Теория конусных антенн BowTie

в 14:56, , рубрики: DVB-T2, антенна, Разработка систем связи, телевидение

Предисловие

Вопрос конусных антенн (бабочка, BowTie) очень слабо освещен в литературе, хотя это самый популярный тип ТВ антенн в мире, наряду с Uda-Yagi.

Поэтому в статье опишем принципы их работы и конструирования: волновые свойства одиночного вибратора-бабочки, влияние рефлекторов и директоров на диаграмму направленности и усиление антенны, принципы соединения вибраторов-бабочка в синфазные решетки.

Кроме того, представим читателю 7 хорошо оптимизированных с помощью САПР практических дизайнов телевизионных антенн на основе вибратора «бабочка» от простейших (в т.ч. безрефлекторные) до очень высокопроизводительной антенны с средним усилением 16.3 dBi для дальнего приёма.

В основе всех антенн обязательно присутствует активный элемент (вибратор, radiator), к которому подводится напряжение при работе на передачу, или снимается напряжение при работе на приём.
В большинстве типов антенн вибратором является полуволновой диполь и его разновидности (разрезной диполь, петлевой, двойной петлевой, четвертьволновый штырь, набор диполей с логопериодической геометрией и т.д.).

Конструкция паразитных элементов и согласование антенны исходят из свойств вибратора. Свойства полуволнового диполя отлично известны и широко описаны. Сопротивление излучения равно 73Ω на центральной частоте, диаграмма направленности почти круговая, с небольшим усилением 2.15 dBi перпендикулярно оси.

Ось диполя проходит через E-плоскость, т.е. поляризация излучения совпадает с осью диполя.

Сопротивление излучения быстро падает при снижении частоты и растёт с ростом частоты.
Диполь, отцентрированный на 600 МГц, при КСВ=1 на линию 73Ω будет иметь КСВ=2 уже при частотах 560 и 650 МГц, т.е. сохраняет приемлемый КСВ в диапазоне -7%...+8%.

Диполь идеален для узкополосных применений, а сделать его широкополосным можно только компромиссными путями — добавлять паразитные элементы (рефлекторы, директоры), подбирая их геометрию так, чтобы выровнять волновое сопротивление в разных участках диапазона. При таком подборе геометрии, усиление многоэлементной антенны будет значительно ниже, чем с таким же количеством паразитных элементов, оптимизированных под узкий диапазон. Усиление антенны очень неравномерно по диапазону, а КСВ выходит за рамки приличия на краях диапазона.

Часть I. Конусный вибратор (BowTie radiator)

Существуют и другие дизайны вибраторов, так называемые ЧНА — частотно-независимые. Их сопротивление излучения в значительно меньшей мере зависит от частоты, они могут работать в сравнительно широком диапазоне частот с высоким КПД и приемлемым КСВ.

Один из таких дизайнов — биконическая антенна:

Теория конусных антенн BowTie - 1

Её свойства сохраняются если вместо объемных конусов применить их проекции — плоские треугольники в виде галстука-бабочки (англ. — BowTie).

Если треугольники будут бесконечными — антенна будет работать на всех частотах:

Теория конусных антенн BowTie - 2

Если создать треугольники конечного размера — они смогут работать в некотором большом диапазоне частот.

Теория конусных антенн BowTie - 3

Более того, треугольник не обязан быть сплошным.

Теория конусных антенн BowTie - 4

Его свойства сохраняются даже когда от плоскости оставить только два луча, хотя при наличии перемычек, треугольник излучает немного лучше.

3D view, BowTie solid, BowTie whiskers

Теория конусных антенн BowTie - 5
Теория конусных антенн BowTie - 6

Далее будем рассматривать только вариант из двух усов (англ. — Whiskers) — самый простой и распространенный.

Центральной частотой для BowTie является такая длина волны, когда каждый из 4 усов имеет длину ~0.47λ (при технологическом разрыве в центре 1"=2.5 см).

Это значит, что BowTie вибратор примерно в 2 раза габаритнее чем полуволновый диполь. Полная ширина диполя — ~0.5λ, а полная ширина BowTie ~1λ.

Такие габариты делают его неприемлемо большим на частотах ниже 200 МГц, поэтому он не применяется на ТВ каналах 1-5 и не применяется в FM радиоприёме.

Для частот 200...800 МГц его размеры вполне приемлемые, что в сочетании с широкополосностью обеспечило массовость, а в сегменте антенн 10+ dBi доминирование.

Complex wave impedance, Z Ω

Теория конусных антенн BowTie - 7

Комплексное сопротивление излучения на центральной частоте (все примеры будут для 600 МГц) около 545Ω (для диаметра проводников 2.8 мм) и плавно падает до 200Ω на частотах 350 и 800 МГц.

Согласование 545Ω на коаксиальную линию 75Ω весьма нестандартное (хотя и реализуемое при надобности), но для работы в широкой полосе частот и ненужное и даже нежелательное. Приемлемый для телевидения КСВ будет, если использовать запитку от 300 до 600Ω. Минимальный усредненный в диапазоне 470...790 МГц КСВ получается если питать ~400Ω.

