Рубрика: Телекомуникации
Триелементна VHF антена за 50 MHz
Автор: Дејан Трајковски
Објавено на 30.04.2024 - 14:45

Со дизајнот на оваа 3-елементна антена за 50 MHz (6 m подрачје) го завршуваме опусот антени за VHF, добиени со искористување на материјал од старите антени за 4. телевизиски канал од аналогната телевизија.

Слично како и кај останатите две антени, за 70 и 145 MHz, должината на носачот останува 2,5 m, а заради поголемите должини на елементите централниот дел, со должина од 1100 mm, механички е зајакнат со цевка од дуралуминиум со дијаметар d=14 mm.

За разлика од претходните две антени, тука не се работи за OWA (Optimized Wide-band Antenna), туку за теснопојасна антена со висок Q-фактор, оптимирана за максимално засилување, чија теоретска вредност за осамена антена на доволно голема висина над земјата изнесува Ga=9,39 dBi на 50,2 MHz (расте на околу 9,42 dBi на 50,4 MHz).

Слика 1: Димензии на 3-елементната антена за 50 MHz, оптимирана за максимално засилување.

За главен критериум при оптимизацијата беше усвоено засилувањето, а како помошен критериум – соодносот напред/назад, којшто додуша нема многу висока вредност (F/B=10,84 dB), но не е ни лош како за 3-елементна антена. Следствено, ни дијаграмот на зрачењето не изгледа спектакуларно, со малку поголема „опашка“ (слика 4). Тука сé беше фрлено на една карта, односно максимирање на засилувањето за дадената должина на носачот.

Слика 2: Поглед кон дисплејот од векторскиот мрежен анализатор, со Смитовата крива (зелената линија), повратното слабеење (жолтата линија) и коефициентот на стојни бранови - SWR (виолетовата линија). На централната фреквенција од 50,2 MHz Смитовата крива проаѓа низ централната точка 50+0ј Ω, повратното слабеење изнесува -24,23 dB, т.е. SWR=1,13. Втората резонанција, на околу 52 MHz , иако валидна, сепак не одговара на оптимален режим на работа на антената, односно засилувањето се намалува на тие фреквенции.

Антената беше изработена, монтирана на пробен столб висок 3 m и беа извршени мерења и подесувања (слика 3). Најголемиот проблем претставуваше напојувањето, односно прилагодувањето на антената на преносната линија, со оглед на многу ниската импеданса на диполот во дадената конфигурација.

Слика 3: Антената монтирана на пробен столб во дворот, на висина од околу 3 m. Она што изгледа како парче дебел бел кабел, всушност се три паралелни делници од 75-омски кабел, што формираат 25-омски λ/4 коаксијален трансформатор на импеданса. Во средината се гледа краткиот Гама-меч. Трите елемент,и во централниот дел со должина од 1100 mm, се изработени од дуралуминиумска цевка со дијаметар од 14 mm.

Ниту теоретски, ниту практично не беше можна трансформација на импедансата од помалку од 10 Ω на 50 Ω со помош само на Гама прилагодување (Gamma match). Решението е најдено во прилагодување со еден многу краток Гама-меч, долг сé на сé околу 80 mm, на околу 12,5 Ω, а потоа со λ/4 коаксијален трансформатор (изработен од 3 паралелно врзани делници од 75 Ω кабел), импедансата е крената на 50+0ј Ω.

Слика 4: Дијаграмот на зрачење на антената на 5 различни фреквенции. Нормално, дијаграмот е најправилен околу централната фреквенција (на околу 50,2 MHz), но засилувањето останува прилично константно во опсег од околу 1 MHz.

Слика 5: Теоретското засилување на антената и соодносот напред/назад во функција од фреквенцијата.

Во секој случај, прилагодувањето е конечно успешно постигнато, што се гледа и од дисплејот на векторскиот мрежен анализатор (слика 2). Смитовата крива (зелената линија на дијаграмот) е многу необична, со две јамки, кои поминуваат низ централната точка 50+0ј Ω, односно добиено е речиси совршено прилагодување и SWR=1,1 на две резонантни фреквенции: 50,2 и 52 MHz (двата минимуми на виолетовата линија), од кои само првиот одговара на максималното, проектирано засилување. Повратното слабеење (жолтата линија) изнесува -24,23 dB, односно помалку од 1% рефлектирана моќност, за SWR=1,1.

Слика 6: Просторен дијаграм на зрачење на осамена антена на голема висина над земјата. Дијаграмот е прилично добро дефиниран при само 3 елементи.

