Журнал Радио 12 номер 2002 год. РАДИО - О СВЯЗИ

Журнал Радио 12 номер 2002 год."РАДИО" - О СВЯЗИ ПРОГРАММА СИНТЕЗА СИСТЕМ ПИТАНИЯ АКТИВНЫХ АНТЕНН APAK-EL

А. Шевелёв (DL1PBD), И. Гончаренко (DL2KQ - EU1TT)   До сих пор создание системы питания активных антенн было весьма сложным даже для профессионалов. Любители же вынужденно ограничивались повторением чужих конструкций. Ниже описана созданная авторами программа расчета кабельных систем питания активных антенн. Теперь правильно аключить два активных элемента сможет даже школьник, причем займет это пару минут. Для трех- и четырехэлементных антенн процесс несколько сложнее, но тоже особой трудности не представит.

Активные антенны

Активное питание антенн (подведение энергии к каждому элементу антенны по отдельной линии питания) дает много преимуществ. В направленных антеннах с пассивными элементами требуемое для формирования направленного излучения распределение амплитуд и фаз тока зависит от формы, расположения элементов, их высоты над землей. Только при определенном наборе этих параметров можно получить нужную фазу и амплитуду тока в пассивном элементе, что, понятно, удается сделать далеко не всегда. При активном же питании энергия подводится к каждому элементу непосредственно, причем с нужными для получения желаемой ДН амплитудой и фазой. Это позволяет получать хорошие направленные свойства антенны при любом разумном расположении и размерах элементов, в том числе и таких, при которых такая же антенна, но с пассивными элементами, в принципе не может иметь хорошей ДН. Активное питание особенно выгодно на НЧ диапазонах, где часто приходится ограничивать размеры антенны, а расположение элементов привязывать к местным условиям. Кроме того, активное питание позволяет при равных размерах получить около 1 дБ дополнительного выигрыша.

Расчет самих активных антенн и нужных амплитуд и фаз каждого источника выполняется с помощью любой программы моделирования антенн, например, MMANA . Мы рекомендуем ее именно потому, что она удобнее других. Методика следующая:

1. Рисуете возможную в вашей ситуации конструкцию антенны. Расположение, форма и размеры вибраторов могут быть любыми, в том числе и не резонансными. Например, это могут быть два элемента GP.
2. Устанавливаете два источника.
3. Запускаете по нужным критериям (например, по F/B или Gaiп) оптимизацию по амплитуде и фазе второго источника (первый трогать незачем).
4. MMANA выдает требуемый результат.
5. Если элементов больше двух, то надо проводить оптимизацию по всем источникам, кроме первого. Если имеются парные источники (например, как в решетке из четырех вертикалов), надо использовать зависимую оптимизацию.

Конечно, можно использовать не только MMANA, но и любую другую программу моделирования. Но тогда придется амплитуду и фазу второго источника подбирать вручную, что трудоемко и не гарантирует получения нужного результата.

В результате расчетов мы получаем размеры антенны и необходимые (для получения требуемой ДН) амплитуды и фазы источников. Остается "всего лишь" создать систему питания ≈ устройство, которое распределит энергию передатчика по элементам с требуемыми амплитудами и фазами.

Дело осложняется тем, что входные сопротивления элементов оказываются комплексными (даже при резонансных размерах) и разными. Это естественно, поскольку кроме собственного тока по каждому элементу течет еще и сумма токов, наведенных от всех других элементов антенны. Если попытаться согласовать эти комплексные сопротивления с помощью тюнера, то он произвольно изменит заданные амплитуду и фазу тока в элементе. Получается замкнутый круг: при попытке согласования сопротивлений рассыпается нужное распределение фаз и амплитуд, а при попытке восстановить это распределение нарушается согласование.

Задача проектирования системы питания активной антенны формулируется так: на комплексном полном сопротивлении каждого элемента требуется получить заданное (полученное из программы моделирования антенн) сочетание амплитуды и фазы тока или напряжения, причем все элементы должны питаться одним общим кабелем.

Это классическая задача синтеза устройства по заданным выходным параметрам. А такие задачи справедливо считаются в инженерной практике одними из самых сложных. Более того, эта задача творческая, имеющая множество возможных решений и поэтому не поддающаяся точному и однозначному компьютерному расчету.

