Украинский КВ портал
Новости Украинский УКВ портал
Пятница, 20.10.2017, 01:33


Попробуйте наш тулбар
Меню сайта

Категории каталога
Антенны [49]
Справочная информация [8]
Измерения [5]
Описания устройств [13]

рассылка по почте

Главная » Статьи » Технический раздел » Антенны

«Волновой канал» для НЧ диапазонов. Краткий анализ разных способов укорочения антенных элементов
Направленные антенны типа Волновой Канал ( ВК ) на высокочастотные любительские к.в. диапазоны (от 10 до 20 м) в настоящее время выполняются, как правило, из полноразмерных антенных элементов. Антенны ВК для диапазонов 40 и 80 м из-за больших габаритов выполняются, в основном, с использованием укороченных антенных элементов.   Под укорочением антенного элемента понимается уменьшение его продольной длины  при условии сохранения резонансной частоты.  В статье рассмотрены разные способы укорочения, в том числе и малоизвестные.  Первая часть статьи посвящена ВК на базе толстых (трубочных) элементов, вторая – антеннам, выполненным, в основном, из проволоки и совмещенных с антенной другого, более высокочастотного диапазона. Каждому способу укорочения посвящен отдельный параграф, в котором сначала рассмотрен отдельно взятый элемент, а затем ВК из двух и трех элементов (ВК2 и ВК3). В первом параграфе приведены основные электрические параметры ВК из полноразмерных элементов, что позволит в дальнейшем сравнить их с аналогичными параметрами укороченных ВК.  

Конструктивные детали антенн, а также схемы согласования фидера с антенной  в статье  рассмотрены в минимально необходимой мере. 

Анализ выполнялся с помощью программы антенного моделирования MMANA [1].  Во всех случаях, если это не оговорено отдельно, использована автосегментация. Принятые обозначения: 

 - Gh – коэффициент усиления (в дальнейшем – усиление) антенны в свободном пространстве по отношению к полуволновому диполю, в децибелах ( dBd);

  - Ga – усиление по отношению к изотропному излучателю (dBi). Ga = Gh+2,15 dB (усиление    полуволнового диполя) + 5…5,9 dB (добавка за счет отражения от земли);

  - Za=Ra+jXa – входное сопротивление антенны;

  - Front-to Back или F/B – отношение вперед/назад. Численно равно отношению величины переднего лепестка диаграммы направленности (ДН) к величине максимального заднего лепестка в секторе 180±60º, выраженное в децибелах. Чтобы F/B отражало реальную способность антенны ослаблять крутопадающие лучи (сигналя) от относительно недалеко расположенных станций, принята элевация (угол места) 60º;

  - КСВ – коэффициент стоячей волны;

  - BW1,5 и BW2 – ширина полосы рабочих частот активного элемента в пределах КСВ=1,5 и КСВ=2. Так как программа определяет сразу оба значения, удобно ввести показатель BW=BW1,5/BW2 ( для повышения точности отсчета полоса анализа ≈ BW2).

  В большинстве рассматриваемых ниже вариантов входное сопротивление Za значительно отличается от стандартного значения 50 Ом. Чтобы иметь возможность сравнивать широкополосность BW разных вариантов, при Ra < 40 Ом с помощью функции СУ (Согласующее Устройство) Za  приводится на центральной расчетной частоте fo к значению 50 Ом (соответственно КСВ=1). Применение этой функции программы не отражается на параметрах G и F/B. Если для согласования используется четвертьволновый кабельный трансформатор, функция СУ не используется.

 При оптимизации направленных антенн весовые коэффициенты устанавливались следующим образом:  F/B – 70%,   G - 10%,   Xa – 10%,  КСВ – 10%. В основном анализ антенн проводился на частотах 40 м диапазона.

  Имеющийся опыт постройки нескольких совмещенных антенн с элементами нестандартной формы показал хорошее совпадение экспериментальных данных с рассчитанными в  MMANA.

   Чем более укорочены элементы антенны, тем ниже её электрические параметры, в первую очередь широкополосность. Выбор степени укорочения – компромисс между длиной и качеством. В фирменных YAGI на диапазон 40 м наиболее часто применяются элементы длиной 13…14 м. В дальнейшем анализе будем в основном рассматривать элементы с продольной длиной 14 м.

 

  1.1        ВК из полноразмерных элементов                  

  Исходные данные: fо= 7,05 МГц,  λ= 42,5 м,   высота над землей  h=21 м, параметры земли средние – ε =13 и проводимость 5mS/m.

Антенные элементы этого диапазона имеют обычно телескопическую конструкцию из дюралевых труб 5..8  диаметров, от ø50..60 мм в центре до ø16..20 мм на краях. При моделировании  будем использовать эквивалентный элемент ЭЭ, средняя часть которого состоит из отрезка трубы ø50 мм длиной 9 м и двух концевых частей ø22 м  длиной  более 5 м каждая. Как показал расчет, широкополосность BW и  геометрические длины ℓэ  элемента из нескольких отрезков труб разных диаметров ( начиная с ø50 мм) и ЭЭ достаточно близки.

      Произведем расчет (в режиме оптимизации) параметров следующих направленных антенн:

1.  ВК2 из двух элементов  ЭЭ с расстоянием между активным и рефлектором Sар= 0,15λ ≈ 6 м,    2.   «короткий» ВК3 из трех ЭЭ с бумом всего 10 м при Sар=Sад=5 м,

3.  «средний»  ВК3 при Sар=Sад=6 м,

4. «длинный»  ВК3  при Sар=Sад=7 м,

5. «длинный»  ВК3а, оптимизированный под Ra = 50 Ом.

