Vergeleken met een coaxiale antenne heeft een schijfkegelantenne, die ook een cirkelvormig stralingspatroon heeft en dezelfde voedingsmethode heeft, een aanzienlijk grotere bandbreedte. Vergeleken met een conventionele dipool is de versterking van deze antenne -3dB. Deze vermindering van de versterking hoeft niet te verbazen, aangezien de schijfkegelantenne over een zeer grote bandbreedte een correct stralingspatroon heeft. Het ontwerp van de schijfkegelantenne getoond in Fig. 11-40 heeft, met inachtneming van de opgegeven afmetingen en directe voeding via een coaxkabel met een karakteristieke impedantie van 60 Ohm, een doorlaatband van 85 tot 500 MHz.

Figuur 1

De kegel is gemaakt in de vorm van een hoorn van een vel koper of een ander materiaal dat gemakkelijk te solderen is. De stroomkabel wordt in de kegel geleid en de buitenste vlecht wordt aan de kegel gesoldeerd, en een gereinigd gedeelte van de binnenkern van 100 mm lang wordt aan een metalen schijf gesoldeerd. De schijf wordt in horizontale positie gehouden met behulp van isolerende steunen.

Om langeafstandsradiocommunicatie tot stand te brengen in het bereik van 144-146 MHz en vooral op 420-425 MHz, is het noodzakelijk om de straling van elektromagnetische energie te concentreren in de vorm van een smalle straal en deze zo dicht mogelijk bij de horizon te richten. . Tegelijkertijd is het ook noodzakelijk om met een vaste antenne radiocommunicatie tot stand te kunnen brengen met correspondenten die zich in verschillende richtingen van het radiostation bevinden. Voor dit geval moet de antenne een stralingspatroon hebben in het verticale vlak in de vorm van een langwerpig cijfer acht, en in het horizontale vlak - in de vorm van een cirkel. Een soortgelijk diagram kan worden verkregen door een biconische antenne te ontwerpen (figuur 2), die bestaat uit twee metalen kegels, waarvan er één is verbonden met de middelste kern van de kabel en met de andere met de vlecht. Het nadeel van een dergelijke antenne is de noodzaak van symmetrische excitatie.

Fig. 2

Een breedband biconische schijfkegelantenne (Fig. 3), waarbij de schijf de rol van de bovenste kegel speelt, vereist geen symmetrische excitatie. Tabel 1 toont de afmetingen van schijfkegelantennes die zijn ontworpen voor gebruik in de amateurbanden.

tafel 1
	Afmetingen, mm
Bedrijfsbereik
frequentie MHz

Met de geselecteerde antenneafmetingen is het raadzaam om werkzaamheden uit te voeren in het gebied van de laagste werkfrequenties, aangezien naarmate de werkfrequentie toeneemt, de hoek tussen de richting van maximale straling en de horizon groter wordt. De antenne wordt gevoed door een kabel met een karakteristieke impedantie van ongeveer 60-70 ohm zonder bijpassende apparaten. De schijf is geïsoleerd van de kegel, die kan worden geaard. Om in het bereik van 38-40 MHz te kunnen werken, zijn de kegel en schijf gemaakt van pinnen met een diameter van 3 - 5 mm (Fig. 4). De maximale afstand tussen de pinnen mag niet groter zijn dan 0,05L.

Ik besloot de kwestie van hoe een discone-antenne werkt dieper te bestuderen om te begrijpen of dit echt de keuze is die ik nodig heb. En weet je, dit is een heel interessante antenne die ontwikkeld kan worden om een ​​goed potentieel te verkrijgen. Misschien zal ik het pad volgen van degenen die complexe antennes ontwerpen. Maar ik zal zo'n complexe antenne in de datsja installeren, in de stad zal een antenne met minder eisen bij mij passen.

Dus, wat zijn de kenmerken van de antenne die mij interesseren:

• Circulair stralingspatroon,
• breedband,
• luchtweerstand,
• laag materiaalverbruik.

Eerder schreef ik dat ik de keuze had tussen een log-periodieke en een schijf-kegel antenne. Ik dacht na over mijn beslissing en kwam tot de conclusie dat voor mijn specifieke taken, het monitoren van radio-uitzendingen, een discone-antenne geschikter is. En vanwege de specifieke locatie van het datsja-perceel, zal het voor mij handiger zijn om NOAA-satellieten en langeafstandspassen in het CB- en tienmeterbereik in de datsja te volgen.

Wat is een discone-antenne? Zoals de naam al doet vermoeden, bestaat een schijfkegelantenne uit een schijf (uitstralend element) en een kegel (tegengewicht voor het uitstralende element). Ik begin de analyse van deze antenne met deze klassieke versie.

Deze ingewikkelde vorm van de antenne leidt tot de misvatting dat een discone-antenne horizontale polarisatie heeft. In feite is de polarisatie van deze antenne verticaal. De antenne bestaat uit een oneindig aantal V-vormige antennes die naar de horizon zijn gericht (het actieve element is omhoog en het contragewicht is omlaag). Als een deel van de schijf de ene arm van de antenne zou zijn en de andere de andere, dan zou de polarisatie horizontaal zijn. In ons geval is de ene schouder horizontaal gekanteld en de andere schuin ten opzichte van de horizon ten opzichte van de grond. Het resultaat is een donutvormig stralingspatroon.