Вот КСВ (англ. — SWR) в полосе частот 400..800 МГц при питании 400Ω, и сравнение с КСВ полуволнового диполя на линию 73Ω.

SWR / КСВ BowTie

Теория конусных антенн BowTie - 8

На графике показаны варианты с углом раскрыва усов от 20 до 60 градусов. Угол не сильно влияет, оптимальный угол около 33 градуса. Если классический диполь позволяет удержать SWR<2 в полосе 560...650 МГц, то BowTie вибратор имеет КСВ<2 в полосе 470...690 МГц, т.е. перекрывает весь ТВ диапазон ДМВ (в перспективе каналы 49 и выше будут проданы на нужды LTE-700 после прекращения вещания SECAM), а в полосе частот до 790 МГц имеет КСВ<3, что тоже приемлемо.

Диаграмма направленности излучения BowTie немного отличается от дипольной. Вверх/вниз BowTie излучает на 3-4 dB слабее чем вперёд/назад. В стороны подавляет излучение значительно сильнее, чем классический диполь. За счёт этого усиление вперед/взад на центральной частоте около 4.8 dBi (против 2.15 dBi диполя), а в полосе частот 400...800 МГц плавно растёт с 3.6 dBi до 6.7 dBi.

Gain, Pattern

Теория конусных антенн BowTie - 9
Теория конусных антенн BowTie - 10

Для согласования 75Ω кабеля с одиночным BowTie оптимальным будет балун 6:1 (Bal-Un, Balanced-Unbalanced трансформатор), который можно сделать из балуна 4:1 или выполнив на кольце с 2 дырками:

Balun 6:1

Теория конусных антенн BowTie - 11
Теория конусных антенн BowTie - 12

Стандартный 300Ω балун 4:1 тоже будет работать, но КСВ будет >2.

Часть Iа Конусный вибратор — всеволновый?

Конусная антенна относится частично к ЧНА (частотно-независимая антенна) и к UWB (Ultra-Wide Band) типу антенн.

Максимальное сопротивление излучения конусный вибратор имеет при длине усов 0.47λ (около 545Ω), при отклонении длины в любую сторону — сопротивление падает до минимального 84Ω (при 0.31λ).

Дальнейшее укорочение волны приводит опять к росту сопротивления до 545Ω при длине усов кратной 0.47λ (600, 1200, 1800, 2400 МГц), и к циклическому падению до 84Ω при длине усов кратной 0.47λ, но с фиксированным сдвигом на 0.24λ (900, 1500, 2100, 2700 МГц).

0.47λ@600 Mhz, Impedance in 300 .. 4000 Mhz band

Теория конусных антенн BowTie - 13

Таким образом, если у нас есть возможность согласования импеданса в диапазоне 84-545Ω, антенну можно использовать в очень широком диапазоне частот, в отличии от диполя у которого сопротивление будет расти бесконечно или падать на низких частотах до ноля.

Практическая польза из такого свойства конусных антенн может быть извлечена только с активным согласующим устройством, установленным непосредственно возле антенны, которое будет преобразовывать 84-545Ω в 50 или 75Ω сопротивление линий передач радиоприёмника и/или передатчика.

При пассивном согласовании через фиксированный трансформатор, извлечь пользу от таких широкополосных свойств практически нельзя. Приемлемый КСВ сохраняется в относительно узком диапазоне частот, хотя он и шире чем у обычного диполя. Если по КСВ=2 диапазон согласования +-8% для диполя, то для конусного вибратора +-18%.

Какая же частота для вибратора-бабочки является резонансной? Чтобы ответить на этот вопрос, вернёмся сначала к определениям.

Вот модель любой абстрактной антенны:

Теория конусных антенн BowTie - 14

Полное (комплексное) сопротивление излучения равно сумме реальной части (синяя) и мнимой части (красная).

Мнимая часть состоит из двух реактивных составляющих: индуктивной (с знаком +) и ёмкостной (с знаком -).

Когда индуктивная и ёмкостная реактивность равны, мнимая часть равна нулю. Полное сопротивление антенны равно реальному сопротивлению излучения. Такая частота называется резонансной частотой антенны. Для полуволнового диполя резонансная длина диполя равна 0.5λ (с учетом замедления скорости света в проводниках немного меньше, около 0.47λ), реальное сопротивление на резонансной частоте 73Ω.

Для вибратора-бабочки есть два резонанса, когда индуктивная составляющая равна нулю: это точки как максимума сопротивления, так и минимума. Т.е. для вибратора на 600 МГц, резонансными будут частоты 600, 1200, 1800 и 900, 1500, 2100 и т.д. При резонансной длине каждого уса кратной 0.47λ (при угле раскрыва 33 градуса и диаметре проводника 2.8 мм), сопротивление вибратора максимально возможное (в районе 600Ω), а при длине кратной 0.47λ*K+0.24λ (сдвиг на четверть волны) — минимально возможное (в районе 85Ω).

Точное значение реального сопротивления R весьма чувствительно к диаметру проводников, из которых сделаны усы. При очень тонком проводнике D=0.1 мм, сопротивление R на резонансной частоте достигает 1444Ω, а с усами диаметром 10 мм доходит лишь до 345Ω. Резонансная частота при этом тоже смещается.

