Антенна волновой канал, известная также как антенна Яги-Уда по фамилиям японских инженеров Хидэцугу Яги и Синтаро Уды, опубликовавших её описание в конце 1920-х годов, остаётся самой массовой направленной антенной на частотах от десятков мегагерц до нижнего дециметрового диапазона. Главная особенность конструкции заключается в том, что к высокочастотному кабелю подключён только один элемент, активный вибратор, а все остальные металлические трубки или прутки, называемые рефлектором и директорами, электрически изолированы от линии питания и не имеют никаких проводов. Тем не менее именно эти «пустые» элементы формируют направленное излучение, вытягивая диаграмму направленности в одну сторону и существенно повышая усиление антенны по сравнению с одиночным полуволновым диполем. В статье разбирается физика этого процесса, роль взаимной индуктивности, фазовые соотношения токов, практические размеры для диапазонов 145 МГц и 500 МГц, способы согласования с кабелем и реальные конструкции эфирных телевизионных антенн.
Устройство антенны и её активный вибратор
Классический волновой канал состоит из траверсы, на которой вдоль одной оси закреплены параллельные друг другу линейные проводники различной длины. В центре каждого проводника располагается либо точка запитки, либо свободный разрыв, причём все элементы ориентированы перпендикулярно оси траверсы. Активный вибратор представляет собой полуволновый диполь, длина которого приблизительно равна половине длины волны с учётом коэффициента укорочения, зависящего от отношения длины элемента к его диаметру. Например, для частоты 145 МГц длина волны составляет примерно 206 см, и полуволновый вибратор из алюминиевой трубки диаметром около 10 мм получается длиной порядка 96–98 см, то есть геометрическая длина на несколько процентов меньше свободнопространственной полуволны. Для частоты 500 МГц, характерной для дециметрового диапазона эфирного телевидения, длина волны равна примерно 60 см, и активный вибратор имеет длину около 28 см.
Именно в активном вибраторе источник высокочастотного напряжения или приёмник возбуждает ток, который создаёт основное электромагнитное поле антенны. В свободном пространстве входное сопротивление полуволнового диполя в точке резонанса составляет около 73 Ом, однако по мере добавления соседних паразитных элементов оно заметно уменьшается. Остальные элементы антенны токов в них собственных источников не имеют: ток наводится в них электромагнитным полем активного вибратора через взаимную индуктивность и взаимную ёмкость между близко расположенными проводниками. При этом паразитные элементы не «холостые» детали: каждый становится вторичным излучателем, а интерференция полей всех излучателей в пространстве и формирует направленность.
Конструкция традиционно содержит следующие узлы:
- металлическая или диэлектрическая траверса с креплениями элементов;
- один активный разрезной вибратор или петлевой вибратор с кабельной запиткой;
- один рефлектор, расположенный позади вибратора на расстоянии 0.15–0.25 длины волны;
- один или несколько директоров, расположенных впереди вибратора на расстояниях 0.15–0.25 длины волны;
- согласующее устройство и переход на коаксиальный кабель или симметричную линию.
Рефлектор и директоры как ведомые излучатели
Ключ к работе антенны кроется в фазовых соотношениях токов между элементами. Линейный проводник, помещённый в переменное электромагнитное поле, ведёт себя как колебательный контур: его длина задаёт собственную резонансную частоту, а сдвиг длины относительно резонанса определяет характер его входного импеданса. Проводник длиннее резонансного половины волны имеет индуктивное реактивное сопротивление, ток в нём отстаёт по фазе от приложенного напряжения, и такой элемент поглощает энергию из встречной волны и переизлучает её назад, то есть работает как зеркало. Проводник короче резонансной длины имеет ёмкостное сопротивление, ток опережает напряжение, и такой элемент наоборот стягивает энергию поля вперёд по направлению распространения волны. Отсюда следуют простое правило геометрии: рефлектор делается примерно на 5 процентов длиннее активного вибратора, а директоры примерно на 5 процентов короче.