   Расчетные данные сведены в таблицу 1.

Параметры  Ga и  F/B  определялись для трех частот в диапазоне 7,0…7,1 МГц  при h=21 м.

В крайнем столбце приведены значения усиления антенн в свободном пространстве

                                                                                                      Табл. 1

 №                              Ra,             Ga,  dBi                 F/B,  dB             BW          Gh

                                  Ом       7,0 – 7,05 - 7,1       7,0 -  7,05 - 7,1        кГц          dBd     

1   ВК2-6м               48,5      11,4-11,3-11,1       14,7-16,4-16,0      213/412       4,3

2   ВК3-10м             30,1      11,8-11.9-11,9        20,1-21,1-21,4     182/313       5,2  

3   ВК3-12м             27,4      12,0-12,1-12,2        23,8-24,7-20,7     133/234       5,5

4   ВК3-14м             38,8      12,1-12,2-12,2        24,8-25,7-23,2     195/330       6,0

5   ВК3а-14м           49,7      11,8-11,8-11,8        22,1-21,3-20,5     300/485       5,0

 

 Интересно отметить, что «средний» ВК3 имеет меньшие Ra и  BW, чем другие ВК3.

 

1.2     Элементы со скачкообразным изменением  диаметра (волнового сопротивления)                 

  Произведем расчет элементов (диполей), отличающихся диаметрами примененных труб:

1         ЭЭ из трубы  ø50 мм длиной 9 м в середине и двух труб  ø22 мм по краям;

2         Из трубы ø50 мм по всей длине;

3         Из трубы ø22 мм по всей длине;

4         Обратный ЭЭ, из трубы ø22 мм длиной 9 м в середине и двух труб ø50 мм на краях;

5         Из провода ø2 мм по всей длине.

 

Расчетные данные: геометрическая длина ℓэ,  Ra (при Xa≈0), BW и  Ga – сведены в таблицу 2.

                                                                           Табл. 2

      №                   ℓэ, м       Ra, Ом        BW, кГц       Ga, dBi

       1   ЭЭ             21,7         75,0             410/711         7,48

       2   ø50            20,7         71,3             409/720         7,45

       3   ø22            20,8         71,3             354/620         7,44

       4  обр. ЭЭ      19,7         66,9             347/612         7,40

       5    ø2             20,9         72,0             255/449         7,45 

Сравнение расчетных показателей позволяет сделать следующие выводы:

--Широкополосность 1 и 2 вариантов, несмотря на разницу в «геометрии», оказалась практически одинаковой, аналогичное сходство между 3 и 4 вариантами. Следовательно, BW составного элемента из трубок разных диаметров зависит в основном от диаметра его средней части.

--То, что резонансная длина  ЭЭ (№1) телескопической конструкции должна быть больше длины «гладких»(№2, №3) -  хорошо известный и ожидаемый факт. А вот вариант №4  оказался на ~ 5% короче , чем «гладкие» элементы и почти на 10% короче ЭЭ.

   Попробуем разобраться, почему при чередовании толщины проводников «толстый центр - тонкие концы» (условно – «прямой скачок») резонансная длина диполя увеличивается, а при обратном чередовании (условно - «обратный скачок» ) – уменьшается. На рис.1а показаны два диполя – «тонкий» проволочный Д1 и «толстый»   трубочный Д2. На этом и последующих рисунках для упрощения рассматриваем только одну из половин симметричных антенн, точка питания показана кружком.

   Рассечем мысленно (пунктир) каждое плечо на две части  – среднюю и концевую. Каждая концевая часть, если рассматривать её в отдельности,  имеет свое входное реактивное сопротивление Хк. Эту величину можно рассчитать и даже измерить, если расположить концевую часть над «землей» (рис.1е) и присоединить к т.т. о-о измерительный высокочастотный мост с ГСС’ом. Примем обозначения:  длина концевой части ℓк, диаметр d, электрическая длина в градусах a= 360ºℓк/λ,   её волновое сопротивление Zoк ≈ 60ln(1,15ℓк/d),                   (1)

входное сопротивление Хк= -jZo ctga = -j Zo/tga                                                       (2)

 Примем для определенности, что волновое сопротивление Zок1 = 900 Ом (тонкий Д1),  Zoк2 = 300 Ом (толстый Д2) и a1 = a2 =45º (т.е. ℓк1= ℓк2 = λ/8). Можно считать, что если к средней части диполя Д1 вместо «родных» концевых частей с Хк1  присоединить проводники другого диаметра или емкостную нагрузку, но с тем же значением Хк =Хк1, резонансная частота диполя не изменится.

  Посмотрим, как нужно изменить длины концевых частей от Д2, имеющих волновое сопротивление 300 Ом, если использовать их совместно со средней частью Д1.

           Хк1 = -j Zок1/tg45º = -j 900/1= -j 900 Ом. Соответственно, для толстых концевых частей с Zок≈300 Ом получается  tga’= Zoк2/ Хк1= 0,33 и  a’=18,4º. Следовательно, в таком варианте для сохранения резонансной частоты диполя Д1 длина толстых концевых частей должна составлять всего 18,4º/45º= 0,41 длины тонких концевых частей (рис.1б).

 Аналогичный расчет показывает, что если к средней части диполя Д2 присоединить тонкие концевые части, для сохранения  резонансной частоты следует увеличить их длины в 1,59 раза против исходного значения (рис.1в).