Schijf en kegel zijn goed, maar dit ontwerp zorgt voor een wilde luchtstroom. Daarom worden bij commerciële ontwikkelingen de schijf en kegel vervangen door een draadstructuur. Deze aanpak maakt het mogelijk om de windbelasting te verminderen, de kosten van het productieproces te verlagen, het materiaalverbruik bij de antenneproductie te verminderen en de montage ervan te vereenvoudigen. En dit is precies het pad dat ik zal volgen bij het maken van mijn antenne.

Door de materialen en structuren van de schijf en kegel te manipuleren, worden massa's van verschillende schijfkegelantennes gecreëerd. Een van de meest voorkomende discone-antennes is de spoorwegantenne. Neem als voorbeeld de antenne van VIAM-RADIO. Deze antenne is ontworpen om te werken met locomotiefradiostations in het bereik 151-156 MHz en 307-344 MHz. Vanwege de hoge snelheden en eisen aan sterkte-eigenschappen, werd de antenne gemaakt in de vorm van een gelaste constructie met extra elementen die de constructie versterkten.

Locomotiefantenne AL/23 schijfkegel

Er zijn alternatieve benaderingen om de bandbreedte te vergroten. In het bereik van honderden tot duizenden megahertz blijven de afmetingen van schijfkegelantennes acceptabel, maar naarmate de frequentie afneemt, worden de afmetingen lastig zowel voor installatie als voor ontwerpberekeningen. Maar er is een alternatieve optie om de bandbreedte te vergroten naar ongeveer 25 MHz. Om dit te doen, wordt een extra pin aangesloten op de schijf (of de geleiders die deze vervangen), waardoor de bandbreedte wordt vergroot. Maar als u alleen de pin aansluit, zal de invloed ervan de parameters verslechteren en zou deze alleen op “zijn eigen bereik” moeten werken. Om dit te doen, wordt de pin met behulp van inductie van de schijf afgesneden.

Maar deze optie verandert de antenne onmiddellijk in een grote en bovendien kan de transmissie niet in het extra bereik worden uitgevoerd. Alleen voor de ontvangst wordt een extra stukje bereik toegevoegd. Eigenlijk is zo’n antenne ideaal voor scanners.

Zodra ik de afmetingen heb berekend die ik nodig heb, zal ik ze publiceren. Dan ga ik beginnen met het verzamelen van materialen om deze antenne te bouwen.

Twee geleiders met een diameter van 2 mm op een afstand van 25 mm met een luchtspleet hebben dus een weerstand van 386Ω

Laten we als voorbeeld een korte lijn van 0,3λ nemen (vooruitkijkend, laten we zeggen dat dit de helft is van de optimale scheidingsafstand tussen verdiepingen, d.w.z. dit zal de lengte zijn van de lijn van een van de verdiepingen naar het extra T-stuk naar de feeder ) en laten we eens kijken hoe het de eigen stralingsweerstand van de vibrator in de bereikfrequentie transformeert

Eén lijn is 25/2 mm (386Ω), de tweede is 25/1 mm (469Ω) en de derde is twee keer zo lang als 25/2 mm (386Ω) ter vergelijking:

De blauwe kleur (Direct) geeft de intrinsieke impedantie van de BowTie kegelvibrator aan wanneer de feeder rechtstreeks is aangesloten.

Zoals we kunnen zien, heeft de verzamellijn een zeer sterke invloed op de resulterende impedantie. Bovendien hangt de transformatiecoëfficiënt in mindere mate af van de weerstand van de transformator, en meer van de lengte ervan (ten opzichte van de golflengte). Omdat Voor verschillende frequenties vertegenwoordigt hetzelfde gedeelte van de transformator zeer verschillende lengtes.

Om deze weerstand te berekenen is er een formule

Als ZA=Z0, dan Zin=Z0. Een lijn die is afgestemd op de bron verandert de resulterende impedantie niet.
In andere gevallen wordt Z0 vermenigvuldigd met een coëfficiënt die afhangt van f*L (dat wil zeggen golflengte) en afhangt van ZA en ZO

De lengte van de verzamellijnen in een in-fase array kan theoretisch willekeurig zijn (zolang deze gelijk is, zodat de signalen in fase aankomen en optellen), maar om technologische redenen is het rationeel om ze in de fase uit te voeren. kortst mogelijke manier, waarbij de verdiepingen in een rechte lijn met elkaar worden verbonden. Met deze aanpak wordt de lijnlengte ingesteld op basis van de optimale afstand tussen de verdiepingen, en hoeft de afstemming alleen te worden verbeterd door de lijnweerstand te variëren: het veranderen van de diameter van de geleiders of de afstand ertussen.

Bij het bouwen van 3 of meer verdiepingen is het technologisch zeer onpraktisch om onafhankelijke lijnen te maken van elke volgende verdieping naar de opteller. Gelukkig kun je het signaal van aangrenzende verdiepingen rechtstreeks toevoegen aan de terminals van de buren. Omdat de verdiepingen bevinden zich ongeveer op een lengte van 1/2λ onderling, en bij het passeren van een verzamellijn met een lengte van 1/2λ verandert de fase van het signaal 180 graden naar het tegenovergestelde. Om ervoor te zorgen dat dergelijke signalen zich kunnen optellen en elkaar niet kunnen opheffen, moeten de geleiders in tegenfase worden aangesloten. Alle verdiepingen zijn alleen in tegenfase met elkaar verbonden, met overlappende lijnen. De uitzondering is het elektriciteitsnet (feeder, balun), omdat het bevindt zich op gelijke afstand van de verdiepingen (niet noodzakelijkerwijs het kortste pad), dan zal het signaal daarop in fase zijn wanneer het niet overlappend, maar direct is aangesloten.

