Назначение:

Дисконусная антенна DA3000 содержит 16 съемных штыревых элементов различной длины, которые крепятся к вертикальной штанге. Восемь горизонтальных штыревых элементов формируют диск и восемь наклонных - конус. Антенна работает в диапазоне от 25 до 2000 МГц с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости и поставляется с соединительным кабелем и разъемами. Для расширения частотного диапазона антенны D130 и D220 компании Diamond выполнены в виде комбинации четвертьволновой штыревой и дисконусной антенн. Четвертьволновая антенна, которая работает в нижней части диапазона, содержит верхний вертикальный штырь, удлинительную катушку индуктивности и противовес, состоящий из 6 наклонных штырей.

С ростом частоты вертикальный штырь отключается индуктивностью и начинает работать дисконусная антенна, состоящая из шести горизонтальных (диск) и шести наклонных (конус) штырей. Антенны D190 и D220 работают в диапазонах соответственно 25 - 1300 МГц, 100 - 1500 МГц и 100 - 1600 МГц. Частотный диапазон антенны D220, в частности, полностью соответствует возможностям широкополосных программируемых генераторов RS/N и RS/N232.

Конструктивно антенны D130, D220 и DA3000 выполняются в виде мачты, к которой привинчиваются штыревые элементы. В результате размеры антенны при транспортировке существенно уменьшаются. Соединительные коаксиальные 50-Ом кабели типа RG58A/U или RG188A/U длиной от 3.5 до 10 метров подключаются к антенне и приемнику через высокочастотные разъемы MJ-MP. Компания Diamond поставляет также разнообразные элементы крепления антенн: магнитные основания, кронштейны, мачты и другие приспособления. Дисконусные антенны поставляются по отдельному заказу.

Основные технические характеристики:

Рабочий диапазон частот, (МГц) 25-2000
Волновое сопротивление кабеля, (Ом) 50
Высота, (см) 150
Диаметр, (см) 170

Описание актуально на: 23.11.2006.

Для уточнения технических характеристик «16-элементная широкополосная дискоконусная антенна диапазона 25...2000 МГц "DA-3000"», а также для получения информации по наличию и условиям поставки Вы можете заполнить форму запроса ниже.

Внимание! Поставка оборудования осуществляется только юридическим лицами и только по безналичному расчёту.

Дискоконусная антенна представляет собой характерный излучатель, давший название первой части сложносоставного имени изделия, снабженный «землей» из металлической арматуры либо просто конусом. В частичном диапазоне конструкция позволит получить линейную вертикальную поляризацию при движении волны между диском и конусом. Это то, что нужно для радиосвязи. Вдобавок рассмотрим доработку, превращающую устройство в излучатель круговой поляризации в направлении, перпендикулярном диску и противоположном нахождению земли. Читатели узнают, как самостоятельно собирается дискоконусная антенна.

Дискоконусные антенны

Важно! Всенаправленные дискоконусные антенны часто применяются в МВ диапазоне. Не отличаются явным усилением по указанной причине.

Тема сегодняшнего разговора – дискоконусная антенна своими руками. Ходят слухи, что первый патент под номером 2368663 (США) взял А.Г. Кандоян (Kandoian). Достоинством устройства признан широкий диапазон рабочих частот. Разумеется, усиление уступает диполю. На диапазоне обычно удается подключить к кабелю без согласования, плюс собственно конструкция не критична к точности размеров. В дециметровом диапазоне приходится брать сплошной конус, на КВ и метровых волнах большинству хватает скелетной формы. Диск вырождается в набор проводников-лучей с единым центром. Это снижает ветровую нагрузку, на длинных волнах размеры конуса и диска приобретают гигантские значения. Стержней 6, 8 или 12.

Внимание! Питание диска и конуса ведется в противофазе.

К диску определенной величины подключается центральная жила кабеля. Роль земли играет пучок из металлической арматуры, если нет желания собственноручно делать конус. Понятно, что диаграмма направленности искажается. Возникает неравномерность в азимутальном направлении. А диаграмма направленности типичной дискоконусной антенны напоминает тор (бублик). Волна возникает между диском и конусом. Диапазон зависит от расстояния. Для примера приводим конструкцию, указанную на сайте http://elektronika.rukodelkino.com/stati/antenni/35-disko-konusnaya-antenna.html.

