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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 수직 지향성 안테나. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전
수직 편파가 있는 지향성 안테나를 만드는 작업은 언뜻 보이는 것처럼 간단하지 않습니다. 그는 기존 빔 (파동 채널)의 요소를 수직으로 돌리고 모든 것이 정상이지만 그러한 안테나를 마스트에 부착하는 문제가 발생합니다. VHF에서 캐리어 빔을 마스트의 측면으로 복사 방향으로 이동할 수 있지만 이러한 안테나는 기계적으로 불균형한 것으로 판명되었으며 부착을 위해 매우 두껍고 강한 마스트가 필요합니다. 수직 안테나의 주요 장점은 작은 수평 치수, 가벼움 및 설치 용이성으로 사라집니다. 그러나 이것에 대해서는 나중에 더 자세히 다루겠지만, 먼저 수직 지향성 안테나의 선택된 개념에 대해 논의할 필요가 있습니다. 간단하고 가벼운 안테나를 설계하고자 하는 바람에 우리는 두 개의 능동 전력 소자만 포함하고 길이가 L / 8 ... L / 10 정도의 매우 작은 치수를 갖는 ZL 빔 설계로 전환했습니다. 동시에 이 안테나의 지향성 계수(DFA)는 문헌에 표시된 대로 수동 요소가 있는 XNUMX요소 빔의 DFA와 상당히 중요하고 동등합니다. 동일한 아이디어가 "Swiss square"에서도 사용되며 매우 좋은 매개변수와 훨씬 더 높은 지향성을 가지고 있습니다. 따라서 이러한 안테나의 작동 원리는 신중한 분석이 필요합니다.
그림 1과 같이 거리 d에 위치한 두 개의 가상의 점 라디에이터 S2과 S1를 가정해 보겠습니다. 4 위에. 송신기 전력을 이미터 간에 균등하게 분배하여 이미터에 의해 생성된 필드의 진폭이 동일하도록 합니다. 그러나 방사체의 여기 위상은 지향성 복사를 얻기 위해 달라야 합니다. 우선 d = V90이고 라디에이터가 직각으로 공급되는 가장 간단한 경우를 고려해 보겠습니다. 그들에 적용된 진동의 위상 이동은 1°입니다. 벡터 다이어그램(가운데 행, 중간)에서 이미터의 진동은 벡터 s2 및 s180로 표시됩니다. 각도 φ는 최대 90°까지 진동의 추가 위상 변이에 해당합니다. 또한 벡터를 적절한 각도로 시계 방향으로 회전시키면 파동이 특정 거리 이상 전파될 때 위상 유입(위상 지연)이 고려된다는 데 동의합니다. 예를 들어, XNUMX/XNUMX파 경로를 이동한 파동은 XNUMX°의 위상 유입을 얻습니다. 오른쪽으로 시스템의 복사를 고려하고 파동의 위상은 이미 터 S2 근처에서 직접 측정됩니다(오른쪽으로 더 전파하면 두 에미터의 두 파동 모두 동일한 위상 유입을 획득하고 위상 관계 진동 사이에서 변경되지 않음). 해당 벡터 다이어그램은 오른쪽 중간 행에 표시됩니다. 진동 s2는 변경되지 않으며 진동 s1은 경로 L/90를 통과한 후 4°의 위상 변이를 얻습니다. 결과적으로 파도의 위상이 다르고 이 방향으로 복사가 발생하지 않습니다. 파동이 이미 터의 왼쪽으로 전파되면 벡터 s1은 동일한 위치에 유지되고 벡터 s2는 이미 터 s90의 파동이 경로 L / 2를 통과하기 때문에 시계 방향으로 4 ° 회전합니다. 