Предисловие переводчика
Просматривая восемнадцатое издание The ARRL Antenna Book, я зацепился за вторую часть одиннадцатой главы, по антеннам типа "Яги", а именно, по стекам. Материал меня настолько заинтересовал, что я решил его перевести на русский, чтобы ознакомить коллег, не читающих по-английски. В частности, мне понравился практичный подход к проблеме КСВ, а также к разбивке оттяжек. Что касается последнего, то сначала я заподозрил опечатку, увидев число 57 футов (это 17,4 метра), но потом подсчитал резонансы на MMANA, и действительно, оказалось, что такие отрезки нигде близко к любительским частотам не резонируют: ближайший диапазон - 12 м, около него резонанс на 25,5 МГц. Перевел с сокращениями, а чтобы сохранить последовательность, заголовки не переведенных параграфов оставлял, помечая линией точек непереведенный текст. Нумерацию рисунков оставил, как в оригинале. Футы переводил в метры, принимая фут равным 0,3048 метра, дюймы переводил в миллиметры, принимая дюйм равным 25,4 мм. В большинстве случаев числа округлял.
Н.Смирнов, UA3TW

    Антенны могут собираться в стеки, вертикальные и горизонтальные, для получения дополнительного усиления и направленности. На КВ это обычно вертикальные стеки из одинаковых антенн на одной мачте. На УКВ применяют и горизонтальные стеки. И тот и другой изображены на рис.22. В обоих случаях антенны, составляющие стек, питаются обычно в фазе. Бывают, однако, случаи, когда антенны запитываются с разными фазами, чтобы подчеркнуть какие-то вертикальные углы.

Последующий материал по стекам извлечен из статьи Р. Дина Стро, N6BV, и Фреда Хопенгартена, K1VR, опубликованной в номере QST за февраль 1996г., где они описывают свои стеки из трехдиапазонных “Яги”.

Стеки и вертикальные углы.
...................................
Стеки и концентрация энергии в вертикальной плоскости.

Главная задача стека – перераспределить энергию из вертикальных углов, где она все равно бесполезно пропадает, в главный лепесток. Стек прижимает главный лепесток к земле, причем в азимутальной плоскости ДН сохраняет форму ДН единичной антенны, из которых составлен стек.

Это и есть та причина, по которой многие современные контестовые станции строят свои стеки из антенн, имеющих короткий бум, а не из имеющих большее усиление антенн с длинным бумом. Антенны с длинным бумом имеют слишком узкий лепесток, что не позволяет перекрывать одновременно большие пространства, такие, как вся Европа плюс азиатская часть России.

Еще одно преимущество стека – уменьшение QRM от сигналов, приходящих с высоких углов, как с фронта, так и с тыла. Отрицательный момент – обычно подавление тыла у стека меньше, чем у хорошо оптимизированной на подавление одиночной антенны, но, как правило, это не является серьезной проблемой.

Хотя стек, составленный из трайбэндеров, имеет постоянное вертикальное расстояние между антеннами в метрах, оно не постоянно в длинах волн. По поводу расстояния в стеке среди радиолюбителей существует много мифов и предрассудков. Нет ничего чудесного насчет выбора дистанции в стеке. Усиление постепенно растет с увеличением дистанции между антеннами, а затем медленно спадает, когда дистанция начинает превышать 1 лямбда. Разница в усилении между дистанциями 0.5 лямбда и 1 лямбда для стека из антенн TH7DX всего доля децибела.

Стеки и QSB.
...................................
Стеки и помехи от статического электричества.

Верхняя антенна стека обычно гораздо более подвержена помехам от статических разрядов от дождя или снега, чем нижняя. N6BV и K1VR наблюдали такое явление, когда сигнал вполне читаем на нижнюю антенну и абсолютно не читаем на верхнюю антенну и на стек из за статической помехи S9+. Это значит, что возможность выбирать отдельную антенну из стека иногда очень важна.

