Перебирая старые журналы "Радио", взгляд привлекла цветная вкладка (Рисунок 1) номера 11, 1979 год (ответы на вопросы в номере 6, 1980 год). Название статьи - "Объёмная ромбическая антенна". Ещё больше заинтриговало присутствие в соавторах статьи Константина Павловича Харченко (изобретатель, теоретик и практик, кандидат технических наук, автор многочисленных разработок в области антенн, автор многочисленных книг, публикаций и статей, полковник в отставке, 11 августа 1931 г. - май 2020 г.).
В статье рассматривается применение хорошо знакомой радиолюбителям - коротковолновикам ромбической антенны для приема телевизионного сигнала в диапазоне ДМВ.
Ромбическая антенна была разработана американскими радиоинженерами Эдмонтом Брюсом и Харальдом Фриисом в 30-х годах прошлого века, патент US513063A выдан в 1931 году (переоформлен в 1942 голу, эскиз на Рисунке 2).
Ромбическая антенна представляет собой симметричную линию, провода которой расположены по сторонам ромба. К одному из острых углов подключается выход (вход), к противоположному - активное сопротивление, равное волновому сопротивлению антенны. При этом в проводах устанавливается режим бегущей волны. Направление максимального излучения лежит в плоскости, проходящей через острые углы ромба. Принцип работы ромбической антенны и методика расчёта хорошо описана в книге "Коротковолновые антенны" под редакцией Г. З. Айзенберга (Рисунок 3).
В середине прошлого века в эпоху "бурного расцвета" телевещания в США ромбическая антенна ДМВ диапазона выпускалась промышленно, на Рисунке 4 пример и перевод части статьи Милтона С. Кивера "U.H.F. Антенны" опубликованной журнале "Новости радио и телевидения" №12, 1952 год (ссылка, файл pdf).
"....Ромбическая антенна в некоторой степени использовалась для ВЧ приема в зонах со слабым сигналом. Она имеет широкую полосу пропускания, является однонаправленной, обладает четко выраженной диаграммой направленности и обеспечивает хорошее усиление. То, что она не широко используется на УКВ связано главным образом с тем, что размеры антенны довольно велики для крыши многоквартирных домов. Характеристики ромбической антенны приведены на рис. 11. Длина каждой из четырех сторон должна составлять не менее нескольких длин волн. Фактически, чем длиннее каждая сторона, тем больше усиление и тем острее горизонтальная диаграмма направленности антенны. Угол А варьируется в зависимости от длины сторон, но обычно он составляет 110–130 градусов. Для стороны длиной 2 длины волны рекомендуется угол 100°; для стороны длиной 3 длины волны угол равен 120°; а для 4-х длин волн — 130°. Если провода в точке B просто соединить вместе, антенна будет двунаправленной. Но если, как это обычно бывает, в эту точку вставить угольный резистор номиналом от 470 до 500 Ом, характер реакции станет однонаправленным. Входное сопротивление на другом конце равно номиналу этого резистора, но подключение сюда сдвоенного провода сопротивлением 300 Ом для всех практических целей будет очень хорошо служить с некоторой небольшой потерей усиления. (Открытая линия передачи имеет полное сопротивление 450 Ом и обеспечивает лучшее согласование.) Ромбические антенны благодаря своим широкополосным свойствам могут легко использоваться в диапазоне частот 2:1. Их коэффициент усиления (как показано на рис. 12) позволяет использовать их в зонах с относительно слабым сигналом. Их четкая диаграмма направленности (угол луча порядка 25° или менее) указывает на то, что они будут чрезвычайно полезны в местах, где более широкая характеристика может привести к появлению призрачных изображений или другим помехам. В УВЧ если сделать длину каждой ветви равной двум или более длинам волн, это не приведет к созданию громоздкой антенны. Таким образом, при частоте 470 МГц одна длина волны равна примерно 24 дюймам, а две длины волны будут равны 48 дюймам. Подходящей механической опорой может служить траверса, монтируемая на верхнем конце трубы. Тогда антенна будет ориентирована концом резистора в направлении станции. Для увеличения усиления можно использовать штабелирование ромбических антенн, как и в случае с решеткой любого другого типа. Рекомендуется разделение на половину длины волны, и в этих условиях происходит увеличение усиления на 2 дБ по всей полосе частот. Суммирование также увеличит вертикальную направленность, что может уменьшить количество нежелательных сигналов, которые улавливает массив антенн....."