Слика 7: Активната и реактивната компонента на импедансата на антената во функција од фреквенцијата. При експерименталните мерења беа постигнати прилично различни вредности, но во секој случај со помош на Гама прилагодувањето и λ/4 коаксијалниот трансформатор на импедансата е постигнато речиси совршено прилагодување на преносната линија.

Слика 8: Теоретскиот коефициент на стојни бранови (SWR) во функција од фреквенцијата.

Кога сé ќе се собере и одземе, останува големо прашање дали е вредно максимирањето на засилувањето за неколку десетинки децибел, ако тоа доаѓа по цена на загуби од трансформацијата на импедансата, како и загуби од напојување на антената во точка со ниска импеданса, односно со големи струи при мали напони. Единствената предност е што напоните на кондензаторот од Гама-прилагодувањето се релативно ниски, па може да се користи и лискунски тример кондензатор, наместо вообичаениот кондензатор од коаксијален кабел.

Слика 9: Распоред на струите по должините на елементите од антената. Дисконтинуитетите во средината од диполот се појавуваат поради Гама-прилагодувањето, но поради неговата мала должина дијаграмот на зрачење решиси воопшто не е асиметричен.

Но, главната цел на овој проект беше да се утврди дали е можно дополнително зголемување на засилувањето преку продолжување на носачот, задржувајќи само 3 елементи, што сепак се покажа успешно. За да има смисла додавањето на четврт елемент, потеребна е сепак поголема должина на носачот, од најмалку 3 m. Со три елементи ова е практично максимумот што може да се постигне.

Клучни зборови:
Димензии на 3-елементната антена за 50 MHz, оптимирана за максимално засилување.

Слика 1: Димензии на 3-елементната антена за 50 MHz, оптимирана за максимално засилување.

Поглед кон дисплејот од векторскиот мрежен анализатор, со Смитовата крива (зелената линија), повратното слабеење (жолтата линија) и коефициентот на стојни бранови - SWR (виолетовата линија).

Слика 2: Поглед кон дисплејот од векторскиот мрежен анализатор, со Смитовата крива (зелената линија), повратното слабеење (жолтата линија) и коефициентот на стојни бранови - SWR (виолетовата линија).
На централната фреквенција од 50,2 MHz Смитовата крива проаѓа низ централната точка 50+0ј Ω, повратното слабеење изнесува -24,23 dB, т.е. SWR=1,13.
Втората резонанција, на околу 52 MHz , иако валидна, сепак не одговара на оптимален режим на работа на антената, односно засилувањето се намалува на тие фреквенции.

Антената монтирана на пробен столб во дворот, на висина од околу 3 m.

Слика 3: Антената монтирана на пробен столб во дворот, на висина од околу 3 m. Она што изгледа како парче дебел бел кабел, всушност се три паралелни делници од 75-омски кабел, што формираат 25-омски λ/4 коаксијален трансформатор на импеданса. Во средината се гледа краткиот Гама-меч.
Трите елемент,и во централниот дел со должина од 1100 mm, се изработени од дуралуминиумска цевка со дијаметар од 14 mm.

Дијаграмот на зрачење на антената на 5 различни фреквенции.

Слика 4: Дијаграмот на зрачење на антената на 5 различни фреквенции. Нормално, дијаграмот е најправилен околу централната фреквенција (на околу 50,2 MHz), но засилувањето останува прилично константно во опсег од околу 1 MHz.

Теоретското засилување на антената и соодносот напред/назад во функција од фреквенцијата.

Слика 5: Теоретското засилување на антената и соодносот напред/назад во функција од фреквенцијата.

Просторен дијаграм на зрачење на осамена антена на голема висина над земјата

Слика 6: Просторен дијаграм на зрачење на осамена антена на голема висина над земјата. Дијаграмот е прилично добро дефиниран при само 3 елементи.

ктивната и реактивната компонента на импедансата на антената во функција од фреквенцијата

Слика 7: Активната и реактивната компонента на импедансата на антената во функција од фреквенцијата. При експерименталните мерења беа постигнати прилично различни вредности, но во секој случај со помош на Гама прилагодувањето и λ/4 коаксијалниот трансформатор на импедансата е постигнато речиси совршено прилагодување на преносната линија.

Теоретскиот коефициент на стојни бранови (SWR) во функција од фреквенцијата

Слика 8: Теоретскиот коефициент на стојни бранови (SWR) во функција од фреквенцијата.

Распоред на струите по должините на елементите од антената

Слика 9: Распоред на струите по должините на елементите од антената. Дисконтинуитетите во средината од диполот се појавуваат поради Гама-прилагодувањето, но поради неговата мала должина дијаграмот на зрачење решиси воопшто не е асиметричен.