에미터 s1 근처의 진동 벡터 다이어그램은 그림 1의 왼쪽 중간 행에 나와 있습니다. 에미터 S1과 S2의 파동이 위상이 더해지고 전체 진동이 XNUMX배의 진폭을 획득함을 알 수 있습니다. 정확히 같은 방식으로 다른 방향에서 복사장을 찾을 수 있습니다. 더 비유적인 표현을 위해, 우리는 그림 1이 두 개의 휩 안테나 S1과 S2를 위에서 본 평면도를 보여주고 있다고 가정할 수 있습니다. 이러한 1개의 핀 시스템은 카디오이드에 가까운 방사 패턴을 갖습니다. 복사 최대값은 왼쪽으로 향하고 복사 2은 오른쪽으로 향하게 됩니다. 측면 방향(그림의 위아래)에서 시스템은 또한 방사되며 두 개의 구적파가 이러한 방향으로 합산되기 때문에 상당히 중요합니다. 에미터(S8, S1)를 서로 더 가깝게, 예를 들어 L/XNUMX의 거리에 배치하여 방사 패턴의 선명도를 약간 증가시킬 수 있습니다. 이 경우에 대한 벡터 다이어그램은 그림의 맨 아래 행에 나와 있습니다. 하나. 이전과 같이 오른쪽의 복사가 없어야한다는 사실에 따라 이미 터 진동의 위상 이동을 결정합니다. 하단 행 중앙의 벡터 다이어그램에 표시된 대로 4p/135 또는 1°여야 합니다. 그런 다음 오른쪽으로 방출되면 진동 벡터 s4은 n/45 또는 2°의 각도로 회전하고 벡터 s1와 역위상이 됩니다(오른쪽 하단 행의 벡터 다이어그램 참조). 왼쪽으로 방출할 때 벡터 s2 및 s1,41는 더 이상 위상이 동일하지 않지만 직각이 되고 결과 필드 진폭은 이전 경우와 같이 더 이상 두 배가 되지 않지만 필드보다 2배만 더 큽니다. 각 이미 터의 (왼쪽 벡터 다이어그램). 반대 위상에 가까운 필드가 이러한 방향으로 추가되기 때문에 측면으로의 복사도 더 적습니다. 에미터 사이의 거리는 훨씬 더 작게 만들 수 있지만 단방향 복사를 얻으려면 에미터에서 역위상으로의 위상 이동을 보완하는 각도가 다음 조건을 충족해야 합니다. φ = XNUMXpd/L, 즉. 도 감소해야 합니다. 작은 d와 거의 역위상 이미터를 가진 "짧은" 안테나의 효율성이 거리 d = L/4인 "전체 크기" 안테나의 효율성보다 낮다고 생각해서는 안 됩니다. 요소 손실을 무시할 수 있는 경우 안테나 시스템에 공급되는 모든 전력이 복사되어야 하고 두 안테나의 필드가 동일해야 합니다(방사 패턴의 작은 차이 무시). 그러나 동일한 필드를 생성하는 "짧은" 안테나 요소의 전류는 크며 요소의 손실을 고려하면 큰 전류로 인해 또한 증가합니다. "짧은"안테나 요소의 역상 전류는 진폭이 품질 계수에 비례하는 병렬 발진 회로의 코일 및 커패시터의 역상 전류와 유사합니다. 같은 방식으로 진동기 사이의 거리가 짧아지고 전류가 역상에 가까워지면 안테나 시스템의 등가 품질 계수가 증가하고 그에 따라 작동 주파수 대역이 감소합니다. 다운사이징의 가격입니다. 그러나 진동기 L/8...L/10 사이의 거리에서 요소의 손실 증가와 동등한 품질 계수는 1,4...2배를 초과하지 않으며 안테나의 크기를 줄임으로써 완전히 보상됩니다. 이는 ZL 빔 설계에서 다년간의 실습으로 확인되었습니다.