Смысл работы уже описан, реализация для частот 85 — 500 МГц:

Волновое сопротивление устройства составляет 60 Ом, приготовьтесь согласовать любым удобным способом. Центральная жила подключается к середине диска снизу, конус объединяется с экраном. Таким образом, получается нечто вроде разомкнутого волновода, где распространяется волна, излучаясь. Коэффициент усиления – минус 3 дБ в сравнении с полуволновым диполем. Онлайн калькуляторов для расчета нет, найдем подходящую методику. Проведем анализ нашей собственной конструкции. Считаем, что минимальное и максимальное расстояния между диском и конусом должны соотноситься с граничными длинами волн диапазона. Вначале подсчитаем размеры:

λmin = 299 792 458 / 500 000 000 = 60 см.

λmax = 299 792 458 / 85 000 000 = 3,53 м.

Опираемся на полученные величины. Поделим обе на четыре и посмотрим, что останется. Имеем: 15 и 88,2 см. Видим, что размеры ни к чему не привязаны. Согласно рисункам и формулам:

Последними двумя параметрами определяется верхняя граничная частота антенны, как пишет Нейл, результатами труда которого мы сейчас воспользовались, дискоконусная антенна ведет себя подобно фильтру верхних частот. Имеется некоторая предельная нижняя частота, по которой вычисляется сторона конуса, где КСВ составляет 3. При переходе через лимит вниз КСВ начинает стремительно расти, что делает использование устройства нецелесообразным. В рабочих пределах параметр постепенно снижается до 1,5. Длину боковины конуса берём чуть больше четверти максимальной длины волны. Добавим, что диаметр диска не зависит от угла при вершине, способного отличаться от 60 градусов.

Сравним числа с указанными выше: из расчетов видна, что боковая стенка взята равной (!) минимальной длине волны, что не соответствует книге. Для верности исследуем на сходство таблицу из литературы, чтобы окончательно подтвердить либо рассеять сомнения (владельцы сайта не по тому параметру вели расчет).

Видно, что размеры антенны линейно уменьшаются с ростом частоты. К примеру, при 14 МГц почти вдвое больше, нежели при 28 МГц. Следовательно, для 85 МГц найдем нужные параметры по пропорции (напомним, что угол при вершине в приведенных ранее сведений составляет 60 градусов). 85 поделить на 14 = 6. Следовательно, делим размеры на полученный коэффициент, выходит:

1. Угол при вершине 60 градусов.
2. Диаметр основания и длина стороны – 91 см.
3. Диаметр диска – 61 см.
4. Зазор между диском и конусом — 4 см.

Верхняя частота не обязательно 500 МГц, говорили, что цифра зависит от диаметра сечения конуса. Чем меньше дыра под кабель, тем с более высокими частотами работает антенна. Итак, показали, что доверять расчетам из сети с вероятностью 100% нельзя. Возможно, там использованы некие конструктивные инновации с неизвестными данными, но, скорее, авторы урезали конус до размера диска. Следовательно, на нижних частотах работать не станет.

Можем догадаться, как высчитывается максимальная рабочая частот: четверть длины волны равна расстоянию от места крепления жилы к диску до среза конуса. Просто по аналогии. Проверьте факт без портала ВашТехник, тезис считаем очевидным.

Форма дискоконусной антенны

Внимательные читатели заметили, что не во всех обзорах угол при вершине составляет 60 градусов. Почему выбран указанный параметр у теоретиков и бывалых практиков. Проводились исследования для кабеля 50 Ом, наглядно показавшие, что данный угол при вершине дает наиболее широкий диапазон, где КСВ не превышает 2. В остальных случаях, в сторону роста и уменьшения, наблюдались различные пики и сужения полосы. Выходит, угол 60 градусов при вершине теоретически обоснован. Если нижняя граница неважна, увеличьте на 10 градусов. КСВ становится более приемлемым, не изменяя области нижней границы.

Что касается скелетных форм вместо сплошных конусов и дисков, это существенно уменьшает массу изделия, понижает ветровую нагрузку. Представьте здоровенные изделия из стали, тем более меди! Вес немалый.

