коллинеарная антенна что это такое
Коллинеарная антенна что это такое
Вертикальная коллинеарная антенна является всенаправленной антенной с повышенным коэффициентом усиления. Она известна давно и за рубежом часто называется антенной Marconi-Franklin. Коллинеарная антенна представляет собой антенную решетку из синфазных полуволновых вибраторов с последовательным питанием вытянутых в одну линию, отсюда название — collinear.
Есть несколько способов сформировать такую антенную решетку. Один из них — с помощью четвертьволновых отрезков линий — классический вариант антенны Франклина. На его примере можно на пальцах понять как это оно получается. Справедливости ради необходимо отметить, что в классическом варианте рассматривается горизонтальная симметричная антенна, но мы упростим модель до уровня «чайника».
Допустим мы имеем вертикальный штырь с длиной кратной половине длины волны. Ток высокой частоты распределяется по ней так, что в соседних отрезках длиной λ/2 он течет в противофазе. Диаграмма направленности такого штыря будет состоять из множества лепестков под разными углами к горизонту. Тогда мы, оставляя отрезки с одой фазой тока, отрезки с противоположной фазой сворачиваем пополам, получая из них четвертьволновые отрезки двухпроводной длинной линии. Поверьте мне, ток высокой частоты, ничего не заметит. Он так и будет пробегать ту же длину. Иначе говоря общая электрическая длина 
штыря не изменилась. Однако, в излучении такой антенны принимают участие только линейные отрезки, поскольку двухпроводная линия не излучает, а эти отрезки у нас все синфазные и их излучение суммируется. Кроме того, четвертьволновый отрезок линии трансформирует короткое замыкание на одном своем конце в бесконечное сопротивление на другом и все линейные отрезки как бы видят себя изолированными друг от друга. В итоге такая коллинеарная антенна излучает под низким углом к горизонту и имеет коэффициент усиления больше чем у полуволнового диполя. Чем больше сегментов имеет антенна, тем выше ее усиление, но при этом сужается полоса пропускания. Не надо думать, что с удвоением числа сегментов усиление удваивается (+3dB), ведь питание у коллинеарной антенны последовательное и до последнего сегмента уже доходит мало энергии, она ушла на излучение предыдущими вибраторами.
Внешний вид антенны без стакана:
Как соединять элементы между собой (размеры выводов на чертеже конструкции):
Всю эту конструкцию для механической прочности необходимо упаковать в радиопрозрачную пластиковую трубку подходящего диаметра и тогда ваша самодельная антенна будет неотличима от фирменной.
Приведенный ниже калькулятор поможет рассчитать конструктивные размеры антенны
Конструктивный расчет коллинеарной антенны из коаксиального кабеля:
Для владельцев смартфонов на операционной системе Андроид расчет антенны CoCo доступен в мобильном приложении Canennator. Вы можете скачать его нажав на кнопку ниже или по QR-коду.
Коллинеарные антенны
Методы запитки могут быть последовательные(рис. 2) или параллельные (рис. 3).
Вторая обеспечивает более широкую полосу по усилению, но сложна в реализации у антенн с большим усилением. Поэтому чаще применяют последовательное питание элементов. В этом случае мы получаем антенную решётку с достаточно узкой рабочей полосой. Это происходит в результате фазового набега в каждом последующем элементе от точки питания. Чем дальше от центральной частоты настройки уходим, тем больше разница в фазовом сдвиге в излучающих элементах. А это приводит к развалу диаграммы направленности, точнее отклонению главного лепестка от нормали (рис.4). Ведь в подвижной связи, коей является транкинг, базовая антенна ретранслятора должна иметь диаграмму направленности вдоль горизонта, сконцентрировав излучение у поверхности земли. Поэтому любые антенны с последовательным питанием имеют ограниченную рабочую полосу по усилению, часто не достаточную для работы транкового ретранслятора с одинаковым качеством на приём и на передачу. На одной из частот обязательно произойдёт завал диаграммы, и чем дальше частотный разнос в дуплексе, тем больше этот завал. Поэтому, ошибочным является убеждение, что рабочая полоса антенны считается по уровню КСВ 1.5. Она, конечно, излучает при этом, но куда? В космос или себе под ноги?
Технический принцип в компании «Радиал» гласит о том, что полосой антенны положено считать тот частотный участок, в котором усиление антенны не ухудшается более чем на 1 дБ (рис.5). При этом полоса по согласованию в любом случае остаётся более широкой.
