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無線電子工学および電気工学の百科事典 垂直指向性アンテナ。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
垂直偏波の指向性アンテナを作成する作業は、一見したように単純ではありません。 彼は従来のビーム（ウェーブチャネル）の要素を垂直に向けたように見え、すべてが順調ですが、そのようなアンテナをマストに取り付けるという問題が生じます。 VHF では、キャリア ビームを放射方向にマストの側面に移動できますが、そのようなアンテナは機械的に不均衡であることが判明し、その取り付けには非常に厚くて強いマストが必要です。 垂直アンテナの主な利点は消えます-小さな水平寸法、軽さ、設置の容易さ。 ただし、これについては後で詳しく説明しますが、最初に、選択した垂直指向性アンテナの概念について詳しく説明する必要があります。 シンプルで軽量なアンテナを設計したいという要望から、ZL ビームの設計に目を向けました。これには、8 つのアクティブ パワー エレメントのみが含まれ、長さが L / 10 ... L / XNUMX のオーダーの非常に小さい寸法です。 同時に、このアンテナの指向性係数 (DFA) は非常に重要であり、文献に示されているように、受動素子を備えた XNUMX 素子ビームの DFA と同等です。 同じ考え方が「スイス スクエア」にも使用されており、これも非常に優れたパラメーターとさらに高い指向性を備えています。 したがって、これらのアンテナの動作原理は慎重に分析する必要があります。
図 1 に示すように、距離 d にある 2 つの仮想的な点放射体 S1 と S4 を考えてみましょう。 上に90つ。 送信機の電力をエミッター間で均等に分割すると、エミッターによって生成されるフィールドの振幅が同じになります。 しかし、指向性放射を得るためには、エミッターの励起位相が異なっていなければなりません。 まず、d = V1 で、ラジエータが直角位相で供給される最も単純なケースを考えてみましょう。 それらに適用される振動の位相シフトは 2° です。 ベクトル図 (中央の行、中央) では、エミッターの振動はベクトル s180 と s90 によって示されます。 角度 φ は、最大 XNUMX° の振動の追加の位相シフトに対応します。 また、波が特定の距離を伝搬するときの位相侵入 (位相遅れ) が、ベクトルを時計回りに適切な角度だけ回転させることによって考慮されることにも同意します。 したがって、たとえば、XNUMX/XNUMX 波長パスを通過した波は XNUMX° の位相侵入を取得します。 システムの右側への放射を考えてみましょう。波の位相は、エミッター S2 のすぐ近くで測定されます (右側へのさらなる伝播により、2 つのエミッターからの両方の波が同じ位相侵入を取得し、位相関係が得られます)。間の振動は変化しません)。 対応するベクトル図は、右側の中段に示されています。 振動 s1 は変化せず、振動 s90 は経路 L/4 を通過した後に 1° の位相シフトを取得します。 その結果、波は位相がずれ、この方向には放射がなくなります。 波がエミッターの左側に伝搬すると、ベクトル s2 は同じ位置に留まり、エミッター s90 からの波がパス L / 2 を通過するため、ベクトル s4 は時計回りに 1 ° 回転します。 エミッター s1 付近の振動のベクトル図は、図 1 の左側の中段に示されています。 エミッター S2 と SXNUMX からの波が同相で追加され、合計の振動が XNUMX 倍の振幅を取得することがわかります。 まったく同じ方法で、他の方向の放射場を見つけることができます。 より比喩的な表現として、図 1 は 1 つのホイップ アンテナ S2 および S1 を上から見た平面図を示していると仮定できます。 このような 2 つのピンのシステムは、カーディオイドに近い放射パターンを持ちます。 放射最大値は左に向けられ、放射ゼロは右に向けられます。 横方向 (図の上下) にも、8 つの直交波がこれらの方向に加算されるため、システムは非常に大きく放射します。 エミッタＳ１とＳ２を互いに近づけて、例えばＬ／８の距離で配置することにより、放射パターンの鮮明さをわずかに増加させることが可能である。 この場合のベクトル図は、図の一番下の行に示されています。 1。 以前のように、右側への放射が存在しないはずであるという事実に基づいて、エミッターの振動の位相シフトを決定します。 一番下の行の中央にあるベクトル図に示すように、4p/135 または 1° である必要があります。 次に、右に放射されると、振動ベクトル s4 は n / 45 または 2 ° の角度で回転し、ベクトル s1 と逆位相になります (右下の行のベクトル図を参照)。 