О многодиапазонной направленной антенне мечтают многие радиолюбители. Известен целый ряд технических решений, позволяющих создать такую конструкцию, но не все они легко воспроизводимы в любительских условиях. Автор этой статьи предлагает вниманию читателей свой вариант реализации компактной пятидиапазонной направленной антенны.

Направленная вращающаяся KB антенна на 5 диапазонов (10 - 20 метров) и даже на 7 диапазонов (10 -40м) - актуальная радиолюбительская конструкция. Большинство ведущих фирм мира, производящих антенны для любительской радиосвязи, имеют в своей номенклатуре несколько пятидиапазонных антенн, которые отличаются характеристиками и ценой. Каждая из фирм, как правило, использует свои отработанные и ставшие стандартными способы реализации многодиапазонности. Например фирма FORCE 12 применяет перемежающееся расположение элементов разных диапазонов (модели XR5, 5ВА), MOSLEY- большое число резонансных трапов (PRO-67, PRO-96), HY-GAIN - логопериодический активный элемент в сочетании с "траповыми" директорами (ТН-11), TITANEX - разнообразные проволочные логопериодические антенны. Новинку предложила фирма SteppIR - элементы ее антенны изменяют свои размеры с помощью электромеханического привода по командам расположенного внизу микропроцессорного устройства.

В предлагаемой статье кратко рассмотрены основные достоинства и недостатки стандартных способов создания МДА (Много Диапазонных Антенн) и описан собственный вариант, позволяющий в габаритах трехэлементного ВК (Волнового Канала) диапазона 20 метров с длиной бума менее 6 м получить пятидиапазонную (10, 12, 15, 17 и 20 метров) антенну. Общее число элементов - 16, а взаимные влияния элементов минимизированы без применения трапов. Характеристики антенны на каждом из диапазонов практически соответствуют трехэлементному ВК (!). Особенность этого варианта - части директора диапазона 20 метров, отсекаемые с помощью двух вакуумных реле, используются как директоры диапазонов 10 и 15 метров. В антенне применен пятидиапазонный активный элемент с простой схемой согласования, что позволило питать ее одним кабелем без переключений.

Характеристики применяемых МДА

Для анализа МДА были использованы как приведенные в литературе данные, так и расчеты с использованием компьютерной программы антенного моделирования MMANA[1].

Как правило, при разработке таких антенн стремятся получить на отдельных диапазонах характеристики, соответствующие двух- или трехэлементному ВК, поэтому следует начать с определения этих характеристик. Будем использовать обозначения, принятые в MMANA:

  • 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 = + 2,15;
  • Za = Ra + jXa - входное сопротивление антенны;
  • Front-to-Back или F/B - отношение вперед/назад. Численно равно выраженному в децибелах отношению величины переднего лепестка диаграммы направленности (ДН) к величине максимального заднего лепестка в секторе 180 ± 60 град. Чтобы F/B отражало реальную способность антенны ослаблять крутопадающие лучи (сигналы) от относительно недалеко расположенных станций, для расчетов принята элевация (угол места) 50 град, на диапазонах 20 и 17 метров и 40 град, на остальных;
  • SWR - коэффициент стоячей волны. В дальнейшем будем использовать более привычное обозначение КСВ;
  • BW1,5 и BW2 - ширина полосы рабочих частот активного элемента в пределах КСВ не более 1,5 и КСВ не более 2. Поскольку программа определяет сразу оба значения, удобно ввести показатель BW=BW1,5/BW2.

Рассчитаем характеристики трехэлементного ВК. Это можно сделать для любой частоты. Примем f = 28,3 МГц (X = = 10,6 м), рабочая полоса частот-600 кГц (28,0...28,6 МГц), радиус проводника r= 10 мм. При оптимизации антенны весовые коэффициенты для параметров КСВ, Gh и F/B принимаем соответственно равными 0,3; 0,3 и 0,4.

Расчет произведем для трех вариантов:

  • оптимальный (условно) ВК с расстояниями между активным и пассивными элементами (рефлектором и директором) Sar=Sad =0,17X = 1,8 м;
  • укороченный ВК при Sar = Sad = 0,14Х = = 1,48 м;
  • удлиненный ВК при Sar = 0,11X = 1,8 м, Sad = 0,22X = 2,33 м.
  • Условия расчета - антенна находится в свободном пространстве, F/B определяется для нулевой элевации. Расчетные данные сведены в табл. 1. Три числа через дробную черту соответствуют значениям параметра в начале (28 МГц), середине и конце рабочей полосы частот. При расчете BW исходим из того, что на входе антенны применено согласующее устройство СУ, обеспечивающее на средней частоте КСВ=1. Данные, приведенные в четвертой строке этой таблицы, будут обсуждаться далее в разделе "Взаимное влияние пассивных элементов ВК на разных диапазонах".