В этой связи наши разработки имеют большой модельный ряд антенн одного типа, но разные по частотным поддиапазонам. Так, одна антенна может работать в качестве приёмной, а на передачу уже используется другая модель. Если же доступен только однофидерный вариант, то применяется компромиссная антенна, настроенная посередине этих двух участков (рис.6)
К сожалению, технология ATPU не применима в VHF диапазоне, что в первую очередь связано потребностью в большом количестве излучателей и результирующей высотой структуры около 10 метров. К тому же реальная рабочая полоса сужается до 4-5 МГц, что практически не позволяет создать полнодуплексный экземпляр антенны и требуется выпуск большого модельного ряда этих антенн в диапазоне VHF.
Для реализации антенн с круговой направленностью, широкой полосой и повышенным усилением были разработаны антенны серий F2VHF и F2VM. Конструктивно вертикальные коллинеарные антенны типа F выглядят примерно так (рис.8). На центральном несущем жестком коаксиале из алюминиевой трубки надеты несколько широкополосных четвертьволновых «стаканов». Часть из них служат излучателями, а часть фильтрами-пробками, для устранения затекания токов на нежелательные поверхности антенны. Несущая трубка служит также и надёжной грозозащитой, поскольку идёт вдоль всей антенны и напрямую соединяет верхушку с мачтой. Внутри уложен коаксиальный кабель и согласующие трансформаторы и шлейфы. Несмотря на то верхний элемент запитан относительно нижнего с некоторым фазовым сдвигом, ширина рабочей полосы всё равно достаточно высокая и составляет 11-12 МГц на VHF диапазоне, что неоднократно проверено при измерении диаграммы направленности и усиления антенны. Излучающая система сварена из алюминиевых сплавов и защищена прочным стеклопластиковым чехлом. Сверху антенна снабжена рым-болтом, удобным для подъёма антенны при установке.
Таким образом, вертикальная коллинеарная антенна F2VHF оказывается незаменимым элементом в ретрансляторах различных транкинговых систем, различных протоколов, например SmarTrunkII. Или для обычной мобильной радиосвязи, где имеется дуплексный разнос 4-5 МГц и даже более. Альтернативой таким антеннам по широкополосности являются только дипольные антенные решётки, которые, как известно, не имеют идеальной круговой диаграммы направленности.
Информация, представленная на этой странице не является официальной офертой.
Для уточнения актуальных параметров свяжитесь с отделом продаж перед оформлением заказа.
Коллинеарные антенны
Методы запитки могут быть последовательные(рис. 2) или параллельные (рис. 3).
Вторая обеспечивает более широкую полосу по усилению, но сложна в реализации у антенн с большим усилением. Поэтому чаще применяют последовательное питание элементов. В этом случае мы получаем антенную решётку с достаточно узкой рабочей полосой. Это происходит в результате фазового набега в каждом последующем элементе от точки питания. Чем дальше от центральной частоты настройки уходим, тем больше разница в фазовом сдвиге в излучающих элементах. А это приводит к развалу диаграммы направленности, точнее отклонению главного лепестка от нормали (рис.4). Ведь в подвижной связи, коей является транкинг, базовая антенна ретранслятора должна иметь диаграмму направленности вдоль горизонта, сконцентрировав излучение у поверхности земли. Поэтому любые антенны с последовательным питанием имеют ограниченную рабочую полосу по усилению, часто не достаточную для работы транкового ретранслятора с одинаковым качеством на приём и на передачу. На одной из частот обязательно произойдёт завал диаграммы, и чем дальше частотный разнос в дуплексе, тем больше этот завал. Поэтому, ошибочным является убеждение, что рабочая полоса антенны считается по уровню КСВ 1.5. Она, конечно, излучает при этом, но куда? В космос или себе под ноги?
Технический принцип в компании «Радиал» гласит о том, что полосой антенны положено считать тот частотный участок, в котором усиление антенны не ухудшается более чем на 1 дБ (рис.5). При этом полоса по согласованию в любом случае остаётся более широкой.
В этой связи наши разработки имеют большой модельный ряд антенн одного типа, но разные по частотным поддиапазонам. Так, одна антенна может работать в качестве приёмной, а на передачу уже используется другая модель. Если же доступен только однофидерный вариант, то применяется компромиссная антенна, настроенная посередине этих двух участков (рис.6)
К сожалению, технология ATPU не применима в VHF диапазоне, что в первую очередь связано потребностью в большом количестве излучателей и результирующей высотой структуры около 10 метров. К тому же реальная рабочая полоса сужается до 4-5 МГц, что практически не позволяет создать полнодуплексный экземпляр антенны и требуется выпуск большого модельного ряда этих антенн в диапазоне VHF.