De vorm van het stralingspatroon (DP) van een common-mode antenne-array wordt bepaald door het patroon van de antennes waaruit de array bestaat en de configuratie van de array zelf (aantal rijen, aantal verdiepingen en afstanden daartussen).

Met twee omnidirectionele antennes naast elkaar geplaatst op 1/2λ (tussen de assen van de antennes), heeft het patroon in het horizontale vlak de vorm van een acht, en is er geen ontvangst vanuit laterale richtingen loodrecht op de hoofdrichting. Als je de afstand tussen de antennes vergroot, neemt de breedte van de hoofdlob van het stralingspatroon af, maar de zijlobben verschijnen met maxima in richtingen loodrecht op de hoofdlob.

Op een afstand van 0,6λ is het niveau van de zijlobben 0,31 van het niveau van de hoofdlob, en wordt de breedte van het patroon op halve kracht 1,2 maal kleiner ten opzichte van de array, met een afstand tussen de antennes gelijk aan 2/2. 2.

Op een afstand van 0,75λ neemt het niveau van de zijlobben toe tot 0,71 van het niveau van de hoofdlob, en neemt de breedte van het patroon 1,5 keer af. Op een afstand van 1λ bereikt het niveau van de zijlobben het niveau van de hoofdlob, maar wordt de breedte van het stralingspatroon met een factor 2 verminderd ten opzichte van de afstand tussen de antennes van een halve golflengte.

Uit dit voorbeeld wordt duidelijk dat het handiger is om afstanden tussen antennes te kiezen die gelijk zijn aan de golflengte. Dit levert de grootste vernauwing van de hoofdlob van het stralingspatroon op. U hoeft zich geen zorgen te maken over de aanwezigheid van zijlobben, omdat wanneer directionele antennes worden gebruikt als onderdeel van een array, ze geen signalen ontvangen uit richtingen loodrecht op de hoofdlobben.

Dit zijn algemene aanbevelingen voor elk type antenne. Dit is hoe antennes meestal worden gemonteerd wanneer ze door een coaxkabel worden gevouwen. Secties flexibele kabel van willekeurige (zo lang als dezelfde) lengte worden op willekeurige wijze gelegd. Het wijzigen van de afstand tussen de antennes verstoort het matchen en sommeren niet, dus u kunt elke afstand van 0,5 tot 1λ kiezen.

Laten we een specifiek patroon bekijken van een raster van 2 BowTie-vibrators met een reflector, afhankelijk van de afstand tussen de verdiepingen.

2-Bay stralingspatroon voor 0,4 - 1λ verticale stapel

Voor een reeks kegelantennes van twee verdiepingen kunt u elke afstand van 0,4 tot 1λ kiezen. Maar naarmate de afstand groter wordt dan 0,6λ, nemen ook de grootte van het scherm en de lengte van de steunbalk toe, d.w.z. materiaalverbruik, gewicht neemt toe en sterkte verslechtert, zonder de parameters te verhogen.

Bovendien heeft het vergroten van de lengte van een ongeëvenaarde verzamellijn, zoals we al hebben gezien, een aanzienlijke invloed op de transformatieverhouding ervan. Daarom worden om praktische redenen roosters van 2 verdiepingen ontworpen met een minimale afstand van 0,5-0,6λ.

Voor 3 of meer verdiepingen is het irrationeel om signalen te verzamelen met behulp van individuele lijnen (ze moeten zich in de opening tussen de vibrator en de reflector bevinden, uit de buurt van metalen voorwerpen) van elke verdieping naar het T-stuk, maar het is structureel veel eenvoudiger om de som van de signalen op te tellen. aangrenzende verdiepingen rechtstreeks op de vibrator. Als de afstand geen veelvoud van 0,5λ is, zal de signaalvertraging in de lijn geen veelvoud van 180 graden zijn en zullen de signalen niet in fase optellen. Daarom is voor een directe verbinding langs het kortste pad slechts een afstand van 0,5 of 1λ geschikt. Bij 0,5λ moeten de lijnen elkaar overlappen (om de fase 180 graden te draaien), bij 1λ direct (zonder faserotatie). Om praktische redenen die zijn beschreven voor een raster van 2 verdiepingen, wordt een afstand van 1λ niet gebruikt.

Deel VI / Matchen met behulp van een impedantietransformator

Om antenneweerstand om te zetten in feederweerstand worden drie soorten structuren gebruikt:
1) Breedbandtransformatoren met een vaste conversiefactor. Ze worden meestal uitgevoerd op ferrietkernen of gedrukt op microstriplijnen (patchlijnen). De transformatieverhouding wordt bepaald door de configuratie van de wikkelingen en de verhouding van het aantal windingen daarin.
2) Een grote verscheidenheid aan shuntcircuits met L- en C-elementen.
3) Transformatoren die gebruik maken van secties van golflijnen

Het nadeel van breedbandtransformatoren zijn de kosten van hun vervaardiging en de moeilijkheid om niet-meervoudige (willekeurige) transformatieverhoudingen te verkrijgen. Lage kosten kunnen alleen worden verkregen door massaproductie, dat wil zeggen voor een beperkt bereik. Enkel 4:1 baluns kunnen de facto leverbaar genoemd worden. De noodzaak om een ​​balun in een andere verhouding (6:1, 8:1) te produceren maakt een einde aan zowel massaproductie als zelfgemaakte producten.