    Многодиапазонные направленные антенны

    При изменении расчетной частоты пропорционально изменяется ширина рабочей полосы частот. К примеру, при f = 14,15 МГц параметры G и F/B будут такими же, как в табл. 1, но в полосе 0,3 МГц. Также в 2 раза будут меньше значения BW (при условии, что радиус элементов будет увеличен пропорционально, т.е. в 2 раза).

    Укороченные элементы

    Наиболее часто укорочение достигается включением катушки индуктивности в каждое плечо элемента [2]. При этом ухудшается ряд характеристик элементов, в первую очередь их широкополосность. Ощутимый вклад в сужение рабочей полосы может оказать паразитная емкость между витками катушки С0.

    Например, катушка имеет L = 10 мкГн и С0 = 2 пф. На частоте f = 28 МГц XL = coL = = j1760 Ом и Хс = 1/ωС = -j2664 Ом. Сопротивление параллельной цепи из L и С0 будет Xn = j[1760x(-2664)/(1760-2664)] = =j5187Ом. Получается, что с учетом влияния С0 реальное значение реактивного сопротивления "катушки" выросло в 5187/1760 = 2,95 раза (соответственно выросло и сопротивление потерь), а эквивалентная индуктивность цепи будет ХLэкв= 10x2,95 = 29,5 мкГн. Основная же проблема, которая возникает из-за наличия С0, состоит в том, что вместе с ростом индуктивного сопротивления цепи возрастает и скорость его изменения при переходе от одной рабочей частоты к другой. Так, в случае катушки с нулевой С0 при изменении рабочей частоты на, допустим, один процент сопротивление катушки XL также изменится на один процент, а для нашей цепи изменение будет уже значительно больше - около 5 %.

    Очевидный вывод - емкость С0 должна быть как можно меньше. Достигается это однорядной намоткой провода (желательно с небольшим шагом) на каркасе небольшого диаметра. Вот экспериментальные данные. Катушка из провода МГТФ с диаметром по изоляции 1,55 мм, диаметр каркаса 23 мм, число витков n = 41 (намотка виток к витку) имела измеренную индуктивность L = 13 мкГн и добротность Q = 260. С помощью ГИР была определена резонансная частота контура LCD (она оказалась равной fn = 42 МГц) и расчетным путем (MMANA) получено значение С0 =1,1 пф.

    Из этого же провода выполнена другая катушка на каркасе диаметром 50 мм. Ее данные - n = 20, L = 19 мкГн, Q = 340, f0 = 25МГц и С0 = 2,13пФ.

    Диполь с трапами

    Рассмотрим диполь, предназначенный для работы на диапазонах 10 и 15 метров, двухдиапазонность которого обеспечивается применением резонансных LC-трапов, настроенных на верхнюю частоту f1= 28,5 МГц. На частотах 15-метрового диапазона сопротивление трапа Хт имеет индуктивный характер и его величина определяется величинами Lт и Ст (в Ст входит и С0). Очевидно, что наличие конденсатора Ст повлияет на широкополосность диполя BWтаким же образом, как и межвит-ковая емкость С0.

    Рассчитаем ширину полосы частот BW1,5 сначала у одиночных полноразмерных диполей с резонансными частотами f1 = 28,5 (диполь 1) и f2 = 21,2 МГц (диполь 2), а затем у траповой двухдиапазонной антенны. Расчеты произведем для трех вариантов трапов (трап 1, трап 2 и трап 3) со значениями емкости тра-повых конденсаторов - 15, 25 и 35 пФ (индуктивности 1_т соответственно 2,08, 1,25 и 0,89 мкГн) при добротности катушек Q = 150 и радиусе проводника г = 15 мм. Результаты расчета приведены в табл. 2. Числа в скобках показывают, какую долю полосы полноразмерных диполей имеет траповая антенна на соответствующем диапазоне.

    Многодиапазонные направленные антенны

    Расчет показывает, что такая антенна значительно, в 1,5...3 раза, уступает полноразмерной по широкополосности. Так как это обусловлено, в первую очередь, более быстрым ростом входной (собственной) реактивности, то при использовании траповых элементов в качестве пассивных значительно быстрее в пределах диапазона будет изменяться и показатель F/B.

