Всенаправленные антенны горизонтальной поляризации, антенны FM кругового приема

Известно большое количество всенаправленных антенн вертикальной поляризации. Они основаны на свойстве диаграммы направленности диполя - бублика. Если диполь развернуть вертикально, то он с одинаковым успехом принимает сигнал со всех направлений относительно горизонта. Практически все антенны с вертикальной поляризацией - вертикальный диполь, монополь или GP-антенна, J-антенна, коллинеарная и другие - обладают этим свойством. А возможно ли создать всенаправленную антенну горизонтальной поляризации? Да, это возможно, хотя и сопряжено с определенными трудностями. Такие антенны широко используются радиолюбителями в УКВ диапазонах для приема со всех направлений. Кроме того, они могут быть актуальны для FM диапазона. В этой статье рассматривается несколько вариантов таких антенн...

 Антенна «Гало» или кольцевой вибратор

Эта антенна представляет из себя полуволновой вибратор согнутый в незамкнутое кольцо. Название произошло как аббревиатура от Halfwave Loop - Halo и кагбэ намекает на форму антенны в виде гало или нимба. Не стоит путать Гало с рамочными антеннами в виде замкнутой петли. Замкнутая петля представляет из себя магнитный диполь, а здесь мы имеем дело с электрическим диполем, только изогнутым. Обычно на фото это не очевидно. Антенна очень популярна и достаточно эффективна в качестве ненаправленной на метровых радиолюбительских диапазонах. Входное сопротивление такой антенны очень низкое, около 10-15 Ом, поэтому Гамма-согласующее устройство как нельзя лучше подходит для этой антенны. Подборка ссылок на практические конструкции антенны Гало для радиолюбительских диапазонов приведена в конце статьи. Отметим только, что радиолюбители сгибают диполь не только в виде круга, но и виде квадрата.

Подробнее исследуем антенну Гало как всенаправленную для FM диапазона. Обычно ее делают в виде согнутого в кольцо петлевого диполя и она активно продается под разными торговыми марками. Однако прежде следует остановиться на особенностях приема в этом диапазоне.

Во времена СССР ЧМ вещание велось в диапазоне 66-74 МГц с горизонтальной поляризацией. Радиостанций было мало и в то время подобная круговая антенна могла быть вполне актуальной. В диапазоне 88-108 МГц, который в начале 90-х был отдан под FM начали вещать исключительно с вертикальной поляризацией. В дальнейшем, когда в диапазоне стало тесно, FM диапазон уплотнили горизонтальной поляризацией и в настоящее время FM радиостанции используют любую из двух, но все же преимущественно вертикальную. Так что прежде чем покупать подобную антенну стоит решить вопрос с поляризацией FM в вашем регионе. Вполне возможно вам лучше подойдет более простая антенна, например вертикальный штырь. Поскольку в городе УКВ радиоволны распространяются в основном отражениями от домов и при этом могут менять поляризацию, поляризация приемной антенны особо не важна, все будет ловиться (или не ловиться) на какую угодно антенну, даже на кусок провода. А вот за городом...

Входное сопротивление у такого диполя, как и утверждает теория, в 4 раза выше, чем у соответствующего линейного и составляет около 40-60 Ом, а вовсе не 300, как пишут в рекламных буклетах. Поэтому ее можно подключать непосредственно к коаксиальному кабелю 50 или 75 ом, нужно только добавить простейший токовый балун-симметризатор 1:1. Расчетные характеристики можно посмотреть на изображениях:

Характеристики антенны FM Halo

Входной импеданс	Диаграмма направленности	КСВ

Вывод из анализа характеристик следующий. Диаграмма направленности круговая, но антенна очень узкополосна, КСВ на краях FM диапазона превышает 40, поэтому ее никак нельзя признать эффективной для всего FM диапазона. А какой смысл тогда в круговом приеме?

Турникетная антенна

Турникетная антенна состоит из двух взаимно перпендикулярных полуволновых вибраторов.Чтобы излучение этих вибраторов складывалось и диаграмма направленности стала круговой, необходимо запитывать вибраторы с фазовым сдвигом 90°. Обычно его формируют с помощью шлейфа между вибраторами с электрической диной  λ/4. При этом вибраторы оказываются включенными параллельно и входное сопротивление антенны  в два раза меньше сопротивления одиночного вибратора. Другой способ формирования фазового сдвига 90° - это использование 3-х децибельного направленного ответвителя. Технология изготовления подобного ответвителя для УКВ диапазона описана в журнале Радио №12 1969 г, для ДМВ диапазона в журнале Радио №1 1970 г. Из-за трудностей согласования с фидером радиолюбители редко используют турникетную антенну в качестве всенаправленной с горизонтальной поляризацией. Антенна «Гало» неплохо справляется с этой задачей с гораздо меньшими затратами материалов. По оси перпендикулярной обоим вибраторам излучается радиоволна с круговой поляризацией. Это находит применение в радиолюбительской космической связи. При этом согласование антенны с фидером осуществляется с помощью сложной системы четвертьволновых трансформаторов. Использование турникетной антенны в качестве приемной FM совершенно не оправдано, причем не только из-за лишнего расхода материалов. Сложная система согласования ограничивает полосу пропускания антенны и КСВ на краях диапазона будет не лучше чем у «Гало». Если же путем подбора размеров вибраторов и длины шлейфа напрямую согласовать антенну с фидером и улучшить КСВ, то в диаграмме направленности появляются глубокие провалы, и она перестает быть круговой.