Вот таблица зависимости Rmax (на резонансной частоте), Rmin (на частотах со сдвигом 1/4 от первой резонансной) и соответствующие этим частотам длины усов, в зависимости от диаметра проводника.

Теория конусных антенн BowTie - 15

Для обычного диполя, диаметр проводника почти не имеет никакого влияния на резонансное сопротивление, а реактивную составляющую толстый диполь снижает — делает кривую полного сопротивления более пологой, а сам диполь более широкополосным.

Для вибратора-бабочки, диаметр проводника имеет очень сильное влияние как на резонансное, так и на реактивное, а значит и на полное сопротивление.

Сравним кривые полного (комплексного) сопротивления Z для вибратора с усами 4х223 мм, диаметром 1, 3 и 6 мм.

Теория конусных антенн BowTie - 16

Как видим, диаметр существенно влияет на Rmax, и почти не влияет на Rmin. Кроме того, увеличение диаметра усов снижает резонансную частоту (т.е. усы можно сделать короче).

У более толстого вибратора крутизна скатов меньше и перепад сопротивлений в диапазоне частот меньше. Это облегчает расчет согласования для широкого диапазона частот.

Часть Iб Конусный вибратор — ДН в полосе частот

Как мы знаем, ДН обычного диполя одинаковая во всей полосе частот и не зависит от удаления от резонансной частоты. Так ли это для вибратора-бабочки?

ДН в на 1-ой и вблизи 2-ой резонансных частот

Теория конусных антенн BowTie - 17

Теория конусных антенн BowTie - 18
Теория конусных антенн BowTie - 19
Теория конусных антенн BowTie - 20
Теория конусных антенн BowTie - 21
Теория конусных антенн BowTie - 22
Теория конусных антенн BowTie - 23

Как видим, с ростом частоты диаграмма сначала сужается, а начиная примерно с 0.62λ начинают расти боковые лепестки, интенсивность которых на частоте около второй резонансной достигает интенсивности главного лепестка, а с дальнейшим ростом частоты главный лепесток почти пропадает. При проходе каждой следующей резонансной частоты лепестки раздваиваются и появляются лепестки излучения вверх.

Вывод: хотя формально вибратор-бабочка и всеволновый, но форма диаграммы направленности начинает раздваиваться после того, как в суммарной длине вибратора (обоих усов) укладывается более 1 длины волны. Хотя вибратор и будет излучать, но направление этого излучения непригодно для практических применений.

Пригодный для практики диапазон сверху ограничивается по диаграмме направленности длиной усов 0.6λ.

Снизу он ограничивается падением сопротивления излучения и ростом КСВ. При длине усов короче 0.19λ R опускается ниже 25Ω, а КСВ растет до 4+ даже при запитке 50/75Ω.

Пригодным для практического использования (при решении вопроса согласования импеданса) является диапазон длин волн от 0.2-0.6λ, т.е. +28%..-57% от резонансной частоты 0.47λ

Часть II / Паразиты

Паразитные элементы это проводники, которые лежат в E-плоскости, т.е. параллельны вибратору и лежат в поляризации излучения вибратора и электрически изолированы от вибратора.

Металлическое соединение допускается только для точек с нулевым потенциалом и носит только конструктивный характер.

Паразиты существенно влияют на диполь, причём влияние зависит от того, длиннее или короче паразит чем вибратор. Если паразит короче — то он имеет ёмкостную реактивность и увеличивает излучение в направлении на себя, а если паразит длиннее — имеет индуктивную реактивность и «отталкивает» излучение от себя. Короткие паразиты называют директорами, а длинные — рефлекторами. Чем больше паразитов и чем ближе они к диполю, тем ниже его сопротивление излучения.

Уже 1 рефлектор сильно снижает излучение взад и вверх-вниз и добавляет вперёд. Излучение вперёд растёт с 2.15 dBi +4.7 dB = 6.9 dBi.

Если рефлектор имеет длину вибратора, то снижает излучение только вверх/вниз, а вперёд/взад излучение равноценно.

При снижении длины рефлектора ниже длины вибратора, он превращается в директор, излучение взад превышает излучение вперёд. Усиление 1V1D может достигать до 6.2 dBi (немного меньше чем 1V1R).

Директоры отличаются от рефлектора тем, что дальнейшее добавление числа директоров приводит к дальнейшему сужению ДН и соответственно росту усиления. Второй же рефлектор позади первого почти никак не влияет на излучение антенны.

С конусной антенной паразиты ведут себя по-другому. Паразит начинает проявлять какие-либо свойства с длины около 0.2λ. Оптимальное его расстояние 0.15λ от вибратора.