    Из расчетных данных следует, что зависимость широкополосности траповой антенны на верхнем (10 метров) и нижнем (15 метров) диапазонах от величины Ст имеет противоположный характер и выбор величины Ст - компромиссная задача. На верхнем диапазоне чем больше величина LT (меньше Ст), тем выше резонансное сопротивление контура-трапа и меньше его влияние на широкополосность антенны на этом диапазоне. Зато на нижнем при увеличении Lт уменьшается полная длина антенны и соответственно ее широкополосность.

    Отметим интересную особенность - укороченные пассивные элементы позволяют получить лучший показатель F/B, чем полноразмерные, но в узкой полосе частот.

    Что касается потерь в траповой антенне, то расчет дает следующие значения: в трехдиапазонном одиночном диполе длиной 7,4 м с двумя парами трапов при добротности катушек Q = 150 потери на диапазоне 10 метров - 0,14 dB, 15 метров - 0,78 dB и 20 метров - 0,59 dB. В ВК с траповыми элементами общие потери могут превысить 1 dB.

    Взаимное влияние пассивных элементов ВК разных диапазонов

    Известно, что при размещении антенн разных диапазонов на одном буме элементы более низкочастотных антенн могут сильно повлиять на параметры антенн верхних диапазонов [3]. Для оценки этого влияния произведем расчет параметров трехэлементного ВК-10 на диапазон 10 метров (f o = 28,5 МГц, см. табл. 1, строка 1), находящегося в "окружении" более длинных пассивных элементов. Для определенности полагаем, что это директоры и рефлекторы ВК диапазонов 15 и 20 метров. Длины элементов Д15, Р15 и Д20, Р20, атакже их радиусы и расстояния от центра устанавливаем исходя из аналогичных размеров Д10 и Р10 с учетом коэффициентов подобия (отношения частот) К15 - 28,3/21,2 = 1,33 и К20 = 28,3/ /14,15 = 2 (рис. 1). Расчет ведется поэтапно. Расчет КСВ и полосы BW производим с применением внешнего согласующего устройства. На каждом этапе используется механизм оптимизации параметров ВК-10. Результаты расчета сведены в табл. 3.

    Многодиапазонные направленные антенны

    Проведенный расчет (строки 1 и 2) показывает, что расположенные за рефлектором Р10 проводники практически не влияют на параметры ВК-10. Это объясняется тем, что поле за рефлектором очень ослаблено и в "задних" проводниках не может возникнуть заметный ток. Расположение рефлекторов, как на рис. 1, широко используется в многодиапазонных антеннах, особенно в случае применения многодиапазонного активного элемента, например, с трапами или LOM катушками [4].

    В случае же расположения более длинных элементов "впереди" ВК-10 (в зоне сильного поля) токи в этих элементах достигают значительной величины. Их влияние резко ухудшает качественные показатели ВК-10 (строки 3, 4, 5), поэтому такие варианты следует избегать. В виде исключения возможен вариант, когда "длинный" проводник располагается в ближней зоне активного элемента (на расстоянии 0,05Л, строка 6) [3].

    Многодиапазонные направленные антенны

    Собственно, вопрос применения (расположения) директорных элементов является одним из основных при отработке многодиапазонной антенны.

    В качестве примера рассмотрим вариант совмещенной антенны, состоящей из трехэлементного ВК-20 с оптимальными межэлементными расстояниями и четырехэлементного ВК-10 (рис. 2). Расчет ВК-20 показывает, что его показатели практически совпадают с данными табл. 1 (строка 1). Затем проведен расчет (оптимизация) показателей ВК-10. Для удобства сравнения с показателями несовмещенной трехэлементной антенны расчетные данные помещены в табл. 1, строка 4. Видно, что добавление второго директора Д10 позволило в значительной мере преодолеть негативное влияние Д20 и четырехэлементный ВК-10 по показателям G и F/B вплотную приблизился к трехэлементному (!), но по широкополосности значительно уступает.

    Другой пример - совмещенная 14-элементная антенна на три диапазона типа C-31XR (FORCE-12) с длиной бума 9,3 м. На диапазоне 10 метров антенна обеспечивает усиление 7,3 dBd с помощью семи элементов этого диапазона [5]. Расчет показывает, что такое усиление может быть обеспечено всего четырьмя элементами, следовательно, действие остальных трех направлено на компенсацию "негативного" влияния директоров нижних диапазонов.

    При построении пятидиапазонной (10- 20 метров) антенны использование компенсационного принципа мало вероятно из-за чрезмерной сложности.

