CQHAM.RU :: Радиолюбительские статьи :: "«Трехэлементный волновой канал» с двумя дополнительными рефлекторами"

Описывается опытный образец фактически 5-ти элементной антенны с усиление около 12 дцб., который подтверждает новую версию распространения радиоволн.

Проектирование, изготовление и испытание этой антенн связано со статьей «Как распространяются радиоволны?», опубликованной в разделе «Непроверенные идеи». Новое модельное представление возникло, как попытка объяснить необычное явление, известное всем радиолюбителям работающим на144 мгц. Это - замирание сигнала через каждые пол волны как в сторону удаления от излучателя, так и в поперечном направлении. Такой эффект не находит объяснения в существующем представлении, что радиоволны распространяются наподобие волн на поверхности воды при падении какого-либо предмета. Высказывалось предположение, что волны распространяются наподобие расположения звеньев якорной цепи. Причем электрические вихревые поля, как вертикальные звенья якорной цепи побуждают, в соответствии с законом Био-Савара, магнитные вихревые поля в виде горизонтальных звеньев якорной цепи. Такое представление очень четко объясняет поляризацию излучения и причину снижения уровня сигнала через половину длины волны. Из этого представления следовало, что общеизвестная неэффективность установки дополнительных рефлекторов, кроме одного, вызвана тем, что предполагалась их установка в один ряд с другими элементами. По новой модели распространения радиоволн дополнительные рефлекторы надо устанавливать сбоку линии остальных элементов на расстоянии порядка половины длины волны, естественно с учетом некоторого укорочения. За основу варианта, был принят 3-элементный волновой канал, описанный в книге Ротхаммеля (Издание 1979 г.) на стр. 223. Построенная по рекомендуемым размерам антенна действительно показала усиление «вперед» в два раза по напряженности электрического поля, по сравнению с диполем, то есть той же антенны, но без директора и рефлектора. Это как раз соответствует усилению по мощности в 6 дцб. Непосредственно установка двух дополнительных рефлекторов вначале не дала какого-либо существенного эффекта. По предположению, эта неудача была объяснена отсутствием регулировок по согласованию и настройке в резонанс. После этого в конструкцию вибратора были внесены изменения. Они заключались в установке регулируемого Т-согласования и настройке в резонанс за счет короткой настраиваемой линии в основании вибратора. Окончательно опытный 3-х элементный канал принял вид, представленный на рис. 1.

Рис. 1 . Схема экспериментальной антенны. 1- вибратор из двух частей из алюминиевой проволоки диаметром 3,5 мм.. Длина по вертикали каждой части 400 мм. Длина загиба по горизонталм 85 мм. 2.- Рефлектор из алюминиевой проволоки диаметром 5,5 мм., общей длиной 1040 мм. 3. – Директор из алюминиевой проволоки диаметром 3,5 мм. 4-Т-образное согласование из медной проволоки диаметром 1,5 мм из двух частей длиной по 320 мм. 5- скользящая перемычка в виде двух пластинок из кровельного оцинкованного железа размером 10х72, стягиваемых болтами диаметром 2 мм. Эти перемычки устанавливают согласование на нагрузку. 6- Скользящая перемычка для настройки вибратора в резонанс. Она такого же размера, как и перемычки для согласования. 7- симметрирующая и трансформирующая петля из кабеля в 50 ом длиной 680 мм.. Центральные жилы соединяются отдельно с ветвями Т-образного согласования. Концы оплетки этого отрезка соединяются вместе с оплеткой питающего кабеля и срединой перемычки 6. Центральная жила питающего кабеля соединяется с концом верхнего плеча Т- образного согласования.

Все элементы укреплялись на деревянной траверсе, пропитанной раствором «Мовиля», на подвижных соединениях. Антенна укреплялась на телескопическом удилище.

Как видно из рис. 1, для облегчения настройки сплошной вибратор был разрезан на две части, с загнутыми центральными концами, соединяемыми подвижной перемычкой. Также вместо рекомендованного размера Т-образного согласования в 475 мм было установлено регулируемое согласование на нагрузку за счет установки подвижных контактов. Таким образом, этот вариант обладал двумя плавными настройками: на резонансную частоту и на согласование входного сопротивления под 200 ом, для последующего согласования в 50 ом. Для замеров КСВ использовался заводской прибор ALAN K160, достаточно хорошо работающий и в диапазоне УКВ, в области орядка от 1 до 2.. В качестве индикатора поля использовался микроамперметр на 50 мка., с внутренним сопротивлением в 1930 ом, с выпрямительным мостом на ВЧ диодах, с питанием вертикальным диполем. Предварительно прибор тарировался на линейность показаний, в зависимости от подводимого переменного тока. При этом установлена полная линейность в пределах от 2 до 50 мка., где и проводились измерения. Замеры проводились на частоте 145,125 мгц. с отдаваемой мощностью в один ватт от портативной радиостанции ALAN 1400, с питанием от внешнего источника (Свинцовый аккумулятор для мотоциклов, напряжением 12 в. и емкостью 9 ач.), обеспечивающего длительное постоянство напряжение и, следовательно, мощности излучения. Антенна устанавливалась на высоте траверсы в 1,8м от поверхности земли. На этой же высоте устанавливался и индикатор поля. Расстояние индикатора от средней части траверсы антенны составляло 4 метра 40 см. При выборе антенны и ее конструировании широко использовалась программа MMANARUS, дающая возможность моделировать различные типы антенн. Она оказала неоценимую помощь и раскрыла многие особенности, о которых ранее было почти ничего не известно. Работа с этой программой на примере модели испытываемого опытного образца, показала всю сложность взаимодействий элементов антенны, в совокупности со всеми влияющими факторами.

