Рис. 7.4.1.
Пусть нам необходимо переключать изучение вперёд (вдоль оси X, в положительную сторону) и назад (вдоль оси X, в отрицательную сторону). Чтобы это оказалось возможным, механическая конструкция (размеры элементов и их положение) должна обладать зеркальной симметрией относительно оси Y (из простейших геометрических соображений). Также весьма полезно, чтобы антенна имела бы Ra = 50 Ом, чтобы не возиться с переключением еще и согласующих устройств.
Простейшей антенной отвечающей почти всем вышеизложенным требованиям является двухэлементная антенна Уда-Яги с конфигурацией R-W и расстоянием между элементами 0,15…0,225l (под 50 Ом, зависит от высоты над землей и критериев настройки, см. п. 7.2.2.3.2). Правда F/B будет низким, всего лишь около 10 дБ (рис. 7.2.4), но в данном случае это неизбежно. Но чтобы антенна стала полностью отвечать условиям переключения, надо сделать размеры вибратора и директора равными. Да, но ведь длиной пассивного элемента мы устанавливали требуемую для однонаправленного излучения фазу тока в рефлекторе, и размер рефлектора при этом не явно не совпадал с вибратором. Противоречие получается…
Разрешить его поможет то, что для переключения требуется одинаковая физическая длина элементов, а для однонаправленного излучения - разная электрическая длина. А менять электрическую длину не трогая физической мы уже умеем (пп.3.5.8 и 3.7.2), для этого достаточно в пучность тока включить реактивный элемент: индуктивность (для удлинения) или ёмкость (для укорочения).
В данном случае рефлектор придется физически укоротить (уравнять с вибратором), поэтому в его центр надо включить индуктивность, чтобы вернуть прежнюю электрическую длину. Полученная антенна показана на рис. 7.4.1 и в файле
…2el_RW.gaa.
Это проволочная антенна на 7,05 МГц растянутая, например между двумя домами. Два элемента по 20,2 м разнесены на 7 м. Индуктивность 1,58 мкГн включена в элемент, работающий в данный момент рефлектором. Эту индуктивность нежелательно выполнять как сосредоточенную катушку, ведь кроме катушки, в середине элемента придется поставить еще и реле. Да привести туда два кабеля: один питания (когда этот элемент будет включаться вибратором), второй управления реле. Сложно и неудобно всё это.
Намного более разумно в качестве индуктивности использовать отрезок коаксиального кабеля. Того самого который при работе элемента вибратором будет питающим. Рассчитать его длину поможет закладка L и С из линии, окна Сервис и Установки MMANA-GAL. Просто выберите из списка тип используемого вами кабеля (или тип User и задайте его параметры вручную, если вашего кабеля нет в списке), укажите требуемую индуктивность в окне L (если там вместо L написано С, измените тип конца линии на противоположный в окошке Линия на конце) и узнайте какой длины необходим кабель.
В нашем примере при кабеле RG213 требуемые 1,58 мкГн можно получить следующими способами:
Из этих возможных длин выбираем наименьшую величину, которой хватит от элементов до точки расположения коммутатора, и рисуем полную конструкцию антенны (рис. 7.4.2.).
Переключатель или контакты реле S1, коммутируя точки А и В, выбирает направление излучения: вперед или назад. Показанная на рис. 7.4.2 схема коммутации справедлива в том случае, если кабель пассивного элемента должен оставаться разомкнутым (т.е. для длин кабелей по 11,43 м, 25,55 м, 39,97 м в нашем примере). Если надо закорачивать нижний конец (для длин 4,31 м, 18,55 м, 32,8 м в нашем примере), то коммутация чуть усложняется, требуется вторая секция переключателя, как показано на рис. 7.4.3.
Выполнение индуктивности или ёмкости пассивного элемента в виде отрезка кабеля, который при переключении направления становится частью питающего - очень распространенный приём в антеннах с переключаемой ДН.
Обратите внимание, что индуктивность (или ёмкость) из отрезка кабеля не полностью эквивалентна обычной катушке (или конденсатору). Нет, на одной частоте совпадение полное. А вот в полосе частот - нет. Дело том, что с изменением частоты, изменяется и электрическая (в l) длина отрезка кабеля. А это приводит к тому, что реактивное сопротивление меняется более резко, чем у обычной катушки (конденсатора). А это приводит к сужению полосы антенны, в которой используется реактивность из кабеля.
Этот эффект заметен даже если используется отрезок линии, короче l/4 и быстро нарастает по мере увеличения длины линии (например, если коммутатор далеко от элементов и мы вынуждены использовать линии, на целое число полуволн длиннее минимально возможных).
Последняя тонкость, которую надо не забыть, проектируя переключаемые антенны с индуктивностями (емкостями) из кабеля: симметрирующие устройства (подавления тока оплётки) должны быть хорошими. Лучше, чем у одиночного элемента. Намного лучше. Чтобы понять причину, обратимся к рис. 7.4.2. В показанном положении переключателя кабель в точке питания правого элемента никаких особых требований к устройству подавления тока оплетки не предъявляется. Причина - кабель работает на согласованную нагрузку с низкой реактивностью, поэтому антенный ток, имея путь с низким импедансом, не очень стремится попасть на внешнюю сторону оплетки. Реактивного сопротивления развязывающего дросселя 200…300 Ом вполне достаточно.