Для реализации антенн с круговой направленностью, широкой полосой и повышенным усилением были разработаны антенны серий F2VHF и F2VM. Конструктивно вертикальные коллинеарные антенны типа F выглядят примерно так (рис.8). На центральном несущем жестком коаксиале из алюминиевой трубки надеты несколько широкополосных четвертьволновых «стаканов». Часть из них служат излучателями, а часть фильтрами-пробками, для устранения затекания токов на нежелательные поверхности антенны. Несущая трубка служит также и надёжной грозозащитой, поскольку идёт вдоль всей антенны и напрямую соединяет верхушку с мачтой. Внутри уложен коаксиальный кабель и согласующие трансформаторы и шлейфы. Несмотря на то верхний элемент запитан относительно нижнего с некоторым фазовым сдвигом, ширина рабочей полосы всё равно достаточно высокая и составляет 11-12 МГц на VHF диапазоне, что неоднократно проверено при измерении диаграммы направленности и усиления антенны. Излучающая система сварена из алюминиевых сплавов и защищена прочным стеклопластиковым чехлом. Сверху антенна снабжена рым-болтом, удобным для подъёма антенны при установке.
Таким образом, вертикальная коллинеарная антенна F2VHF оказывается незаменимым элементом в ретрансляторах различных транкинговых систем, различных протоколов, например SmarTrunkII. Или для обычной мобильной радиосвязи, где имеется дуплексный разнос 4-5 МГц и даже более. Альтернативой таким антеннам по широкополосности являются только дипольные антенные решётки, которые, как известно, не имеют идеальной круговой диаграммы направленности.
Информация, представленная на этой странице не является официальной офертой.
Для уточнения актуальных параметров свяжитесь с отделом продаж перед оформлением заказа.
Блог UA3REO
Походная УКВ антенна: коллинеарная «Верёвка»
Захотелось мне иметь компактную УКВ антенну, которую можно будет закинуть на ближайшее дерево и без труда «пробить» пару-тройку десятков киллометров на двойке.
Сначала решил изготовить антенну по схеме PA0FBK, описание которой есть на многих сайтах в интернете.
Собрав антенну, и пережив все сложности в настройке (а это оказалось вообще не просто), понял что антенна мне не подходит по двум причинам.
Во первых усиление, оно низкое и подходит только для работы в городе. Во вторых 70см диапазон мне был ну вообще не нужен, и жертвовать характеристиками для многодиапазонности я был не готов.
Было решено сделать коллинеарную антенну из 2-х 5/8 половин, она обладает хорошим усилением, хорошей диаграммой направленности. Ну а для того, чтобы сделать её портативной, решил сделать её из кабеля RG-58.
Коэффициент укорочения кабеля я взял как 1.28 (0.78125), поэтому 5/8 длинны волны на частоте 145мгц будет 1010мм. Отрезаем 2 таких куска, центральную жилу обрезаем (работать будет только оплётка).
Далее делаем узел согласования по этой схеме:
На оправке из полипропиленовой трубы диаметром 20мм, наматываем 10 витков медного провода 1.5мм. Снизу оправки на термоклей или эпоксидку сажаем разъём SO-239.
Отвод от 3 витка со стороны антенны, подстроечный конденсатор без большого диапазона настройки, вроде 2-7пФ КТ4-23.
Между двумя участками по 5/8 волны нужно припаять катушку (она удлиняет верхний участок антенны до полного периода волны), её можно сделать из подобной оправки от трубы. Длинна провода для намотки — 606мм из того же кабеля, что и полотно антенны.
Получается вот такая антенна, которую можно свернуть и положить в карман рюкзака. (На конец с помощью термоусадки прикреплена веревка, чтобы удобней крепить к дереву)
Настройка антенны производится по минимуму КСВ путём подстройки конденсатора. Если минимума достигнуть не получается — нужно перенести отвод на 2 или 4 виток катушки (меньше витков — выше частота, антенна укорачивается), растянуть или сжать витки.
Важное замечание — питающий антенну кабель будет излучать (и не надо ему мешать), т.к. в антенне нет противовесов. Если будете крепить на него ферритовые фильтры — нельзя крепить их впритык к антенне. А в идеальном случае — можно пустить несколько противовесов прямо от разъёма.
Антенна протестирована в походных условиях, вертикально заброшена на низкое дерево (питающий кабель стелился по земле), и даже при такой высоте и мощности в 5Вт, рапорт 5/8 на расстоянии 30км. То что надо! Осталось найти дерево побольше…
Теория радиоволн: антенны
Помимо свойств радиоволн, необходимо тщательно подбирать антенны, для достижения максимальных показателей при приеме/передаче сигнала.
Давайте ближе познакомимся с различными типами антенн и их предназначением.
Антенны — преобразуют энергию высокочастотного колебания от передатчика в электромагнитную волну, способную распространяться в пространстве. Или в случае приема, производит обратное преобразование — электромагнитную волну, в ВЧ колебания.
Диаграмма направленности — графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве.