  Обратимся снова к проволочному диполю Д1 (рис.1а). Заменим однопроводные концевые части КЧ1 с входным сопротивлением  Хк1   на двухпроводные КЧ2 (рис. 1г, пунктир – исходная концевая часть)  с таким же Хкч2 = Хк1.  Каждый из  проводов КЧ2 имеет свое входное сопротивление Хп, в точке соединения со средней частью диполя эти провода включены параллельно, поэтому Хкч2 ≈ 0,5 Хп  и  Хп ≈ 2Хк1.  Отсюда следует, что длина КЧ2 будет меньше длины КЧ1, правда, не в два раза, а согласно формулам (1) и (2).

  Возможные варианты исполнения КЧ2:

 -- концы проводов КЧ2 замкнуты перемычкой (рис. 1д). Для сохранения fo каждый провод КЧ должен быть укорочен примерно на половину длины перемычки;

 -- если применить провода КЧ большего диаметра, их длину следует уменьшить;

 -- чем больше проводов в КЧ включены параллельно, тем короче их длина.

  Еще один показательный пример на эту тему.  Если к диполю с резонансной частотой  fр1=  7,2 МГц   (провод  ø 2 мм длиной 20 м) присоединить с обеих сторон параллельные провода а-б так, как показано на рис.2а, fр понизится до значения fр2 = 6,24 МГц (токовая кривая показана пунктиром). Теперь  развернем провода  а-б на 180º (рис.2б). Несмотря на то, что положение одного из проводов концевых частей диполя изменилось кардинально, резонансная частота почти не изменится – fр3 = 6,29 МГц. Из этого следует, что для понижения частоты (или уменьшения размера)  можно использовать участки диполя, идущие и в обратном направлении. Важное замечание – в связи с изменением «токовой картины» (пунктир), входное  сопротивление диполя и широкополосность его параметров уменьшатся.  

   Если концы  проводов  замкнуть на диполь дополнительными перемычками б-в(рис. 2в), провода а-б «перейдут» из концевых частей в среднюю. Это приведет к понижению волнового сопротивления средней части и, как следствие, к повышению резонансной частоты диполя до fр4 = 7,94 МГц.

   Если перевести  провода а-б   в перпендикулярное положение (рис.2г), резонансная частота уменьшится максимально до  fр5 = 5,96 МГц ( меньше перегибов проводов? См. п. 1.4 )

   Если рассмотренные варианты имели в основном познавательное значение, то вариант рис.2д может иметь практическое применение. Здесь провод а-б является проводящей частью оттяжки плеча диполя.  Степень понижения fo элемента  зависит от длины проводящей части оттяжек, их диаметра,  угла наклона, места крепления к элементу и может достигать 10% и более. Этот эффект может быть использован в диапазоне 80 м  с целью уменьшения длины элемента или для перестройки по частоте (рис.2е). Пассивный элемент настраивается в SSB участке, для перехода в CW участок c помощью реле К подключают проводящие оттяжки с обеих сторон. Если оттяжки сделать разной длины и включать их поодиночке, возможно использование элемента и на промежуточных частотах диапазона. Провода питания реле идут вдоль элемента и переходят на бум в точке нулевого потенциала, поэтому взаимное влияние проводов и элемента должно отсутствовать.

      

1.3   Укороченные антенны с катушками и короткозамкнутыми шлейфами

 


 

Укорочение элементов за счет включения в них катушек индуктивности, пожалуй, наиболее часто применяемый способ. Механизм укорачивающего действия рассмотрим на следующем  примере.

-- Диполь Д1 с рис.1а имеет на резонансной частоте fo концевые части с входным сопротивлением  Хк= -j900 Ом. Если между средней и концевыми частями включить индуктивности L  c cопротивлением,  допустим,  ХL= j500 Ом, суммарное сопротивление нагрузки с каждой стороны средней части диполя теперь составит Хс=  j500 + (-j900)= -j400 Ом (вместо прежнего значения –j900 Ом) и резонансная частота такого диполя уменьшится. Чтобы вернуться к прежнему значению fo  придется применить более короткие  концевые части с Хк= -j1400 Ом,  соответственно уменьшится длина диполя. Однако за это придется «заплатить» существенным уменьшением широкополосности.    К примеру, на частоте на 1% большей резонансной частоты диполя в первом случае (без L)  сопротивление Хк  уменьшится также на 1% или на 9 Ом, а во втором случае суммарное изменение Хс составит уже 19 Ом   ( j505 -j1386 = -j881 Ом).Соответственно и входное сопротивление Ха диполя  во втором случае достигнет большей величины.

Проанализируем зависимость параметров элемента от места включения катушек. При расчетах используем элемент длиной 14 м, каждое плечо которого состоит из трубок  ø35 длиной 1 м + ø30 длиной 5 м + ø20 длиной 1 м (рис.3). Задаемся семью возможными симметричными положениями катушек с индуктивностью L на расстоянии ℓk от центра элемента. Расстоянию ℓk =0 соответствует одна катушка в центре элемента. Принимаем добротность катушек Q=200, fo=7,05,  h=21м.

Расчетные данные сведены в таблицу 3. 