Но иная ситуация с левым кабелем. Он несогласован. В нем высокий КСВ. Реактивное сопротивление +j70 Ом. Поэтому ВЧ ток, принятый правой половинкой рефлектора, еще подумает куда идти: или же во внутренние (между центральной жилой и внутренней стороной оплётки) реактивные +j70 Ом отрезка кабеля или же попытаться поискать сравнимых по трудности путей по внешней стороне оплётки. Чтобы в данном случае отбить у тока охоту вытекать на внешнюю сторону, jX развязывающего дросселя должно быть как минимум в 10 раз выше реактивного сопротивления кабеля, т.е. > +j700 Ом.
Учитывая, что оба элемента поочередно исполняют роль рефлектора, то на обоих кабелях должны стоять развязывающие дроссели с высоким +jХ.
Оба возможных положения ДН антенны рис. 7.4.2, подвешенной на высоте 18 м, показаны на рис. 7.4.3. Этот рисунок потребовался, чтобы ввести обозначения важных параметров любой антенны с переключаемой ДН.
Любые антенны с переключаемой ДН, помимо обычных антенных параметров, характеризуются тремя специфическими:
Но вернемся к горизонтальным антеннам, переключаемым на два направления. Антенна Уда-Яги в конфигурации W- D не применяется в качестве переключаемой. Дело в том, что в этой конфигурации для Ra = 50 Ом требуется расстояние между элементами 0,2…0,25l (рис. 7.2.9), а F/B при этом оказывается слишком низким, всего несколько децибел.
Очень хорошие результаты получаются при использовании прямоугольника Моксона. Высокое F/B, Ra = 50 Ом уже имеется, остается лишь уравнять размеры элементов и включить индуктивность в рефлектор. А раз размеры равны, то изменится расстояние между концами, следовательно, изменится и связь между элементами. Поэтому, для определения оптимальных размеров придется заниматься тем же самым, что и в п. 7.3.1: оптимизацией всех размеров (плюс в данном случае величины индуктивности) до получения высокого F/B и низкого КСВ. Результат показан в файле …Moxon_Sw.gaa. Размеры антенны 0,362l на 0,119l, в рефлектор включена индуктивность 1,59 мкГн (частота 7,05 МГц). В свободном пространстве Ga = 5,65 dBi, F/B > 50 дБ, BMIN = 19 дБ, DG = -19 дБ, AН = 2060, т.е. при меньших размерах параметры лучше, чем у Уда-Яги рис. 7.4.2. Но это в свободном пространстве. А, как описано в п. 7.3.1, точный баланс токов (т.е. получение высокого F/B) в прямоугольнике Моксона существенно зависит отраженной от земли волны, т.е. высоты подвеса. Поэтому размеры антенны надо оптимизировать под конкретную высоту подвеса и тип земли.
Необходимые для этого записи (для файла …Moxon_Sw15.gaa) в таблице Изменяемые параметры окна Оптимизация показаны на рис. 7.4.5.
Первые 2 строки таблицы это совместное изменение ширины средних частей элементов.
Третья строка - настройка индуктивности рефлектора.
Строки с 4-й по 7-ю задают совместное изменение длины всех 4-х загнутых частей.
С 8-й по 11-ю - симметричное изменение расстояния между средними частями элементов.
Закончив заполнение таблицы Изменяемые параметры, движками устанавливаете свою цель. У меня так: движок F/B в максимум, движки Ga и КСВ на 1..2 деления. Но вы можете поставить их по иному, в соответствии со своими требованиями.
По окончании оптимизации вы будете иметь оптимальные размеры прямоугольника именно для ваших условий. Если какая-то из получившихся характеристик антенны не радует, просто увеличьте её значимость в целях оптимизации (соответствующим движком), снизьте остальные движки и повторите оптимизацию.
Если оптимизацией заниматься лень, то готовые размеры проволочного (диаметр 1,6 мм) прямоугольника Моксона на диапазон 7 МГц для высот подвеса от 15 до 23 м на средней землей приведены в файлах … Moxon_Sw15.gaa, … Moxon_Sw18.gaa, … Moxon_Sw20.gaa. Цифра в имени файла в данном случае означает высоту над землей в метрах.
Но все же советовал бы делать оптимизацию для каждого конкретного случая. Например, посмотрим вышеупомянутую группу файлов. При изменении высоты подвеса от 0,35 до 0,47l (от 15 до 20 м) ширина прямоугольника меняется от 15,3 до 15,6 м, а расстояние между элементами - от 4,8 до 6 м. И к тому же, изменение размеров идет с высотой колебательно, в соответствии с обычными графиками влияния земли. Прикиньте, насколько вероятно при таком разбросе получить хорошее F/B для вашего случая без проведения оптимизации.
В силу симметричности и Ra близкого к 50 Ом, хорошие переключаемые на два направления горизонтальные антенны получаются из:
- встречно V-образных элементов (как на рис. 7.3.9). Модель с индуктивностью в рефлекторе и равными размерами элементов …VV1_Sw.gaa.
- встречных сигма-элементов (как на рис. 7.3.15). Файл такой переключаемой антенны …Sigma_Sw.gaa.