가장 단순한 ZL 빔 설계 중 하나가 그림 2에 나와 있습니다. 그것은 교차 와이어로 가공선으로 연결된 두 개의 분할 반파 진동기(루프 진동기가 자주 사용됨)를 포함합니다. 가공선의 파동 단축 계수가 XNUMX에 가깝기 때문에 "X-X" 지점에서 시스템에 전원이 공급될 때 진동기의 진동 위상 변이는 위의 공식에 해당합니다. 요소의 더 정확한 위상은 요소의 길이를 변경(선택)하여 달성됩니다. 이 경우 요소의 공진 주파수가 변경되고 모든 진동 회로와 마찬가지로 위상 주파수 특성에 따라 진동 위상이 변경됩니다. 엄밀히 말하면 라인의 중간까지 전원을 공급할 수 있으며 요소의 위상 조정은 다음과 같은 방식으로 수행할 수 있습니다. 한 요소는 약간 단축되고 다른 요소는 약간 길어집니다. 각 요소에 필요한 위상 변이가 f/2에 불과하기 때문에 요소의 디튜닝은 매우 작습니다. 수평면(방위각)에서 ZL 빔의 방사 패턴은 진동기 자체가 옆으로 방사하지 않기 때문에 눈에 띄게 좁아집니다. 수직면에서 다이어그램은 다소 넓습니다. 이 안테나는 수평편파를 갖는 소형 지향성 안테나로서 매우 우수하다. 문헌의 수많은 데이터에 따르면 효율은 쌍극자에 대해 4dB 또는 등방성(무지향성) 이미터에 대해 6dB에 이릅니다. 명백한 설계상의 이유로 ZL 빔 진동기를 수직으로 배치하는 것은 그리 쉽지 않으며 전력선 배선에 문제가 있습니다. 이러한 어려움을 고려하여 저자의 생각은 ZL 빔 이데올로기에 따라 서로 작은 거리에 배치할 수 있는 더 적합한 수직 라디에이터로 바뀌었습니다. 이러한 라디에이터 중 하나는 J-안테나이며 피더와 일치하는 방식만 다른 두 가지 버전이 그림 3에 나와 있습니다.
J 안테나는 하단에서 공급되는 반파 수직 진동기입니다. 결국, 진동기의 저항은 옴의 법칙에 따라 매우 높고 수 킬로옴에 도달합니다. 결국 여기의 전류는 작고 전압은 높습니다. 낮은 케이블 저항과 일치시키기 위해 3/300 파장 600 선선이 사용됩니다. 첫 번째 변형(그림 XNUMX의 왼쪽)에서 파동 임피던스는 진동기와 케이블 저항 사이의 기하학적 평균과 같아야 합니다. XNUMX ... XNUMX 옴 영역의 모든 것. 라인의 파동 임피던스를 변경하여 정확한 매칭을 달성할 수 있습니다(실제로 - 도체 사이의 거리). 이것은 완전히 편리하지 않으므로 J-안테나의 두 번째 버전(그림 3의 오른쪽)이 여러 면에서 더 좋습니다. 여기에서 XNUMX/XNUMX 파장 라인의 도체는 하단에서 단순히 닫히고 전위가 XNUMX인 이 지점은 집 지붕과 같은 "질량"에 연결된 임의의 길이의 와이어로 접지할 수 있습니다. 건설적으로 편리하지만 아무데도 연결할 수 없는 자동차. 라인의 단락된 끝 부분 위의 특정 높이에 위치한 "XX" 지점에서 자동 변압기에 의해 라인에 전원이 공급됩니다. 모든 케이블에서 안테나는 "XX" 급전 지점을 이동하기만 하면 쉽게 일치됩니다. 이 실시예에서 XNUMX선식 선로의 파동 임피던스는 그다지 중요하지 않다. 추가로 생각한 과정은 다음과 같습니다. 지향성 시스템에서 두 개의 J-안테나를 나란히 배치한 경우 하나의 공통 2선 라인을 사용하여 전원을 공급하고 조정할 수 있습니까? 결국, 라인의 열린 끝의 도체에 대한 전압은 역위상이며, 이는 밀접하게 배치된 두 개의 진동기에 전원을 공급하는 데 정확히 필요한 것입니다! 음, 진동기 +f/2 및 -f/8에서 진동의 필요한 위상 이동은 길이를 변경하여 얻을 수 있습니다. 하나는 줄이고 다른 하나는 늘립니다. L / XNUMX로 분리 된 반파 진동기의 끝을 나란히 위치한 XNUMX 선식의 끝과 연결하는 방법을 결정하는 것이 남아 있습니다. 그것은 쉬운 것으로 판명되었습니다-결국 진동기의 끝 부분에서 전류가 작고 거의 방사되지 않으므로 진동기의 끝이 서로를 향해 구부러지고 끝 부분에 직접 연결되면 아무런 문제가 없습니다. 라인의. 모든 것이 매우 간단하여 의심이 생겼습니다. 작동할까요? 실험이 필요했습니다. 곧 430MHz(파장 70cm)의 안테나가 직경 1,7mm의 구리선 한 조각에서 구부러졌습니다. 실험 중 개선된 치수의 스케치가 그림 4b에 나와 있습니다.