От 0.3 до 0.47λ паразит работает как директор, с пиком усиления при 0.448λ = 8.91 dBi. При 0.47λ паразит является нейтральным (подавляет только верх/низ), а с 0.48λ и выше (до бесконечности) ведёт себя как рефлектор, с пиком усиления 0.49λ=8.52 dBi (+3.71 dB против голого конуса)

0.0λ — 4.81 dBi (без паразита)
0.1λ — 4.83 dBi
0.2λ — 4.94 dBi
0.3λ — 5.32 dBi (работает как директор)
0.4λ — 6.89 dBi (работает как директор)
0.449λ — 8.92 dBi (работает как директор)
0.47λ — 7.57 dBi (направленность front/back одинаковая)
0.49λ — 8.52 dBi (работает как рефлектор)
0.5λ — 8.45 dBi (работает как рефлектор)
0.6λ — 7.18 dBi (и далее работает как рефлектор)
0.7λ — 6.77 dBi
0.8λ — 6.63 dBi
0.9λ — 6.57 dBi
1.0λ — 6.55 dBi
1.2λ — 6.55 dBi
1.3λ — 6.60 dBi
1.4λ — 7.04 dBi
1.5λ — 7.7 dBi
1.6λ — 7.14 dBi
2.0λ — 6.87 dBi

0.49λ Reflector, pattern 3D/ARRL

Теория конусных антенн BowTie - 24Теория конусных антенн BowTie - 25

Сопротивление излучения сильно растёт (у диполя незначительно падало). Так 0.49λ рефлектор поднимает сопротивление с 545 до 1150Ω. Кроме того, в широкой полосе свойства паразита резко меняются при прохождении точки 0.47λ. Паразит превращается из рефлектора в директор и в нужном направлении сигнал ослабляется (зато растёт излучение задней полусферы). Поэтому такой дизайн не имеет смысла для каких практических целей.

Чтобы рефлектор вел себя в широкой полосе частот как рефлектор, надо брать хотя бы 1.0λ на центральной частоте. Но характеристики такой антенны весьма посредственные — КЗД по front/back очень слабый (на некоторых частотах нулевой), КСВ превышает 2.6 на краях диапазона.

Вывод: паразиты с целью создания направленности антенны (увеличение усиления и КЗД) очень непрактичны и поэтому на практике не применяются. Паразиты можно осторожно использовать для коррекции АЧХ на верхнем участке диапазона и для создания завала частот по верхнему краю. Так например, если для широкополосной антенны (как польские ASP-8) для полосы 50...800 МГц добавить директор, который на частоте 800 МГц будет иметь длину <0.45λ, то на верхних частотах, где его действующая длина >0.3λ он начнёт оказывать влияние:

— поднимет сопротивление излучения (а оно как мы уже знаем падает при отступлении от центральной частоты)
— поднимет усиление за счет направленности вперёд
— когда длина начнёт приближаться к 0.47λ сопротивление резко возрастёт (и КСВ) и директор превратится в рефлектор и снизит усиление вперёд. Директор будет работать как режекторный фильтр, с частотой среза F=300/L/0.47=141/L его длины.

На нижних частотах длина такого директора будет иметь <0.3λ и оказывать влияния на работу антенны почти не будет.

Часть III / Экраны-рефлекторы

Экранный рефлектор — это плоский рефлектор. Он может быть выполнен как из сплошного проводника (лист металла, фольга) так и из сетки горизонтальных проводников (если положение усов вибратора горизонтальное). Вертикальные проводники никак не влияют на свойства экрана. Их можно применять только из конструктивных соображений для придания прочности конструкции.

Как и у одиночного паразита, свойства экрана зависят от его ширины. Если экран имеет ширину менее 0.47λ, он работает как директор: излучение растёт в сторону такого экрана. Если экран имеет ширину более 0.47λ, он работает как рефлектор.

Расстояние до рефлектора может быть любое от 0.1λ до 0.5λ. С рефлектором шириной 1λ и высотой 0.5λ (± 0.25λ от оси излучения) с шагом сетки 0.025λ, сопротивление излучения и усиление одиночного BowTie составит:

0.10λ — 1700Ω — 9.83 dBi
0.15λ — 871Ω — 9.63 dBi
0.20λ — 603Ω — 9.35 dBi
0.25λ — 496Ω — 8.94 dBi
0.30λ — 442Ω — 8.35 dBi
0.35λ — 414Ω — 7.48 dBi
0.40λ — 404Ω — 6.15 dBi
0.45λ — 412Ω — 4.04 dBi
0.50λ — 443Ω — 0.67 dBi

Практически полезным является оффсет рефлектора от 0.15λ до 0.35λ. С приближением к экрану <0.15λ сопротивление растет очень быстро до непрактичных величин. При удалении >0.35λ направленность быстро снижается и при 0.42λ такая же как у голого вибратора.

Для работы на центральной частоте оптимальное расстояние 0.2λ — сопротивление очень удобное 600Ω, а направленность достигает 9.35 dBi. Для работы в широкой полосе частот можно подбирать оптимальное положение в промежутке 0.15...0.25λ, улучшая согласование/усиление в тех участках диапазона где наблюдается провал.