Итак, показано, что широкополосная дискоконусная антенна демонстрирует коэффициент усиления меньше, чем у вибратора. При этом конструкция не столь чувствительна к отклонениям размеров, отличается сравнительной сложностью. Иначе говоря, сделать дискоконусную антенну самостоятельно возможно, но сложно. Обобщим:

• Ключевым считается размер стороны конуса, обуславливающий вычисление прочих габаритов.
• Угол при вершине берем 60 градусов для радиосвязи и WiFi.

Обещали показать, как усовершенствовать дискоконусную антенну. Пожалуйста! Диск запитывается не от кабеля непосредственно, а через отрез провода, составляющий отрезок линии с бесконечно большим сопротивлением при переходе через определённую граничную частоту. В центре диска прорезается отверстие, через которое жила питает дополнительный диск, расположенный выше, излучающий в зенит. Подобная конструкция ловит практически любую линейную поляризацию, исходящую из точки вертикали. Необходимость авторам неизвестна. Пример взят из литературы.

Особенности дискоконусных антенн в том, что возможно сделать гигантское сооружение, принимающее на всех частотах. Главное – правильно выполнить вершину, отвечающую за верхний диапазон. Разумеется, при приближении к СВЧ растут требования к шероховатости поверхностей, лучи света, к примеру, отражаются от зеркала. В этом свете понятно, почему к изделиям проявляется такой интерес. Полуволновый вибратор дает хорошее усиление, но настолько шикарной полосы устройство не обеспечит. Самодельная дискоконусная антенна приличных размеров ловит почти все! Со всех направлений. Рекомендуем сделать дискоконусную антенну и снабдить конструкцию хорошим входным фильтром.

По сравнению с коаксиальной антенной диско-конусная антенна, обладая также круговой диаграммой направленности и таким же способом питания, имеет значительно большую полосу пропускания. По сравнению с обычным диполем коэффициент усиления этой антенны равняется -ЗдБ. Это уменьшение коэффициента усиления не должно вызывать удивления, так как диско-конусная антенна имеет правильную диаграмму направленности при очень большой полосе пропускания. Конструкция диско-конусной антенны, изображенная на рис. 11-40, при соблюдении указанных размеров и непосредственном питании по коаксиальному кабелю с волновым сопротивлением 60 Ом имеет полосу гропускания от 85 до 500 МГц.

Pиc.1

Конус изготовляется в виде рупора из листа меди или какого-либо другого материала, который легко паять. Кабель питания проводится внутри конуса и его внешняя оплетка припаивается к конусу, а очищенный отрезок внутренней жилы длиной 100 мм - к металлическому диску. Диск удерживается в горизонтальном положении с помощью изолирующих подпорок.

Для установления дальних радиосвязей в диапазонах 144- 146 МГц и особенно на 420-425 МГц необходимо сконцентрировать излучение электромагнитной энергии в виде узкого луча и направить его возможно ближе к горизонту. При этом также необходимо иметь возможность устанавливать радиосвязи с корреспондентами, находящимися в различных направлениях от радиостанции при неподвижной антенне. Для такого случая антенна должна иметь в вертикальной плоскости диаграмму направленности в виде вытянутой восьмерки, а в горизонтальной - в виде окружности. Подобную диаграмму можно получить при исполнении биконической антенны (рис. 2), представляющей собой два металлических конуса, к одному из которых присоединена средняя жила кабеля, а к другому - его оплетка. Недостатком такой антенны является необходимость симметричного возбуждения.

Pиc.2

Широкополосная биконическая дискоконусная антенна (рис. 3), в которой роль верхнего конуса выполняет диск, не требует симметричного возбуждения. В табл.1 приведены размеры дискоконусных антенн, рассчитанных для работы в любительских диапазонах.

Таблица 1
	Размеры, мм
Рабочий диапазон
частот. Мгц

При выбранных размерах антенны работу желательно вести в области наиболее низких рабочих частот, так как при повышении рабочей частоты угол между направлением максимального излучения и горизонтом увеличивается. Питание антенны производится кабелем с волновым сопротивлением порядка 60- 70 ом без согласующих устройств. Диск изолируется от конуса, который может быть заземлен. Для работы в диапазоне 38-40 Мгц конус и диск выполняются из штырей диаметром 3 - 5 мм (рис.4). Максимальное расстояние между штырями не должно превышать 0,05L.