                                                                         Табл.3

         №     ℓk, м    L, мкГн     Ra, Ом     Ga, dBi       BW, кГц    Gh, dBd

         1        0          8,12          24.7           6,86         112/186        -0,54

         2        1          4,64          31,5           6,89         118/209          -

         3        2          5,04          36,6           6,91         121/216          -

         4        3          6,82          41,8           6,91         122/218          -

         5        4          9,28          46,8           6,91         119/214          -

         6        5        14,48          52,5           6,87         108/190          -

         7        6        30,70          60,7           6,67           79/138          -

 

  В последнем столбце параметр Gh показывает, что из-за уменьшения длины элемента и потерь в катушках такой элемент в свободном пространстве проигрывает полноразмерному более 0,5 dB. Расчет показывает, что с увеличением расстояния ℓk возрастают и Rа и L. Рост Ra приводит к улучшению параметров G и BW, а рост величины L действует обратным образом, в результате  параметры G и BW практически не изменяются при ℓk в интервале от 0,15 до 0,6 длины плеча элемента. Если нужно получить Ra≈ 50 Ом без дополнительных согласующих устройств, катушки располагают ближе к концам элемента. С другой стороны,  катушки меньшей величины проще выполнить высокодобротными (Q=500…800) и выиграть в усилении за счет малых потерь.

  Перейдем к расчету направленных антенн. Анализ зависимости основных параметров 2-х элементного ВК от положения катушек  в рефлекторе показал, что предпочтительными является ℓk=0,2..0,5 м и ℓk=2..3 м, впрочем, выигрыш весьма незначительный.

1.  Относительно простой ВК2-К из двух элементов длиной по 14 м, состоящих из трубок диаметрами 35, 30, 22 и 18. Расстояние Sар=6 м, fo=7,05 МГц,  h=21м. Добротность катушек принимаем Q=250, что вполне реально при их изготовлении из провода МГТФ О,75 мм кв. на каркасе из стеклотекстолита диаметром 30…40 мм. Задача расчета – найти месторасположение катушек в активном элементе (расстояние ℓk от центра элемента)  и их индуктивность, при которых Ra более 40 Ом, т.е. КСВ на fo не хуже 1,2. Положение катушек в рефлекторе задаем ℓk= 2 м.

 Расчетные данные: в рефлекторе  Lр=5,74 мкГн, в активном Lа=14,9 мкГн и ℓk=5 м, параметры  приведены в таблице 4,  геометрия антенны на рис.4.

2.   Трехэлементный ВК3-К  при Sар=Sад=6 м. Для уменьшения потерь применяем бескаркасные открытые катушки из алюминиевого провода диаметром 5..6 мм с добротностью более 500. При расчете КСВ использована функция СУ. Во всех элементах применяем одинаковые индуктивности Lp=La=Lд=5,7 мкГн и  одинаковый размер ℓk =2 м .

 Расчетные данные:  длины элементов получились ℓр=14 м, ℓа=13,72 м и ℓд=12,98 м,  параметры в таблице 4, геометрия на рис.5.

                                                                                                            Табл.4

  №                        Za                   Ga, dBi               F/B, dB                КСВ               BW,

                                                 7,0-7,05-7,1         7,0-7,05-7,1        7,0-7,05-7,1        кГц

1         ВК2-К-6м    44+j8,5     10,4-10,3-10,0     11,4-15,8-11,9      1,9-1,25-1,5     72/165

2         ВК3-К-12м    26            11,3-11.3-11.1    12,2-20,9-14,6       1,8- 1- 1,3       120/220

 

 Степень ухудшения параметров можно оценить, сравнивая таблицы 1 и 4.

  Информацию по конструированию антенных катушек с большой добротностью можно найти на сайте www.qsl.net/ve6wz [2]

     Известно, что замкнутый на конце шлейф из двух параллельных проводов длиной менее λ/4 имеет индуктивное входное сопротивление и может оказывать такое же действие, как и катушка индуктивности. На рис.6а показано плечо элемента с  перпендикулярно расположенным шлейфом (так удобнее для расчета). В реальных конструкциях шлейф обычно располагают параллельно элементу и крепят к нему  изоляционными распорками. Если шлейф «не помещается», его выполняют в виде двух последовательно соединенных коротких шлейфов (рис.6б) или придают ему форму рис.6в. Следует также отметить, что если реактивное сопротивление индуктивности изменяется пропорционально частоте, то у шлейфа по закону тангенса (т.е. быстрее). При длине шлейфа более 20 эл. градусов (на частоте 7 МГц соответствует 2,4 м) широкополосность такого элемента начнет уступать катушечному.  Сравнительный расчет элементов с катушками и шлейфами показал, что при добротности катушек Q>500 электрические параметры обоих вариантов совпадают.

К примеру,  элемент со шлейфами из алюминиевой проволоки диаметром 3 мм имеет значение Gh= -0,4 dBd, а элемент с катушками добротностью Q=500 и Q=100 соответственно Gh= -0,37 и  Gh= -0,84 dBd.

 

1.4                Элементы с отогнутыми краями. Применение емкостных нагрузок.

                  Антенны из П-образных элементов
 

    

На рис.7 изображен антенный элемент ЭЭ общей длиной  21,7 м и fo= 7,05 МГц (см. табл.2, строка 1), но с отогнутыми под углом 90º концевыми частями КЧ длиной по 3,85 м каждая (получился П-образный элемент с длиной средней прямолинейной части 14 м, КЧ параллельно земле, высота h= 21м). Расчет дает резонансную частоту fо=7,27 МГц, т.е. собственная частота элемента после изгиба повысилась на   3,1%.  Этот эффект можно объяснить нарушением равномерности поля в районе изгиба. ( Также можно сделать вывод, что изгибы проводника в  антенне «квадрат» являются причиной того, что полная длина этой антенны больше длины волны ). Чтобы вернуться к fо=7,05 МГц, отогнутые концевые части следует удлинить до 4,21 м каждая. Параметры такого П-образного элемента – Ra=57,5 Ом  Ga=7,17 dBi и BW=268/484 кГц, то есть  уступают параметрам исходного ЭЭ (табл.1). Если боковые части выполнить из  провода диаметром  4,5 мм или 2 мм, их следует удлинить соответственно до 5,02 м и 5,36 м, при этом широкополосность несколько снизится.