Рассмотрим влияние ширины рефлектора, при Offset=0.2λ:

0.50λ — 890Ω — 08.95 dBi — 05.86 F/B
0.75λ — 657Ω — 09.11 dBi — 10.57 F/B
1.00λ — 603Ω — 09.35 dBi — 12.37 F/B
1.25λ — 574Ω — 09.90 dBi — 14.46 F/B
1.50λ — 583Ω — 10.18 dBi — 19.33 F/B
1.75λ — 586Ω — 10.04 dBi — 19.77 F/B
2.00λ — 585Ω — 09.96 dBi — 19.48 F/B

При ширине менее 0.47λ экран ведет себя как директор и концентрирует излучение в свою сторону.

При длине >0.47λ экран ведет себя как рефлектор-отражатель, при 0.59λ соотношение Front/Back достигает 8 dB.

При 1λ антенна имеет уже приличные параметры — удобное сопротивление 600Ω, усиление >9 dBi и КЗД>12 dBi.

При дальнейшем увеличении ширины экрана усиление почти не растёт, но КЗД поднимается до 18..20 dB.

Пик усиления и КЗД при 1.5λ, дальнейшее увеличение уже не даёт никакого прироста. В полосе частот 470...690 МГц, КСВ слишком сильно растёт на краях диапазона при оффсете 0.20λ. Если требуется работа на любом из каналов 21..49, то надо увеличить оффсет до 0.25λ, тогда антенна будет иметь такие параметры на нагрузку 600Ω:

1-bay BowTie + screen

Теория конусных антенн BowTie - 26
Теория конусных антенн BowTie - 27
Теория конусных антенн BowTie - 28

Антенна может работать с балунами 4:1, 6:1 и 8:1. КСВ при этом будет разный в широкой полосе частот:

Feed 300Ω vs 450Ω vs 600Ω

Теория конусных антенн BowTie - 29

Рассмотрим, можно ли добавить к такой антенне паразит-директор. Как показал анализ в предыдущей части, длина директора не должна приближаться к 0.47λ во всей полосе работы антенны.

Предположим нам надо сконструировать антенну под диапазон 470...700 МГц. Возьмем директор с длиной 0.41λ на частоте 700 МГц, на центральной частоте предыдущей антенны (600 МГц) его длина составит 0.35λ. Пошаговый оптимизатор показал, что оптимальное расстояние до вибратора — 0.20λ.

Screen + Director, Gain, SWR, 3D

Теория конусных антенн BowTie - 30
Теория конусных антенн BowTie - 31
Теория конусных антенн BowTie - 32
Теория конусных антенн BowTie - 33

Второй директор 0.34λ на 0.16λ от первого может дать ещё ~0.5 dB прироста в диапазоне 550...690 МГц, ценой ухудшения КСВ на 0.1.

Двухэтажный первый директор (оптимальная высота около 0.13λ) даёт больше прироста чем второй директор.

Screen + 2-Bay Director, Gain, SWR, 3D

Теория конусных антенн BowTie - 34
Теория конусных антенн BowTie - 35
Теория конусных антенн BowTie - 36

Часть IV / Рефлектор с бортиками

Когда ширина основного полотна экрана достигает 1-1.2λ, дальнейшее увеличение ширины экрана уже не даёт существенного прироста. Дальнейший рост ширины экрана под углом, т.е. создание отогнутых бортиков, часто выгоднее чем прямолинейное наращивание ширины. Оптимальные для 1λ экрана бортики составляют ~0.2-0.25λ под углом 30 градусов к полотну.

Диаграмма направленности немного изменяется в горизонтальной плоскости — незначительный рост (до 1 дБ) излучения вперёд, очень значительное подавление излучения назад, но перераспределением его не вперёд, а в задней полусфере. Соотношение передней и задней полусферы даже незначительно ухудшается, но т.к. излучение строго взад преобладало в задней полусфере — снизить его даже перераспределением в этой же полусфере очень выгодно с точки зрения улучшения защитного действия антенны.

Lips: 3D, pattern, Gain, SWR, F/B & F/R ratio

Теория конусных антенн BowTie - 37
Теория конусных антенн BowTie - 38
Теория конусных антенн BowTie - 39
Теория конусных антенн BowTie - 40
Теория конусных антенн BowTie - 41

Комбинация экрана с боковыми бортиками и 2-этажный директор — это практически потолок, который можно вытянуть из одиночного BowTie вибратора. Вот его набор параметров:

Screen 1λ + Lips 0.25λ @ 30° + 0.35λ @H=0.2λ Director

Теория конусных антенн BowTie - 42
Теория конусных антенн BowTie - 43
Теория конусных антенн BowTie - 44
Теория конусных антенн BowTie - 45
Теория конусных антенн BowTie - 46

Часть V / Одноэкранные синфазные решетки

Как видим, возможности одиночного вибратора исчерпываются экраном-рефлектором. Если требуется создать антенну с более узкой диаграммой направленности и повышенным усилением — остается только применять несколько антенн, соединяя их синфазно в одну решетку увеличенной апертуры. Для любого типа антенн, удвоение количества антенн в синфазной решетке может дать до 3 dB прироста усиления за счёт сужения диаграммы направленности. Диаграмма излучения сужается в той плоскости, куда добавляем новые антенны. При увеличении этажности решетки — диаграмма сужается в вертикальной плоскости (становится прижатой к горизонту), при добавлении справа или слева новых этажей — в горизонтальной плоскости (сужение луча по азимуту).

