НАСТРОЙКА І ВИПРОБУВАННЯ УКВ АНТЕН
Радіус дії радіозв'язку і якість її роботи залежить не тільки від правильного вибору типу антен, але і від правильності їх налаштування. Особливо це відноситься до діапазону ультракоротких хвиль, де в основному застосовуються гостронаправлені антени, що дозволяють істотно підвищити дальність і стійкість перед перешкодами радіоприйому. Мета цієї статті - дати радіоаматорам необхідні відомості з налаштування і випробування УКХ антен за допомогою нескладних приладів, виготовлених власними силами. В одній статті неможливо розглянути всі типи антен, які використовуються любителями, тому ми постараємося розповісти тільки про вібраторних антенах, налагодження яких має багато спільного з налагодженням антен інших типів.
Основні параметри антен
В аматорській практиці при випробуванні антенно-фідерних систем досить зняти діаграму спрямованості антени, виміряти її коефіцієнт посилення і перевірити узгодження фідера.
Діаграма спрямованості антени - це графічне зображення відносних значень потужності або напруженості поля, що створюються антеною в різних напрямках і на однакових від неї відстанях. Діаграми спрямованості дають уявлення про загальну картину випромінювання антени.
На рис. 1 наведено приклад побудови в полярних координатах діаграми спрямованості вибраторной антени, що складається з випромінювача, директора і рефлектора. Діаграма знята в горизонтальній площині горизонтально розташованої антени.
Коефіцієнтом посилення антени е називається число, що показує, у скільки разів випромінювана потужність даної антени в напрямку максимального випромінювання (Р S макс) більше максимальної потужності випромінюваної напівхвильового вібратором (Р S l / 2) при однаковій в обох випадках потужності, що підводиться
При цьому передбачається, що полуволновий вібратор знаходиться у вільному просторі і випромінюється їм потужність дорівнює підводиться.
Необхідною умовою нормальної роботи приймальної або передавальної антени є рівність її вхідного опору хвильовому опору лінії живлення і відповідно вхідному опору приймача або передавача. Якщо хвильовий опір лінії не дорівнює опору навантаження (лінія не узгоджена), то частина енергії відбивається назад від навантаження, викликаючи спільне хвилею, "падаючої" від передавача до антени, стоячу хвилю. Підключивши до лінії високочастотний вольтметр і переміщаючи його уздовж лінії, можна бачити, що показання приладу періодично змінюють свою величину (рис. 2). Коефіцієнт хвилі, що біжить КБВ лінії визначиться в цьому випадку як відношення мінімального показання приладу до максимального:
Величина цього коефіцієнта характеризує якість роботи фідера. Якщо, наприклад, навантаження фідерної лінії замкнута на коротко або відключена КБВ дорівнює нулю. При повній відповідності КБВ дорівнює одиниці.
Найпростішими індикаторами напруги і струму на фідері або антени є дві лампи - розжарювання і неонова. Так лампочка від кишенькового ліхтаря на 3,5 B і неонова МН-3 дають світіння при підводиться до них потужності 3-6 пн. Для підвищення чутливості лампочки індикатора напруги до її цоколю іноді підпоюють невеликий провідник.
Необхідна пристрій для антенних вимірювань - індикатор поля. Він складається з вібратора, в розрив якого включається діод і прилад (рис. 3).
Дроселі ДР1 і Др2 намотані на опорах ВС-2 (по 100 кому) і мають по 30 витків дроту ПЕ-0,5, намотаних зі змінним кроком. Для частот 420-435 Мгц ці дроселі повинні мати по 5 витків. Якщо чутливість приладу вибрана не менше 200 мка (опір рамки - близько 750 ом), а ручка потенціометра стоїть на становищі найменшого шунтування приладу, можна вважати показання індикатора пропорційними потужності поля. У правильно виконаного індикатора поля максимум прийому збігається з напрямком, перпендикулярним до його середини. У процесі роботи з індикатором поля відстань між ним і досліджуваної антеною встановлюється не менше (2,5-3) l. Доцільно настроюється антену і індикатор розташувати на відкритому майданчику вільної від будівель, ліси і т. П. (Рис. 4). Якщо активний вібратор випробовуваної антени встановлений горизонтально, антена індикатора також повинна бути горизонтальна, і навпаки, при вертикальному випромінювачі антени, антена індикатора ставиться вертикально.