Стеки и возможности азимутального отклонения.
...................................
Антенная система N6BV/1 – подход с позиции “грубой силы”.

N6BV/1 система в Уиндхэме, штате Нью Гемпшир, расположена на вершине небольшого холма, в 40 милях от Бостона, и может рассматриваться, как контестовая позиция хорошего, но не высшего уровня. Одиночная мачта высотой 36,5 метра имеет несколько ярусов оттяжек с расстоянием между ярусами 9,15 м. Расстояние от основания мачты до мест крепления оттяжек на земле 30 м, таким образом, хватает места для свободного вращения отдельных антенн стека. Оттяжки разбиты изоляторами с интервалом 17,4м (57 футов), чтобы избежать резонансов в диапазоне от 80 до 10м. На мачте всего пять антенн типа Яги. На верхушке мачты находится мощная стальная труба длиной 3,65 метра, с толщиной стенок ок. 8мм, которую вращает редуктор Orion 2800. Труба вращается в двух проходных подшипниках, один - на самой верхушке мачты, второй – примерно 0.6м ниже, внутри мачты. Это позволяет снимать редуктор для обслуживания.

На конце трубы находится 5-элементная антенна на диапазон 10м, с длиной бума 8м. Антенна была переделана из фирменной, фирмы Create, на большее усиление и лучшую форму ДН по диапазону. Оптимизация была проведена на компьютере.

На верхушке мачты, т.е. примерно тремя метрами ниже, находится трайбэндер Create 714X-3. Это 5-ти элементная антенна с длиной бума 9,75 м. На 40 м работают три элемента, и по четыре на 20 м и 15 м. Элементы, работающие на 40 м, укорочены за счет катушек, фильтр-пробок и емкостных нагрузок и имеют длину ок. 14 м. На высоте 27,4 м, сразу над третьим ярусом оттяжек, зафиксирован на Европу Hy-Gain TH7DX трайбэндер 20, 15 и 10 м.

На высоте 18,3 м, сразу над вторым ярусом оттяжек, на мачте сбоку смонтирована система, позволяющая вращать антенну на 280 градусов. Там стоит вторая TH7DX. Третья TH7DX стоит сразу над первым ярусом оттяжек, на высоте 9,15 м, и, как и первая, зафиксирована на Европу. Все пять антенн запитаны коаксиалами строго одинаковой длины, электрическая длина проверена шумовым мостом, название кабеля, имеющего малые потери, – Belden 9913. В каждой точке подключения на кабель надеты по семь больших ферритовых бусинок, чтобы не было токов по внешней поверхности оплетки. Кабели идут на бокс с реле, расположенный на мачте, на высоте 25,9 м. Туда же приходит главный коаксиал длиной 76,2 м, его внешний диаметр 0.75 дюйма (ок.19мм), его сопротивление 75 Ом, его имя – Hardline. Принципиальная схема коммутатора приведена на рис.27.

В стандартный DX Engineering коммутатор добавлено еще одно реле, позволяющее подключать ко второму кабелю, идущему в шэк, (кабель тоже Hardline), либо верхнюю, либо вторую сверху антенну независимо, обеспечивая таким образом антенну для подбора множителя. Во время работы на CQ на главной антенне можно слушать другой диапазон на другой антенне, если иметь хорошие полосовые фильтры на входе приемника множителя. Кабель Hardline 0.75 дюйма имеет очень малые потери даже при работе с большим КСВ на участке до коммутатора. Это важно, т.к. в отличие от системы K1VR, у N6BV не сделано никаких попыток уравнять КСВ при любых комбинациях реле. Этот вроде бы кавалерийский наскок оправдан рядом факторов. Во-первых, здесь много разных комбинаций совместного включения антенн. Каждое реле независимо включается своим тумблером из шека. N6BV не смог придумать согласующую систему, которая не оказалась бы невероятно сложной из за большого числа комбинаций импедансов да еще на трех диапазонах.