    Многодиапазонные активные элементы

    Помимо давно используемых трапового и логоперисдического излучателей применяются и другие, относительно новые виды.

    Одна из популярных конструкций на три диапазона показана на рис 3.

    Многодиапазонные направленные антенны

    Она состоит из разрезного диполя на диапазон 20 метров и расположенных на расстоянии 0,1 ...0,5 м двух проводников с длинами, близкими к 0,5λ на диапазоны 15 и 10 метров. За счет сильной электромагнитной связи между ними система имеет три резонансные частоты. Подбором длины проводников и их расстояния до диполя можно получить нужное значение входного сопротивления на диапазонах 10 и 15 метров как в простых, так и в многоэлементных антеннах. Такая конструкция получила название open sleeve или C-R (coupled resonator) [6]. Недостаток варианта - относительная узкополосность. В частности, чтобы перекрыть весь диапазон 10 метров, приходится применять два проводника-резонатора разной длины. Один из них обеспечивает работу в нижнем участке 28,0...29,0 МГц, а второй - 29,0...29,7МГц.

    Хорошие результаты можно получить при параллельном соединении нескольких близко расположенных диполей с разными резонансными частотами. При расстояниях между отдельными диполями 0,3...0,5 м такой активный элемент может обеспечить нормальные показатели в диапазонах 12, 15, 17 и 20 метров, а в сочетании с другими способами - и на диапазонах 10, 30 и 40 метров [4].

    Разные типы пятидиапазонных антенн (конкретные образцы)

    Логопериодика. Образец с весьма высокими для этого класса антенн характеристиками приведен в [7]. Диапазон - от 14 до 30 МГц, число элементов - 13, длина бума - 10,97 м, усиление в пределах диапазона от 4,85 до 5,65 dBd, F/B - 20...26 dB. Другая конструкция описана в THE ARRL ANTENNA HANDBOOK и имеет более скромные параметры - длина бума 7,8 м, 12 элементов, усиление 4,4.. .4,6 dBd и F/B - 14...21 dB. В обеих конструкциях элементы были из трубок диаметром около 25 мм. Необходимо иметь в виду, что усиление антенны уменьшается при уменьшении диаметра элементов, поэтому в проволочном исполнении потребуется больше элементов, чем в трубочной антенне с тем же усилением. Наличие собирательной линии и необходимость изолировать элементы от бума существенно усложняет и утяжеляет конструкцию. Несомненный "плюс" ЛПА - всего одна фидерная линия.

    В логопериодике с большим числом элементов в пределах каждого из относительно узких радиолюбительских диапазонов активно работают, как правило, только три элемента. В силу особенностей ЛПА эти элементы используются менее эффективно, чем в составе "узкополосного" ВК. Поэтому, если на длинном буме расположить последовательно, один за другим, пять трехэлементных ВК на диапазоны 10, 12,15, 17 и 20 метров, можно получить большее усиление, чем в логопериодике с тем же числом элементов. Очевидны конструктивные недостатки такого построения - большое количество фидерных линий (пять) и очень большая длина бума. Один из способов решения задачи можно увидеть на рис. 4.

    Многодиапазонные направленные антенны

    Это модель 5ВА фирмы FORCE 12. Заявленные характеристики этой антенны: усиление - в пределах 5,4... 5,9 dBd, F/B - 14...23 dB, длина бума- 9,9 м, 15 элементов, 3 фидерные линии. Цена антенны - около 1300 USD.

    Антенна ВМА 5

    Пятидиапазонная направленная антенна ВМА-5 разработана автором этой статьи. Вот ее данные:

    • рабочие диапазоны 10, 12, 15, 17, 20 метров;
    • на каждом диапазоне используется трехэлементный ВК, как имеющий оптимальное отношение эффективность/затраты (эффективность определяется параметрами G, F/B и BW);
    • отсутствует негативное влияние друг на друга отдельных ВК, сохраняются параметры однодиапазонных антенн;
    • продольный размер (длина бума) - не более 6 м, т. е. минимальный, при котором еще возможно получить "приличные" показатели Gh > 5,5 dBd и F/B > 20 dB на диапазоне 20 метров;
    • использованы проволочные элементы на "узкополосных" диапазонах 12 и 15 метров для уменьшения парусности и веса антенны, а также расхода дефицитных алюминиевых трубок;
    • применен один питающий кабель без переключений (вседиапазонный активный "элемент").

    Все получившиеся в результате расчета данные - схема антенны, форма и геометрические размеры проводников-элементов, реактивные нагрузки, а такжеэлектрические показатели по диапазонам находятся в файле ВМА-5.