Для вимірювання КБВ можна застосувати звичайний міст. Вимірюється лінія включається в одне з його плечей (рис. 5).
Коли лінія узгоджена, вхідний опір лінії дорівнює опору R3, опору R1 і R2 однакові, міст буде збалансований. Вольтметр моста покаже нуль. Однак, якщо лінія не узгоджена, то балансу моста не буде. Шкала вольтметра при цьому може бути проградуірована безпосередньо в значеннях коефіцієнта біжучої хвилі. Принципова схема моста приведена на рис. 6.
Власне міст тут утворюють опору R1, R2, R3 і вхідний опір лінії, яка включається до гнізда "лінія". До роз'єму "вхід" підводять напругу високої частоти. При включенні вольтметра в гнізда "вхід" вимірюють напругу, що підводиться, при включенні в гнізда "лінія" напруга в діагоналі моста. Градуювання мосту полягає в тому, що при одному і тому ж підводиться до нього напрузі стрілка вольтметра повинна відхилятися на всю шкалу, як при розімкнутому, так і при замкнутому роз'ємі "лінія". Якщо це не виходить, треба підібрати опору R1 і R2. Потім до гнізда "лінія" підключити активний опір, рівний опору Rs. Нульові показання вольтметра (незалежно від частоти) будуть свідчити про нормальну роботу приладу. З високоомним вольтметром відлік коефіцієнта біжучої хвилі буде відповідати графіку, наведеному на рис.7. Бруківку схему можна використовувати для вимірювання вхідного опору узгодженої лінії або вхідного опору антени на її резонансної частоті. Для цього опір R3 має бути змінним і мати градуйовану шкалу. Величина його береться до 680 ом, опору R1 і R2 мають по 240 ом. При балансі моста вимірюваний опір, очевидно, дорівнюватиме R3. При вимірі вхідного опору антени, щоб виключити вплив рук, необхідно міст підключити до антени через відрізок кабелю довжиною приблизно в полволни.
Незалежно від того, в якому режимі антена буде експлуатуватися, настройку і випробування її можна робити як в режимі передачі, так і в режимі прийому. На практиці більш зручно проводити налагодження в режимі передачі. Якщо для цієї мети до фідера антени замість приймача підключити генератор, то для більш правильного виміру величина його вихідного опору повинна бути такою ж, як вхідний опір відключеного приймача. Якщо фідер настроюється антени пов'язаний безпосередньо з крайовим каскадом передавача, то слід мати на увазі, що при сильній зв'язку можлива расстройка передавача і віддача потужності генератора в процесі настройки антени буде нестійкою. Щоб уникнути цього потрібно вести настройку по можливості при мінімальній зв'язку між антеною та генератором, який повинен мати надійну екранівку.
Антена може добре працювати, зберігаючи свої характеристики тільки при правильній подачі до неї енергії від передавача. Тому попередньо перед налаштуванням антен, які потребують симетричного харчування, потрібно визначити симетрію ланцюгів харчування антени. Це можна зробити шляхом підключення однакових лампочок розжарювання до кінців диполя. Неоднакове світіння лампочок вказує на асиметрію, причиною якої зазвичай буває неправильне виконання сімметрірующего пристрої (четвертьволновий шлейф, "U - коліно" і ін.). Лампочки заздалегідь вибираються так, щоб при одному і тому ж напрузі світіння їх було однаково.
Повна симетрія характеризується рівністю напруги і різної фазою (протилежністю знаків) в будь-якому перетині проводів. Після перевірки симетрії і усунення асиметрії приступають до налаштування.
Налаштування антени-півхвильового вібратора зводиться до підгонці довжини вібратора. При деякій довжині вібратора його власна резонансна частота стає рівною частоті передавача, завдяки чому віддається антеною потужність буде максимальна. За допомогою індикатора поля, встановленого в напрямку найбільшого випромінювання вібратора (перпендикуляр до його середини), знаходять таку його довжину, при якій показання приладу будуть максимальні. Довжину вібратора рекомендується зробити коротше розрахункової на 10%, а при налаштуванні більш точно її підігнати за допомогою щільно всувають одна в іншу трубок або насадок. Якщо в конструкції вібратора не передбачена регулювання, то бажано перевірити його власну частоту.