Если в начале телевизоростроения антенный вход делали симметричным с высоким сопротивлением (300 Ом), то к 60-м годам прошлого века по крайней мере в "европах" и Союзе пришли к стандарту: несимметричный вход с сопротивлением 75 Ом. У американцев в этом отношении была своего рода "демократия" - по крайней мере популярный переносной телевизор "Portocolor" имел симметричный антенный вход до 1978 года (окончание производства). В связи с этим для применения ромбической антенны одной из задач стоит стандартная задача согласования коаксиального кабеля снижения с симметричным высокоомным выходом антенны. Одно из решений задачи приведено в патенте EP0134688A1 от 1984 года. На Рисунке 5 приведена схема подключения коаксиального кабеля к ромбической антенне.
Описание к Рисунку 5 (перевод из патента):
Ромбическая антенна имеет активные элементы в виде трубок (34, 35), изогнутых в форме ромба. Два соседних конца трубок (34, 35) соединены между собой полым трубчатым резистором (42). Коаксиальный кабель (18) входит в трубчатый резистор (42) через отверстие в нем и проходит через одну из трубок (34) к другому концу этого рычага (34). Один из проводников коаксиального кабеля прикреплен к концу трубки (34), а другой проводник проходит через зазор между концами трубки (34, 35) и крепится к другому плечу (35). . Таким образом, один из проводников является частью активного элемента, к которому он прикреплен, что предотвращает ухудшение характеристик антенны. Структура имеет очень широкую полосу пропускания и эффективно преобразует входную мощность.
В "классической" ромбической антенне в качестве ток проводящего материала используется антенный канатик или проволока достаточно малого диаметра (1 мм - 6 мм). В двух примерах выше применяются трубки большего диаметра - можно предположить диаметр не менее 10 мм, конструкция само несущая (увеличение диаметра проводника не приводит к значительному улучшению полосы пропускания антенны, как можно было бы ожидать).
Расчёт размеров и параметров ромбической антенны приведены в книге Айзенберга (упоминается выше), но честно говоря лень "включать математика" и считать всё досконально - может как-нибудь посчитаю. В основном радиолюбители при расчете ромбической антенны используют "эмпирические" графики (Рисунок 6).
Результаты более или менее совпадают с результатами моделирования.
Общее представление о применении ромбических антенн в качестве "телевизионных" получено, можно провести "настольные" эксперименты, благо современные вычислительные технологии позволяют. В качестве "инструмента" используется пакет электродинамического моделирования "FEKO". Модели лучше сразу делать "параметрическими", с возможностью изменения геометрии, что крайне актуально при решении задачи оптимизации параметров антенны. Для начала посмотрим модель ромбической антенны, рассчитанной на частоту 45 частотного канала ДМВ диапазона (далее просто "канала"). Длина волны ровна 447,8 мм (верхняя частота 670 МГц). На Рисунке 7 приведен эскиз антенны с обозначениями.
Далее будут указаны размеры антенны исходя из обозначений эскиза.
Применим следующие параметры для модели ромбической антенны: N=3, длина волны = 447.8 мм, угол Альфа = 65.6 градуса, R=400 Ом, D = 50 мм, диаметр проводника 2 мм, медь. Если следовать материалам статьи Милтона С. Кивера, угол Альфа должен быть 60 градусов, таблицы с Рисунка 6 не однозначны - на одном графике 60 градусов, на другом - 64. Гадание на картах. Провёл расчёт (не буду здесь приводить - дзен категорически не дружит со спецсимволами и греческим алфавитом, а картинки делать честно лень) - 65.6 градуса. То есть "правый" график оказался правее...
Результаты расчётов представлены на Рисунке 8 - 11. При постановки требований к расчёту специально увеличил диапазон частот от 400 МГц до 3 ГГц, показать "много диапазонность" антенны. Размеры антенны получились: L = 2257 мм, B = 1454 мм, l = 1329 мм.
По результатам - максимальное усиление на частоте 680 МГц около 12.65 dBi (совпадает с расчётом "плюс-минус"), в начале диапазона - 10.1 dBi, в конце - 11.6 dBi. Не сильно впечатляет для такой "габаритной" антенны.
КСВ по напряжению на нагрузке 300 Ом меняется от 1.9 до 1.4. Смотрим на нагрузке 300 Ом из-за доступности согласующих трансформаторов. По "хорошему" надо делать балун 450/75 Ом.