    Общий вид антенны показан на фото (рис. 5)

    Многодиапазонные направленные антенны

    Она состоит из двух сборок - директорной и активной и ряда рефлекторов, расположенных на буме согласно рис. 6. Координаты элементов на буме задаются по отношению к активному элементу диапазона 20 метров (А20), положение которого принято за нулевую отметку. Проволочные рефлекторы Р12 и Р17 смонтированы соответственно над трубочными Р15 и Р20 таким образом, что их середина находится на высоте 0,5 м, а края - по 0,15 м выше трубок.

    Многодиапазонные направленные антенны

    Электрическая схема активной части антенны приведена на рис. 7. Она состоит из четырех отдельных активных элементов А12, А15, А17, А20, соединенных параллельно между собой и через "укорачивающие" конденсаторы С1 и С2 с кабелем питания, и отдельного, связанного через поле, диполя А10 (система "open sleeve"). Согласование на диапазоне 10 метров достигается подбором длины А10 и его расстояния от основной группы. Длины диполей А12 - А20 выбраны больше резонансных с таким расчетом, чтобы входное сопротивление (активная часть) поднялось до Ra ≈ 50 Ом. Подбором длины диполей и емкости компенсирующих конденсаторов С1 и С2, а также положения пассивных элементов на буме и их настройки (длины) удалось получить на средних частотах всех диапазонов КСВ=1,05... 1,25.

    Конструкция активной сборки показана на рис. 8 в двух проекциях (сборка симметрична, показана только одна половина). Изоляторы ИП - пластмассовые изоляторы типа А1001 ("Антеннополис", г. Запорожье), ИО - изоляторы орешковые.

    Многодиапазонные направленные антенны

    Основой сборки является элемент А20, выполненный из дюралевых труб диаметрами (внешний/внутренний) 35/30 + 30/26 + 30/27 общей длиной 10 м. На концах А20 укреплены небольшие емкостные нагрузки ЕН20. Применение ЕН20 позволило:

    • уменьшить длину А20 с 11,4 до 10 м, что особенно важно при добавлении в антенну еще одного диапазона - 40-метрового (см. замечание в конце статьи);
    • отказаться от дополнительной поперечной распорки для крепления концов оттяжек проволочных А12 и А17.

    В качестве оттяжек использован сложенный вдвое полипропиленовый тросик диаметром около 3 мм. Предварительно натянутая с усилием 5... 10 кГ оттяжка накручивается на трубку ЕН20 (10...15 витков), затем конец оттяжки фиксируется зажимом (clamp).

    Принятая изогнутая форма А12 и А17 позволила увеличить расстояние между А20 и проволочными вибраторами и тем самым уменьшить взаимные влияния. Кроме того, они успешно выполняют роль растяжек, предохраняющих тяжелый А20 от сильного прогиба, особенно в случае гололеда.

    Элемент А15 крепится ниже А20 на расстоянии 0,38 м с помощью четырех диэлектрических распорок. При выбранном расстоянии широкополосность А15 уменьшается незначительно - примерно на 10 %. В качестве начальных участков А15 использованы отрезки гибкого кабеля РК75-4 (оплетка и жила спаяны вместе). Можно использовать любой медный многожильный провод диаметром 5...8 мм в атмосферостойкой изоляции, но это будет и дороже, и тяжелее.

    Симметрирование осуществляется с помощью защитного дросселя из 15 витков коаксиального кабеля RG-58, навитого на ферритовый магнитопровод внешним диаметром 65 мм и проницаемостью 300. При мощности более 200 Вт следует использовать более мощный кабель. Дроссель и конденсаторы С1, С2 типа К15У-2 по 200 пФ помещены в текстолитовую коробку внешними размерами 130x140x45 мм, снизу к коробке прикреплен коаксиальный уголковый разъем XS типа СР50-153Ф. Коробка крепится к вертикальному кронштейну, выполненному, как и верхняя горизонтальная поперечина, из стального тонкостенного проката квадратной формы размерами 20x20 мм.

    Механическое соединение половинок А20 производится с помощью муфты-вставки, выточенной из сплошного стеклотекстолитового стержня, зазор между половинами - 50 мм. А20 крепится к стеклотекстолитовой плите размерами 225х 100х 19 мм с помощью двух U-образных шпилек из нержавеющей проволоки диаметром 6 мм. Активная сборка А12-А20 представляет собой один легкосъемный узел. Элемент А10 крепится к буму отдельно с помощью U-образной скобы и гаек-барашков.