De nadelen van shuntcircuits zijn de complexiteit van de productie (zoals bij niet-standaard baluns), de smalle bandbreedte en de noodzaak om het monster aan te passen aan de instrumenten.

Delen van golflijnen maken het ontwerp van de vibrator niet erg ingewikkeld (ze kunnen de structurele voortzetting ervan zijn), ze vereenvoudigen de technologische installatie van de doos met een balun (of een gecombineerd Balun + LNA-bord) door de doos voorbij de vibratoropening te verplaatsen . Ze kunnen worden ontworpen en vervaardigd om vrijwel elke weerstand in welke weerstand dan ook om te zetten, door de lengte van het segment en zijn eigen weerstand te selecteren.

Laten we de fundamentele formule voor het omzetten van weerstanden uit de vorige sectie nader bekijken

Uit deze formule volgen een aantal observaties:

• Wanneer de lijnlengte 0 of een veelvoud van 1/2λ is, is de resulterende weerstand gelijk aan de bronweerstand. De lijn verandert de impedantie niet omdat de raaklijn van hoeken die een veelvoud van 180 zijn, nul is
• Bij een lijnlengte met een verschuiving van 1/4λ ten opzichte van veelvouden van 1/2λ verandert de resulterende weerstand maximaal, omdat de raaklijn van de hoeken 90 en 270 naar oneindig neigt
• Een lijn met een weerstand gelijk aan de bronweerstand (aangepast) verandert de resulterende impedantie voor geen enkele lijnlengte
• Een lijn met een vaste geometrische lengte zal zich over een brede frequentieband anders gedragen naarmate de golflengte verandert. Als bij frequentieverandering de lijnlengte in lambdas de 0 nadert of een veelvoud is van 1/2λ, dan neemt de lijnbijdrage af; als de lengte 1/4λ nadert, neemt de lijnbijdrage sterk toe. Deze eigenschap kan mogelijk worden gebruikt om de eigen impedantie van de vibrator te egaliseren

Laten we Excel maken om met deze formule te werken: goo.gl/w8z9U2 (Google Docs)

Laten we zeggen dat onze BowTie-vibrator een weerstand heeft van Z = 750 +j0 bij de frequentie van de eerste resonantie.
Om 750 Ohm om te zetten naar 300 (voor aansluiting op een 4:1 balun) kun je een symmetrische golfgeleider gebruiken met een lengte van slechts 0,1λ (5 cm voor een frequentie van 600 MHz) met een weerstand van 231 Ohm.
Gebruik de bovenstaande rekenmachine coax_calc u kunt een combinatie van draaddiameter en afstand ertussen selecteren om 231 ohm te verkrijgen.

Deel VII / Casestudies

Het toepassingsgebied van kegelantennes is zeer beperkt. Bij frequenties onder 300 MHz zijn dergelijke antennes onaanvaardbaar groot in vergelijking met een halvegolfdipool, die een swing heeft van 0,5λ versus 1λ.

Bij frequenties boven 800 MHz is er vrijwel geen radiotechnologie waarbij sterk gerichte antennes nodig zijn. CDMA, GSM, GPS, LTE en WiFi vereisen omnidirectionele antennes bij de abonnee, of sectorantennes met een duidelijk voorspelbare sectorvorm aan de kant van de operator.
Er is weinig vraag naar sterk gerichte antennes onder abonnees van vaste mobiele telefonie. Met behulp van BowTie-radiatoren is het theoretisch mogelijk om LTE-700-, CDMA2000/LTE 800 Mhz-, GSM/UMTS/LTE-900- en CDMA2000/LTE 450 Mhz-antennes te produceren. De industrie produceerde dergelijke antennes niet, maar Deel VIII we zullen proberen zo'n antenne te construeren en tegelijkertijd nagaan hoe efficiënt en competitief zo'n ontwerp is.

Bij frequenties boven 2 GHz kunnen kegelantennes alleen worden vervaardigd met behulp van een gedrukte methode (microstrip); er zijn geen voordelen op het gebied van parameters of ontwerp- en fabricagegemak vergeleken met patchantennes bij dergelijke frequenties.

In het bereik tussen 300 en 800 MHz werken alleen televisie-uitzendingen: PAL/SECAM/NTSC (analoog) of DVB-T/T2/T2 HD (digitaal).

Het was de markt voor abonneeantennes voor tv-uitzendingen die kegelantennes een ongekende populariteit bezorgde.

In de jaren zestig veroverden dergelijke antennes een groot marktaandeel in geografisch grote landen: Canada en de Verenigde Staten. Grote gebieden, meestal vlak, leidden tot een lagere bouwdichtheid van televisietorens vergeleken met Europa. Voor grote dekkingsradii waren antennes met een verhoogde versterking van 10...16 dB vereist. Het bereiken van een dergelijke versterking met antennes met één golfkanaal is zeer problematisch, en het gebruik van in-fase-arrays van antennes met 2 tot 4 golfkanalen is moeilijk en duur, vergeleken met de eenvoud van een kegelantenne met meerdere verdiepingen en een reflector.