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

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:

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

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.

Рассмотрим конкретную ДН решетки из 2 вибраторов BowTie с рефлектором в зависимости от разноса между этажами.

2-Bay radiation pattern for 0.4 - 1λ vertical stack

Для 2-этажной решетки из конусных антенн можно выбрать любое расстояние от 0.4 до 1λ. Но при увеличении разноса сверх 0.6λ увеличивается также размер экрана и длина несущей траверсы, т.е. растет расход материала, вес и ухудшается прочность, без роста 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 / Согласование с помощью трансформатора сопротивлений

Для преобразования сопротивления антенны в сопротивление фидера применяются три типа конструкций:
1) Широкополосные трансформаторы с фиксированным коефициентом преобразования. Выполняются обычно на ферритовых сердечниках или печатным способом на микрополосковых (patch) линиях. Коэффициент трансформации определяется конфигурацией обомоток и соотношением числа витков в них.
2) Большое разнообразие шунтовых схем с L и C элементами.
3) Трансформаторы с применением отрезков волновых линий

Недостатком широкополосных трансформаторов является стоимость их изготовления и сложность получения некратных (произвольных) коэффициентов трансформации. Низкую стоимость можно получить только при массовом производстве, а значит на ограниченный ассортимент. Де-факто доступными можно назвать только балуны 4:1. Необходимость производства балуна на другой коэффициент (6:1, 8:1) ставит крест как в серийном производстве, так и для домашних самоделок.

Недостатком шунтовых схем являются сложность изготовления (как и у нестандартных балунов), узкополосность и необходимость подстройки образца по приборах.

Отрезки волновых линий не сильно усложняют конструкцию вибратора (могут быть его конструктивным продолжением), упрощают технологический монтаж коробки с балуном (или комбинированной платой Балун+МШУ) за счет выноса коробки за пределы разрыва вибратора. Могут быть рассчитаны и изготовлены на преобразование почти любого сопротивления в любое подбором длины отрезка и его собственного сопротивления.

Рассмотрим детальнее фундаментальную формулу преобразования сопротивлений, приведенную в предыдущем разделе

Из этой формулы следуют ряд наблюдений:

• При длине линии 0 или кратной 1/2λ, результирующее сопротивление равно сопротивлению источника, линия не вносит изменения в импеданс, потому что тангенс углов кратных 180 равен нулю
• При длине линии со сдвигом 1/4λ от кратных 1/2λ - результирующее сопротивление изменяется максимально, потому что тангенс углов 90 и 270 стремится к бесконечности
• Линия с сопротивлением равным сопротивлению источника (согласованная) не вносит изменения в результирующий имепаданс при любой длине линии
• Линия фиксированной геометрической длины будет вести себя по разному в широкой полосе частот при изменении длины волны. Если с изменением частоты длина линии в лямбдах приближается к 0 или кратна 1/2λ, то вклад линии снижается, если длина приближается к 1/4λ - вклад линии резко растет. Это свойство потенциально можно использовать для выравнивания собственного импеданса вибратора

Создадим Excel для работы с этой формулой: goo.gl/w8z9U2 (Google Docs)

Допустим наш вибратор BowTie имеет на частоте первого резонанса сопротивления Z = 750 +j0.
Для преобразования 750 Ом в 300 (для подключения к балуну 4:1) можно применить симметричный волновод длиной всего 0.1λ (5 см для частоты 600 МГц) сопротивлением 231 Ом.
Используя приведенный выше калькулятор coax_calc можно подобрать комбинацию диаметра проводов и расстояния между ними для получения 231 Ом.

Часть VII / 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 почти 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.
Небольшой спрос на высоконаправленные антенны существует среди стационарных абонентов сотовой связи. Используя радиаторы BowTie теоретически можно изготовить антенны LTE-700, CDMA2000/LTE 800 Mhz, GSM/UMTS/LTE-900 а также CDMA2000/LTE 450 Mhz. Промышленность таких антенн не выпускала, а в Части VIII мы попытаемся такую антенну сконструировать, заодно проверив насколько работоспособна и конкурентоспособна такая конструкция.