   При меньшем угле изгиба меньшее изменение параметров, в частности,  углу 45º соответствует BW= 382/663 кГц. Когда изгиб приближается к 180º, параметры ухудшаются значительно. Тем не менее элемент на рис.8 с длиной средней части 15 м (трубки диаметрами 36, 30, 24, 20 мм ) благодаря выполнению «обратного изгиба» в виде участка с пониженным волновым сопротивлением из двух проводов диаметром 3 мм  имеет приемлемые параметры: R= 50,6 Ом, Ga= 7,25dBi,  BW= 259/452 кГц. Нужно иметь в виду, что если выполнить среднюю часть элемента из трубок большего диаметра, для сохранения fo придется также удлинить провода «обратного изгиба» (что нежелательно) или увеличить их диаметр. Вариант на рис. 9 позволяет получить небольшое укорочение элемента (≈10% ) при незначительном  ухудшении параметров.

   Если к отогнутому концу элемента добавить такой же, но расположенный под углом 180º, получится емкостная нагрузка ЕН (рис. 10а).  Расчет показывает, что для сохранения fo полная  длина ЕН с каждой стороны элемента должна быть 5,08 м ( т.е. на 1,23 м длиннее исходной КЧ). Если ЕН выполнить из четырех радиалов также диаметром 22 мм (рис. 10б), расход трубок на каждую ЕН составит уже 6,36 м  при тех же параметрах  Ra ≈ 57 Ом,  G= 7,3 dBi и BW=320/555 кГц. Таким образом, вариант с ЕН имеет большие вес и парусность, чем полноразмерный элемент и в большинстве случаев их использование с целью значительного укорочения элементов ВК нецелесообразно. 

   Если попробовать выполнить ВК2 на базе П-образных  элементов, расположив их отогнутые части навстречу, при длине линейной части элементов по 14 м продольный размер антенны получится слишком большим (8,5..9 м).  Уменьшить его до оптимального размера 6..7 м можно, включив в элементы небольшие укорачивающие катушки с L ≈ 3 мкГн, что усложнит конструкцию антенны.

  На рис.11 дана схема антенны ВК2-П(н, от)-7м  с оптимальной длиной бума 7 м.  Она состоит из П-образных рефлектора  и  активного элемента , выполненных из труб диаметрами 40, 30,  22 мм, и  боковых частей  из алюминиевой проволоки диаметром 4,5 мм (провод АПВ-16 со снятой изоляцией). Концы трубочной части обоих элементов связаны диэлектрическими веревками (ДВ) из  кевлара или полипропилена  (пунктир), к ним подвязаны проволочные части элементов. Для придания антенне дополнительной жесткости  элементы механически напряжены с помощью ДВ (стрела прогиба элемента около 0,4 м). Уменьшение размера элементов (проволочных частей) достигнуто за счет «оттяжек» ОТ из проводников диаметром 3 мм, прикрепленных через изоляторы ИО к вертикальным стойкам СТ высотой 1,8 м. При длине элемента 14 м применение оттяжек необходимо по механическим соображениям, поэтому такой способ практически не усложняет конструкцию антенны,  не уменьшает усиление антенны и умеренно влияет на широкополосность. Антенна имеет достаточно высокое входное сопротивление, позволяющее непосредственное подключение фидера РК50.   Расчетные данные  приведены  в таблице 5, первая строка.

  Во второй строке таблицы приведены параметры такой же антенны с прямолинейными элементами, без их предварительного напряжения. В этом варианте потребуются дополнительные горизонтальные растяжки элементов на концы удлиненного бума. 

  На рис.12 дана схема 3-х элементной антенны ВК-3П(от)-12м с длиной бума 12м и проводящими «оттяжками» в пассивных элементах. В Т-образном активном элементе использованы неравноплечие емкостные нагрузки, что позволило улучшить параметр F/B. . Расчетные данные в таблице 5, третья строка (питание через четвертьволновый трансформатор из двух кабелей РК75). В четвертой строке данные еще одного 3-х элементного ВК. В этом варианте «оттяжки» ОТ не используются, поэтому длина проволочных боковых частей пассивных элементов значительно выросла, что заставило увеличить продольный размер антенны (длину бума) до 14,2 м, на входе использовано СУ.  Размеры на рисунках имеют справочный характер.

 

                                                                                      Табл.5

   №                                  Ra,             Ga, dBi                 F/B, dB               КСВ

                                         Ом        7,0-7,05-7,1           7,0-7,05-7,1        7,0-7,05-7,1  

    1  ВК2-П(от,н)-7м      43,5     10,8-10,6-10,4      15,0-18,1-15,0      1,5-1,15-1,15

    2  ВК2-П(от) -7м        51        10,9-10,7-10,5      14,7-18,3-15,3      1,3-1,05-1,2

    3  ВК3-П(от)-12м       24        11.9-11,8-11.8      17.3-22,0-17,1      1.5-1,15-1,25 

    4  ВК3-П-- 14,2 м       19,5      12,1-12,1-12,1      17,8-20,6-17,7      1,65-1,0-1,6

 

       Более длинный ВК3-П , естественно, выигрывает немного по усилению, а по остальным параметрам обе антенны близки.