Волна, излучённая активным вибратором в сторону рефлектора, возбуждает в нём индуктивный ток, чья фаза вместе с набегом по пути 0.15–0.25 длины волны и внутренним сдвигом наводимой ЭДС складывается так, что в направлении «от рефлектора через вибратор» поле рефлектора прибавляется к полю вибратора, а в обратном направлении вычитается. Энергия, которая у одиночного диполя уходила бы назад без всякой пользы, теперь возвращается в основной лепесток. Рефлектор поэтому и получил такое название: он подобно параболическому зеркалу отбрасывает назад падающее поле и направляет его вперёд. Директоры, имеющие ёмкостный характер сопротивления, работают как собирающая система: фаза их тока и расстояние до вибратора и друг к другу подбираются так, чтобы поле директора складывалось в фазе с полем вибратора именно в направлении вдоль траверсы вперёд, а за вибратором относительное вычитание ослабляло излучение назад.
Чем дальше директор от вибратора, тем меньший наводимый в нём ток, и тем слабее его вклад в излучение, поэтому выигрыш от каждого следующего директора убывает. Первый директор даёт прирост усиления примерно на 1.5–2 дБ по сравнению с двухэлементной антенной, второй добавляет порядка 0.5–1 дБ, а с восьмого директора прирост часто опускается ниже 0.3 дБ, что и ограничивает практическое число элементов на одной траверсе.
Взаимная индуктивность и фазовые соотношения токов
Активный вибратор и каждый паразитный элемент связаны между собой магнитным и электрическим полем: с изменением тока в одном элементе магнитное поле пронизывает соседний проводник и наводит в нём электродвижущую силу. Эта связь описывается взаимной индуктивностью и взаимной ёмкостью, аналогично двум обмоткам трансформатора. В уравнениях теории связанных антенн вводится матрица взаимных импедансов: напряжование на разрыве активного вибратора равно сумме произведений собственного импеданса и тока этого вибратора плюс суммарный вклад взаимных импедансов от токов всех паразитных элементов. Ток в каждом паразитном элементе, в свою очередь, целиком определяется этими взаимными связями и собственным импедансом, поскольку внешнего источника у него нет.
Именно токи, наведённые в пассивных элементах, переизлучают энергию, а из-за распределения фаз их вторичные поля складываются с основным полем интерференционно. В рабочем направлении вперёд фазы вторичных излучателей близки друг к другу и к фазе активного вибратора, поэтому амплитуды полей арифметически складываются, а назад фазовые сдвиги суммируются так, что поля максимально гасят друг друга. Выбор расстояния между элементами 0.15–0.25 длины волны не случаен: при слишком близком расположении сильная взаимная связь до предела снижает входное сопротивление антенны и сужает полосу, при слишком далёком ослабевает сама наводимая эДС, и фокусировка становится вялой. Минимальное усиление на единицу роста зачастую получается при растяжении директоров на расстояния ближе к 0.3–0.35 длины волны, что применяется в длинных УКВ-конструкциях, но тогда запитывать такую конструкцию на короткой волне диапазона уже труднее.
Снижение входного сопротивления есть прямое следствие трансформаторной связи. Приближение паразитных элементов увеличивает взаимную индуктивность и «выкачивает» из активного вибратора дополнительный ток, эквивалентный параллельному включению нагрузке. В результате резонансное входное сопротивление многоэлементного волнового канала падает до 20–30 Ом, а в компактных двухэлементных вариантах с сокращёнными расстояниями может опускаться даже до 10 Ом. Сотни миллерампер лишнего тока активного вибратора уходят на питание собственных полей соседей, и именно этот эффект делает невозможной прямую запитку такой антенны стандартным 50- или 75-омным кабелем без специальных согласующих устройств.
Диаграмма направленности и усиление антенны
Диаграмма направленности одиночного полуволнового диполя в горизонтальной плоскости имеет форму восьмёрки: максимумы излучения перпендикулярны оси проводника в обе стороны. Добавление рефлектора и директоров ломает эту симметрию. Рефлектор подавляет задний лепесток, директоры вытягивают главный лепесток вдоль траверсы, и в результате антенна начинает излучать преимущественно в одну сторону. Уменьшение заднего лепестка оценивается отношением «вперёд-назад», которое в хороших конструкциях от трёх-четырёх элементов достигает 15–20 дБ, а в длинных многоэлементных УКВ-антеннах может превышать 25 дБ за счёт дополнительных боковых лепестков, давимых небольшим удлинением задних директоров.