Главное препятствие для создания синфазных решеток — технологические трудности. Сложность расчета и конструирования резко увеличивается, потому что надо согласовать сначала каждую антенну с линией передачи, потом сложить сигналы с каждой пары линий на тройник, суммирующий сигнал опять согласовать с волновым сопротивлением фидера.

Сбор и передачу сигнала от каждой антенны (каждого вибратора антенной решетки) можно выполнить:

* несимметричной (коаксиальной) линией
* симметричной (двухпроводной) линией

Каждый вид линии имеет свои плюсы и недостатки.

Коаксиальная линия:

+ может проходить вблизи металлических элементов и в отверстиях сквозь них
— производится на очень ограниченный набор фиксированных сопротивлений (50 и 75Ω, бывают экзотические на 100 и 150Ω, но достать их почти невозможно)
— требует симметрирующее устройство Bal-Un (Balanced-Unbalanced) для подключения к симметричному вибратору
— для изменения фазы сигнала надо дополнительные линии или элементы
— материал только медь, для соединения с конструктивными элементами вибратора нужны дополнительные элементы (например клеммы с пайкой)

Двухпроводная линия:

+ можно сделать на любое сопротивление подобрав расстояние или диаметр проводников
+ может соединяться непосредственно к симметричным вибраторам
+ может обладать конструктивной несущей способностью
+ легко изменить сигнал на противофазный подсоединившись к противоположному проводнику
+ могут изготовляться из любых материалов, включая материал вибратора и даже быть его конструктивным продолжением, что упрощает соединения
— надо обеспечить параллельность, или за счет собственной жесткости или с помощью диэлектрических распорок
— нельзя располагать вблизи металлических элементов, не пересекать магнитное поле. особенно вредны металлические проводники, если они не равноудалены от обоих линий. При рассимметрировании, токи, протекающие в разных проводах линии, находятся не в фазе, и не компенсируют друг друга, что приводит к излучению фидера.

Теория конусных антенн BowTie - 47

Конструктивно конусные антенны очень элегантно уживаются с двухпроводными линиями при вертикальной (многоэтажной) компоновке синфазной решетки.

Теория конусных антенн BowTie - 48

С помощью двух коротких (обычно короче длины волны) отрезков идентичной длины, два сигнала равной силы и фазы складываются, на выходе получается сигнал, который в 2 раза (на +3 dB) мощнее сигнала в отдельно взятом вибраторе.

Для идеальной работы, волновое сопротивление суммирующей линии должно быть такое же как у вибратора (на этой частоте). Выходное сопротивление такой решетки будет равно половине импеданса каждого вибратора и линии.

В широком диапазоне частот собственный импеданс вибратора изменяется в широких пределах от 85 до 545Ω. Импеданс симметричных линий не зависит от частоты, а исключительно от диаметра проводников и расстояния между ними. Поэтому в широкой полосе частот такая линия всегда будет несогласованной. Короткие несогласованные линии (длиной соразмерной с длиной волны или меньше) действуют как трансформатор сопротивлений. Это свойство таких линий используется часто и по прямому назначению, если нужно преобразовать волновое сопротивление линий.

Расчет волнового сопротивления линии производят по формуле или с помощью готовой утилиты.

Так, два проводника диаметром по 2 мм на расстоянии 25 мм с воздушным промежутком имеют сопротивление 386Ω

Теория конусных антенн BowTie - 49

Возьмем для примера короткую линию 0.3λ (забегая наперед скажем, что это будет половина оптимального расстояния разноса этажей, т.е. это будет длина линии от одного из этажей до тройника сложения на фидер) и посмотрим как она трансформирует собственное сопротивление излучения вибратора в диапазоне частот.

Одна линия 25/2 мм (386Ω), вторая 25/1 мм (469Ω) и третья вдвое длиннее 25/2 мм (386Ω) для сравнения:

Теория конусных антенн BowTie - 50

Синим цветом (Direct) обозначено собственное комплексное сопротивление конусного вибратора BowTie при прямом подключении фидера.

Как видим, собирающая линия имеет очень сильное влияние на результирующий импеданс. Причем коэффициент трансформации в меньшей мере зависит от сопротивления трансформатора, а в большей от его длины (соотносимо с длиной волны). Т.к. для разных частот один и тот же отрезок трансформатора представляет очень разную длину.

Для расчета этого сопротивления существует формула
Теория конусных антенн BowTie - 51
Теория конусных антенн BowTie - 52

Когда ZA=Z0, тогда Zin=Z0. Согласованная с источником линия не вносит изменения в результирующий импеданс.
В остальных случаях Z0 умножается на коэфициент, который зависит от f*L (т.е. от длины волны) и зависит от ZA и ZO

Длина собирающих линий в синфазной решетке теоретически может быть любой (лишь бы равной, чтобы сигналы приходили синфазно и складывались), но из технологических побуждений рационально выполнять их кратчайшим путём, соединяя этажи по прямой. При таком подходе длина линии будет задана исходя из оптимального расстояния между этажами, а улучшать согласование придётся только варьируя сопротивление линии: изменяя диаметр проводников или расстояние между ними.