Радиолюбители приложили немало усилий, чтобы как-то упростить решение такой задачи. Было придумано множество методов. Почти все они сводились к тому, что к каждому элементу подводился свой питающий кабель, а на входах кабелей (есть варианты, что и на входах, и на выходах) устанавливались сложные LC-цепи, обеспечивающие нужное распределение с учетом трансформирующих свойств линий. Беда в том, что и расчет и настройка таких цепей весьма сложны и малодоступны для непрофессионалов.

Единственный метод, не требовавший применения сложных LC-цепей, предложил KB8I (Al Christman. Feeding phased arrays, an alternative method. ≈ Ham Radio, May 1985, p. 58). Суть метода в следующем: пусть к каждому элементу антенны, возбужденному в нужной фазе и амплитуде (предполагается, что нужное распределение уже существует) подключена своя питающая линия. Просчитывая комплексное напряжение вдоль всех (по числу элементов) линий, можно найти точки, в которых комплексные напряжения на линиях максимально совпадают. В этих точках линии соединяются параллельно (это возможно, так как одинаковы и реальная, и мнимая части напряжений). Получившееся комплексное сопротивление преобразуется в 50 Ом простейшей согласующей цепью, которая уже не влияет на амплитудно-фазовое распределение энергии по элементам, поскольку находится в общем кабеле.

Идея весьма привлекательная в практическом исполнении, требуется лишь точно отмерить длину отрезков кабеля и установить единственное простейшее Г-образное согласующее устройство, которое легко рассчитывается в MMANА. Но как определить нужные длины кабелей? Для этого надо численно решить уравнения, описывающие распределения комплексных напряжений вдоль каждой из линий, нагруженной на комплексное сопротивление элемента и имеющей в точке подключения элемента требуемые фазу и амплитуду. Получаются многоэтажные формулы с комплексными числами, поэтому построить графики распределения комплексных напряжений по линии вручную может только очень квалифицированный и терпеливый человек, но не средний радиолюбитель.

Для резкого упрощения решения этой задачи и была создана программа АРАК-EL. Всю сложную работу по построению графиков напряжения она берет на себя. На координатной сетке с осями действительной и мнимой частей напряжения графики имеют вид эллипсов. Точка их пересечения (ясно, что у пересекающихся эллипсов таких точек будет 4) и есть искомый ответ. Достаточно движками, изменяющими длину линий, подогнать курсоры на обоих графиках в точку пересечения. Можно не делать даже этого ≈ есть возможность автоматического поиска.

Остается выполнить лишь следующее:
1. Ввести вручную в АРАК-EL данные по источникам и входным сопротивлениям элементов.
2. На автоматически построенных графиках-эллипсах найти точки пересечения и подвести туда курсоры (вручную или автоматически). 3. Считать ответ ≈ какой длины получились линии и какое полное сопротивление оказалось в точке их параллельного соединения.
4. С помощью программы расчета СУ (например, MMANA в Сервис ≈ Сервис и Установки — СУ на LC) на основе полученных данных рассчитать схему простейшего СУ из двух реактивностей.

Итак, система питания активной антенны смоделирована, отмеряйте кабели и приступайте к изготовлению антенны. Не останавливаясь на описании программы (все достаточно ясно дано в файле помощи), перейдем к примерам расчета.

Два вертикала на расстоянии 0,125 λ

Это известная направленная антенна, состоящая из двух GP длиной λ/4, с выигрышем на 4 дБ больше, чем у одиночного вертикала. Ее приводит для иллюстрации сам KB8J. Из расчета с помощью MMANA получаем данные по источникам: первый — Е = 0,5 В, фаза 0°е, Z = 10,94 - j18,79 Ом; второй — Е=0,55 В, фаза - 18°, Z = 11,65 + J22,47 Ом.

Вводим эти данные в АРАК-EL и получаем построение эллипсов (рис. 1).