Во-вторых, в худшем случае, когда КСВ достигает 4, при четырех антеннах, включенных параллельно, дополнительные потери в фидере всего 0.5 дб на 10 м бэнде. Правда, что усилитель мощности при разных комбинациях антенн должен быть слегка по-разному настроен, но это не большая плата за уменьшение сложности коммутации и согласования. Тройной стек 10/20/30м уровней используется 95% времени в DX контестах, поэтому необходимость небольшой перестройки усилителя под другие комбинации антенн рассматривается, как малый раздражающий фактор.

Почему трайбэндеры?

Без сомнения, наиболее часто задаваемый K1VR и N6BV вопрос, почему они выбрали трайбэндеры для своих стеков. Трайбэндеры были выбраны с полным пониманием, что это компромиссные антенны. Многие известные радиолюбители применяли трайбэндеры для своих конструкций. Боб Митчелл, N5RM – хороший пример с его так называемой TH28DX системой из четырех TH7DX трайбэндеров на 45-ти метровой вращающейся мачте. Митчелл применяет довольно сложную систему коммутируемых реле настроенных цепей для согласования выбранных двух антенн верхнего этажа, нижнего этажа, или всех четырех вместе. Также и другие в Техасе имеют хорошие результаты с их стеками из трайбэндеров. Контестмен Дэнни Эскенази, K7SS, очень успешно использовал пару KT-34XA трайбэндеров в стеке много лет.

Главная причина, почему оба автора использовали трайбэндеры, – в течение многих лет у них были хорошие результаты с антеннами TH6DXX или TH7DX. Эти антенны имеют прочную конструкцию, как механически, так и электрически. Они в состоянии “без хныканья” выдержать зимы Новой Англии, а их 7,5 метровые бумы достаточно длинны, чтобы антенны имели значительное усиление, несмотря на потери в трапах. Обычно радиолюбители, обсуждая возможные потери в трапах, слишком легко оперируют цифрами от 0,5 до 2 дБ. И N6BV и K1VR вполне удовлетворены меньшим из этих значений, так же, как и инженеры фирмы Hy-Gain.

Рассмотрим следующее: если 1500 Вт передаваемой мощности поступает в антенну, потери в 0,5 дБ означают 163 Вт. Это приведет к значительному нагреву трапов, которых в среднем шесть штук в TH6DXX, т.е. по 27 Вт на трап. Если бы потери были 1 дБ, это уже 300 Вт, т.е. 50 Вт на трап. Здравый смысл подсказывает, что если потери будут более 0.5 дБ, трапы будут скорее работать как пиротехнические изделия, а не резонансные цепи. Трайбэндеры с длинным бумом, такие, как TH7DX и TH6DXX, имеют достаточно места, чтобы использовать элементы, предназначенные для отдельных диапазонов, поэтому, компромиссов в расстоянии между элементами, которые обычно имеют место в трех- четырех элементных трайбэндерах с коротким бумом, здесь удается избежать.

Еще один фактор сознательного выбора трайбэндеров – неудачи со стеками из монобэндеров, близко расположенных на одной мачте по принципу новогодней елки, из за взаимовлияния. Наихудший для N6BV опыт был с амбициозной конструкцией в виде новогодней елки, от 10 м до 40 м, на W6OWQ, в начале 80-х. На этой установке использовалась фирменная трубчатая вышка Try-Ex SkyNeedle, опрокидывающаяся наподобие колодезного журавля, с вращающейся толстостенной мачтой длиной 3 м. Антенной, параметры которой подверглись наибольшей деградации, оказалась 5-ти элементная “Яги” диапазона 15м, расположенная 1,5 м ниже 5-ти элементной антенны диапазона 10 м, и 1,5 м выше полноразмерной 3-х элементной антенны диапазона 40 м, на 15-ти метровом буме которой еще помещались пять элементов на диапазон 20 м.