    Электрическая схема директорной сборки показана на рис. 9. В ее составе директорные элементы на все пять диапазонов. Конструктивной основой сборки служит средний элемент, состоящий из трех изолированных участков а-Ь, с-d, е-f, которые могут соединяться между собой с помощью контактов реле К1.1 и К2.1.

    Многодиапазонные направленные антенны

    Если оба реле включены и контакты замкнуты, получается директорный элемент на диапазон 20 метров (Д20) длиной около 9,65 м. Когда включено только одно из реле, получается директорный элемент для диапазона 15 метров (Д15). Это будет элемент а-b-с-d или с-d-е-f в зависимости оттого, какое реле включено, а какое выключено. Поскольку Д15 расположен несимметрично по отношению к оси антенны (буму), то и диаграмма направленности (ДН) будет также несколько несимметрична. Расчет показывает, что передний лепесток ДН отклоняется от оси антенны незначительно - примерно на 5 градусов, но это не сопровождается падением усиления (деформация заднего лепестка будет показана ниже). Когда оба реле выключены, крайние секции а-b и е-f работают как два директора диапазона 10 метров. Длины этих секций недостаточны для нормальной работы, поэтому на внутренних концах секций (Ь и е) установлены две емкостные нагрузки ЕН10. Такой двойной директор влияет на параметры антенны на этом диапазоне практически также, как и обычный одинарный, расположенный прямо на буме. Можно отметить, что в Д15 и Д20 (при замкнутых контактах реле) влияние ЕН10 незначительно.

    При таком способе "организации" директоров трех основных диапазонов полностью исключаются их взаимные негативные влияния, а также их влияния (при разомкнутых контактах реле К1, К2) и на диапазонах 12 и 17 метров. Кроме того, уменьшются расход дюралюминиевых труб примерно на 11 м, парусность и вес антенны.

    Директорная сборка расположена на расстоянии 2,85 м от А20. Это компромиссное значение. При большем расстоянии будет быстро уменьшаться показатель F/B на диапазоне 10 метров, а при меньшем - ухудшаться большинство показателей на диапазоне 20 метров.

    В директоре применены высокочастотные вакуумные реле (выключатели) В1 В-1В с допустимыми значениями 1=10 А и U=3 кВ. Расчет показывает, что такие ток и напряжение в директоре соответствуют мощности на входе антенны не менее 5 кВт. Температурный диапазон реле - от -60° до +100°, гарантированное количество переключений - 100000.

    Измеренное значение "проходной" емкости разомкнутого реле - около 0,9 пФ, с учетом паразитной емкости монтажа в расчетную модель заложена величина 1,5 пФ (таблица нагрузок, pulse w35c, w36c). Замкнутому состоянию реле соответствуют эти же нагрузки, но уже величиной по 100000 пф (эквивалент к.з., см. "комментарий" к файлу ВМА-5). Расчет показывает, что допустимо применение реле с "проходной" емкостью до 5 пф с корректировкой размеров составных частей Д20 и ЕН10. В частности, можно попробовать распространенные герметичные реле РЭН-33 при параллельно-последовательном включении всех четырех контактных групп.

    Директоры диапазонов 12 метров (Д12) и 17 метров (Д17) выполнены из провода. Для устранения негативного влияния этих элементов на параметры более высокочастотных диапазонов приняты следующие меры.

    1. Директоры всех пяти диапазонов расположены в одной вертикальной плоскости. Как показывают расчеты, при таком расположении их взаимные влияния уменьшаются.

    2. Возможное сильное влияние Д12 на диапазон 10 метров (по своей длине Д12 являлся бы на диапазоне 10 метров полноценным рефлектором) устраняется с помощью параллельного контура -антитрапа L12C12 с частотой настройки 28,3 МГц, установленного в средней части Д12. Почему антитрап? Назначение трапа - выделить из антенного элемента часть, размеры которой близки к резонансным. Назначение антитрапа противоположное - рассечь элемент на отрезки, размеры которых значительно меньше резонансных. Чтобы не повлиять на широкополосность диапазона 12 метров, приняты необычно малые реактивности - С12=150 пФ и 1.12=0,21 мкГн, что в 8... 10 раз меньше стандартных для трапа. Несмотря на это, резонансное сопротивление контура достаточно для выполнения его основной функции. Предусмотрен виток связи Lc, через который с помощью КСВ-метра мостового типа можно определить резонансную частоту контура.