Точка пересечения выбрана в левом верхнем квадранте (туда из центра идет прямая радиуса). И сразу получены результаты. К первому элементу подключен кабель сопротивлением 50 Ом и длиной 0,463λ (см. надписи в окошке над движками). Ко второму — такой же кабель, но длиной 0,5302 λ (здесь и далее указана электрическая длина линии, без учетакоэффициента укорочения). Обратите внимание: разность фаз питающих напряжений — 18°, разность фаз питающих токов — 135°, а разность электрических длин кабелей (предпоследний столбец в таблице) — 24°. Все три цифры разные, так и должно быть при комплексных сопротивлениях, и именно это представляет наибольшую трудность в синтезе системы питания активной антенны.

На противоположных элементам концах кабелей окажутся практически одинаковые (отличие менее 0,1%) комплексные напряжения 0,715 + j0,133 В (выделено в таблице). Поэтому можно соединять кабели параллельно.

В этой точке получится сопротивление Zin = 46,83 - j2,47 Ом (окошко над длинами линий). Поэтому никакого СУ не требуется — можно подключать питающий 50-омный кабель любой длины. Система питания сделана. Вид ДН антенны (расчет с помощью программы MMANA) показан на рис. 2.

Для коммутации ДН на два направления от каждого элемента до коммутатора должен идти отрезок кабеля длиной 0,463λ. Дополнительный отрезок длиной (0,5302 - 0,463)λ = 0,0672λ, включается в линию питания элемента, расположенного в направлении заднего лепестка.

Двухэлементная антенна из петлевых наклонных вибраторов

Этот пример демонстрирует всю мощь и одновременно простоту АРАК-EL Антенна на диапазон 80 м содержит два элемента — широкие петлевые вибраторы (периметр каждого — пол волны), установленные на одной мачте высотой всего 13,5 м (рис. 3).

Если для системы четвертьволновых GP еще можно найти в литературе данные по системе питания, то для такой сложной, индивидуально спроектированной антенны их нет. Придется рассчитывать.Данные по источникам элементов такие: первый — Е = 0,5 В, фаза - 26°, Z = 90,60 - j32,98 Ом; второй — Е = 0,5 В, фаза 0°, Z = - 59,68 - j76,35 Ом.

Знак "минус" в активной части входного сопротивления не опечатка и не ошибка программы. Он означает, что второй элемент не потребляет энергию из питающей линии, а напротив, отдает. Перехватывая часть энергии, излученной первым элементом в ненужном направлении, второй элемент возвращает ее в линию питания, работая как генератор.

Поэтому активная часть входного сопротивления и имеет отрицательный знак.

Вводим эти данные в АРАК-EL и получаем построение эллипсов (рис. 4).


Увеличить

К первому элементу подключен 50-омный кабель длиной 0,1899λ,. Ко второму — такой же кабель, но длиной 0,7461 λ. На концах кабелей будут одинаковые комплексные напряжения 0,1909 + j0,158 В. В этой точке соединения кабелей получится сопротивление Zin = 20,95 + j32,94 Ом. Для согласования с кабелем, идущим к передатчику, потребуется простое СУ. Вид ДН (коммутация направлений аналогично предыдущему примеру) показан на рис. 5. Заметим, что такую хорошую ДН на частоте 3,7 МГц мы получили при мачте высотой всего 13,5 м и при весьма ограниченном пространстве, занимаемом антенной. Она помещается даже на крыше.

Три наклонных элемента GP

Это тоже весьма нестандартная антенна. На мачту высотой около 0,3λ, (мачта никуда не подключена и служит только несущей конструкцией) с самого верха установлены три растяжки. Они изолированы от мачты. Нижние концы растяжек расположены по окружности с радиусом 0,15λ,. Растяжки являются наклонными активными элементами антенны (GP длиной λ/4). Получается конструктивно очень простая антенна (мачта без изолятора плюс растяжки) с возможностью коммутации ДН на три направления. Понятно, что и для этой антенны в литературе не найти схемы питания.

MMANA указывает следующие данные по источникам: первый — Е = 0,5 В, фаза 0°, Z = 56,72 - j8,15 Ом; второй — Е = 0,5 В, фаза 0°, Z = 56,72 - ]8,15 Ом; третий — Е = 0,27В, фаза 1°, Z = -13,32 - j16,85 Ом.