Отношение фронт – тыл на 15 м было в лучшем случае 12 дБ, тогда как при удаленной нижней антенне на 40 и 20 м это отношение было лучше 25 дБ. Не помогли ни манипуляции с расстоянием между элементами, ни с размером элементов, ни даже поворот бума антенны 15 м по отношению к другим на разные углы, под 90 или 180 град., например. Далее, элементы антенны на 20 м пришлось удлинить почти на треть метра, на каждом конце каждый элемент, чтобы компенсировать влияние элементов диапазона 40 м. Хорошо еще, что вышка представляла собой “журавль” с механизированным приводом, так как ее пришлось опускать и поднимать сотни раз при этих попытках!

Взаимовлияние из за близкого расположения антенн на короткой “рождественской елке” без сомнения, разрушает тщательно оптимизированные ДН отдельных “Яги”. В наши дни взаимовлияние можно посмотреть на компьютере, с помощью моделирующих программ, таких, как MN или MININEC или NEC. Уменьшение усиления на 2-3 дБ легко получается при близком по вертикали расположении монобэндеров, по сравнению со значениями при свободном расположении. Любопытно, что иногда такое падение усиления наблюдалось даже в моделях, в которых отношение фронт/тыл оставалось на приличном уровне, а иногда даже улучшалось.

Дэйв Лисон, W6QHS, упоминает, что его 10 м “Яги” на его “рождественской елке” близко расположенных антенн (15 м наверху, 10 м в середине и 20 м внизу вращающейся мачты) существенно теряла усиление из за влияния 20 м антенны. ( Мы подсчитали, что усиление в свободном пространстве стека W6QHS падает до 5 дБ по сравнению с 9 дБ при отсутствии окружающих антенн.) Монобэндеры определенно не однозначно лучше трайбэндеров в многодиапазонных установках! В частных беседах W6QHS дал понять, что он не повторил бы такую систему снова.

Наконец, в установке N6BV/1 трайбэндеры были выбраны потому, что система должна была быть как можно проще, при условии определенного уровня эффективности, конечно. С трайбэндерами получается механически проще, чем с эквивалентным количеством монобэндеров. На вышке N6BV/1 пять антенн, перекрывающих диапазоны 40 – 10 м, против 12 – 13 монобэндеров на вышку в альтернативном варианте.

Система K1VR – более элегантный подход к согласованию

Стек K1VR размещен на 30-ти метровой вышке под названием Rohn 25, оттяжки на уровнях 9, 18 и 27 метров, сделаны из непроводящего пластика под названием Phillystran. Это кевларовая веревка, покрытая оболочкой из черного полиэтилена для защиты от вредного влияния ультрафиолетовых лучей. Предостережение по поводу этой веревки – не допускайте ей тереться о ветви деревьев и т.п. Она прекрасно работает на растяжение, но не допускает бокового трения.

Обе антенны – хайгейновские TH6DXX трайбэндеры, верхняя – на высоте 29,5 м, нижняя – на высоте 18,5 м. Нижняя антенна вращается приводом Telex Ham-M на самодельном боковом шарнире, допускающем вращение на угол 300 градусов. На высоте 27,5 м находится 2-х элементная антенна фирмы Cushcraft на 40 м на кольцевом редукторе, т.е., может вращаться на 360 градусов.

После нескольких неудачных попыток согласовать TH6DXX так, чтобы их можно было использовать по отдельности, или в стеке, K1VR остановился на использовании переключаемого с помощью реле широкополосного тороидального согласующего трансформатора. Когда обе антенны включаются параллельно в стеке, результирующее сопротивление получается 25 Ом. Трансформатор преобразует его в 50 Ом. Трансформатор намотан на сердечнике T-200-A из порошкового железа, поставляемого от Amidon, Palomar Engineering, Ocean State Electronics или RadioKit.