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

С рефлектором / экраном:

6) 4-Bay: 102x86 см
7) 6-Bay: 152x84 см

Gain, SWR

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

2) 3-Bay: 60х50 см, усы 12х241 мм

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

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

Все 7 моделей в формате *.NEC можно скачать 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 .

Часть VIII / Анализ промышленного образца антенны

4-этажные антенны типа ASP-8 приобрели широчайшую популярность в СНГ.
У этих антенн есть множество модификаций, которые незначительно отличаются между собой (в мелочах).
Более старые антенны имели более длинные усы верхнего этажа (и маркировались как антенны 47-860 МГц).
У новых антенн (которые продаются в 2017) верхний этаж немного короче чем у старых, вероятно для лучшей работы в ДМВ, где сейчас работают DVB-T/DVB-T2.

Для анализа сняты размеры с такого образца стоимостью $3.6 (по цене - как 3-элементная комнатная Yagi Волна-1)

Антенна имеет такие элементы:
1) Экран-рефлектор 75х50 см, 36 см ширина центральной части, боковые бортики 2х8 см отогнуты на 4.5 см вперёд.
Экран состоит из 2х6 горизонтальных проводников диаметром 2.1 мм, каждая из двух групп имеет высоту 33 см, а между ними (в центральной части антенны) зазор 9 см.
Оффсет экрана от вибраторов - 85 мм

2) Зазор между усами вибраторов на всех 4-х этажах 34 мм (по центрах линий волноводов)

3) Верхний вибратор 4х254 мм усы диаметром 5 мм, с углом раскрыва 45 градусов

4) Три нижние этажа - вибраторы 4х140 мм усы диаметром 4 мм, с углом раскрыва 50 градусов

5) Собирающая двухпроводная линия из стальных проводников диаметром 2.1 мм, расстояние между проводниками 34 мм в точках входа к креплению вибратора. При входе в коробку питания 30 мм снизу и до 72 мм сверху.

6) Расстояние между этажами (1-ый - верхний): 1-2 = 183 мм, 2-3 = 192 мм, 3-4 = 178 мм

7) Длина соединительных линий: 200 мм между 1-2 и 3-4. 84+132 = 223 мм между этажами 2-3. Клеммы коробки питания расположены на 84 мм от верхнего и 132 мм от нижнего этажа.

8) На каждом этаже есть траверса с 5 короткими директорами.

9) Несущий хребет антенны - алюминиевый пустотелый профиль 12х6 мм на расстоянии 28 мм позади волноводов

Сразу скажем, что траверсы с 5 директорами не имеют вообще никакого влияния на антенну на частотах до 900 МГц. На частотах выше 800 МГц они добавляют лишь +0.1 dB к направленности.
Их функция - исключительно декоративная - разрушать антенну дополнительными механическими нагрузками и привлекать птиц для разрушения антенны.

Представим основные составляющие геометрии антенны в длинах волн, на разных участках заявленного диапазона работы

Размеры всех элементов у этой антенны крайне странные: длины усов, разнос между этажами, ширина рефлектора, умышленное смещение (расфазировка) точки подачи питания.

Рассмотрим свойства отдельных вибраторов (с учетом влияния экрана).
Bay-1 : Верхний длинный вибратор имеет резонансную частоту 490 МГц и сопротивление 850Ω. Второй резонанс на 780 МГц и сопротивление 31Ω. На частотах ниже 300-320 МГц сопротивление излучения R мизерное, можно считать что 320 МГц нижняя рабочая частота. Усиление одного этого этажа достигает 10 dBi, но диаграмма направленности немного (на 1 дБ) смещена вниз на 30 градусов, как свисающий живот

Bay-2 : Второй сверху вибратор имеет резонансную частоту 780 МГц и сопротивление 515Ω. Второй резонанс лежит выше 1000 МГц. На частотах ниже 460 МГц сопротивление излучения R мизерное, можно считать что 460 МГц нижняя рабочая частота. Усиление одного этого этажа достигает 11 dBi, но диаграмма направленности СИЛЬНО смещена вниз на 35 градусов. Усиление вперёд всего 6 dBi, а вниз на 35 градусов - до 11.1 dBi