Знак "минус" в активной части импеданса нас уже не пугает. Вводим эти данные в АРАК-EL и получаем то, что показано на рис. 6.


Увеличить

В качестве решения из четырех точек пересечения выбираем ту, в которой больше суммарное полное со-противление и в которой длина кабелей не слишком мала (их же надо довести до точки установки коммутатора). Итак, к первому и второму элементам подключены 50-омные кабели длиной по 0,5612λ., а к третьему — такой же кабель длиной 0,4352λ. На противоположных элементам концах кабелей будут практически одинаковые комплексные напряжения 0,440 - jO,162 В. В этой точке соединения кабелей получится сопротивление Zin = 18,58 - j16,75 Ом. Для согласования с кабелем, идущим к передатчику, потребуется согласующее устройство.

Вид ДН этой антенны показан на рис. 7.

Для коммутации ДН на три направления от каждого элемента до коммутатора должен идти отрезок кабеля длиной 0,4352λ, а два дополнительных отрезка длиной по (0,5612 -0,4352)λ включаются в направлении излучения.

Решетка из четырех вертикалов со стороной λ/8

При проектировании систем питания антенн, у которых число элементов более двух, крайне маловероятно, чтобы все эллипсы-графики пересеклись бы в одной точке. Можно, конечно, подобрать волновые сопротивления линий, добиваясь такого пересечения. Но это резко усложнит коммутацию направлений излучения.

Удобнее применить ветвистую систему питания из линий с одинаковым волновым сопротивлением. Пары питающих линий от двух соседних элементов сводятся вместе. Сопротивления и напряжения в получившихся точках используются как исходные данные для дальнейшего расчета.

На рис. 8 изображена система питания решетки из четырех вертикалов длиной λ/4, стоящих в углах квадрата со стороной λ/8. Эта антенна широко известна, но описанные в литературе системы ее питания весьма сложны. А по методу KB8I (насколько известно авторам) она еще не рассчитывалась. Необходимые для расчета токи, фазы и полные сопротивления также указаны на рисунке.


Увеличить

Рассмотрим методику расчета системы питания:

1. Вначале сводим вертикалы 1 и 4 (введя их параметры в АРАК-EL). Получаем, что к первому вертикалу должна быть подключена линия L1 (все линии в этом примере 50-омные) длиной 0,5097λ, а к четвертому — линия L4 длиной 0,4385λ. В точке их соединения получается напряжение V5 = 1,27 + j10,1 В и полное сопротивление Z5 = - 5,91 - j3,86 Ом.
2. Аналогично сводим вертикалы 2 и 3. Поскольку их входные сопротивления, амплитуды и фазы питающих токов одинаковы, линии L2 и L3 получаются равной длины. Эта длина выбрана из соображений удобства коммутации направлений. В точке соединения линий получается напряжение V6 = 7,03 - j22,7 В и сопротивление Z6 = 6,99 + j7,48.
3. Вводя в АРАК-EL в качестве исходных данные точек 5 и 6, получаем, что для того чтобы их свести вместе, необходимы линии L5 и L6 длиной 0,3868λ и 0,0446λ соответственно.
4. В точке соединения этих линий получается напряжение V7 = 34,12 - j37,54 В и сопротивление Z7 = 34,12 + j40,6 Ом.
5. Полное сопротивление Z7 преобразуется в стандартные 50 Ом с помощью простейшего СУ из двух конденсаторов, показанных на рис. 8.

В качестве контрольного примера на рис. 9 показана система питания для решетки из четырех λ/4 вертикалов, стоящих в углах квадрата со стороной λ/4. Здесь в качестве линий L1 — L4 использованы отрезки кабеля с длиной, кратной λ/4. Они обладают любопытным свойством — трансформируют ток в напряжение с коэффициентом, зависящим только от волнового сопротивления линии и не зависящим от сопротивления нагрузки (обратите внимание на «круглые» значения напряжений в точках 5 и 6).

Русская версия АРАК-EL доступна для бесплатного скачивания по адресу автора , объем — 220 кБ.

Вернуться к содержанию журнала "Радио" 12 номер 2002 год







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.