    Cравнение с  «катушечными» антеннами из таблицы 4 показывает преимущество ВК-П по всем параметрам.  Две антенны по схеме ВК3-П с продольным размером 14 м  выполнены UN9GC и испытаны во многих соревнованиях, результаты хорошие.

 В  антеннах ВК на  80 м для перекрытия всего диапазона 3,5..3,8 МГц или обоих DX участков приходится, как правило, применять дополнительные коммутирующие устройства или переменные реактивности. Схема одной из разработок автора приведена на рис.13. Это ВК из двух П-образных элементов длиной по 29 м (трубки диаметрами от 80 до 30 мм, боковые проводники диаметром 4,5 мм) с продольной длиной антенны  «всего» 12 м. В рефлекторе использованы проводники-оттяжки  ОТ (биметалл ø4 мм) и  дополнительные параллельные провода ПП (провод АПВ-25, ø 5,6 мм), соединяющиеся в точке а (на рисунке детали ПП, ОТ и. вертикальная стойка СТ условно показаны лежащими в горизонтальной плоскости). При работе в FONE участке 3,7..3,8 МГц точки а в обоих плечах замыкаются на элемент с помощью реле К3, К4 (работает только оттяжка ОТ, провод ПП замкнут на элемент с обоих концов). Если реле разомкнуты, работают совместно ОТ и ПП и рефлектор перестраивается для работы в CW участке 3,5..3,6 МГц. Если включено только одно из реле, рефлектор настраивается на участок 3,6..3,7 МГц. 

 Активный элемент выполняется разрезным и перестройка осуществляется с помощью двух катушек и двух реле. Катушки  L1= 1,6 мкГн  и L2= 3 мкГн соединяются с контактами входного разъёма антенны. Контакты реле К1 и К2 включены параллельно катушкам L1 и L2. При работе в нижнем CW участке используются обе катушки ( К1 и К2 разомкнуты ). В участке 3,7..3,8 МГц работает катушка L1 (К2 замкнуто), в участке 3,6..3,7 МГц работает L2 (К1 замкнуто). Хотя в среднем участке частот оба элемента  имеют небольшую асимметрию, на диаграмме направленности асимметрия практически отсутствует.

Расчетные параметры при h= 42 м по поддиапазонам сведены в таблицу 6.

                Табл.6

                                                                         Частоты, МГц

  №№                       3,50-3,54-3,58     3,60-3,65- 3,70     3,70-3,75-3,80

 

   1    Ga, dBi           11,2-10,9-10,6      11,3-11,1-10,7     11,5-11,4-11,1

   2   F/B, dB            12,4-17,1-12.3      13,8-16,5-11,3     11,3-19,1-14,1

   3    КСВ                1,60-1,20-1,45      1,45-1,25-1,52      1,50-1,15-1,50

 

 На рис.14 дана скелетная схема  4-х элементной антенны  MAGiC-480 на диапазон 80 м (разработка схемы UT1MA, уточнение схемы применительно к использованным трубкам и конструктивная разработка UN9GC). Размах элементов 28..31 м (диаметры от 105 мм в центре до 40 мм на краях, боковые проводники ø4,5 мм), расстояние между крайними элементами 32 м, длина бума 36 м.. Возможные расчетные варианты при размещении на опоре высотой 60 м:

-- на получение максимальных параметров в полосе 3,7..3,8 МГц. При этом  Ga – 13,5…13,3 dBi; F/B – 14..32,8..19,5 dB; КСВ – 1,9..1,1..1,5 (с СУ на входе при Ra=33 Ом) ;

-- оптимизированный под  Ra ≈ 50 Ом. При этом несколько падает усиление антенны, но широкополосность всех параметров ощутимо вырастает.

 Антенна MAGiC-480 установлена на позиции UN9GC  и эксплуатируется с конца февраля с.г. Отзывы – очень благоприятные.

    

2.1   Использование эффекта  «обратного скачка диаметров» в  антеннах из проволочно-трубочных  (П-Т) элементов.
 

 

  На рис.15а показан диполь с fo=7,05 МГц  длиной всего 14 м.  Средняя часть диполя длиной 8 м выполнена из медного провода диаметром 2 мм. Концевые части состоят из трубки длиной 3 м диаметром 30 мм и параллельно расположенных «расширяющих» проводов  диаметром 4,5 мм (провод АПВ-16 со снятой изоляцией). Параметры (h= 21 м) - Ra= 44,6 Ом,  Ga= 7,14 dBi и  BW 211/365 кГц. Эквивалентный диаметр концевых частей около 300 мм, благодаря столь большому скачку «диаметров» удается получить  укорочение более 30%.  При заданной длине П-Т диполя наименьший поперечный размер концевых частей получается при длине средней проволочной части в пределах 0,5..0,6 от всей длины. Уменьшение диаметра проводника средней части диполя также приводит к укорочению диполя ( при сохранении fo), но из соображений прочности и допустимой мощности уменьшать этот диаметр менее 1,5…2 мм не следует. Сравнение с аналогичными данными «катушечного» диполя (табл.3) показывает выигрыш П-Т  по всем параметрам. Концевые части могут быть выполнены другим образом (рис. 15б), при этом появляются участки с током обратного направления ( п. 1.4 ), что приводит к ухудшению широкополосности. 