Опыты проводились в четыре этапа.

1-й этап. На этом этапе измерения проводились только с одним вибратором. Размеры вибраторных половинок сначала были завышены. Первоначально движок настройки вибратора 6 устанавливался в среднее положение и, путем откусывания концов вибратора их длина уменьшалась до наступления резонанса. Он контролировался по движению к максимуму показания индикатора поля и по наступлению минимума КСВ. Эта процедура показала большое удобство такой системы настройки. В результате достигнут КСВ в 1,05, при показании индикатора поля в 10-11 микроампер. Далее была проверена диаграмма направленности. Оказалось, что она полностью круговая, как и в обычном диполе. Правда, программа MMANARUS показывает в этом случае небольшую разность с превышением излучения назад в 0,5 дб. Но, прямыми замерами это не улавливалось. Не влияло на диаграмму и расположение питающего кабеля, который был привязан к мачте из телескопического удилища, как показано на рис. 1. Программа MMANARUS предсказала влияние на настройку свободных внешних отрезков Т-образного согласования -6, хотя в известной нам литературе этот факт не упоминается. Есть отдельная рекомендация, что эта длина должна быть в пределах . На первом этапе эти отрезки были оставлены увеличенных размеров, порядка по 450мм, что позже привело к неожиданным результатам.

1-й этап. На этом этапе измерения проводились только с одним вибратором. Размеры вибраторных половинок сначала были завышены. Первоначально движок настройки вибратора 6 устанавливался в среднее положение и, путем откусывания концов вибратора их длина уменьшалась до наступления резонанса. Он контролировался по движению к максимуму показания индикатора поля и по наступлению минимума КСВ. Эта процедура показала большое удобство такой системы настройки. В результате достигнут КСВ в 1,05, при показании индикатора поля в 10-11 микроампер. Далее была проверена диаграмма направленности. Оказалось, что она полностью круговая, как и в обычном диполе. Правда, программ MMANARUS показывает в этом случае небольшую разность с превышением излучения назад в 0,5 дб. Но, прямыми замерами это не улавливалось. Не влияло на диаграмму и расположение питающего кабеля, который был привязан к мачте из телескопического удилища, как показано на рис. 1. Программа MMANARUS предсказала влияние на настройку свободных внешних отрезков Т-образного согласования -6, хотя в известной нам литературе этот факт не упоминается. Есть отдельная рекомендация, то эта длина должна быть в пределах . На первом этапе эти отрезки были оставлены увеличенных размеров, порядка по 450мм, что позже привело к неожиданным результатам.

2-й этап. На траверсу был установлен рефлектор, а затем и директор. В первом случае показания индикатора поля увеличились до значения 16 мка., а после установки директора поднялись до 21 мка. То есть усиление напряженности электромагнитного поля составляло около двух. Это составляет усиление по мощности в 4 раза или в 6 децибел. Кстати, для облегчения оценок заранее была составлена таблица перевода усилений в децибелы. Она помогала быстро оценивать результаты. Значение КСВ было равным 1,25. Далее проводилась новая настройка в резонанс и согласование на входное сопротивление. После достижения КСВ в 1,05 изменялись положения директора и рефлектора. Впрочем, усиление вперед при этом увеличилось незначительно, на 2-3 деления. Когда же, «по внешней ненадобности» постепенно удалялись свободные внешние отростки Т-образного согласования, то обнаружилось, что существует некоторая их длина, которая увеличивает усиление вперед сразу на 6-8 мка. То есть усиление по индикатору поля стало равным трем. Это составляет 9,54 децибела по мощности. Правда, поиск этого положения сопровождался не только уменьшением длины самих отростков, но и необходимостью новой настройки в резонанс, а также согласования под нагрузку, с последовательным перемещением движков. Поскольку прохождения максимума излучения вперед привело, в процессе поиска, к слишком большому укорочению свободных концов согласования, то пришлось восстанавливать эту длину путем припаивания удлинителей, благо это никакого труда не составляло, поскольку здесь была медная проводник диаметром 1,5 мм. В результате и была получена та длина, которая указана в описании к рис. 1, а именно – по 320 мм. Как оказалось, последующее снятие директора и рефлектора лишь незначительно увеличило КСВ до 1,1-1,15 и показания индикатора поля остались прежними, то есть равными 10-12 мка. Это дает возможность наглядно демонстрировать эффективность этой антенны путем установки этих двух положений. В результате нескольких замеров с некоторыми промежутками времени было получено максимальное усиление вперед в 32 деления, или на 9,29 децибел. Но в справочниках приводится усиление по отношению к диполю в свободном пространстве, а не диполя на той же высоте, что в этом опыте. Для приведения полученного усиления вперед к принятому методу по программе MMANARUS были просчитаны эти варианты и установлено, что усиление в свободном пространстве равно 2,28 дцб., а на расстоянии 1,8 метра от земли – 2,96 децибел. Следовательно, для перевода усиления в принятый способ надо разность 2,96-2,28=0,68 дцб. прибавить, к полученному нами, 9,29 дцб. Это даст 9,97 дцб. Или, практически, с небольшим округлением – 10 децибел. Таким образом, такая настройка дала неожиданно высокий результат, по сравнению с публикуемыми в литературе, 6-7 дцб. В завершении второго этапа была проведена проверка симметричности действия согласующего устройства. Для этого были переставлены директор и рефлектор. То есть на то место, где стоял рефлектор, был поставлен директор и наоборот. Путем передвижения всех элементов по траверсе были восстановлены и расстояния между элементами. Предполагалось, что если комбинация согласующих элементов с вертикальной поляризацией симметрично излучает радиоволны, как это имело место у простого диполя, то перемена местами рефлектора и директора просто повернет диаграмму направленности в противоположную сторону. Но, как оказалось, такая перестановка привела к снижению максимального усиления до значения 17 мка. Это означает, что согласующее устройство действительно действует не симметрично. Это как раз и объясняется, повидимому, особой ролью длины свободных отростков Т-образного согласования.

