Предлагаемая двухэлементная антенна Уда-Яги с расстоянием между элементами менее 0,1 длины волны (рис. 1) интересна тем, что при малых габаритах и простоте конструкции её коэффициент усиления достигает 7 dB относительно изотропного излучателя. Благодаря взаимному влиянию активного вибратора и рефлектора ток в активном вибраторе возрос примерно в четыре раза по сравнению с одиночным вибратором, в результате чего его входное сопротивление уменьшилось во столько же раз. Поля, излучённые этими элементами, в одном направлении складываются, а в противоположном вычитаются. На рис. 2 показана диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости и приведены её параметры, рассчитанные в программе MMANA-GAL.
Рис. 1. Двухэлементная антенна Уда-Яги
Моделируя антенну в этой программе, после оптимизации на максимум усиления я получил её входное сопротивление 17 Ом, согласовать с которым стандартный кабель, имеющий волновое сопротивление 50 Ом, проблематично. Поэтому пришлось, потеряв два процента коэффициента усиления, понизить входное сопротивление до 12,5 Ом путём уменьшения расстояния между элементами. Теперь согласующим элементом служат два четвертьволновых отрезка 50-омного коаксиального кабеля, соединённых параллельно.
Не забывайте, что электромагнитное поле в заполненном диэлектриком кабеле распространяется медленнее, чем в воздухе. Поэтому геометрическая длина четвертьволнового отрезка кабеля равна четверти длины волны в свободном пространстве, умноженной на коэффициент укорочения. Для кабеля со сплошной полиэтиленовой изоляцией он равен 0,66.
Важный момент в конструировании антенны - выбор материала для вибратора и рефлектора. Если использовать медную проволоку диаметром 2..2,5 мм, антенну погубит скин-эффект. Дело в том, что на частоте 145 МГц ток течёт только в приповерхностном слое проводника глубиной около 5 мкм в меди и 6 мкм в алюминии. Поскольку с глубиной ток спадает по экспоненте, точной нижней границы этот так называемый скин-слой не имеет. Но в центральной части сечения проводника ток практически отсутствует, поэтому высокочастотные проводящие элементы нередко делают из металлических труб. Увеличение диаметра трубы увеличивает площадь поверхности, по которой течёт ВЧ-ток, следовательно, уменьшает активное сопротивление такому току.
Рис. 2. Диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости и её параметры
В предлагаемой антенне вибратор и рефлектор выполнены из металлопластиковой трубы MARTEXWELL с внешним диаметром по пластиковому покрытию 16 мм. Диаметр алюминиевой трубы-основы - 14 мм, что и было заложено в модель антенны, созданную в программе MMANA-GAL. Как и предполагалось, внешнее диэлектрическое покрытие проявило себя как замедляющая структура, поэтому и вибратор, и рефлектор пришлось укоротить на 3 %.
Есть ещё один важный для нормальной работы антенны момент - обеспечение небольшого, но свободного пространства вокруг неё. Это пространство называют ближней зоной антенны. Она тоже не имеет чёткой границы. Считается, что эта зона заканчивается на расстоянии D2/X (иногда 2D2A) от антенны, где D - наибольший размер антенны, Я - рабочая длина волны. Для диапазона 145 МГц это расстояние - 0,5...1 м. Предметы, находящиеся в ближней зоне, не только уменьшают КПД антенны, поглощая часть излучённой ею энергии, но и искажают её диаграмму направленности. Под их влиянием изменяется также входное сопротивление антенны, следовательно, ухудшается КСВ в питающем её кабеле.
При использовании алюминиевой трубы диаметром 14 мм и без покрытия размеры предлагаемой антенны следующие:
- Длина активного вибратора, мм ..................................945
- Зазор между половинами активного вибратора, мм .......10
- Длина рефлектора, мм................................................997
- Расстояние между элементами, мм...............................188
Если применить металлопластиковую трубу MARTEXWELL диаметром по алюминию 14 мм, длину активного вибратора нужно уменьшить до 916 мм, а длину рефлектора - до 967 мм. Рекомендую в этом случае делать элементы антенны с запасом по длине на 5...10 мм, а затем, понемногу обрезая их концы, настроить антенну по минимуму КСВ на нужной частоте. Это рекомендация на всякий случай, если будет изменён материал или толщина покрытия металлопластиковой трубы.
Последняя рекомендация касается подключения кабеля к вибратору. Внешнее пластиковое покрытие на конце трубы, к которому предстоит подключить кабель, удалите ножом на длине 10 мм. Внутрь трубы вставьте пробку, а снаружи наденьте на неё хомут из белой жести и стяните его винтом М3 с гайкой. Как показывает практика, контакт алюминий-олово на открытом воздухе надёжен и долговечен. Припаять два кабеля к жестяным хомутам уже не составит труда. Небольшие трудности могут возникнуть при соединении основного кабеля с согласующим элементом из двух отрезков кабеля. Если просто спаять их центральные проводники и их оплётки, оставив всё на открытом воздухе, в фидерную линию будет внесена неоднородность, поэтому бегущая в кабеле волна частично отразится от места соединения.
Чтобы избежать этого, спаяв центральные проводники кабелей, обмотайте место пайки узкой липкой лентой, пока толщина намотки не сравняется с толщиной внутренней изоляции кабелей. Далее оберните сделанную изоляцию тонкой медной фольгой и припаяйте к ней сверху оплётки всех кабелей - не менее двух мест пайки каждой оплётки, одна напротив другой. Этим потери будут минимизированы. Окончательно обмотайте всё с натягом липкой или изоляционной лентой. Желательно зафиксировать эту конструкцию, подложив под неё полоску алюминия и примотав её к месту соединения.
Антенна собрана на плексигласовой траверсе и укреплена на подставке из пластиковой трубы, используемой для прокладки кабелей. Вся конструкция - разборная. Плексигласовую консоль, поддерживающую кабель, можно опустить вниз. Сложенная антенна помещается в багажнике автомобиля, а при выезде на природу её можно поднять на мачту. Выражаю надежду, что изложенный материал пригодится радиолюбителям при изготовлении и настройке антенно-фидерного хозяйства.