De breedste distributie van dergelijke antennes in Oost-Europa werd mogelijk gemaakt door de opkomst van een groot aantal tv-kanalen met laag vermogen in het UHF-bereik (1-5 kW vergeleken met 20-25 kW voor drie centrale televisiekanalen), waarvan de ontvangst Er zijn antennes met een versterking van meer dan 10 dB nodig, evenals breedband met opname (zij het met een lage versterking) van delen van het MV-bereik, waardoor het niet meer nodig is om een ​​extra MV-antenne, extra kabels, versterkers, combiners, enz. te onderhouden.

We presenteren aan de lezer 7 antenneontwerpen, zorgvuldig geoptimaliseerd (met behulp van Python-scripts met behulp van de NEC-engine voor modellering) om de gemiddelde versterking in het bereik van 470-700 MHz (21-50 UHF-kanalen) te maximaliseren en de gemiddelde SWR (SWR) te minimaliseren. Vanaf 2017 zijn dergelijke antennes alleen relevant voor DVB-T/T2-ontvangst.

Zonder reflector:

1) 2-vaks: 50x55 cm, snor 8x279 mm

Met reflector/scherm:

6) 4-vaks: 102x86 cm
7) 6-vaks: 152x84 cm

Winst, S.W.R.

De gemiddelde antenneversterking in de 470-700 MHz-band varieert van 7 tot 42 keer of van 8,5 tot 16,3 dBi.
De derde kolom toont het frontale projectieoppervlak in m2, en de laatste kolom toont de specifieke winst, in tijden per 1 m2 frontaal oppervlak.

Ter vergelijking: de golfkanaalantenne (Uda-Yagi), speciaal geoptimaliseerd voor hetzelfde bereik, heeft een gemiddelde versterking van 10 dBi (van 8,1 naar 12,1) in de 1R-5D-configuratie (1 reflector, 5 regisseurs, lusvibrator, 624x293x45 mm) en 12,7 dBi in 2R-15D configuratie (2 reflectoren, 15 drivers, lusvibrator, L=1621 mm)

Conclusies: Bij het ontwerpen van antennes met een gemiddelde versterking tot 10 dBi zijn traditionele dipoolantennes met golfkanalen eenvoudiger, compacter, lichter, gemakkelijker te vervaardigen (zowel zelfgemaakt als industrieel) en duurzamer. Als versterking >10 dBi vereist is, voegt het toevoegen van regisseurs aan de Uda-Yagi heel weinig toe aan de richtingsgevoeligheid (1R5D = 10 dBi, 2R10D = 11,5 dBi, 2R15D = 12,7 dBi), terwijl zelfs een kegelantenne van 2 verdiepingen met reflector een gemiddelde versterking van 13,1 dBi.

Wanneer een gemiddelde versterking van 15-16 dBi vereist is, is er geen alternatief voor kegelantennes met 4 en 6 verdiepingen. In het segment van antennes met een versterking van 10-13 dB is een kegelantenne met 2 verdiepingen compacter en eenvoudiger dan langegolfkanalen met 10 of meer regisseurs.

Hier is een algemeen beeld en patroon van de zeven antennes, in de hierboven genummerde volgorde:

3D-weergave, patroon @ 600 MHz

1) 2-vaks: 50x55 cm, snor 8x279 mm

2) 3-vaks: 60x50 cm, snor 12x241 mm

3) 3-Bay (1 klein): 80x65 cm, snor 4x276, 4x302 en 4x190 mm

4) 1-Bay: 25x72 cm (50+2x12,5 cm zijkanten), snor 4x222 mm (uit het voorbeeld in het artikel)

5) 2-vaks: 86x57 cm, snor 4x254 mm

6) 4-vaks: 102x86 cm

7) 6-vaks: 152x84 cm

Alle 7 modellen in *.NEC-formaat kunnen worden gedownload en gedetailleerde afmetingen kunnen worden bekeken (inclusief het maken van as-built tekeningen) met behulp van het gratis 4NEC2-programma.

Vrijwaring: De 6 weergegeven UHF-TV-antennes zijn ontwikkeld door forumleden van DigitalHome Canada met gebruikersbegeleiding hol_ands En mclapp.

Deel VIII / Analyse van een industrieel antenneontwerp

Antennes met 4 verdiepingen van het ASP-8-type zijn enorm populair geworden in het GOS.
Deze antennes kennen veel aanpassingen die (in kleine details) enigszins van elkaar verschillen.
Oudere antennes hadden langere snorharen op de bovenste verdieping (en werden bestempeld als 47-860 MHz-antennes).
De nieuwe antennes (die in 2017 verkocht zijn) hebben een iets kortere bovenvloer dan de oude, waarschijnlijk voor betere prestaties in de UHF, waar momenteel DVB-T/DVB-T2 actief is.

Voor analyse werden afmetingen genomen van een dergelijk monster dat $ 3,6 kostte (de prijs is hetzelfde als een Yagi Volna-1 voor binnengebruik met 3 elementen)

De antenne heeft de volgende elementen:
1) Reflectorscherm 75x50 cm, 36 cm breedte van het middendeel, zijranden 2x8 cm 4,5 cm naar voren gebogen.
Het scherm bestaat uit 2x6 horizontale geleiders met een diameter van 2,1 mm, elk van de twee groepen heeft een hoogte van 33 cm, en daartussen (in het centrale deel van de antenne) een opening van 9 cm.
Schermverschuiving ten opzichte van vibrators - 85 mm

2) De opening tussen de snorharen van de vibrators op alle 4 de verdiepingen is 34 mm (in het midden van de golfgeleiderlijnen)

3) Bovenvibrator 4x254 mm snor met een diameter van 5 mm, met een openingshoek van 45 graden

4) Drie onderste verdiepingen - vibrators 4x140 mm snorharen met een diameter van 4 mm, met een openingshoek van 50 graden

5) Verzameling van tweedraadsleidingen gemaakt van stalen geleiders met een diameter van 2,1 mm, de afstand tussen de geleiders bedraagt ​​34 ​​mm bij de ingangspunten van de trilbeugel. Bij het betreden van de powerbox 30 mm vanaf de onderkant en tot 72 mm vanaf de bovenkant.

6) Afstand tussen verdiepingen (1e - bovenkant): 1-2 = 183 mm, 2-3 = 192 mm, 3-4 = 178 mm

7) Lengte verbindingsleidingen: 200 mm tussen 1-2 en 3-4. 84+132 = 223 mm tussen verdieping 2-3. De aansluitingen van de powerbox bevinden zich 84 mm vanaf de bovenkant en 132 mm vanaf de onderkant.

8) Op elke verdieping is er een traverse met 5 korte regisseurs.

9) De draagrand van de antenne is een aluminium hol profiel 12x6 mm op een afstand van 28 mm achter de golfgeleiders

Laten we meteen zeggen dat traverses met 5 regisseurs helemaal geen effect hebben op de antenne bij frequenties tot 900 MHz. Bij frequenties boven 800 MHz voegen ze slechts +0,1 dB toe aan de richtingsgevoeligheid.
Hun functie is puur decoratief: de antenne vernietigen met extra mechanische belastingen en vogels aantrekken om de antenne te vernietigen.

Laten we de belangrijkste componenten van de antennegeometrie presenteren in golflengten, in verschillende delen van het aangegeven werkbereik

De afmetingen van alle elementen van deze antenne zijn buitengewoon vreemd: de lengte van de snorharen, de afstand tussen de verdiepingen, de breedte van de reflector, de opzettelijke verplaatsing (defasering) van het voedingspunt.

Laten we eens kijken naar de eigenschappen van individuele vibrators (rekening houdend met de invloed van het scherm).
Baai-1: De bovenste lange vibrator heeft een resonantiefrequentie van 490 MHz en een weerstand van 850Ω. De tweede resonantie ligt op 780 MHz en de weerstand is 31Ω. Bij frequenties onder 300-320 MHz is de stralingsweerstand R verwaarloosbaar; 320 MHz kan als de lagere werkfrequentie worden beschouwd. De versterking van deze ene verdieping bedraagt ​​10 dBi, maar het stralingspatroon is iets (1 dB) 30 graden naar beneden verschoven, als een hangende buik

Baai-2: De tweede vibrator van boven heeft een resonantiefrequentie van 780 MHz en een weerstand van 515Ω. De tweede resonantie ligt boven de 1000 MHz. Bij frequenties onder 460 MHz is de stralingsweerstand R verwaarloosbaar; 460 MHz kan als de lagere werkfrequentie worden beschouwd. De versterking van deze ene verdieping bedraagt ​​11 dBi, maar het stralingspatroon is STERK 35 graden naar beneden verschoven. De versterking voorwaarts is slechts 6 dBi, en 35 graden naar beneden - tot 11,1 dBi

Baai-3: De derde vibrator van boven heeft een resonantiefrequentie van 790 MHz en een weerstand van 620Ω. De tweede resonantie ligt boven de 1000 MHz. Bij frequenties onder 440 MHz is de stralingsweerstand R verwaarloosbaar; 440 MHz kan als de lagere werkfrequentie worden beschouwd. De winst van deze ene verdieping bereikt 10,6 dBi, de vorm van het patroon is niet vervormd, maar kijkt vooruit

Baai-4: De onderste vibrator heeft een resonantiefrequentie van 810 MHz en een weerstand van 570Ω. De tweede resonantie ligt boven de 1000 MHz. Bij frequenties onder 440 MHz is de stralingsweerstand R verwaarloosbaar; 440 MHz kan als de lagere werkfrequentie worden beschouwd. De winst van deze ene verdieping bereikt 9,6 dBi, de vorm van het patroon is 20 graden naar boven vervormd (2-3 dB sterker dan naar voren). De tweede directionele bel is naar beneden gericht onder een hoek van 30 graden.

De fabrikant heeft een heel vreemde keuze gemaakt voor de lengte van 3 snorharen op 3 verdiepingen - met een resonantie nabij 800 MHz, en niet in het midden van het UHF-bereik (in het bereik van 600....700 MHz).
Ook een hele vreemde keuze van de afstanden tussen de verdiepingen en de lengtes van de verzamellijnen. De lengte van de golfgeleiders die elkaar overlappen, is gecentreerd op 750 MHz. Bij een frequentie van 470 MHz is de fasevertraging in zo'n lijn 112 in plaats van 180 graden.

ASP-8, 3D, versterking, SWR, patroon

Zoals u kunt zien, zijn de antenneparameters zeer onstabiel in een breed bereik van het aangegeven frequentiebereik. In sommige gebieden komt SWR overeen<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
Het stralingspatroon is ook onstabiel en kent lokale afwijkingen. Dit exemplaar heeft een afwijking bij 565 MHz (+30/-40 MHz) - het patroon valt op en neer uit elkaar, de voorwaartse straling is slechts 5 dBi

Naast deze freeco-antenne zullen we de ChannelMaster 4251-antenne met 2 verdiepingen analyseren, populair in Noord-Amerika.
De afmetingen zijn aanzienlijk kleiner: 38x35 cm (versus 75x50 cm)

CM4251, winst, SWR, 3D

De versterking loopt soepel op van 8 naar 10 dBi, het patroon is perfect vlak en de SWR is matig. Er zijn geen resonante afwijkingen tussen 400 en 900 MHz.
CM4251 met een frontale projectie die 2,8 keer kleiner is dan die van de ASP-8, werkt ongeveer hetzelfde, maar zonder afwijkende delen van de frequentierespons en zonder SWR-pieken.

Beide antennes zijn aanzienlijk inferieur aan de antenne met twee verdiepingen uit het artikel, geoptimaliseerd met behulp van CAD.
De optimale afmetingen voor 2 verdiepingen zijn 86x57 cm (86 - breed), dit scherm is iets groter dan dat van een "Poolse droger", maar naar één kant gedraaid.
Pogingen om vier verdiepingen in een dergelijke ruimte te plaatsen zijn zeer onsuccesvol en hebben uitsluitend een marketingkarakter.
De Amerikaanse versie is, hoewel deze geen uitstekende versterking heeft, klein van formaat.

Deel XIX / Berekening van een zeer directionele zendontvangerantenne

Een conische radiator met een reflector maakt het theoretisch mogelijk om antennes te produceren met een versterking van ongeveer 10 dBi voor 1 verdieping, 12-13 dBi voor 2 verdiepingen, 14-16 dBi voor 4 verdiepingen, 16-18 dBi voor 6 verdiepingen.
Bij het werken met horizontale polarisatie zal het common-mode-rooster een verticale lay-out hebben. Bij 2 verdiepingen zal het stralingspatroon zowel verticaal als horizontaal hetzelfde zijn: demping 3 dB onder hoeken ±25 in elke richting vanaf de hoofdbundel.
Op 4 en 6 verdiepingen verandert de azimutselectiviteit niet, maar wordt de verticale bundel erg smal, dus bij 16 dBi is de verzwakking al 3 dB bij ±8 graden verticaal.

Onderscheidende kenmerken van zendontvangerantennes van puur ontvangende (televisie) antennes zijn:
- voedingsweerstand 50Ω
- verhoogde eisen voor lage SWR

Zuiver ontvangende antennes zijn toleranter ten aanzien van mismatch (hoge SWR) omdat verliezen in de kabel (inclusief extra verliezen door hoge SWR) kunnen worden genivelleerd door een LNA rechtstreeks in de antenne bij de trilaansluitingen te installeren.

Signaalvermogensverliezen aan de ingang van de LNA worden gewoonlijk geschat op basis van de equivalente toename van de ruisfactor (SNR-verslechtering) als gevolg van de mismatch.
Uit de formule

we krijgen de formule
Nf (effectief) = Nf (nominaal) + 10*log((2+SWR+1/SWR)/4)

SWR=2 en SWR=3 komen overeen met een verslechtering van de LNA-ruisfactor met respectievelijk 0,5 en 1,25 dB.

SWR wordt acceptabel geacht voor SWR-zenders<2, а хорошим КСВ<1.5

Laten we, met behulp van de theoretische kennis uit voorgaande hoofdstukken, proberen een common-mode array van twee verdiepingen te berekenen met een goede SWR voor een belasting van 50Ω.

Laten we als voorbeeld het bereik 821-894 MHz (858 ±37 MHz) kiezen, waarin de CDMA2000/EV-DO-standaard werkt.

We zullen de antenne ontwerpen om te werken op frequenties die dicht bij resonante frequenties liggen, omdat met een groot denkbeeldig deel van de complexe weerstand zal de SWR verre van 1 zijn, zelfs als de feeder wordt gekoppeld aan de complexe weerstand.

De werkelijke stralingsweerstand® van een kegelvibrator ligt, zoals we al weten, in de orde van 400-1000Ω en hangt af van drie belangrijke factoren:
- diameter van de trilgeleider (sterk omgekeerd verband, hoe dikker de geleider, hoe lager R)
- afstand tot de reflector (sterke directe afhankelijkheid, hoe verder van het scherm hoe hoger R)
- de aanwezigheid van andere roostervibrators in de buurt (zwakke afhankelijkheid)

Deze orde van grootte van R ligt ver verwijderd van 50Ω, dus het gebruik van een weerstandstransformator is onvermijdelijk.
Zelfs als R=50Ω is het nog steeds nodig om Bal-Un 1:1 te gebruiken, omdat De BowTie-vibrator is symmetrisch en de coaxiale voedingskabel is asymmetrisch.
De eenvoudigste manier is om een ​​gecombineerde BalUn-transformator te gebruiken.
Bij gebruik van een 4:1-transformator is het noodzakelijk om de antenne te berekenen met een uitgangsvermogen van 200Ω, bij gebruik van een 6:1-transformator - voor 300Ω.

Wanneer een signaal van 2 verdiepingen aan een T-stuk wordt toegevoegd, is de uitgangsweerstand van de array 2 keer minder dan de weerstand van de verdiepingen. Die. het is noodzakelijk om een ​​enkele vibrator te berekenen voor 400Ω of 600Ω.
De verzamellijnen moeten dezelfde weerstand hebben als een enkele vibrator, d.w.z. 400Ω of 600Ω, anders fungeren ze als transformatoren met een onvoorspelbaar effect.