左に放射する場合、ベクトル s2 と s1,41 は同相ではなくなり、直角位相になり、結果として得られる電界振幅は前の場合のように 2 倍にはならず、電界の XNUMX 倍だけになります。各エミッターの (左のベクトル図)。 逆位相に近い電界がこれらの方向に追加されるため、側面への放射も少なくなります。 エミッター間の距離はさらに小さくすることができますが、一方向放射を得るには、エミッターの位相シフトを逆位相に補う角度 が次の条件を満たさなければなりません: φ = XNUMXpd/L、つまりも減るはずです。 d が小さく、ほぼ逆位相のエミッターを備えた「短い」アンテナの効率が、距離 d = L/4 の「フルサイズ」アンテナの効率よりも低いと考えるべきではありません。 要素損失が無視できる場合、アンテナ システムに供給されるすべての電力は放射され、両方のアンテナのフィールドは同じでなければなりません (放射パターンのわずかな違いは無視してください)。 しかし、同じフィールドを作成するための「短い」アンテナの要素の電流は大きく、要素の損失を考慮すると、大きな電流のためにそれらも増加します。 「短い」アンテナの素子内の逆相電流は、並列発振回路のコイルおよびコンデンサ内の逆相電流と同様であり、その振幅は品質係数に比例します。 同様に、振動子間の距離が短くなり、振動子の電流が逆位相に近づくと、アンテナ システムの等価品質係数が増加し、それに応じて動作周波数帯域が減少します。 それがダウンサイジングの代償です。 しかし、振動子間の距離が L/8...L/10 の場合、素子の損失と等価品質係数の増加は 1,4...2 倍を超えず、アンテナの寸法を小さくすることで十分に効果が得られます。これは、ZL ビームの設計の長期にわたる実践によって確認されています。
最も単純な ZL ビーム設計の 2 つを図 XNUMX に示します。 これには、XNUMX つの分割された半波バイブレータ (ループ バイブレータがよく使用されます) が含まれており、クロス ワイヤの架線で接続されています。 架線の短縮係数は XNUMX に近いため、システムが点 "X-X" で電力を供給されると、バイブレータの振動の位相シフトは上記の式にちょうど対応します。 要素の長さを変更 (選択) することにより、要素のより正確な位相調整が実現されます。 この場合、素子の共振周波数が変化し、他の発振回路と同様に、その位相-周波数特性に従って、素子内の発振の位相が変化します。 厳密に言えば、ラインの中央にも電力を供給することができ、要素の位相調整は、一方の要素をわずかに短くし、もう一方の要素をわずかに長くするという方法で実行できます。 各要素に必要な位相シフトはf/2しかないため、要素の離調は非常に小さくなります。 水平面（方位角）でのZLビームの放射パターンは、バイブレータ自体が横方向に放射しないため、著しく狭くなります。 垂直面では、図はやや広くなっています。 このアンテナは、水平偏波の小型指向性アンテナとして非常に優れています。 文献からの多数のデータによると、その効率はダイポールに対して4 dB、または等方性（全方向性）エミッターに対して6dBに達します。 明らかな設計上の理由により、ZL ビーム振動子を垂直に配置するのはそれほど簡単ではありません。また、電源ラインの配線にも問題があります。 これらの困難を考慮して、著者の考えは、ZL ビームのイデオロギーに従って、互いにわずかな距離を置いて配置できる、より適切な垂直ラジエーターに変わりました。 これらの放射器の 3 つは J アンテナで、フィーダとの整合方法のみが異なる XNUMX つのバージョンが図 XNUMX に示されています。
Jアンテナは下端から給電される半波垂直バイブレーターです。 最後に、バイブレーターの抵抗は非常に高く、オームの法則に完全に従って数キロオームに達します-結局のところ、ここの電流は小さく、電圧は高いです。 低いケーブル抵抗と一致させるために、3/300波長600線式ラインが使用されます。 最初の変形（図XNUMXの左側）では、その波動インピーダンスは、バイブレーターとケーブル抵抗の間の幾何平均に等しくなければなりません。 XNUMX...XNUMXオームの範囲のすべて。 正確なマッチングは、ラインのウェーブ インピーダンス (実際には導体間の距離) を変更することで実現できます。 これは完全に便利というわけではないので、J アンテナの 3 番目のバージョン (図 XNUMX の右側) の方が多くの点で優れています。 ここでは、XNUMX/XNUMX波長線路の導体は下端で単純に閉じられており、ゼロ電位のこの点は、家の屋根や車は建設的に便利ですが、どこにも接続できません。 電源は単巻変圧器によってラインに供給され、ラインの短絡端から特定の高さにあるポイント「XX」に配置されます。 どのケーブルでも、「XX」の給電点を移動するだけで簡単にアンテナを合わせることができます。 この実施形態における２線式ラインの波動インピーダンスは、あまり重要ではない。 