Усиление волнового канала зависит от числа элементов и длины траверсы. Однолинейная антенна с одним рефлектором и одним директором даёт порядка 7 дБи, конструкция с пятью-семью элементами выходит на 9–11 дБи, а длинные антенны с двенадцатью-пятнадцатью директорами, траверсой в несколько длин волн и тщательным выбором размеров подступают к 14–15 дБи. Практический предел простого волнового канала на короткой траверсе ограничен: после 12–15 элементов усиление фактически перестаёт расти, а полоса рабочих частот и допуски на изготовление быстро сужаются. Для более высокого усиления антенну собирают в щелевые решётки из нескольких траверс с фазированным делителем мощности.
Несмотря на простоту, волновой канал чувствителен к точности размеров. Смещение директора на несколько сантиметров на частоте 145 МГц или на один-два сантиметра на 500 МГц заметно меняет частоту максимума усиления, глубину заднего подавления и входное сопротивление. Поэтому в коммерческих антеннах для эфирного ТВ директоры размещаются на штампованной траверсе с жёсткими посадочными местами, а домашние конструкции приходится настраивать по измерителю КСВ или по силе принимаемого сигнала.
Согласование с кабелем и коэффициент стоячей волны
Упомянутое выше снижение входного сопротивления до 20–30 Ом создаёт разрыв между антенной и стандартной линией передачи: коаксиальный кабель для УКВ рассчитан на 50 или 75 Ом. Прямое подключение приведёт к высокому коэффициенту стоячей волны, часть энергии будет возвращаться от точки запитки по кабелю обратно к передатчику, снижая КПД и искажая диаграмму из-за обратного излучения внешней оплётки. Для согласования применяется несколько типовых решений, выбор которых диктуется конструкцией и требуемой полосой.
Гамма-согласование использует полуволновый вибратор, к серединной точке которого, где ток максимален, а напряжение близко к нулю, подключено плечо коаксиального кабеля через короткий параллельный проводник регулируемой длины и подстроечный конденсатор. Точка подключения фактически находится не в центре, а немного смещена к краю вибратора, и импеданс трансформируется к нужному значению за счёт автотрансформаторного эффекта: часть длины вибратора играет роль отвода от обмотки с высоким импедансом. Гамма-устройство удобно для УКВ-антенн на 145 МГц, позволяет сохранить симметричный характер питания и легко подстраивается по минимуму КСВ.
Для антенн бытового назначения, прежде всего телевизионных на 500 МГц, гораздо чаще используется петлевой вибратор: укороченная полуволновая петля из двух трубок, концы которых соединены на противоположных концах и образуют замкнутый шлейф. Такой вибратор имеет собственное входное сопротивление порядка 280–300 Ом при отсутствии паразитных элементов, а в присутствии рефлектора и директоров оно падает примерно до 70–80 Ом, почти идеально совпадая с сопротивлением 75-омного кабеля. Кроме электрического удобства, петлевой вибратор проще крепится на траверсе, занимает меньше места и в силу симметрии улучшает подавление наводок от кабеля. При запитке 50-омным кабелем антенн на 145 МГц применяют либо укороченную петлю с трансформирующим четвертьволновым отрезком, либо симметрирующее устройство с четвертьволновым мостом, либо широкополосные ферритовые трансформаторы.