50 ohms의 웨이브 임피던스를 갖는 전원 케이블은 Fig. 4 c)와 같이 연결하였다. 최소 SWR에 따라 이러한 지점의 위치를 선택하기 위해 "XX" 급전 지점의 접점을 이동 가능하게 만드는 것이 유용합니다. 불행히도 SWR을 측정할 수 있는 것이 없었고, 주 방향에서 안테나 필드의 최대값에 따라 급전점의 위치가 선택되었습니다. 다이폴 안테나, 다이오드 검출기 및 50μA 측정 헤드로 구성된 수제 필드 표시기가 사용되었습니다. 신호 소스는 출력 임피던스가 50Ω인 측정 발진기와 1dB 간격의 감쇠기였습니다. 처음에 안테나는 XNUMX선 라인의 하단 베이스용 테이블 바이스에 고정된 다음 기본 회전 스탠드가 만들어졌습니다. 측정은 장비가 없는 방에서 수행되었으며 매우 정확하다고 주장하지는 않지만 안테나는 기대에 완전히 부응했습니다! 첫째, 안테나가 작동하여 짧은 진동기를 향해 단방향 방사를 제공했습니다. 둘째, 동일한 위치에 있고 동일한 케이블에 의해 공급되는 반파장 다이폴과 비교할 때 필드 표시기에서 동일한 신호를 얻으려면 발진기 감쇠기를 4dB로 밀어야 했습니다. 이를 통해 동일한 그림으로 안테나 지향성 계수를 평가할 수 있습니다. 수직면(진동자의 평면)에서의 방사 패턴은 Fig. 4a와 같으며, 일반적으로 XNUMX요소 빔의 유사한 패턴에 완전히 대응한다. 수평면에서 다이어그램은 동일하지만 다소 넓습니다. 요소의 길이를 조정하면 백 로브가 완전히 없는 상태(어쨌든 필드 표시기가 이를 감지하지 못함)를 달성할 수 있지만 동시에 이득이 다소 안테나를 최대 이득으로 튜닝할 때보다 적은 데시벨의 일부입니다. 결론적으로 우리는 제안된 안테나의 설계에 대한 몇 가지 실용적인 고려 사항을 제시한다. 기계적 강도를 높이려면 진동기의 도체로의 굴곡 및 전환 영역에서 0,73선식 라인의 끝 부분에 절연체를 설치할 수 있습니다. 전압의 양극이 여기에 위치하기 때문에 절연체의 품질이 좋아야 합니다. 굽힘 자체는 직각으로 만들 필요가 없으며 안테나의 "어깨"도 기울어 질 수 있습니다. 또한 저자는 "어깨"의 위치가 특별히 중요하지 않다고 생각합니다. 어깨는 조금 더 높거나 약간 낮게 위치할 수 있습니다. 0,77선식 라인의 하단에서 진동기의 상단까지 도체의 전체 길이를 관찰하는 것이 훨씬 더 중요합니다. 약 XNUMXL이어야 합니다. 짧은 진동기(감독)의 경우 약 XNUMXL이고 긴 진동기(반사경)의 경우 약 XNUMXL입니다. 안테나가 만들어지는 도체(튜브)의 직경이 증가함에 따라 길이가 다소 감소합니다. "두꺼운" 진동기의 단축 계수는 안테나 문헌에서 찾을 수 있습니다. 우리는 또한 같은 직경의 튜브에서 진동기와 XNUMX선식 라인을 만들 필요가 없다는 점에 주목합니다. 안테나는 XNUMX선 선이 더 큰 직경의 튜브로 만들어지고 진동기가 상대적으로 얇아지면 더 강해지고 바람 하중을 더 잘 견딜 수 있습니다. 조정의 편의를 위해 저자가 한 것처럼 와이어 커터로 진동기를 단축하면 돌이킬 수없는 결과가 발생하기 때문에 상단에 "톱 마스트"가 있고 메인 튜브에 텔레스코픽으로 삽입되는 것이 유용합니다. , 진동기는 납땜 인두로만 늘릴 수 있습니다. 저자: Vladimir Polyakov(RA3AAE), 모스크바; 간행물: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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