さらに考えたのは次のようなものでした: 指向性システムの 2 つの J アンテナが並んで配置されている場合、2 つの共通の 8 ワイヤ ラインを使用してそれらに電力を供給し、調整することは可能でしょうか? 結局のところ、ラインの開放端の導体の電圧は逆位相であり、これはまさに XNUMX つの近接したバイブレータに電力を供給するために必要なものです! さて、バイブレータ +f/XNUMX と -f/XNUMX の振動に必要な位相シフトは、長さを変えることで得られます - 一方を短くし、他方を長くします。 L / XNUMXで区切られた半波長バイブレータの端を、並んで配置されたXNUMX線式ラインの端に接続する方法を決定する必要があります。 簡単であることが判明しました-結局のところ、バイブレーターの端の電流は小さく、ほとんど放射しないため、バイブレーターの端が互いに曲げられ、端に直接接続されていても問題はありません行の。 すべてが信じられないほど単純であることが判明したため、疑問が生じました-うまくいくでしょうか？ 実験が必要でした。 言うまでもなく、周波数430 MHz（波長70 cm）のアンテナは、直径1,7mmの4本の銅線から曲げられました。 実験中に寸法が洗練されたスケッチを図XNUMXb）に示します。
図 50 c) に示すように、4 オームの波動インピーダンスを持つ電源ケーブルを接続しました。 最小SWRに応じてこれらのポイントの位置を選択するために、「XX」の給電ポイントの接点を可動にすることは有用です。 残念ながら、SWR を測定するものは何もなく、給電点の位置は主方向のアンテナ フィールドの最大値に従って選択されました。 ダイポール アンテナ、ダイオード検出器、および 50 μA 測定ヘッドで構成される自家製のフィールド インジケーターが使用されました。 信号源は、出力インピーダンス 50 Ω の測定用発振器と 1 dB ステップの減衰器です。 最初に、アンテナはXNUMX線式ラインの下部ベースのテーブル万力に固定され、次に原始的な回転スタンドが作成されました。 測定は設備の整っていない部屋で行われたため、精度が高いとは言えませんが、アンテナは期待を完全に満たしました。 まず、アンテナが機能し、短いバイブレーターに向かって一方向の放射を与えました。 第 4 に、同じ場所に配置され、同じケーブルで給電される半波長ダイポールと比較すると、フィールド インジケータで同じ信号を得るには、オシレータの減衰器を 4 dB 押し込む必要がありました。 これにより、アンテナの指向性係数を同じ図で評価することができます。 垂直面 (振動子の面) での放射パターンを図 XNUMXa に示します。これは、一般に、XNUMX 要素ビームの同様のパターンに完全に対応しています。 水平面では、図は同じですが、やや幅が広くなっています。 興味深いことに、要素の長さを調整することで、バック ローブを完全になくすことができます (いずれにせよ、フィールド インジケーターはそれを検出しませんでした)。アンテナを最大ゲインにチューニングした場合よりも、デシベルの何分の XNUMX か少なくなります。 結論として、提案されたアンテナの設計に関するいくつかの実際的な考慮事項を提示します。 機械的強度を高めるために、バイブレータの導体への曲がりと移行の領域で、0,73線式ラインの端に絶縁体を取り付けることができます。 電圧の腹がここにあるため、絶縁体は高品質でなければなりません。 曲げ自体は直角にする必要はなく、アンテナの「肩」も傾けることができます。 さらに、「肩」の位置は特に重要ではないように思われます-少し上または下に配置できます。 0,77 線式ラインの下部からバイブレータの上端までの導体の全長を観察することは、はるかに重要です。 約XNUMXLのはずです。 短いバイブレーター（ディレクター）の場合、長いバイブレーター（リフレクター）の場合は約XNUMXLです。 アンテナを構成する導体（チューブ）の直径が大きくなると、それらの長さは多少短くなります。 「厚い」バイブレータの短縮係数は、アンテナの文献に記載されています。 また、同じ直径のチューブからバイブレーターと XNUMX 線式ラインを作成する必要がないことにも注意してください。 XNUMX 線式ラインがより大きな直径のチューブで作られ、振動子が比較的薄く作られている場合、アンテナはより強くなり、風荷重に耐えることができます。 調整を容易にするために、バイブレーターの上端に「トップエンド」を装備し、伸縮自在にメインチューブに挿入すると便利です。これは、著者が行ったようにワイヤーカッターでバイブレーターを短くすると、不可逆的な結果が生じるためです。つまり、バイブレーターははんだごてでしか伸ばすことができません。 著者: ウラジミール・ポリアコフ (RA3AAE)、モスクワ; 出版物: N. ボルシャコフ、rf.atnn.ru
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