Практические конструкции на 145 МГц и 500 МГц
Для любительской связи на 145 МГц типична антенна из трёх-десяти элементов на траверсе длиной от 1.5 до 5 м. Активный вибратор длиной около 96 см, рефлектор длиной около 101 см, размещённый на расстоянии примерно 35–45 см позади вибратора, и директоры длиной 88–92 см с шагом 30–50 см дают усиление от 7 до 12 дБи. Траверса обычно выполняется из алюминиевого профиля, элементы крепятся через изоляторы из полиамида или фторопласта, а запитка осуществляется коаксиальным кабелем 50 Ом через гамма-согласование или петлевой вибратор с симметрирующим четвертьволновым стаканом. Подобные конструкции используются для станций ретрансляторов, спутниковой связи через низкоорбитальные аппараты и для радиолюбительских турниров по связи на дальние дистанции.
На частотах дециметрового телевизионного вещания около 470–600 МГц типовая эфирная антенна Индивидуального пользования имеет от двенадцати до двадцати элементов на относительно короткой траверсе 40–70 см. Активный петлевой вибратор длиной около 28 см, рефлектор в виде сетки или нескольких прутков длиной по 29–31 см и директоры с длинами от 27 см вниз до 20 см у дальнего конца создают усиление 12–15 дБи в полосе нескольких телеканалов. Рефлектор здесь часто представляет собой не один пруток, а плоскую решётку, что повышает отношение «вперёд-назад» в широкой полосе и облегчает подавление помех, приходящих с тыла, неизбежных в условиях города. Питание ведётся 75-омным коаксиальным кабелем непосредственно на петлевой вибратор, а переход на симметрию выполняет встроенный в корпус ферритовый трансформатор.
Сфера применения волнового канала не ограничивается связью и телевидением. Многие измерительные антенны электромагнитной совместимости на диапазоны до 1 ГГц строятся по этому принципу, так как конструкция удобно калибруется и обеспечивает воспроизводимый коэффициент усиления. Направленные антенны для беспроводных меченых датчиков и систем радиочастотной идентификации также выполняются в виде миниатюрных печатных вариантов с теми же соотношениями размеров и фаз.
Ограничения конструкции и типичные ошибки настройки
Главное ограничение антенны волновой канал диктуется её резонансной природой. Каждый элемент настроен на одну конкретную частоту, и по мере удаления частоты от расчётной сопротивления элементов «уезжают» из индуктивной или ёмкостной области: рефлектор перестаёт отражать, директоры теряют фокусирующее действие, входной импеданс быстро дрейфует. Относительная полоса рабочих частот, в течение которой сохраняется приемлемый КСВ и усиление, составляет порядка 2–5 процентов для антенн с максимальным усилением и может достигать 10 процентов лишь при сознательном снижении усиления и утяжелении директоров. Поэтому заводские телевизионные антенны оптимизируются под конкретный поддиапазон, а любительские УКВ-антенны на 145 МГц настраиваются по КСВ-метру под нижний или верхний участок диапазона.
Другая группа ошибок связана с игнорированием коэффициента укорочения и экранирующих свойств траверсы. Если сделать элементы длиной ровно половину длины волны в свободном пространстве и не учесть концевую ёмкость, резонанс сместится вниз по частоте, и антенна будет работать краем. Аналогично крепление элементов непосредственно на металлической траверсе через её ось обычно допустимо, поскольку ток в этой точке для симметричных элементов минимален, но без расчёта и даёт дополнительную ёмкость, поэтому в точных измерительных антеннах элементы приподнимают на изоляционные стойки. Наконец, отсутствие надёжного дросселя на кабеле приводит к тому, что внешняя оплётка сама становится частью антенны, искажает диаграмму направленности и портит симметрию, что особенно заметно на приёме слабых эфирных сигналов.
Антенна волновой канал остаётся наглядным примером того, как чисто геометрические меры, длина и взаимное расположение проводников, превращаются в инструмент управления электромагнитным полем. Не подключённые к кабелю директоры и рефлектор не потребляют энергию из передатчика, не создают собственных токов, однако через взаимную индуктивность и фазовые соотношения полей формируют поток радиоволн, собранный в один узкий лепесток. Именно эта простота, отсутствие усилительных компонентов и предсказуемость диаграммы направленности объясняют устойчивость конструкции Яги-Уда в любительской связи, эфирном телевидении и специальных радиосистемах уже почти на протяжении века.