Після настройки вібратора перевіряють узгодження фідера шляхом вимірювання коефіцієнта біжучої хвилі. Для цього до фідера, на іншому кінці якого знаходиться антена, підключається міст. Величина КБВ для передавальних антен повинна бути не менше 0,5, для приймальних не менше 0,6-0,8. У разі низького КБВ можна, наприклад, між кабелем і антеною включити узгоджувальний трансформатор, який представляє відрізок кабелю довжиною близько l / 4 де l - довжина робочої хвилі. Хвильовий опір цього відрізка Wтр має дорівнювати
де: W - хвильовий опір фідера,
RА - вхідний опір антени.
Після цього фідер підключають до приймача (або до передавача), знову вимірюють КБВ і, якщо потрібно, виробляють узгодження (опис різних узгоджувальних пристроїв можна знайти в книзі Лінде Д.П. "Антенно-фідерні пристрої" М-Л. Госенергоіздат, 1953, ).
Після настройки фідера вібратор, якщо потрібно, знову підлаштовують.
Налаштування двухвібраторной антени з рефлектором (мал. 8, а) починайте налаштування випромінювача.
Під час налаштування випромінювача рефлектор повинен бути знятий. Після того, як випромінювач і фідер будуть налаштовані (спосіб настройки описаний вище), встановлюється і налаштовується рефлектор. Для цього індикатор поля встановлюють спочатку ззаду антени, проти рефлектора. Переміщаючи рефлектор уздовж антени або змінюючи його довжину (або те й інше разом), домагаються найбільшого ослаблення випромінювання в цю сторону (назад). Потім переносять індикатор в напрямку головного випромінювання на таку ж відстань від центру антени як в попередньому випадку і налаштовують таким же чином рефлектор на максимум випромінювання (вперед). Повторюючи цю операцію кілька разів, прагнуть отримати найбільшу випромінювання вперед в порівнянні з випромінюванням назад. Для антен, які будуть працювати і на передачу і на прийом, рефлектор закріплюють в середньому положенні між точками, відповідними налаштування на максимум випромінювання вперед і на мінімум випромінювання назад. Для передавальних антен залишають рефлектор в положенні максимуму випромінювання вперед, а для прийомних мінімуму випромінювання назад. Досвід показує, що ці положення відрізняються незначно. Під час налаштування як назад, так і вперед показання індикатора можуть впасти одночасно. Це означає, що випромінюється потужність зменшилася внаслідок сильного впливу рефлектора на випромінювач, який при цьому порушує узгодження фідера. Якщо підлаштувати узгодження фідера можна, то слід знайти таке положення рефлектора, при якому і діаграма спрямованості ще залишається задовільною і падіння випромінюваної потужністю не буде особливо відчутно. Поєднання гарного виграшу по головному напрямку з великим ослабленням зворотного випромінювання досягається при відстані між рефлектором і випромінювачем в межах 0,1-0,3 l.
Так як елементи антени мають великий взаємний вплив, після настройки рефлектора потрібно знову підлаштувати випромінювач і фідер.
Набагато зручніше працювати з двома індикаторами поля. Встановивши один з них з боку рефлектора, а інший - з боку випромінювача відразу ж визначають ставлення вперед-назад розподілом індикаторів. Крім того, це дозволяє виключити вплив змін потужності генератора в процесі вимірювань і швидко визначити положення рефлектора.
При налаштуванні трьохелементної антени з рефлектором і директором (рис. 8, б), також спочатку налаштовують випромінювач. Під час налаштування його рефлектор і директор прибираються або вимикаються спеціальної перемичкою. Після настройки випромінювача і узгодження фідера приступають до налаштування директора, який, точно так само як і рефлектор, налаштовують на максимум випромінювання вперед в порівнянні з випромінюванням назад. На противагу рефлектора, довжина якого при налаштуванні збільшується в порівнянні з довжиною випромінювача, директор при налаштуванні коротшає. Налаштування директора можна також виробляти і підбором відстані між ним і випромінювачем. Це відстань лежить в межах 0,1-0,2 l. Далі встановлюють і налаштовують рефлектор.