При построении 3-х и более этажей, выполнять независимые линии от каждого следующего этажа к сумматору технологически очень непрактично. К счастью, складывать сигнал от соседних этажей можно непосредственно на клеммы соседа. Т.к. этажи размещаются примерно на длине 1/2λ между собой, то при прохождении по собирающей линии длиной 1/2λ фаза сигнала изменяются на противоположную на 180 градусов. Чтобы такие сигналы суммировались, а не взаимоуничтожались, подключать проводники необходимо в противофазе. Все этажи подключаются между собой только в противофазе, линиями внахлёст. Исключение составляет точка запитки решетки (фидер, балун), т.к. он находится на равном удалении от этажей (не обязательно кратчайшим путём) то сигнал на нём будет синфазный при подключении не внахлёст, а прямиком.

Форма диаграммы направленности (ДН) синфазной антенной решетки определяется ДН антенн, составляющих решетку, и конфигурацией самой решетки (число рядов, число этажей и расстояния между ними).

При двух ненаправленных антеннах, размещенных рядом на 1/2λ (между осями антенн), ДН в горизонтальной плоскости имеет вид восьмерки, а прием с боковых направлений, перпендикулярных главному, отсутствует. Если увеличивать расстояние между антеннами, ширина главного лепестка диаграммы направленности уменьшается, но появляются боковые лепестки с максимумами в направлениях, перпендикулярных главному.

При расстоянии 0.6λ уровень боковых лепестков составляет 0,31 уровня главного лепестка, а ширина ДН по половинной мощности уменьшается в 1,2 раза относительно решетки с расстоянием между антеннами, равным 2/2.

При расстоянии 0.75λ уровень боковых лепестков увеличивается до 0,71 уровня главного, а ширина ДН уменьшается в 1,5 раза. При расстоянии 1λ уровень боковых лепестков достигает уровня главного лепестка, но ширина диаграммы направленности уменьшается в 2 раза по сравнению с расстоянием между антеннами в полволны.

Из этого примера видно, что целесообразнее выбирать расстояния между антеннами, равными длине волны. Это обеспечивает наибольшее сужение главного лепестка диаграммы направленности. Наличия боковых лепестков опасаться нет нужды, так как при использовании в составе решетки направленных антенн они с направлений, перпендикулярных главному, сигналов не принимают.

Это общие рекомендации, для любого типа антенн. Так обычно монтируют антенны при их сложении через коаксиальный кабель. Отрезки гибкого кабеля произвольной (лишь бы одинаковой) длины укладываются произвольным образом. Изменение расстояния между антеннами никак не нарушает согласования и суммирования, поэтому можно выбирать любое расстояние от 0.5 до 1λ.

Для 2-этажной решетки из конусных антенн можно выбрать любое расстояние от 0.5 до 1λ. Но при увеличении разноса до 1λ увеличивается также размер экрана и длина несущей траверсы, т.е. растет расход материала, вес и ухудшается прочность, при очень незначительном росте параметров.

Кроме того, как мы уже видели, увеличение длины несогласованной собирающей линии существенно влияет на её коэффициент трансформации. Поэтому из практических побуждений 2-этажные решетки проектируют с минимальным разносом 0.5-0.6λ.

Для 3 и более этажей сбор сигналов нерационально проводить индивидуальными линиями (они должны быть в промежутке между вибратором и рефлектором, вдали от металлических предметов) от каждого этажа к тройнику, а конструктивно намного проще суммировать соседние этажи напрямую на вибратор. Если расстояние не будет кратным 0.5λ, то задержка сигнала в линии не будет кратна 180 градусов и сигналы не будут складываться в фазе. Поэтому для прямого соединения по кратчайшему пути подходит разнос только 0.5 или 1λ. При 0.5λ линии должны идти внахлест (для поворота фазы на 180 градусов), при 1λ напрямую (без поворота фазы). Из практических побуждений, описанных для 2-этажной решетки, разнос 1λ не применяют.

Часть VI / Практические примеры использования

Сфера применения конусных антенн очень ограничена. На частотах ниже 300 МГц такие антенны имеют неприемлемо большие размеры по сравнению с полуволновым диполем, который имеет размах 0.5λ против 1λ.

На частотах выше 800 МГц нет радиотехнологий, где нужны высоконаправленные антенны. CDMA, GSM, GPS, LTE, WiFi нужны или всенаправленные антенны у абонента, или секторные антенны четко предсказуемой формой сектора на стороне оператора.

На частотах выше 2 ГГц конусные антенны можно выполнять только печатным способом (микрополосковые), преимуществ в параметрах или простоте конструирования и изготовления по сравнению с патч-антеннами на таких частотах нет.

В диапазоне между 300 и 800 МГц работает только телевещание: PAL/SECAM/NTSC (аналоговое) или DVB-T/T2/T2 HD (цифровое).

Именно рынок абонентских антенн ТВ вещания принёс конусным антеннам невиданную популярность.