    3. В среднюю часть Д17 включена индуктивность L17=4 мкГн. Это приводит ктому, что при работе на частотах 21 МГц и выше наведенный в Д17 ток существенно уменьшается - L17 как бы рассекает Д17 на две половины. Благодаря этому ухудшение показателя F/B на верхних диапазонах под влиянием Д17 не превышает 1 dB. С целью упрощения конструкции L17 выполнена из двух одинаковых близко расположенных катушек (L17' и L17") с индуктивностью 2 мкГн каждая. Введение L17, естественно, ухудшает широкополосность параметров антенны на диапазоне 17 метров, но ощутимо это проявляется уже вне рабочего участка частот (см. табл. 4).

    Многодиапазонные направленные антенны

    Конструкция средней части директорией сборки показана на рис, 10. Примененные трубы - центральная часть диаметром 30/26 мм, изоляционные вставки из стеклотекстолитовых стержней, концевые секции из труб диаметрами 30/27 и 22/20 мм, емкостные нагрузки - 16/13,8 мм.

    Многодиапазонные направленные антенны

    Средняя часть Д20 крепится к буму через стекло-текстолитовую пластину (рис. 10,а) размерами 270x95x12 мм. Каждая из катушек L17 намотана на пластмассовом антенном изоляторе типа А1001 тем же проводом, что и в Д17 (рис. 10,6). На рис. 11 показаны коробка (бокс размерами 70x120x35 мм, фрезерованный из текстолита) с реле В1В-1В и способ ее крепления к Д20 (крепление легкосъемное). Питание к реле подводится через разъем РС4ГВ. Провода питания реле разбиты на участки длиной около 2 м с помощью дросселей типа ДПМ-1,2 по 15мкГн. В своей средней части провода подвязаны к поперечному кронштейну. Конденсатор С1 - К31-11-3 емкостью 2000 пф.

    Многодиапазонные направленные антенны

    В силу несимметричного расположения Д15 на буме могут наводиться токи, что приведет к дополнительной асимметрии ДН на диапазоне 15 метров. Чтобы избежать этой неприятности, крайняя часть бума (со стороны директоров) длиной 2 м отделена от остального бума текстолитовой вставкой.

    Отработка антенны и расчет электрических параметров производились применительно к ее положению в свободном пространстве. При высоте антенны над землей более 20 м ее параметры изменятся не очень сильно.

    Возможны два варианта расчетов: на достижение максимально возможных показателей G и F/B в каком-то участке диапазона и на достижение наибольшей равномерности показателей в пределах всего диапазона. Во втором случае на средней частоте диапазона усиление будет меньше на 0,2...0,4 dB. Был выбран вариант, при котором параметры оптимизируются для участков диапазонов 14,0...14,3 , 21.0...21,4и 28,0.-28,6 МГц. Если бы оптимизацией были охвачены и верхние, мало используемые участки диапазонов, это неизбежно ухудшило бы показатели "внизу", на телеграфных участках. Для диапазонов 12 и 17 метров расчет произведен на максимальный F/B на средних частотах. Результаты расчетов сведены в табл. 4.

    Замечание по поводу отмеченных звездочкой * значений параметра F/B на частотах 21,0 и 21,4 МГц. На рис. 12 и 13 показаны две ДН для одной и той же частоты 21,0 МГц, получающиеся в зависимости оттого, какое из реле К1 или К2 включено. Эти ДН практически различаются только формой тыльной части (зеркальная симметрия). Так как реле оперативно управляются с пульта радиостанции, помеху с любого направления в задней полуплоскости, как это видно из рисунков, можно подавить на 21...24 dB. Для сравнения на рис. 14 показана ДН на средней частоте 21,2 МГц.

    Многодиапазонные направленные антенны

    Упомянутые в первой части статьи антенны 5ВА (FORCE-12) и 13-элемент-ная ЛПА по электрическим параметрам близки к ВМА-5. Выше уже упоминались заявленные параметры 5ВА: усиление - в пределах 5,4...5,9 dBd, F/B - от 14 до 23 dB, длина бума - 9,9 м, 15 элементов, 3 фидерные линии. При этом расход дюралевых трубок составляет: ВМА-5 - 63 м (с учетом бума и емкостных нагрузок), 5ВА - около 110 м, ЛПА - около 100 м. Очевидно также, что две последние антенны имеют значительно большие ветровое сопротивление и вес.

    Многодиапазонные направленные антенны

    Конструкция ВМА-5 имеет экспериментальный характер: все трубочные элементы имеют регулируемые концевые секции, длина проволочных регулируется в концевых изоляторах, а элементы можно перемещать по буму. Это дает возможность в эксперименте, при необходимости, уточнить расчетные данные.