При виготовленні антен корисно передбачити пристосування для тимчасового вимкнення рефлекторів і директорів. Для цього зазначені елементи розрізаються в центрі і забезпечуються короткозамикающего перемичками. Перемички повинні мати гвинти для їх закріплення після закінчення настройки.
Налаштування антен з великим числом вібраторів (типу "хвильовий канал") подібна до налаштуванням трьохелементної антени, описаної вище. Після настройки випромінювача налаштовується розташований біля нього перший директор, потім - другий (не знімаючи першого), третій і так далі. Останнім налаштовується рефлектор, який при налаштуванні випромінювача і директорів повинен бути вимкнений або знято. У зазначеній послідовності ці операції повторюються кілька разів. Слід зазначити, що налагодження та регулювання систем з багатьма директорами (більше трьох) складна. Діаграма спрямованості таких антен дуже критична до зміни розташування і довжини кожного директора.
Налаштування антен в режимі прийому виконується за допомогою допоміжного генератора потужністю близько 1 мВт. Генератор навантажується на вібратор, симетричне харчування якого досягається виконанням генератора за схемою двотактної або включенням сімметрірующего пристрою. Приймач підключається до досліджуваної антени. Контроль сигналу в приймачі здійснюється за допомогою мікроамперметра, включеного послідовно в навантаження детектора.
В процесі вимірювань посилення приймача не повинно бути занадто великим. В іншому випадку амплітуда сигналу буде обмежуватися і максимум настройки не буде знайдений.
Суть методу налаштування в режимі прийому не відрізняється від методу, викладеного вище. Ті елементи антени, які налаштовуються в режимі передачі на максимум випромінювання, в режимі прийому налаштовуються на максимум сигналу. Налаштовуючи рефлектор або директор на найбільш вигідне ставлення вперед-назад, антену генератора ставлять по черзі ззаду і спереду антени на однакових відстанях.
Зняття діаграм спрямованості антен
Далеко не завжди надається можливим зняти повну характеристику антени в межах від 0 до 360 °. Судження про правильність настройки може дати вже частина діаграми в межах 30-40 ° в кожну сторону від головного променя. Діаграма спрямованості в горизонтальній площині може бути знята шляхом обертання досліджуваної антени при нерухомому індикаторі поля або шляхом обходу антени з індикатором. В останньому випадку індикатор переміщують точно по колу, в центрі якої розташовується настроюється антена. Для зручності відліку окружність розбивається кілочками через кожні 10 °. Під час зняття діаграми потрібно стежити за тим, щоб потужність передавача лишалася незмінною. Подібний контроль дуже зручно вести за допомогою другого індикатора поля, встановленого в напрямку максимуму випромінювання. Показання нерухомого індикатора записують одночасно з показаннями переноситься, а потім свідчення останнього (що переноситься індикатора) ділять на відповідне показання першого (нерухомого) для кожного кута напрямки і за отриманими даними будують діаграму. Розбіжність максимуму випромінювання з геометричною віссю антени вказує на асиметрію, а помітне спотворення діаграми часто буває через відбиття від сторонніх предметів. Для діаграми спрямованості, що характеризує поле за потужністю, ширина діаграми відраховується (в градусах) за рівнем 0,5 від максимального (рис. 1).
Вимірювання коефіцієнта посилення
Випробовувана антена і індикатор поля розташовуються так само, як в процесі настройки (рис. 4). Потужність передавача встановлюється такої величини, щоб стрілка індикатора поля відхилялася на всю шкалу a макс. Після цього передавач вимикається і на місце вимірюваної антени ставиться і підключається підлозі віл нової вібратор. Потім знову включають передавач і відзначають показання приладу a хв. Розраховують коефіцієнт посилення l антени по формулі
Більш точні вимірювання можна провести за допомогою генератора, що має калібрований вихід. Підключаючи генератор черзі до випробовуваної антени і вібратора, домагаються, щоб індикатор в обох випадках давав один і той же показання.
де Рмакс-потужність генератора, яка збуджує полуволновой вібратор, Рмін - потужність генератора, яка збуджує вимірювану антену.
Так, наприклад, трьохелементна антена з директором і рефлектором має
РАДІО N 2 1961 c.48-51.