| Меню сайта |
|
|
 |
|
Многодиапазонные вертикальные антенны
Антенны с электрически управляемой диаграммой направленности давно
занимают важное место как в профессиональной, так и радиолюбительской
практике. Один из примеров таких антенн — разнообразные фазированные
антенные решетки (ФАР), которые, оставаясь неподвижными относительно
земли (самолета, ракеты), позволяют сканировать пространство в
радиолокации. У радиолюбителей это — антенны с переключаемой диаграммой
направленности, чаще всего — двухэлементные с переключением "вперед —
назад". На наиболее длинноволновых любительских KB диапазонах им,
по-видимому, вообще нет альтернативы, так как построение вращающихся
монстров суперзатратно. Кроме того, по сравнению с поворотными антеннами
такие антенны обладают замечательным свойством — диаграмму можно
изменять мгновенно и в любом желаемом направлении.
В свое время девятиэлементную KB ФАР разработал и успешно применял
замечательный спортсмен и конструктор Георгий Румянцев (UA1DZ), который,
к сожалению, не оставил общедоступного ее описания. Однако известные
детали этой конструкции хорошо поясняют общие проблемы построения таких
антенн. Так, выбор типа и числа элементов диктуется желаемым усилением, а
в ФАР еще и соображениями симметрии. Вертикальные элементы обладают
осевой симметрией диаграммы направленности, что облегчает получение
одинакового усиления во всех направлениях. Георгием был сделан,
по-видимому, трудный выбор в пользу четвертьволновой электрической длины
элементов, что заставило изготовить громоздкую и конструктивно
непростую сетку из проводов над крышей, симулирующую необходимую для
таких элементов проводящую поверхность. Ну и, насколько мне известно,
значительной проблемой оказалось обеспечение многодиапазонности. В
результате был создан элемент, обеспечивший работу антенны в полосе
10...30 МГц. Антенна в целом отвечала самым высоким требованиям UA1DZ —
спортсмена мирового уровня. Интересно, что фазирующая система позволяла
ему управлять диаграммой как по азимуту, так и по возвышению главного
лепестка, что позволяет оптимизировать работу антенны для различных
трасс.
Исходя из известных общих положений теории антенн и собственных условий и
требований, я изготовил двухэлементную фазируемую антенну для дачной
"позиции". Исходил, прежде всего, из наличия на садовом домике кровли из
гофрированного алюминия. Можно было рассчитывать на то, что такая крыша
близка к "идеально проводящей поверхности". Это предопределило выбор
четвертьволновых элементов. Сравнительно небольшие ее размеры меня не
смущали — имеются работы, доказывающие, что качество заземления вблизи
основания чертвертьволнового излучателя важнее его размеров. Длина
конька крыши (5 м) продиктовала расстояние между излучателями, которое,
кстати, является вполне приемлемым компромиссом для диапазонов 40—10
метров. В этом смысле антенна UA1DZ тоже, конечно, компромиссная.
Тем, кто совсем не знаком с антеннами данного типа, достаточно будет
заглянуть в любое издание книги К.Ротхаммеля. А тем, кто хочет не просто
повторить, но творчески переработать антенну, рекомендую замечательную
книгу И. Гончаренко "Антенны KB и УКВ", ч. 2, где раздел 3.2 целиком
посвящен особенностям реальных вертикальных антенн.
Теоретический предел усиления двух четвертьволновых излучателей над
идеально проводящей поверхностью — 8,14 дБи, что примерно соответствует
усилению трехэлементной Яги или двойного квадрата. Но как к нему
приблизиться? Это, впрочем, непросто и в случае любых других антенн.
Формулы для расчета длины дополнительной фазирующей линии для получения в
идеальном случае максимального усиления или ослабления малополезны, так
как они не учитывают потери в элементах и кровле, влияние собственно
земли, взаимное влияние, а также неизбежные комплексность, разброс и
частотную зависимость параметров элементов. Моделирование в MMANA
снимает эти вопросы только отчасти, хотя подтверждает возможность
получения самых различных диаграмм — от кардиоиды до классического
главного лепестка с вариантами подавленного заднего (задних). Тем не
менее очень рекомендую "поиграть" в этой программе. Два одинаковых
четвертьволновых излучателя над идеальной землей создаются в ней
элементарно, а предусмотренные в программе возможности регулировки фаз и
амплитуд питающих токов позволят вам многое проверить.
