Принцип работы квадратурных рамочных антенн

Для начала рассмотрим проволочную квадратную петлю, ориентированную вертикально и запитанную посередине нижнего горизонтального отрезка. Упрощённое объяснение её работы заключается в том, чтобы представить её как два вертикально расположенных друг над другом электрических диполя.

Типичная квадратурная рамочная антенна представляет собой петлю из провода длиной в полную длину волны (1λ). Нижний горизонтальный отрезок петли вместе с нижней половиной вертикальных участков с каждой стороны фактически образует диполь. В отличие от обычных самостоятельных диполей с горизонтальными четвертьволновыми (1/4λ) отрезками провода по обе стороны от центральной точки питания, этот диполь также можно рассматривать как два четвертьволновых (1/4λ) отрезка провода с каждой стороны от точки питания, но с одним нюансом. Эти два гипотетических дипольных сегмента квадратурной петли не прямые, а изогнуты вверх на середине своей длины с каждой стороны.

Типичная двухэлементная трёхдиапазонная КВ антенна Cubical Quad

Если бы мы построили аналогичный автономный диполь из изогнутой проволоки, он бы работал с несколько изменёнными характеристиками по сравнению с диполем из прямой проволоки. В нашем случае четверная петля также имитирует нижнюю половину петли, как диполь с изогнутыми плечами. Физическая длина обоих плеч этого диполя также составляет 1/4λ с каждой стороны. Вместе они составляют 1/2λ, что составляет половину длины провода четверной петли.

Теперь, если бы мы обрезали провода нашей кубической четверки точно по концам нашего нижнего диполя (то есть посередине вертикальных плеч) и электрически изолировали верхнюю часть петли, верхняя часть провода также будет представлять собой другой диполь с изогнутыми плечами, который можно считать приподнятым над нижним диполем, изгиб плеч направлен вниз, а не вверх. Это похоже на вертикальное расположение двух диполей друг над другом.

На данном этапе можно сказать, что в случае с квадропетлёй эти два отрезка провода плавно соединены, образуя единую проволочную петлю, и не изолированы. Как же провести аналогию с двумя вертикально расположенными диполями? … ну, можно. Это связано с интересным характером распределения тока и напряжения по длине полуволнового диполя.

В силу самой природы распределения высокочастотного напряжения и высокочастотного тока по длине диполя на его резонансной частоте, дальние концы диполя (которые физически разомкнуты) создают максимальное напряжение, но нулевой ток. Если применить закон Ома (Z(Ω) = V/I), то из-за нулевого тока (I = 0) на концах эффективное сопротивление на концах имеет бесконечную величину. На практике, хотя оно может и не быть по-настоящему бесконечным, но будет настолько большим, что для всех практических целей будет вести себя как точка разомкнутой цепи, даже если концы проводов физически не были разомкнуты.

Таким образом, хотя два диполя (нижний и верхний), упомянутые в нашем анализе выше, могут быть физически не изолированы на концах и соединены друг с другом, образуя физическую бесшовную проволочную петлю, электрически (на резонансной частоте радиочастоты) они, по-видимому, хорошо изолированы благодаря очень высокому импедансу в точках вблизи середины каждого вертикального сегмента петли кубической четвёрки. Другими словами, сам факт физического соединения этих вертикальных сегментов петли не отменяет того факта, что высокий импеданс в этих точках заставляет их вести себя как изолированные.

Петля кубической четвёрки использует описанный выше принцип для своего функционирования. Теперь, поскольку мы установили, что петля кубической четвёрки электрически ведёт себя как два вертикально расположенных диполя на резонансной частоте, мы продолжим наше повествование и попытаемся понять, что всё это значит. На первый взгляд, петля кубической четвёрки на резонансной частоте ведёт себя подобно паре вертикально расположенных диполей с изогнутыми плечами.

Как будет вести себя вертикальный стек из двух диполей? Это будет зависеть от фазового соотношения токов, протекающих в двух диполях. При разнице фаз 180° они будут работать как антенная решётка с поперечным излучением и излучать в плоскости диполей (как антенна W8JK). Нам это не нужно. Однако, если распределение токов в обоих диполях синфазно, то излучение антенной решётки с поперечным излучением будет перпендикулярно плоскости диполей. Именно это нам и нужно в случае кубического Quad-модуля.

Это подводит нас к интересному вопросу. Если точки с высоким импедансом в центре вертикальных сегментов заставляют петлю Quad вести себя как два диполя, то можно ли разделить петлю в этих точках, разместив изоляторы? Будет ли структура по-прежнему вести себя как кубический Quad? … Ответ: НЕТ, не будет. Можно спросить, почему? Причина в том, что верхний изогнутый диполь больше не будет возбуждаться. Ему придётся полагаться на индукционную связь поля, как на паразитный элемент, как в антенне Yagi. Фаза тока в обеих секциях диполя больше не будет равна 0°, и, следовательно, петля Quad не будет излучать в поперечном направлении к плоскости петли. Петля из бесшовного провода без изоляторов позволяет нижнему управляемому сегменту диполя также возбуждать верхний диполь. Интересно, что верхний диполь питается с обоих концов от нижнего диполя, а нижний диполь также действует как большая секция согласования импеданса типа T-match для верхнего диполя.

VU2NSB