Bay-3 : Третий сверху вибратор имеет резонансную частоту 790 МГц и сопротивление 620Ω. Второй резонанс лежит выше 1000 МГц. На частотах ниже 440 МГц сопротивление излучения R мизерное, можно считать что 440 МГц нижняя рабочая частота. Усиление одного этого этажа достигает 10.6 dBi, форма ДН не искажена, а смотрит вперёд

Bay-4 : Нижний вибратор имеет резонансную частоту 810 МГц и сопротивление 570Ω. Второй резонанс лежит выше 1000 МГц. На частотах ниже 440 МГц сопротивление излучения R мизерное, можно считать что 440 МГц нижняя рабочая частота. Усиление одного этого этажа достигает 9.6 dBi, форма ДН искажена вверх на 20 градусов (на 2-3 дБ сильнее чем вперёд). Второй пузырь направленности направлен вниз на 30 градусов.

Производитель сделал весьма странный выбор длины 3 усов на 3 этажах - с резонансом вблизи 800 МГц, а не посредине диапазона ДМВ (в промежутке 600....700 МГц).
Также очень странный выбор разноса этажей и длин собирательных линий. Длина волноводов, которые идут внахлёст - отцентрована на 750 МГц. На частоте 470 МГц задержка фазы в такой линии 112 вместо 180 градусов.

ASP-8, 3D, Gain, SWR, Pattern

Как видим, параметры антенны очень нестабильны в широкой полосе заявленного диапазона частот. В некоторых участках согласование КСВ<2 (приемлимо), в некоторых КСВ=2...3.2 (приемлимо при нагрузке на МШУ, иначе в кабеле снижения резко растет затухание), а на 21-м канале (470 МГц) КСВ=3.6
Диаграмма направленности тоже нестабильна и имеет локальные аномалии. У этого экземпляра аномалия на 565 МГц (+30/-40 МГц) - ДН разваливается вверх и вниз, излучение вперед всего 5 dBi

Кроме этой фрико-антенны, проанализируем популярную в Северной Америке антенну ChannelMaster 4251 из 2 этажей.
Её габариты значительно меньше: 38х35 см (против 75х50 см)

CM4251, Gain, SWR, 3D

Усиление плавно растет с 8 до 10 dBi, форма ДН идеально ровная, КСВ умеренный. Никаких резонансных аномалий между 400 и 900 МГц нет.
CM4251 с лобовой проекцией в 2.8 раза меньше чем у ASP-8, работает примерно так же, но без аномальных участков АЧХ и без бросков КСВ.

Обе антенны существенно уступают 2-этажной антенне из статьи, оптимизированной с помощью САПР.
Оптимальные габариты для 2-этажей - 86x57 см (86 - ширина), это экран немного больше чем у «польской сушилки», но повернутый набок.
Попытки уместить на такой площади 4 этажа - очень неудачны и носят только маркетинговый характер.
Американский вариант хоть и не имеет выдающегося усиления - зато малогабаритный.

Часть XIX / Расчет высоконаправленной приёмопередающей антенны

Конусный радиатор с рефлектором позволяет теоретически изготавливать антенны с усилением порядка 10 dBi для 1 этажа, 12-13 dBi для 2 этажей, 14-16 dBi для 4 этажей, 16-18 dBi для 6 этажей.
При работе с горизонтальной поляризацией, синфазная решетка будет иметь вертикальную компоновку. При 2 этажах, диаграмма направленности будет одинаковая как по вертикали так и по горизонтали: затухание 3 dB при углах ±25 в любом направлении от главного луча.
При 4 и 6 этажах, избирательность по азимуту не изменяется, а по вертикали луч становится очень узким, так при 16 dBi затухание 3 dB уже при ±8 градусов по вертикали.

Отличительной особенностью приемопередающих антенн от чисто приёмных (телевизионных) являются:
- сопротивление фидера 50Ω
- повышенные требования к низкому КСВ

Чисто приёмные антенны более толерантны к рассогласованию (высокому КСВ) потому что потери в кабеле (в т.ч. дополнительные потери от высокого КСВ) можно нивелировать установкой МШУ (LNA) прямо в антенну на клеммы вибратора.