В статье, с которой всё началось ("Радио" 1979.11) в тексте приводится пример ромбической антенны с параметрами: длина волны = 460 мм, l = 3*460, угол Альфа =50 градусов.... посчитаем.
Усиление совсем на частоте 650 МГц не стремится к 20 -ти. Максимум на частоте 1.2 ГГц. 50 градусов ни с расчётом, ни с "табличками" не согласуется.
Пойдём дальше. Посчитаем четыре длины волны на сторону. Параметры для модели: N=4, длина волны = 447.8 мм, угол Альфа = 55 градусов, R=400 Ом, D = 50 мм, диаметр проводника 2 мм, медь, результаты расчётов усиления с учётом согласования на Рисунке 13. Размеры антенны: L = 3190 мм, B = 1625 мм. Размеры растут.
Усиление добавило один децибел с "хвостиком", частота смещена от расчетной (670 МГц), значит не "попали" в угол. Конечно, задача согласования ещё внесёт потери.
Добавим еще. Сторона антенны из пяти длин волн. Длина антенны уже 4 метра (4021 мм). Угол Альфа = 47 градусам. Результаты расчётов на Рисунках 14 - 16.
Усиление увеличилось не значительно, что и ожидалось. Из графика прекрасно виден коэффициент полезного действия антенны.
Из диаграммы направленности видно "отставание" заднего лепестка от главного более 20 дБ, ближайший боковой лепесток - на 10 дБ, ширина главного лепестка по уровню половинной мощности (3 дБ) около 9 градусов.
Ну а так как антенна "много диапазонная" посмотрим как её приспособить к диапазону 2.4 ГГц. Длина волны равна 125 мм. В сторону длиной 1875 мм укладывается 15 с хвостиком длин волн. Угол Альфа будет 27 градусов (не спрашивайте почему), нагрузочное сопротивление уберём (пусть "светит" в обратном направлении). Результаты расчета на рисунках 18 -22.
Усиление под двадцать децибел. Хорошо вроде, да совсем не очень.
Среднее значение импеданса около 320 Ом. Изменяется импеданс с амплитудой в среднем 180 Ом. Яркое пособие возникновения отражённой волны при определённой геометрии, длине волны и отсутствии нагрузочного сопротивления. Вот и КСВ об этом говорит на Рисунке 20.
Так что всё замечательно, осталось только то согласующий трансформатор на частоту 2400 МГц сделать, и всё равно будет рассогласование с "периодом" примерно 38 МГц.
На Рисунке 21 показан график зависимости коэффициента усиления с учётом согласования от частоты. Видно, что рассогласование в период примерно 38 МГц изменяет усиление антенны с амплитудой 0.5 dB.
На Рисунке 22 приведена диаграмма коэффициента усиления от направления ромбической антенны на частоте 2400 МГц. Задний лепесток "отстаёт" от основного на 5.5 дБ, а соседний лепесток - на 10.1 дБ. Не очень хорошо с задним лепестком - с нагрузочным сопротивлением "отставание" заднего лепестка более 20 дБ.
Размер антенны L = 3652 мм, B = 842 мм.
Краткие выводы: интересные антенны с точки зрения применения в диапазоне сотовой связи, WI-FI, не исключено применение в ДМВ диапазоне. Кажущаяся простота антенны на самом деле при отсутствии требуемой площади на крыше выливается в достаточно трудную задачу по созданию несущей конструкции антенны. Нельзя забывать про меры гроза защиты - площадь антенны достаточно большая. Так же затруднена настройка направления антенны на передатчик - если делать полотно антенны на подвесах. И вопросы согласования наверно стоят на первом месте - для 50 Ом кабеля трансформатор на 1:6 должен быть достаточно широкополосным, для кабеля 75 Ом с некоторой потерей на рассогласовании можно использовать стандартные трансформаторы 300/75.
И, конечно, не в коей мере не агитирую бросаться и делать такую антенну, расчеты производились без учёта влияния матушки земли родной.
Спасибо за внимание и потраченное время. Хорошего радиоприёма, и весеннего настроения!
P.S. Статья "Дачные развлечения: "чердачная" ДМВ антенна Ховермана (усиление до 15 dBi)" о опытах по расчёту и конструированию антенны Ховермана из подручных средств.