Два отрезка парного коаксиала марки RG-59 (иногда называемого Siamese или WangNet), по четыре витка каждого, намотаны на сердечнике. Можно использовать два отдельных кабеля RG-59, но со сдвоенным кабелем изделие выглядит намного аккуратней. Экраны кабелей соединяются последовательно, а центральные жилы – параллельно. Подробности – на рисунке 28.

На рис. 29 приведена схема коммутационного бокса K1VR, находящегося в шэке. Равные электрические длины 50-омного кабеля Hardline приходят в шэк на бокс. Внутри бокса контакты реле напрямую припаяны к блочным разъемам SO-239, чтобы минимизировать длины проводников. K1VR применил металлический ящик больших размеров, чем необходимо, поскольку он желал разместить тороидальный трансформатор подальше от стенок. Тороид закреплен с помощью пластины из изоляционного вспененного материала. Коммутатор был затем проверен с помощью подключенных к нему равными длинами коаксиалов 50-ти омных эквивалентов, включенных параллельно для получения нагрузки 25 ом. Максимальный КСВ на 20 м получился 1,25, на 15 м – 1,3, на 10 м – 1,15. Сердечник оставался холодным при 80 Вт постоянной мощности. Одним из ключевых моментов в проекте было то, что K1VR сделал электрические длины главных жестких Hardline’ов равными с точностью до одного дюйма, применив взятый напрокат TDR рефлектометр, проводящий измерения во временной области (полагаю, что путем посылки короткого импульса и измерения задержки, как в радиолокации (прим. переводчика)). Почти такого же результата, как с Hardline’ом можно добиться, подчеркивает K1VR, если отрезать точно одинаковые куски от одной бухты кабеля RG-213. Это исключит производственные разбросы, существующие от бухты к бухте.

Опыт K1VR за последние 10 лет говорит, что в начале утреннего прохождения на Европу на 10 м или 15 м верхняя антенна работает лучше. Когда диапазон хорошо открыт, обе антенны включаются в фазе, чтобы перекрыть вертикальным углом как можно больше Европы. В средние утренние часы нижняя антенна лучше для большинства европейских станций, хотя он продолжает работать стеком на случай, если кто-то его услышит, действительно дальний, идущий со стороны европейского направления. Он говорит, что всегда приятно услышать 4S7 или HS0 или VU2, работая с Европой.

Некоторые рекомендации по трайбэндерам в стеках

Маловероятно, что многие радиолюбители попытаются точно повторить эти контестовые позиции. Однако многие уже имеют трайбэндер на верхушке мачты умеренной высоты, метров двадцать. Не очень сложно добавить такой же трайбэндер, установив его на высоте метров двенадцать, в направлении, интересующем оператора, а то и вращать, если есть боковой или кольцевой редуктор. Если оттяжки не дают вращать антенну, всегда можно установить ее в одной позиции. Разбейте оттяжки так, чтобы они электрически не затеняли нижнюю антенну. Простая фидерная система состоит из двух равных кусков дешевого 75-омного жесткого полудюймового кабеля (или более дорогого 50-омного, если вы действительно зациклены на КСВ), идущих из шэка вверх по вышке к каждой антенне. Каждый из трайбэндеров подключается к своему жесткому кабелю одинаковым куском гибкого кабеля, чтобы антенна могла вращаться. На гибкий надеваются ферритовые бусы для запирания токов по поверхности оплетки.

Внизу в шэке два кабеля просто включаются параллельно или отдельно, при выборе только верхней, только нижней, или обеих антенн в стеке, как на рис.30. С любыми изменениями импеданса можно справиться, как описано выше, просто подстраивая УМ, или используя внутренний антенный тьюнер (имеющийся в большинстве современных трансиверов), при работе без усилителя. Дополнительный эффект от применения такой системы гораздо больше, чем тот дополнительный децибел или два, который обещают расчеты.