В 1960-ых годах такие антенны приобрели большую часть рынка в географически больших странах: Канада и США. Большие площади, преимущественно равнинные обусловили более низкую плотность строительства телебашен по сравнению с Европой. При больших радиусах покрытия требовались антенны повышенного усиления на 10...16 дБ. Добиться такого усиления из одиночных антенн волновой канал очень проблематично, а применять синфазные решетки из 2-4 антенн волновой канал сложно и дорого, по сравнению с простотой многоэтажной конусной антенны с рефлектором.

Широчайшему распространению таких антенн в Восточной Европе способствовало появление большого количества маломощных ТВ каналов в диапазоне ДМВ (1-5 кВт по сравнению с 20-25 кВт у трёх каналов центрального телевидения), для приёма которых нужны антенны с усилением 10+ дБ, а также широкополосность с захватом (пусть и с низким усилением) участков МВ диапазона, что снимало необходимость содержать дополнительную антенну МВ диапазона, дополнительные кабели, усилители, сумматоры и т.д.

Представляем вниманию читателя 7 дизайнов антенн, тщательно оптимизированных (с помощью Python скриптов с использованием NEC-engine для моделирования) под максимизацию среднего усиления в диапазоне 470-700 МГц (21-50 каналы ДМВ) и минимизацию среднего КСВ (SWR). На 2017 год такие антенны актуальны только для приёма DVB-T/T2.

Без рефлектора:

1) 2-Bay: 50х55 см, усы 8х279 мм
2) 3-Bay: 60х50 см, усы 12х241 мм
3) 3-Bay (1 small): 80х65 см, усы 4х276, 4х302 и 4х190 мм

С рефлектором / экраном:

4) 1-Bay: 25х72 см (50+2х12.5 см бортики), усы 4х222 мм (из примера в статье)
5) 2-Bay: 86x57 см, усы 4х254 мм
6) 4-Bay: 102x86 см
7) 6-Bay: 152x84 см

Gain, SWR

Теория конусных антенн BowTie - 53Теория конусных антенн BowTie - 54

Теория конусных антенн BowTie - 55

Усредненное в полосе 470-700 МГц усиление антенн составляет от 7 до 42 раз или от 8.5 до 16.3 dBi.
В третьем столбце приведена площадь фронтальной проекции в м2, а в последнем — удельное усиление, в разах на 1 м2 фронтальной площади.

Для сравнения, антенна волновой канал (Uda-Yagi), специально оптимизированная под этот же диапазон, имеет среднее усиление 10 dBi (от 8.1 до 12.1) в конфигурации 1R-5D (1 рефлектор, 5 директоров, петлевой вибратор, 624x293x45 мм) и 12.7 dBi в конфигурации 2R-15D (2 рефлектора, 15 директоров, петлевой вибратор, L=1621 мм)

Выводы: при проектировании антенн со средним усилением до 10 dBi, традиционные дипольные антенны волновой канал проще, компактнее, легче, проще в изготовлении (как кустарном так и промышленном) и долговечнее. Если требуется усиление >10 dBi, то добавление директоров к Uda-Yagi очень мало добавляет направленности (1R5D = 10 dBi, 2R10D = 11.5 dBi, 2R15D = 12.7 dBi), тогда как даже 2-этажная конусная антенна с рефлектором даёт среднее усиление 13.1 dBi.

Когда требуется среднее усиление 15-16 dBi, то альтернативы 4 и 6-этажным конусным антеннам нет. В сегменте антенн с усилением 10-13 дБ, 2-этажная конусная антенна компактнее и проще чем длинные волновые каналы на 10 и более директоров).

Вот общий вид и ДН семи антенн, в порядке пронумерованном выше:

3D View, Pattern @ 600 MHz

1) 2-Bay: 50х55 см, усы 8х279 мм

Теория конусных антенн BowTie - 56
Теория конусных антенн BowTie - 57
2) 3-Bay: 60х50 см, усы 12х241 мм

Теория конусных антенн BowTie - 58
Теория конусных антенн BowTie - 59

3) 3-Bay (1 small): 80х65 см, усы 4х276, 4х302 и 4х190 мм

Теория конусных антенн BowTie - 60
Теория конусных антенн BowTie - 61

4) 1-Bay: 25х72 см (50+2х12.5 см бортики), усы 4х222 мм (из примера в статье)

Теория конусных антенн BowTie - 62
Теория конусных антенн BowTie - 63

5) 2-Bay: 86x57 см, усы 4х254 мм

Теория конусных антенн BowTie - 64

Теория конусных антенн BowTie - 65
6) 4-Bay: 102x86 см

Теория конусных антенн BowTie - 66
Теория конусных антенн BowTie - 67

7) 6-Bay: 152x84 см
Теория конусных антенн BowTie - 68
Теория конусных антенн BowTie - 69

Все 7 моделей в формате *.NEC можно скачать тут и посмотреть детальные размеры (в т.ч. создать исполнительные чертежи) с помощью бесплатной программы 4NEC2.

Disclaimer: 6 представленных антенн UHF-TV разработаны участниками форума DigitalHome Canada под руководством пользователей holl_ands и mclapp.

Автор: plyrvt

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля