Полуволновой вибратор - один из самых распространенных и простых видов антенн, используемых для передачи и приема радиоволн в диапазоне ультракоротких и коротких волн. Давайте разберемся, что это за устройство, как оно устроено, для чего применяется и как рассчитать его параметры.
Определение полуволнового вибратора
Полуволновой вибратор представляет собой прямой отрезок провода, длина которого составляет примерно половину длины волны используемого диапазона радиочастот. Он также называется симметричным вибратором или диполем Герца. В середине этого отрезка делается разрыв, к которому подсоединяется фидер - линия, соединяющая антенну с передатчиком или приемником.
Основными характеристиками полуволнового вибратора являются:
- Рабочий диапазон частот
- Длина антенны
- Сопротивление излучения
- Диаграмма направленности
- Коэффициент усиления
Рассмотрим подробнее устройство этого типа антенн и принцип его работы.
Устройство полуволнового вибратора
Конструкция полуволнового вибратора довольно проста. Она состоит из следующих элементов:
- Два проводника, выполненные из металла (меди, алюминия, стали). Их длина близка к половине длины волны.
- Изоляторы на концах проводников.
- Разрыв между проводниками для подключения фидера.
- Фидер - коаксиальный кабель или двухпроводная линия.
- Симметрирующее устройство для соединения фидера с разрывом между проводниками (при использовании несимметричного фидера).
Конструкция может дополняться растяжками для закрепления вибратора, корпусом для защиты от внешних воздействий и другими элементами.
Существуют различные варианты конструктивного исполнения полуволновых вибраторов:
- Из проводов, натянутых на опорах
- Из металлических стержней
- В виде печатных диполей на диэлектрической подложке
- Выполненные из металлической трубы
Наиболее распространен вариант с проводами, так как он прост и недорог в изготовлении.
Принцип работы полуволнового вибратора
При подаче переменного высокочастотного напряжения от передатчика на середину вибратора в нем возникает высокочастотный ток, распределенный по длине антенны. Распределение тока носит стояче-волновой характер с пучностью тока в центре и узлами на концах вибратора.
Величина напряжения вдоль антенны также изменяется по синусоидальному закону с максимумами на концах и минимумом в середине. Такое распределение токов и напряжений образует электромагнитное поле, излучаемое перпендикулярно оси вибратора.
Диаграмма направленности полуволнового вибратора имеет вид "восьмерки" в плоскости, проходящей через ось антенны. В перпендикулярной плоскости диаграмма близка к круговой. Ширина диаграммы направленности составляет около 78 градусов.
В режиме приема электромагнитные волны наводят в вибраторе токи и напряжения такого же распределения, которые затем поступают в приемник по фидеру.
Параметры и характеристики полуволнового вибратора
Полуволновой вибратор характеризуется следующими параметрами:
- Длина антенны
- Сопротивление излучения
- Входное сопротивление
- Рабочий диапазон частот
- Коэффициент усиления
- Коэффициент стоячей волны по напряжению
- Ширина диаграммы направленности
- Поляризация излучения
Рассмотрим основные из этих параметров подробнее.
Длина полуволнового вибратора
Длина каждого плеча вибратора выбирается из расчета 1/4 длины волны в свободном пространстве на средней частоте рабочего диапазона. Длина волны λ связана с частотой формулой:
λ = c / f,
где c - скорость света, f - частота.
Таким образом, длина одного плеча вибратора равна λ/4, а полная длина составит λ/2.
На практике длина корректируется с учетом скорости распространения волн вдоль проводника и близости подстилающей поверхности. Для этого вводится поправочный коэффициент укорочения k, зависящий от соотношения длины волны и диаметра провода.
Таким образом, длина плеча вибратора рассчитывается по формуле:
L = (λ / 4) * k,
где k - коэффициент укорочения (0,9...0,98).
Сопротивление излучения
Сопротивление излучения полуволнового вибратора составляет около 73 Ом. Это сопротивление должно согласовываться с волновым сопротивлением фидера для максимальной отдачи мощности в нагрузку.
Входное сопротивление
Входное сопротивление резонансного полуволнового вибратора равно сопротивлению излучения, так как питание осуществляется в точке максимального тока. Обычно это значение лежит в диапазоне 60-75 Ом.
Остальные параметры полуволнового вибратора будут рассмотрены в последующих разделах статьи.
Практические рекомендации по применению полуволнового вибратора
Рассмотрим основные практические рекомендации по применению полуволновых вибраторов.
- Для работы на конкретной частоте или в частотном диапазоне следует правильно выбрать длину антенны с учетом коэффициента укорочения.
- Фидер должен иметь волновое сопротивление 50-75 Ом для согласования с сопротивлением излучения.
- Для достижения необходимой направленности излучения вибратор может комбинироваться с пассивными элементами (рефлекторами, директорами).
- Высота подвеса вибратора над землей должна составлять не менее 0,5λ для формирования нужной диаграммы направленности.
- Расположение вибратора в пространстве должно обеспечивать излучение в нужном направлении согласно диаграмме направленности.
- Полуволновой вибратор следует размещать вдали от крупных металлических предметов, которые могут его экранировать.
Изготовление полуволнового вибратора своими руками
Несмотря на простоту конструкции, изготовить работоспособный полуволновой вибратор самостоятельно не так уж просто.
Вот основные рекомендации для самостоятельной сборки вибратора:
- Использовать проводники из меди, латуни или алюминия диаметром 2-5 мм. Материал должен быть прочным и упругим.
- Точно рассчитать и выдержать нужную длину плечей с учетом диапазона работы.
- Изолировать концы проводников от конструкций и друг от друга специальными изоляторами.
- Надежно закрепить конструкцию на опорах, обеспечив механическую прочность.
- Выполнить качественный разрыв для подключения фидера с низким переходным сопротивлением.
- Использовать качественный фидер 50-75 Ом с минимальными потерями.
- Установить вибратор вдали от массивных металлических предметов.
С этими рекомендациями вы сможете сделать работающий полуволновой петлевой вибратор для любительской радиостанции.
Примеры применения полуволновых вибраторов
Рассмотрим несколько примеров использования полуволновых вибраторов на практике.
Любительская радиосвязь
Простые полуволновые вибраторы часто применяются в любительских радиостанциях благодаря своей дешевизне и простоте.
Беспроводные точки доступа Wi-Fi
Внешние всенаправленные антенны для расширения зоны действия Wi-Fi часто выполняются в виде полуволновых вибраторов.
Автомобильные антенны
На крышах автомобилей устанавливают полуволновые петлевые вибраторы для приема радиосигналов в диапазонах AM и FM.
Сотовая связь
Полуволновые вибраторы применяются в составе базовых станций сотовой связи в качестве излучающих элементов антенных решеток.
Достоинства и недостатки
У полуволнового вибратора есть свои преимущества и недостатки.
К достоинствам можно отнести:
- Простота и дешевизна конструкции
- Широкополосность
- Высокий КПД
Недостатки:
- Низкая направленность излучения
- Громоздкость на низких частотах
- Чувствительность к близким объектам
Методы повышения направленности полуволнового вибратора
Одним из основных недостатков полуволнового вибратора является его низкая направленность излучения. Рассмотрим способы повышения направленности такой антенны.
Использование рефлектора
Установка позади вибратора пассивного отражателя - рефлектора позволяет сфокусировать излучение в одном направлении. Расстояние между вибратором и рефлектором составляет около 0,2λ.
Применение директоров
Размещение перед вибратором одного или нескольких пассивных элементов - директоров также повышает направленность антенны в их сторону. Расстояние от 0,1λ до 0,25λ.
Использование нескольких вибраторов
Создание системы из нескольких параллельных или последовательных полуволновых вибраторов позволяет значительно повысить направленность излучения.
Комбинирование методов
Комбинирование рефлекторов, директоров и нескольких вибраторов дает наибольший эффект повышения направленности. Так создаются различные антенные решетки.
Влияние высоты подвеса на характеристики полуволнового вибратора
Высота установки полуволнового вибратора над поверхностью земли оказывает существенное влияние на его характеристики.
- Чем выше подвес, тем уже диаграмма направленности в вертикальной плоскости.
- Увеличение высоты уменьшает влияние близких объектов.
- Оптимальная высота для полуволнового вибратора составляет 0,5λ и более.
- Слишком низкий подвес приводит к ухудшению характеристик.
Использование полуволнового вибратора в составе антенных решеток
Благодаря своим достоинствам полуволновые вибраторы часто используются в составе различных антенных решеток.
Варианты применения:
- Вибраторы в линейных и планарных антенных решетках.
- Элементы вибраторов в щелевых антенных решетках.
- Вибраторы в осесимметричных антеннах с круговой поляризацией.
- Комбинация вибраторов с пассивными элементами.
Использование в решетках позволяет добиться узкой направленности и высокого коэффициента усиления.
Перспективы развития технологии полуволновых вибраторов
Несмотря на многолетнюю историю, технология полуволновых вибраторов не стоит на месте и продолжает развиваться.
Основные тренды:
- Повышение КПД и увеличение полосы частот.
- Уменьшение габаритов и веса конструкций.
- Использование новых композитных и наноматериалов.
- Интеграция с другими элементами в многофункциональные системы.
- Разработка конструкций для новых диапазонов частот.
Эти тенденции позволят расширить области применения полуволновых вибраторов.