   Диполь рис.15 иллюстрирует возможности «обратного скачка», реальные П-Т конструкции приведены в следующем параграфе.

  Применительно к трубочным диполям, выполненным по обычной телескопической технологии, умеренное укорочение   может быть получено  с помощью дополнительных проводников.

На рис. 16 показан диполь с параллельными проводами, уменьшающими волновое сопротивление дальних половин каждого плеча . Расчет показывает, что резонансная длина такого элемента  18,2 м. В данном случае применение дополнительных проводов позволили уменьшить резонансную длину на 3,2 м или на 14,9%.  

  Еще один простой способ показан на рис.17.  Оттяжка a-г , идущая с вершины вертикальной стойки ВС высотой 2 м на конец диполя, состоит из проводящей части а-б и диэлектрического троса б-г. С помощью перемычки точка б соединена с диполем в точке в. Расчет показывает, что за  счет проводника  a-б-в  из провода  диаметром 3 мм, включенного  параллельно участку a-в, резонансная длина  диполя уменьшается с 21,4 м до19,2 м при незначительном 5% уменьшении широкополосности. Если перемычку б-в удалить, получится диполь с «обратным изгибом». При этом произойдет понижение резонансной частоты еще на 0,42 МГц при ощутимом ухудшении широкополосности.

 

2.2   Двухдиапазонные антенны

  На рис.18 показан вариант П-Т элемента, пригодный для использования в составе ВК на 40 м. Такая возможность появилась в результате совмещения элементов диапазонов 40 и 20 м в одной  конструкции. Механической основой  конструкции является  Э20 длиной около 10 м из труб диаметрами 40 и 30 мм. Соединенная с бумом  вертикальная стойка ВС длиной 2 м  поддерживает  проволочную часть Э40 изогнутой формы длиной около 14,5 м из  проволоки (медь, биметалл) диаметром 2 мм. В средней части Э40 может быть установлен настроечный шлейф. Концевые части выполнены из трубок диаметром 22 мм и «расширителя» в виде двух П-образных  боковых проводов диаметром 4,5 мм. В зависимости от вида использования Э40 (рефлектор, активный, директор) расстояние между трубкой и проводами устанавливается от 30 см и менее. С помощью стеклотекстолитовых муфт СМ  концевые части и Э20 образуют прочную горизонтальную конструкцию размахом 14 м. Расчетные параметры Э40 (при отсутствующем Э20) -  Ra= 45,3 Ом,  Ga= 7,53dBi,  BW= 166/287. По сравнению с вариантом рис. 15 усиление Э40 больше на 0,39 dB, но зато проигрывает по BW.  Входное сопротивление и широкополосность Э40 под влиянием близкорасположенного Э20 уменьшаются на примерно 12%, обратное влияние практически отсутствует. Элемент Э20 - полноразмерный и имеет соответствующие параметры.

    Похожий вариант использован автором в реальной антенне.  На рис.19 – эскиз узла крепления расширителя ( УКР ) к концевой трубке. Узел состоит из двух дюралевых пластин размерами 36х36х4 мм, наложенных друг на друга и соединенных по углам винтами М4. Вдоль плоскости раздела пластин просверлены два отверстия с диаметром, на 0,1 мм меньшим диаметра провода расширителя, что позволяет надежно зажать заложенные в УКР концы проводов. Узел крепится к трубке с помощью арочного перехода и U-образной шпильки с резьбой М4 на концах. Такая конструкция позволяет настраивать элемент, изменяя поперечный размер расширителя (т.е. расстояние между проводами и трубкой). Для придания расширителю жесткости и устранения флаттера в его средней части ставится дюралевая или диэлектрическая распорка (пунктир).      Эскиз соединения концов проволочной части Э40 с УКР показан на рис.20.

 

 

 Нижние концы проволоки заведены в орешковые изоляторы ИО,  к ним припаяны отрезки гибкого многожильного провода длиной около 0,6 м. Эти отрезки дугообразной кривой соединяют провод с УКР и играют роль демпфера. Изоляторы с помощью полипропиленовых тросов оттянуты и зафиксированы на концевых трубках.

  На рис. 21 показан другой вариант П-Т элемента в аналогичной совмещенной конструкции. Концевая часть элемента состоит из параллельно включенных провода а-б и трубки в-г. Близкие по конструкции элементы использовались в антенне, описанной в [3], но там трубка в-г выполняла роль распорки и имела  изоляторы с обоих концов. Включение этой трубки в состав элемента позволяет уменьшить длину провода а-б с током «обратного» направления и несколько улучшить параметры элемента.

  На рис. 22 показан проволочный П-образный элемент, средняя часть которого выполнена так же, как и в двух предыдущих вариантах. Широкополосность всех трех вариантов отличается в пределах 10%, с учетом конструктивных удобств  вариант рис. 18 представляется наиболее привлекательным.

На базе  конструкции рис.18 рассчитаны совмещенные антенны   ВК3-20м + ВК2-ПТ-40м (рис. 23) на буме длиной 6 м. Питание на каждом диапазоне производится через свои четвертьволновые трансформаторы из двух параллельно соединенных кабелей РК75. Параметры антенны диапазона 7 МГц  приведены в таблице 7 (h= 21 м). Там же приведены расчетные параметры 3-х элементной антенны ВКЗ-ПТ-40м, аналогичным образом совмещенной с антенной  ВК4-20м. Длина бума этой конструкции 12 м, она  отличается от антенн рис.23 установкой добавочных  совмещенных директоров на оба диапазона. Питание на диапазоне 40 м через четвертьволновый трансформатор из параллельно соединенных отрезков РК75 и РК50. Антенны диапазона 20 м в обоих вариантах практически сохранили свои параметры, соответствующие длине бума и количеству элементов.