Потери мощности сигнала на входу в МШУ принято оценивать по эквивалентному возрастанию фактора шума (ухудшению SNR) от рассогласования.
Из формулы

получаем формулу
Nf (effective) = Nf (nominal) + 10*log((2+SWR+1/SWR)/4)

КСВ=2 и КСВ=3 равноценно ухудшению фактора шума LNA на 0.5 и 1.25 dB соответственно.

Приемлимым для передатчиков КСВ принято считать КСВ<2, а хорошим КСВ<1.5

Используя теоретические знания из предыдущих глав, попробуем расчитать 2-этажную синфазную решетку с хорошим КСВ на нагрузку 50Ω.

В качестве примера выберем диапазон 821-894 МГц (858 ±37 МГц), в котором работает стандарт CDMA2000/EV-DO.

Антенну будем рассчитывать для работы на частотах близких к резонансным, т.к. при большой мнимой части комплексного сопротивления КСВ будет далеким от 1 даже если фидер согласовать с комплексным сопротивлением.

Реальное сопротивление излучения ® конусного вибратора, как мы уже знаем, имеет порядки 400-1000Ω и зависит от трех главных факторов:
- диаметра проводника вибратора (сильная обратная зависимость, чем толще проводник тем ниже R)
- расстояния до рефлектора (сильная прямая зависимость, чем дальше от экрана тем R выше)
- наличия рядом других вибраторов решетки (слабая зависимость)

Такой порядок величины R очень далёк от 50Ω, поэтому использование трансформатора сопротивлений неизбежно.
Даже если бы R=50Ω, всё равно необходимо использовать Bal-Un 1:1, т.к. вибратор BowTie симметричный, а коаксиальный кабель питания ассиметричный.
Проще всего использовать комбинированный BalUn-трансформатор.
При использовании трансформатора 4:1 необходимо рассчитать антенну с выходом 200Ω, при использовании трансформатора 6:1 - на 300Ω.

При сложении сигнала с 2 этажей на тройник, выходное сопротивление решётки в 2 раза меньше сопротивления этажей. Т.е. необходимо рассчитать одиночный вибратор на 400Ω или 600Ω.
Собирательные линии должны иметь такое же сопротивление, как одиночный вибратор, т.е. 400Ω или 600Ω, иначе они будут работать как трансформаторы с непредсказуемым эффектом.

Используя программу coax_calc попробуем смоделировать симметричный волновод на 400Ω и 600Ω
Чтобы получить 600Ω, даже при тонком проводнике d=1 мм нужен разнос 74-75 мм. Это и достаточно большой разнос (соотносительно с общей шириной вибратора порядка 25-30 см), и достаточно тонкий (нежесткий) проводник. Для такого большого разноса также увеличивается и защитная зона, где не должно быть металлических предметов.

Для получения 400Ω размеры линии достаточно удобны: 35 мм разнос, с проводом d=2.5 мм (рапространенный в электрике провод 5 мм2)

Вариант 400Ω также удобнее, потому что балуны 4:1 широко распространены по копеечной стоимости, а балун 6:1 придётся изготавливать специально.

Расчет начнём с экраном шириной 1λ на центральной частоте (349 мм для 858 МГц)

Для снижения сопротивления R до 400Ω требуется взять как можно более толстый проводник для вибратора, или удалить вибратор от экрана. Для технологического удобства выберем диаметр проводника усов 6 мм (такой диаметр имеют верхние усы в «польской сушилке»). При длине усов порядка 13-15 см они будут иметь достаточную жесткость. Более толстые трубки порядка 10 мм будут и дороже и менее удобны в изгибе и креплении.

Создаем геометрическую модель антенны, в которую включаем:
- экран 1х1λ (из 21 горизонтального проводника, диаметром 2 мм, как в строительной оцинкованной сетке, с шагом 0.05λ)
- зазор между усами вибратора 35 мм
- вибратор из усов диаметром 6 мм, и его зеркальная копия на расстоянии 0.6λ (±0.3λ от центра экрана)
- угол раскрыва усов 33 градуса

В несколько итераций подбираем смещение от экрана, чтобы получить на центральной частоте (858 МГц) R=400Ω, а длину усов после каждой итерации подбираем, чтобы получить X=0Ω (мнимую часть сопротивления сделать 0, т.е. настроить антенну на резонанс)

После 2-3 итераций получаем длину усов 0.4442λ (138.5 мм), смещение до рефлектора 0.2455λ (86 мм)

Проверяем импеданс (R, Z), КСВ в широком диапазоне частот (пока без волноводов, с виртуальной запиткой вибраторов двумя источниками по 400Ω).