Het programma gebruiken coax_calc laten we proberen een symmetrische golfgeleider te simuleren bij 400Ω en 600Ω
Om 600Ω te verkrijgen, zelfs met een dunne geleider d=1 mm, is een afstand van 74-75 mm nodig. Dit is zowel een vrij grote afstand (ten opzichte van de totale breedte van de vibrator, ongeveer 25-30 cm), als een vrij dunne (niet-stijve) geleider. Voor zo'n grote scheiding wordt ook de beschermende zone groter, waar er geen metalen voorwerpen mogen zijn.

Om 400Ω te verkrijgen, zijn de lijnafmetingen redelijk handig: 35 mm afstand, met draad d=2,5 mm (5 mm2 draad, gebruikelijk in elektriciteit)

De 400Ω optie is ook handiger, omdat 4:1 baluns overal verkrijgbaar zijn tegen een goedkope prijs, terwijl een 6:1 balun speciaal gemaakt zal moeten worden.

Laten we beginnen met de berekening met een scherm van 1λ breed op de middenfrequentie (349 mm voor 858 MHz)

Om de weerstand R terug te brengen naar 400Ω moet je een zo dik mogelijke geleider voor de vibrator nemen, of de vibrator van het scherm verwijderen. Voor technologisch gemak kiezen we een diameter van de snorgeleider van 6 mm (dit is de diameter van de bovenste snor in de "Poolse droger"). Met een snorlengte van ongeveer 13-15 cm zullen ze voldoende stijfheid hebben. Dikkere buizen in de orde van 10 mm zullen duurder zijn en minder gemakkelijk te buigen en vast te maken.

We maken een geometrisch model van de antenne, inclusief:
- scherm 1x1λ (van 21 horizontale geleiders, diameter 2 mm, zoals in gegalvaniseerd constructiegaas, met een steek van 0,05λ)
- de opening tussen de trilharen bedraagt ​​35 mm
- een snorhaarvibrator met een diameter van 6 mm, en zijn spiegelkopie op een afstand van 0,6λ (±0,3λ vanaf het midden van het scherm)
- snorhoek 33 graden

In verschillende iteraties selecteren we de offset van het scherm om R=400Ω te verkrijgen op de centrale frequentie (858 MHz), en na elke iteratie selecteren we de lengte van de snorharen om X=0Ω te verkrijgen (maak het denkbeeldige deel van de weerstand 0, d.w.z. stem de antenne af op resonantie)

Na 2-3 iteraties verkrijgen we een snorhaarlengte van 0,4442λ (138,5 mm), een verplaatsing ten opzichte van de reflector van 0,2455λ (86 mm)

We controleren de impedantie (R, Z), SWR in een breed frequentiebereik (voorlopig zonder golfgeleiders, met virtuele voeding van de vibrators met twee 400Ω bronnen).

3D, patroon, SWR

Tags toevoegen

Doel:

De DA3000 Discone-antenne bevat 16 verwijderbare zweepelementen van verschillende lengtes die aan een verticale staaf zijn bevestigd. Acht horizontale pin-elementen vormen een schijf en acht schuine pin-elementen vormen een kegel. De antenne werkt in het bereik van 25 tot 2000 MHz met een cirkelvormig stralingspatroon in het horizontale vlak en wordt geleverd inclusief aansluitkabel en connectoren. Om het frequentiebereik uit te breiden, zijn de D130- en D220-antennes van Diamond ontworpen als een combinatie van kwartgolfzweep- en discone-antennes. De kwartgolfantenne, die in het onderste deel van het bereik werkt, bevat een bovenste verticale staaf, een verlengingsinductor en een contragewicht bestaande uit 6 schuine staven.

Naarmate de frequentie toeneemt, wordt de verticale pin uitgeschakeld door inductie en begint een discone-antenne, bestaande uit zes horizontale (schijf) en zes schuine (kegel) pinnen, te werken. Antennes D190 en D220 werken respectievelijk in het bereik van 25 - 1300 MHz, 100 - 1500 MHz en 100 - 1600 MHz. Met name het frequentiebereik van de D220-antenne komt volledig overeen met de mogelijkheden van de breedband programmeerbare RS/N- en RS/N232-oscillatoren.

Structureel zijn de antennes D130, D220 en DA3000 gemaakt in de vorm van een mast, waarop de pinelementen zijn geschroefd. Als gevolg hiervan worden de afmetingen van de antenne tijdens transport aanzienlijk verminderd. Aansluiting van coaxiale 50 Ohm kabels type RG58A/U of RG188A/U met een lengte van 3,5 tot 10 meter worden via hoogfrequente MJ-MP connectoren op de antenne en ontvanger aangesloten. Diamond levert ook een verscheidenheid aan antennemontage-elementen: magnetische bases, beugels, masten en andere accessoires. Discone-antennes zijn op speciale bestelling verkrijgbaar.

Belangrijkste technische kenmerken:

Bedrijfsfrequentiebereik (MHz) 25-2000
Kabelkarakteristieke impedantie, (Ohm) 50
Hoogte (cm) 150
Doorsnede (cm) 170

Beschrijving actueel vanaf: 23-11-2006.

Om de technische kenmerken van de “16-elementen breedband discone-antenne in het bereik 25...2000 MHz “DA-3000”” te verduidelijken, en om informatie te verkrijgen over de beschikbaarheid en leveringsvoorwaarden, kunt u het onderstaande aanvraagformulier invullen .

Aandacht! Apparatuur wordt alleen aan rechtspersonen geleverd en alleen via bankoverschrijving.