   На рис. 24 приведена модель, совмещающая диапазоны 40 и 80 м.  Механической основой конструкции является  ВК3-П-14м на  40 м диапазон с продольной длиной 14 м.  Пассивные элементы  П-образной  формы имеют среднюю часть длиной 15 м  из труб диаметрами 80, 60 и 40 мм и боковые части из провода АПВ-16 диаметром 4,5 мм. Активный элемент Т-образной формы – средняя часть из труб диаметрами 60, 50 и 30 мм также длиной 15 м, боковые части из АПВ-16.

  Расчетные значения параметров  ВК3-П_14 при высоте над землей 42 м  помещены в таблице 7.

  Антенна на 80 м состоит из двух П-Т элементов размахом всего по 24 м, каждый из которых содержит проволочную (биметалл ø 3 мм) середину Λ-образной формы длиной около 24.5 м со шлейфом в центре и две концевые части из трубок длиной около 4 м ( ø 30 +ø36 мм)  с проволочными «расширителями» из АПВ-16. Высота вертикальных стоек, поддерживающих центры элементов и шлейфы – по 3 м (условно показаны в горизонтальной плоскости). Несмотря на  малые габариты, антенна рассчитана на перекрытие диапазона 3,5…3,8 МГц. Это достигается с помощью дистанционно управляемых вариометров, которые устанавливаются в середине каждого элемента (в нижней части шлейфа).  Значения индуктивности каждого из вариометров для рабочей частоты 3780 кГц приняты по 1,2 мкГн, соответственно вблизи нижнего края диапазона расчетные значения около 5,9..5,95 мкГн. Распространенные вариометры, например, малый от драйвера передатчика Р-140, при последовательно-параллельном включении обмоток имеют перекрытие от 1 до 6,7 мкГн (т.е. с запасом) и могут быть использованы при подводимой мощности до 1 кВт.

 Питание на обоих диапазонах через четвертьволновые трансформаторы из параллельно соединенных кабелей РК75.

Для ВК 80 м на частоте 3780 кГц при высоте над землей 42 м расчетные параметры – Za= 26+j4,5 Ом, Ga=11,15 dBi, F/B= 16,4 dB, КСВ= 1,15 и BW= 52/103 кГц. На нижней частоте 3510 кГц   Za= 22,3+j3,6 Ом, Ga= 10,5 dBi,  F/B= 16,3,  КСВ= 1,35 и  BW= 49/90 кГц. При эксплуатации антенны в широкой полосе частот понадобится датчик  положения вариометра в рефлекторе, вариометр активного элемента можно дистанционно настраивать по минимуму показаний КСВ-метра в положении «обр. волна».

  Возможные варианты:

-- применение ферровариометров, индуктивность которых регулируется путем изменения тока в обмотке подмагничивания;

-- применение реле и катушек позволит использовать антенну, по крайней мере, в обоих DX окнах.

            Табл.7

  №                                         Ra,           Ga, dBi              F/B,  dB                КСВ               BW,

                                              Ом        7,0- 7,05-7,1        7,0-7,05-7,1         7,0-7,05-7,1       кГц

   1   ВК2-ПТ-6м                  31.5    11,2-11,0 -10,6     11.9-16-11.7         1,6-1,15-1,5      92/187

   2   ВК3-ПТ-12м                20,5    11,6-11,7-11,6     16,5-22,8-16,3       1,6-1,1-1,6        85/132

   3  ВК3-П-14м (h=42м)    27,9     13,0–13,0–13,0     20.0-26,6-24,6      1,2-1,05-1,3    183/360 .

 

  Необходимо остановиться на одной особенности применения моделировщика MMANA. Программа будет неправильно обсчитывать те участки Э40, где соседние проводники сходятся под острым углом ( переход от проволочной части на трубку ø 22 мм). Как выход из положения, на модели приходиться вводить дополнительные  проводники длиной по 10...20 см, «раздвигающие» эти соседние проводники на расстояние, удовлетворяющее требованиям программы . Эти добавки на доли процента сдвинут частоту настройки элемента и не отразятся на остальных параметрах .В реальных антеннах делать такие добавки вовсе не обязательно. Заметим, что этот прием пришлось также использовать применительно к «оттяжкам» на рис.11, 12, 13, 17, 18 и на рис.21, 23, 24

 

Э. Гуткин   UT1MA  г. Луганск

 

Литература и источники

 

1   Гончаренко И.  Антенны КВ и УКВ. Компьютерное моделирование. MMANA Москва 2004

2   www.qsl.net/ve6wz

3   Гуткин  Э.  Многодиапазонная направленная КВ антенна  Радио №№1,2,3  1985г.



Share/Bookmark
Категория: Антенны | Добавил: UY0LL (15.03.2012)
Просмотров: 4288 | Рейтинг: 5.0/2
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Вход на сайт
Логин:
Пароль:

Поиск по сайту
Добавить поисковый плагин в Firefox

Статистика
Украинский КВ портал
Онлайн всего: 2
Гостей: 2
Пользователей: 0
Посетители сегодня:



При копировании материалов с этого сайта, обязательна АКТИВНАЯ ссылка на сайт HFDX.AT.UA и на первоисточник!
Copyright HFDX.AT.UA © 2017
Хостинг от uCoz