Антенны
Симметричный вибратор
В простейшем случае состоит из двух токопроводящих отрезков, каждый из которых равен 1/4 длины волны.
Широко применяется для приема телевизионных передач, как самостоятельно, так и в составе комбинированных антенн.
Так, к примеру, если диапазон метровых волн телепередач проходит через отметку 200 МГц, то длина волны будет равна 1,5 м.
Каждый отрезок симметричного вибратора будет равен 0,375 метра.
Диаграмма направленности симметричного вибратора
В идеальных условиях, диаграмма направленности горизонтальной плоскости, представляет собой вытянутую восьмерку, расположенную перпендикулярно антенне. В вертикальной плоскости, диаграмма представляет собой окружность.
В реальных условиях, на горизонтальной диаграмме присутствуют четыре небольших лепестка, расположенных под углом 90 градусов друг к другу.
Из диаграммы можем сделать вывод о том, как располагать антенну, для достижения максимального усиления.
В случае не правильно подобранной длины вибратора, диаграмма направленности примет следующий вид:
Основное применение, в диапазонах коротких, метровых и дециметровых волн.
Несимметричный вибратор
Или попросту штыревая антенна, представляет из себя «половину» симметричного вибратора, установленного вертикально.
В качестве длины вибратора, применяют 1, 1/2 или 1/4 длины волны.
Диаграмма направленности следующая:
Представляет собой рассеченную вдоль «восьмерку». За счет того, что вторая половина «восьмерки» поглощается землей, коэффициент направленного действия у несимметричного вибратора в два раза больше, чем у симметричного, за счет того, что вся мощность излучается в более узком направлении.
Основное применение, в диапазонах ДВ, КВ, СВ, активно устанавливаются в качестве антенн на транспорте.
Наклонная V-образная
Конструкция не жесткая, собирается путем растягивания токопроводящих элемементов на кольях.
Имеет смещение диаграммы направленности в стороны противоположную острию буквы V
Применяется для связи в КВ диапазоне. Является штатной антенной военных радиостанций.
Антенна бегущей волны
Также имеет название — антенна наклонный луч.
Представляет из себя наклонную растяжку, длина которой в несколько раз больше длины волны. Высота подвеса антенны от 1 до 5 метров, в зависимости от диапазона работы.
Диаграмма направленности имеет ярко выраженный направленный лепесток, что говорит о хорошем усилении антенны.
Широко применяется в военных радиостанциях в КВ диапазоне.
В развернутом и свернутом состоянии выглядит так:
Антенна волновой канал
Здесь: 1 — фидер, 2 — рефлектор, 3 — директоры, 4 — активный вибратор.
Антенна с параллельными вибраторами и директорами, близкими к 0,5 длины волны, расположенными вдоль линии максимального излучения. Вибратор — активный, к нему подводятся ВЧ колебания, в директорах, наводятся ВЧ токи за счет поглощения ЭМ волны. Расстояние между рифлектором и директорами подпирается таким образом, чтобы при совпадении фаз ВЧ токов образовывался эффект бегущей волны.
За счет такой конструкции, антенна имеет явную направленность:
Рамочная антенна
Применяется для приема ТВ программ дециметрового диапазона.
Как разновидность — рамочная антенна с рефлектором:
Логопериодическая антенна
Свойства усиления большинства антенн сильно меняются в зависимости от длины волны. Одной из антенн, с постоянной диаграммой направленности на разных частотах, является ЛПА.
Отношение максимальной к минимальной длине волн для таких антенн превышает 10 — это довольно высокий коэффициент.
Такой эффект достигается применением разных по длине вибраторов, закрепленных на параллельных несущих.
Диаграмма направленности следующая:
Активно применяется в сотовой связи при строительстве репитеров, используя способность антенн, принимать сигналы сразу в нескольких частотных диапазонах: 900, 1800 и 2100 МГц.
Поляризация
Поляризация — это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве.
Различают: вертикальную, горизонтальную и круговую поляризацию.
Поляризация зависит от типа антенны и ее расположения.
К примеру, вертикально расположенный несимметричный вибратор, дает вертикальную поляризацию, а горизонтально расположенный — горизонтальную.
Антенны горизонтальной поляризации дают больший эффект, т.к. природные и индустриальные помехи, имеют в основном вертикальную поляризацию.
Горизонтально поляризованные волны, отражаются от препятствий менее интенсивно, чем вертикально.
При распространении вертикально поляризованных волн, земная поверхность поглощает на 25% меньше их энергии.
При прохождении ионосферы, происходит вращение плоскости поляризации, как следствие, на приемной стороне не совпадает вектор поляризации и КПД приемной части падает. Для решения проблемы, применяют круговую поляризацию.
Все эти факторы факторы следует учитывать при расчете радиолиний с максимальной эффективностью.