3D, Pattern, SWR

Добавить метки

Решил поглубже изучить вопрос работы дискоконусной антенны, чтобы понять действительно она является нужным мне выбором. И знаете, это действительно интересная антенна, которую можно раскрутить на получение хорошего потенциала. Возможно я пойду по пути тех, кто проектирует антенны комплексного типа. Но такую комплексную антенну я поставлю на даче, в городе мне подойдёт антенна с меньшими требованиями.

И так, каковы интересующие меня характеристики антенны:

• Круговая диаграмма направленности,
• широкополосность,
• ветроустойчивость,
• малая материалозатратность.

Ранее я писал, что у меня был выбор между логопериодической и дискоконусной антенной . Я обдумал своё решение и пришёл к выводу, что для конкретно моих задач по мониторингу радиоэфира больше подходит дискоконусная антенна. А из-за специфики расположения дачного участка, на даче мне удобнее будет проводить мониторинг спутников NOAA и дальние проходы в СиБи и десятиметровом диапазоне.

И так, что же из себя представляет дискоконусная антенна? Как следует из названия, дискоконусная антенна представляет из себя диск (излучающий элемент) и конус (противовес излучающему элементу). Начну разбор этой антенны именно с этого классического варианта.

Такая замысловатая форма антенны приводит к ошибочному мнению, что у дискоконусной антенны горизонтальная поляризация. На самом деле поляризация у этой антенны — вертикальная. Антенна представляет собой бесконечное множество V-образных антенн наклонённых к горизонту (активным элементом вверх и противовесом вниз). Если бы часть диска была одним плечом антенны, а другой — другим, то поляризация была бы горизонтальной. В нашем же случае одно плечо наклонено горизонтально, а другое — под углом от горизонта в землю. В результате получаем диаграмму направленности в виде бублика.

Диск и конус — это хорошо, но у такой конструкции получается дикая парусность. По этому в коммерческих разработках диск и конус заменены на проволочную конструкцию. Данный подход позволяет уменьшить ветровую нагрузку, удешевить процесс изготовления, уменьшить материалоёмкость изготовления антенны и упростить её сборку. И именно таким путём я последую при изготовлении своей антенны.

Манипулируя материалами и конструкциями диска и конуса создаются массы различных антенн дискоконусного типа. Одна из самых распространённых дискоконусных антенн — это железнодорожная антенна. В качестве примера можно рассмотреть антенну компании VIAM-RADIO. Эта антенна рассчитана на работу с локомотивными радиостанциями на диапазонах 151-156 МГц и 307-344 МГц. Из-за высоких скоростей и требований по прочностным характеристикам антенну изготовили в виде сварной конструкции с дополнительными элементами укрепляющими конструкцию.

Локомотивная антенна АЛ/23 дискоконусная

Существуют альтернативные подходы увеличения полосы пропускания. В диапазонах от сотен до тысяч мегагерц размеры дискоконусных антенн остаются приемлемыми, а с уменьшением частоты размеры становятся не удобными как для монтажа, так и для расчёта конструкции. Но есть альтернативный вариант увеличения полосы приблизительно до 25 МГц. Для этого к диску (или заменяющим его проводникам) подключают дополнительный штырь, тем самым увеличивая полосу. Но если просто так подключить штырь, то его влияние ухудшит параметры и он должен работать только на «своём диапазоне». Для этого штырь отсекается от диска с помощью индуктивности.

Но подобный вариант сразу превращает антенну в крупногабаритную, и кроме того передачу вести в дополнительном диапазоне нельзя. Дополнительный кусочек диапазона добавляется только на приём. Собственно для сканеров подобная антенна идеально подходит.

Как только рассчитаю необходимые для меня размеры — так их и опубликую. Потом начну собирать материалы для постройки этой антенны.