн и значения коэффициента укорочения к, зависящего от диаметра проводников (трубок) d, приведены на рис. 1. Перемещая точку питания XX вдоль двухпроводной линии, можно изменять входное сопротивление антенны от нулевого (около рефлектора) до примерно 400 Ом (в точке YY около активного элемента).

Распределение тока в активном элементе показано на рис. 2. Видно, что пучности (максимумы) тока расположены как раз посередине горизонтальных частей элемента, образуя трехэтажную синфазную систему. В вертикальных частях активного элемента токи невелики и направлены навстречу друг другу. Кроме того, здесь находятся четыре узла тока, поэтому излучение вертикальных частей в дальней зоне отсутствует. Напомним, что в дальней зоне практически полностью формируется диаграмма направленности антенны. Расстояние до дальней зоны составляет несколько длин волн. Оно тем больше, чем больше КНД антенны.

Активный элемент скелетно-щелевой антенны можно также рассматривать как два квадрата, совмещенных одной стороной и точками питания. Однако по сравнению с двумя полноразмерными квадратами периметр активного элемента скелетно-щелевой антенны получается несколько меньше, вероятно из-за укорачивающего действия емкости между вертикальными проводниками элемента. Похожую антенну предложил К. Харченко [3], но в ней два квадрата запитаны с углов и совмещены точками питания.

У простой скелетно-щелевой антенны недостаточно эффективен рефлектор. Устранить этот недостаток можно, выполнив рефлектор точно так же, как и активный элемент (в виде такой же трехэтажной конструкции вибраторов). Двухпроводные линии теперь уже нельзя разместить между элементами, но никто не мешает провести их в плоскости каждого элемента к точке с нулевым потенциалом в середине нижнего горизонтального вибратора.

То, что получается после такой модификации, изображено на рис. 3. Размеры самих элементов остаются прежними, а расстояние между активным элементом и рефлектором уменьшается до 0,18l. У этой антенны есть и еще одно достоинство. Перемещая по двухпроводным линиям закорачивающие перемычки, элементы удается подстраивать ее на нужную частоту, а передвигая перемычку рефлектора, легко настроить антенну на максимальный КНД или отношение излучения вперед-назад.

Для такой двухэлементной антенны, описанной в [2 и 4], сообщается о необычайно высоком КНД в 14... 16 дБ! Если бы вторая из названных книг была не серьезным изданием, тогда еще можно было махнуть рукой и не принимать этой цифры всерьез. Но эта книга в целом очень хорошая и почти не содержит ошибок. Ее автор, конечно, не мог испытать все множество приведенных в ней конструкций. Следовательно, если это ошибка, то она появилась раньше, в каких-то других изданиях, и найти первоисточник теперь затруднительно. Вполне понятно, что синфазная система вибраторов должна давать больший КНД, чем одиночный вибратор, но вопрос — насколько? Хотя в [2] на с. 100 и утверждается, что антенна "...фактически является шестиэлементной трехэтажной синфазной", но ведь вибраторы оказываются довольно близко друг к другу, и к тому же укорочены. Это неизбежно должно снизить эффективность. Таким образом, вопросов оказалось больше, чем ответов. К тому же знакомые автору радиолюбители собрались строить именно такую антенну на диапазон 10 метров и уже готовы были потратиться на материал, а он нынче недешев!

Чтобы получить ясный и четкий ответ на вопрос о КНД, был проведен эксперимент в диапазоне 432 МГц. Элементы были согнуты в соответствии с рис. 3 из отрезков эмалированного медного провода диаметром 1,5 мм, соединения пропаяны, а проводники линий в местах установки замыкающих перемычек и присоединения кабеля зачищены от изоляции. Вся конструкция была собрана на деревянном каркасе из сухих тонких реек. Кабель питания проходил от точек питания вдоль того проводника двухпроводной линии, с которым соединялась оплетка, вертикально вниз и подключался непосредственно к выходу генератора стандартных сигналов. Индикатором поля служил полуволновый диполь с детектором и микроамперметром. Он располагался на штативе на расстоянии нескольких метров от антенны. Антенна также закреплялась на примитивном поворотном штативе, который позволял изменять ее ориентацию.

Настроилась антенна достаточно легко и быстро, просто по максимуму излучения в главном направлении. При указанных размерах на частоте 432 МГц расстояния замыкающих перемычек от основания двухпроводных линий для настроенной антенны получились такими: у рефлектора — 43 мм, у активного элемента — 28 мм. Расстояние до точки подключения 50-омного кабеля было 70 мм.

При настройке на максимум КНД обнаруживается небольшой задний лепесток. Подстроив рефлектор, его можно подавить практически полностью. Излучение вбок, вверх и вниз отсутствовало.

КНД, точнее выигрыш антенны, равный произведению КНД и КПД, определялся следующим образом: на индикаторе отмечался уровень сигнала, создаваемый антенной в главном направлении, затем вместо антенны к питающему кабелю подсоединялся полуволновый диполь, расположенный в той же точке пространства. Уровень сигнала от генератора повышался настолько, чтобы получить на индикаторе те же самые показания. Отсчитанное по аттенюатору генератора изменение уровня сигнала численно равно выигрышу антенны относительно полуволнового диполя. Для данной антенны он оказался равным 7 dBd. Относительно изотропного(всенаправленного) излучателя он будет на 2,15 dB больше и составит около 9,2 dBi.

Обратите внимание на буквы d и i в обозначении децибелов — в литературе по антеннам так принято указывать, относительно какого излучателя измерен КНД.

Ширина диаграммы направленности по половинной мощности составила в горизонтальной плоскости (по азимуту) около 60', а в вертикальной плоскости (по углу места) около 90'. Имея эти данные, КНД можно рассчитать и еще одним способом: телесный угол, в который излучает антенна, равен произведению линейных углов, соответствующих ширине диаграммы и выраженных в радианах. Получаем значение около 1,5 стерадиана. В то же время изотропная антенна излучает в телесный угол 4p, или 12,6 стерадиана. КНД по определению есть отношение этих телесных углов и составляет 12,6/1,5=8,4 или 9,2 dBi.

Получив столь хорошее совпадение значений КНД, определенных двумя методами, автор решил, что измерять больше уже нечего и с легким разочарованием лишний раз убедился, что чудес в антенной технике не бывает. Тем не менее антенна работает очень хорошо и при небольших габаритах (330x120x120 мм в диапазоне 432 МГц) обеспечивает весьма приличный выигрыш.