Не забывая о теории, я полностью доверился практике. В качестве
элементов применил два многодиапазонных траповых вертикала BTV4 на 40,
20, 15 и 10 метров. Очень приличные антенны, которые выпускает фирма
Hustler (США). Обладая отменной электрической и механической прочностью,
они без оттяжек легко выдерживают любые ветры на московских
многоэтажках. При этом среди подобных они, видимо, самые недорогие.
Легко настраиваются перемещением трапов. Они лишь требуют небольшого
удлинения вверху, так как рассчитаны на американский вариант диапазона
40 метров (7000...7400 кГц). Некоторая настройка, прежде всего, по
критериям одинаковости, а также по минимуму КСВ все же потребовалась.
Взаимное влияние элементов очень сильное. Я настраивал каждый из них в
присутствии второго, но нагруженного на 50 Ом.
Сразу заложил возможность оперативного управления длиной фазирующей
линии. Ориентиром служила ее теоретическая длина для диапазона 20 метров
и расстояния между элементами 5 м. С кабелем со сплошной полиэтиленовой
изоляцией, имеющим коэффициент укорочения 0,66, она должна быть 3,3 м.
Предусмотрел возможность переключения длины через каждые 0,5 м, начиная с
нуля. Наиболее просто коммутация осуществляется обычными галетными
переключателями на 11 положений. Первый из них подключает одну из линий с
длинами 0; 0,5; 1; ... 5 м. Второй подключает, последовательно с первой
линией, вторую с длинами 0; 5; 10; 15 м. Позже выяснилось, что вторая
секция нужна только для диапазона 40 метров, на котором оптимальная
длина линии около 7 м. Такая секция, однако, будет необходима для
диапазонов 80 и 160 метров, если вы осуществляете фазирование и на этих
диапазонах.
Кабеля нужно много. Я остановился на недорогом кабеле RG-58 со сплошным
полиэтиленом. По сравнению с встречающемся в продаже кабелем RG- 58 со
вспененным полиэтиленом он имеет меньший коэффициент укорочения и
поэтому меньшую физическую длину. Он достаточно тонок, чтобы все
перечисленные выше отрезки поместились в небольшом настольном блоке
размерами 30x25x25 см. Кабель электрически прочен, чтобы легко выдержать
в линии половину моих 500...700 Вт. При выборе кабеля и переключателей
не надо забывать, что в двухэлементной антенне фидеры, линии и
переключатели работают при половинной мощности (в четырехэлемент- ной
при четверти мощности и т. д.).
В 50-омной цепи галетный переключатель при близких к единице КСВ в
фидерах и фазирующей линии описываемой антенны вполне обеспечивает
хорошую надежность при половине от разрешенной мощности 1 кВт. Я все же
везде включал в параллель две галеты на точку коммутации. Любителям QRO,
конечно, надо подумать о выборе более мощных элементов и кабеля. При
этом, скорее всего, придется пожертвовать возможностью произвольно
изменять длину линии в широких пределах.
Теоретически, в узкой полосе частот, возможна эквивалентная замена
любого отрезка кабеля двухэлементной LC-цепью. При синтезе такой цепи
можно учесть комплексность входного сопротивления элементов,
необходимость обеспечения не только требуемого соотношения фаз, но и
амплитуд. Техническая реализация "в точке" при этом очень проста —
катушка индуктивности и конденсатор. Однако оптимизация диаграммы в
диапазоне частот все равно потребует набора LC-цепей, как и набора
отрезков кабеля. Переменные L и С позволяют определить при настройке
оптимальные параметры и заменить их затем постоянными элементами.
Фазирующая цепь вместо линии привлекательна тем, что в ней одновременно с
обеспечением необходимой фазы можно получить и практически произвольный
коэффициент передачи, что должно улучшать эффект сложения (вычитания)
полей.
Помня, что "практика — критерий истины", я поместил вдоль линии
элементов, на удалении около 20 м (на заборе участка), индикатор поля.
На всех диапазонах от 40 до 10 метров наблюдалась замечательная картина
переключения "вперед—назад", с отчетливыми максимумами усиления и
подавления. Точные значения F/B едва ли представляют интерес, так как
при угле возвышения 0 градусов (поле на высоте забора) мы имеем отнюдь
не достоверную картину усиления, так как главный лепесток на самом деле
приподнят. Было хорошо видно, что максимум усиления и подавления
совпадает только для диапазона 20 метров. Именно поэтому полезно иметь
возможность изменения фазы, позволяющую выбрать максимум усиления,
подавления или что-то компромиссное. Так, если вы зовете уверенно
слышного DX, вы предпочтете максимум усиления. Если вы боретесь за прием
— приоритет за подавлением помех мешающих станций или за улучшением
соотношения сигнал/шум. То и другое вы можете получить изменением длины
фазирующей линии.