Угловой вибратор

Можно не изгибать вибратор в виде круга, а сделать из него уголок. Чем меньше угол между плечами вибратора, тем меньше его входное сопротивление, а диаграмма направленности в горизонтальной плоскости становится более круговой. В общем случае такой вибратор можно рассматривать как квази-круговой излучатель с преимущественным направлением. Применение петлевого, а не линейного вибратора в качестве приемной FM антенны более предпочтительно ввиду его более высокого входного сопротивления. В качестве примера приведены характеристики такого вибратора с углом между плечами 45°. КСВ на краях диапазона не превышает четырех, что можно считать вполне допустимым значением для приемной FM антенны. Не следует забывать, что относительная ширина полосы этого диапазона составляет немалые 20%.

Характеристики антенны FM corner

Входной импеданс	Диаграмма направленности	КСВ

С фидером такой вибратор можно согласовать с помощью широкополосного 4:1 балуна который применяется для согласования телевизионных антенн.

«S-антенна» V+H поляризации

 Из вышеприведенных примеров антенн видно, что существуют три противоречивых условия для подобных антенн:

1. Обеспечение круговой направленности для горизонтально поляризованной волны в горизонтальной плоскости;
2. Обеспечение приемлемого КСВ в широком FM диапазоне;
3. Сложности согласования с фидером;

Поскольку все параметры антенны взаимосвязаны, если удовлетворяется какое либо одно или два условия, третье как ни крути пойдет не в ту степь. Поэтому приходится идти на какие то средние компромиссные параметры антенны. Как отмечено выше, во многих крупных городских агломерациях FM радиостанции применяют обе поляризации. Поэтому в ряде случаев можно добавить еще одно условие:

• 4. Способность антенны принимать как вертикально, так и горизонтально поляризованную волну.

Некоторые производители решают эту задачу соединяя в стек «Гало» и вертикальный диполь. Однако при таком решении все недостатки «Гало» переходят и к этой комбинированной антенне. Но если пожертвовать круговой направленностью для горизонтально поляризованной волны, то есть первым условием, то остальные три несложно удовлетворить. Это и делает «S-антенна». Для изготовления антенны сначала нужно согнуть петлевой диполь руководствуясь чертежом нашего онлайн калькулятора. Его размеры составляют W=1339 мм, H=40 мм, d=10 мм, размер промежутка g не принципиален. Не стоит перепроверять размеры диполя в самом онлайн калькуляторе, у прямого и изогнутого диполей размеры не должны совпадать. Затем диполь изгибается в форме буквы S руководствуясь приведенным чертежом. Входное сопротивление S-антенны близко к 300 Ом. С фидером 75 Ом его можно также согласовать с помощью широкополосного 4:1 балуна. КСВ антенны в пределах диапазона не превышает трех. Характеристики «S-антенны» приведены ниже:

Характеристики FM S-антенны

Входной импеданс	Диаграмма направленности для вертикальной и горизонтальной поляризации	КСВ

Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости для вертикально поляризованной волны круговая. Для горизонтально поляризованной — восьмерка, как и положено для одиночного диполя. Поскольку в крупных городских агломерациях, как мы отметили выше, волна при распространении часто меняет поляризацию, попадание какой-либо радиостанции с горизонтальной поляризацией в слепую зону этой восьмерки крайне маловероятно и легко устраняется поворотом антенны.

 Практические конструкции антенны Гало для радиолюбительских диапазонов:

• Square Halo Antenna for 10 and 20 Meters;
• 144 MHz Halo Antenna Construction & NEC Model;
• 50 MHz Halo Antenna Construction & NEC Model;
• 6 & 2 Meter Square Copper Dipoles;
• A Halo 4 Stack for 70cm on the Cheap - KR1ST;

Ссылки по теме:

• Omni & Quasi-Omni Directional Antennas - holl_ands, подборка всенаправленных антенн с 4NEC2 моделями, в том числе прототипы антенн для этой статьи;
• УКВ рамка из коаксиала 75 Ом;
• FM антенна для дальнего приема;