    Многодиапазонные направленные антенны

    В частности, при расчете не учитывалось влияние "земли", в первую очередь, из-за того, что в QTH автора в разных направлениях от антенны параметры земли отличаются кардинально. Изготовленная по расчетным данным антенна была первоначально установлена на высоте 1,8 м над коньком шиферной крыши и с небольшой регулировкой длин активных элементов (длин ЕН20 в А20) резонансные частоты были с помощью КСВ-метраустановлены на "свои места". Затем последовали подъем на рабочую высоту - 6,5 м над коньком четырехэтажного дома и 25 м над землей и проверка параметров. Основная проверка F/B на трех частотах каждого диапазона производилась по сигналам местной радиостанции UT1MQ в режиме приема. В приемнике включалась ручная регулировка усиления, уровень сигнала на НЧ выходе отслеживался с помощью вольтметра В7-37. Измеренные значения F/B были в пределах 18...30 dB. Интересный эксперимент удалось провести с Артуром (4X4DZ). В течение 20 мин обе стороны "прокрутили" друг другу свои антенны (у Артура - ТН-11) на всех пяти диапазонах, результат с обеих сторон примерно одинаковый - F/B в среднем на уровне 20 dB (З...4балла). Величина КСВ и полоса BW близки к расчетным, серьезные измерения усиления антенны еще не проводились.

    В конструкции ВМА-5 есть некоторые отличия от расчетной модели:

    • проволочные элементы выполнены из гибкого многожильного провода в изоляции ПВЗ сечением 2,5 мм2. Версия программы MMANA, используемая автором, "не умеет" считать проводники в изоляции, поэтому расчет произведен под "голый" провод, а реальные длины брались с учетом коэффициента укорочения Ку. Эксперимент показал, что Ку зависит от толщины изоляции и частоты и для ПВЗ-2,5 в KB диапазоне составляет около 0,97 (желательно уточнить);
    • начальные участки А12 и А17 ( до верхнего изолятора) выполнены с плавным изгибом, а в модели пришлось показать прямыми отрезками. То же относится к начальным (проволочным) участкам А15. В модели также трудно показать заделку провода в изоляторе. Поэтому пришлось исходить из равенства полной расчетной длины плеча элемента и полной длины реального провода (с учетом Ку). Это относится и к директорам Д12 и Д17.

    Следует также отметить, что реактивные нагрузки в программе задаются как точечные, а реальные L и С имеют свои длины, и это может отразится на точности расчета.

    На базе ВМА-5 отработана модель семидиапазонной антенны, включающая также по два элемента на диапазоны 30 и 40 метров. Возможно, со временем эту модель удастся осуществить в "железе".

    Часть этой модели - активный элемент на диапазон 40 метров (А40) уже применен (как дополнение) в существующей антенне (см. рис. 5 - фото). А40 выполнен на основе А20 за счет добавления к каждому из его концов катушки с индуктивностью 20 мкГн и концевой секции длиной 1,41 м (LOM-технология). Длины емкостных нагрузок пришлось несколько увеличить.

    В заключение можно отметить, что электромагнитные реле начинают появляться как в фирменных антеннах (MAGNUM 280 FORCE-12, TITAN EX и др.), так и в любительских разработках [8].

    Автор благодарит Бориса Катаева (UR1MQ) за большую помощь в процессе монтажа ВМА-5 и Александра Погуди-на (UT1MQ) за участие в измерениях.

    Литература

  • И. Гончаренко. Компьютерное моделирование антенн. - М.: РадиоСофт - Журнал "Радио", 2002.
  • В. Овсянников. Вибраторные антенны с реактивными нагрузками. - М.: Радио и Связь, 1985.
  • Э. Гуткин. Многодиапазонная направленная KB антенна. - Радио, 1985, №1,2, 3.
  • Э. Гуткин. Семидиапазонная направленная KB антенна ВМА-7. - Радио, 2003, № 2, с. 70-72.
  • Каталог фирмы FORCE 12. 2001 Product Line.
  • G. Bread. (K9AY). The Coupled - Resonator Principle. The ARRL Antenna Compendium, vol. 4
  • http://www.realhamradio.com.
  • Miller N. (NW3Z). V-YAGI: легкая антенна на 40 м. - Радиолюбитель. KB и УКВ, 1999, № 1.
  • Автор: Эрнест Гуткин (UT1MA), г.Луганск, Украина

    Добавить комментарий

    Защитный код
    Обновить

    Навигация

    Инструкции по эксплуатации

    Copyright © 2017 Электрические принципиальные схемы.