Для своей антенны я определил следующие физические длины фазирующей
линии: диапазон 10 метров — 1,5 м; 15 метров — 2 м; 20 метров — 3 м; 40
метров — 7 м. Особенности прохождения, "затачивание" антенны под DX или
под контест, борьба с помехами и прочее требуют изменения длины в
пределах 10—20 %.
Конечно, захотелось попробовать заставить антенну работать и на
диапазоне 80 метров. Для этого пришлось применить два тьюнера в
основании элементов в виде удлиняющей индуктивности с отводом для
подключения кабеля. Мои антенны настроились на 80 метров при подключении
катушки диаметром 100 мм, длиной намотки около 100 мм и числе витков —
15. Понимая, что в этом элементе протекают большие реактивные токи, я не
экономил на проводе, намотав катушку проводом сечением 4 кв. мм. От
положения отвода, от 1/8 до 1/4 от заземленного конца, зависят значение
КСВ и полоса частот. Остановился на значении КСВ < 3 в полосе частот
3,5...3,8 МГц, хотя за счет сужения полосы частот можно сделать КСВ
сколь угодно близким к единице. Направленность на этом диапазоне
выражена слабо, так как мало расстояние между элементами. Поэтому на 80
метрах я включаю элементы параллельно (синфазное включение). При этом
работает она просто прекрасно, как хорошая антенна с малым углом
возвышения и круговой диаграммой. Ну а на основных диапазонах
наблюдается классическая работа направленной антенны. На 20 метрах
субъективно — очень хорошо, только чуть хуже — на 10 и 40 метрах.
При диаграмме типа кардиоиды, т.е. с неподавленными боками, не испытываю
особого дискомфорта из-за наличия только двух направлений. Мгновенное
переключение позволяет быстро выбирать "бок", который в данный момент
меньше страдает от замираний.
Не забывайте, что в точке подключения TRX сопротивление антенны будет
примерно вдвое меньше сопротивления каждого из элементов (в идеале 25
Ом). Любой РА с обычным П-контуром обеспечит необходимое согласование
"на передачу". А вот рассогласование с неизменным стандартным входным
сопротивлением TRX 50 Ом искажает картину приема — максимум громкости не
обязательно означает максимум усиления.
Связываю прекрасную работу антенны, прежде всего, с малыми потерями в
алюминиевой крыше, в добротно выполненных алюминиевых же элементах, а
также фидерах и линии, работающих при малых КСВ. Налицо хорошие условия
для формирования в ближней зоне реактивного поля с малыми тепловыми
потерями. Ну а согласно закону сохранения энергии, вся подведенная
энергия, независимо от размеров антенны, если не теряется, то
обязательно излучается. Отсюда все разнообразие маленьких антенн,
которые очень нередко показывают прекрасные результаты.
Нет никаких принципиальных препятствий для фазирования и электрически
полуволновых мультибендов, например, GAP TITAN или UT1MA. Такие антенны,
вполне уместные на наших железобетонных крышах, имеют, однако, примерно
вдвое большую высоту, а также требуют подъема над поверхностью крыши
(земли).
Хочу обратить внимание контестменов на способность многодиапазонных ФАР
осуществлять прием одновременно на нескольких диапазонах и направлениях.
Перемещая точку подключения приемника (приемников) вдоль фазирующей
линии, можно получить все разнообразие возможных диаграмм. Так как линия
является частью 50-омного кабеля, соединяющего элементы, весь этот
кабель или любую его часть можно рассматривать как фазирующую линию.
Поэтому потенциально точек подключения много и возможна одновременная
многодиапазонная работа антенны. Разумеется, потребуется анализ влияния
входного сопротивления приемников, которое можно ослабить применением
развязывающих устройств, выполняющих одновременно функцию защиты
приемников в режиме передачи.
Убежден, что именно ФАР являются альтернативой тупиковому при
ограниченных ресурсах обычному подходу к оборудованию радиостанций как
эконом-, так и самого высокого класса.
Вячеслав Власов (RX3AJ).
 |
| Категория: Антенны | Добавил: UY0LL (13.09.2010)
|
| Просмотров: 10384
| Рейтинг: 0.0/0 |
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |
|
| Вход на сайт |
|
|
|
| Статистика |
Онлайн всего: 9 Гостей: 9 Пользователей: 0 |
Посетители сегодня:
UR7UD |
|
|
Приветствую Вас Гость
PDA| 
рассылка по почте