3-й этап. На этом этапе определялась основная, поставленная ранее задача: установить, можно ли с дополнительными рефлекторами управлять усилением вперед, как это предполагалось в статье на сайте. Такое предположение основывается, как следствие из нового предполагаемого механизма распространения радиоволн, что и являлось основной информацией самой статьи. Возражением этому является одно из предупреждений в книге Ротхаммеля, в виде шести пунктов (Стр. 222) один из которых звучит, что подключение дополнительного рефлектора, помимо одного, не приводит к усилению в прямом направлении. Предварительное моделирование на MMANARUS, показывает, что такого усиления действительно добиться не удается. Однако, вопреки этому, опытным путем было установлено, что наиболее подходит длина дополнительных рефлекторов в 1м 11см. Причем они должны быть расположены по обе стороны от основного рефлектора на расстоянии 93 см от траверсы, то есть по оси y, и несколько впереди от рефлектора по оси x на расстоянии 23 см. Установка таких рефлекторов показала, что отклонение стрелки индикатора поля достигает 44мка. Это означает, что напряженность электрического поля по отношению к вертикальному диполю в процессе испытаний увеличивается в четыре раза, что составляет усиление по мощности в 16 раз. Это соответствует 12,04 дцб. Или по отношению к диполю в свободном пространстве это будет 12,04+0,68=12,72 дцб. То есть установка дополнительных рефлекторов привела к увеличению усиления вперед на 12,04-9,29=2,75 дцб. По описаниям в справочниках (Ротнаммель, стр 230) такое усиление соответствует тринадцати элементной антенне с длинной несущей траверсой длиной 7,2 метра. Возможно, описанная здесь конструкция найдет свое практическое воплощение, где требуются меньшие габариты, чем это имеет место без дополнительных рефлекторов. Во всяком случае, здесь дано доказательство, что боковые рефлекторы существенно увеличивают излучение вперед. Это подтверждает предположение, что радиоволны распространяются в виде сетки чередующихся электрических и магнитных вихревых колец. Причем, положительное действие боковых рефлекторов, в опытах, проявилось именно потому, что они расположены, с эффектом укорочения, в точках максимума напряженности электрического поля. Программа же MMANARUS этот эффект не обнаруживает именно потому, что она базируется на прежнем представлении о распространении радиоволн.

4-й этап. Здесь снималась диаграммы направленности двух отмеченных выше вариантов антенн. Результаты замеров приведены в в 2-х таблицах таблице и на

3-х элементная антенна.

Градусы        Показания индикатора поля в мка.                  Градусы   Показ. инд. поля.

       0                               32                                               100                     2
      20                              26                                               120                     1
      40                              23                                               140                     1
      60                              11                                               160                     2
      80                                6                                               180                     2

5- элементная антенна с дополнительными боковыми рефлекторами.

Градусы        Показан. инд. поля в мка.                              Градусы    Показ инд. поля в мка

       0                               44                                               100                      1
      20                              38                                               120                      1
      40                              19                                               140                      0
      60                                5                                               160                      0
      80                                2                                               180                      1

Для сравнения эти данные приведены на графике рис. 2.

Рис. 2. Диаграмма направленности излучения 3-х вариантов антенн. 1- трехэлементный волновой канал дополнительными рефлекторами и особым влиянием согласующего устройства. 2- трехэлементный волновой канал с особым влиянием согласующего устройства. 3- диполь с Т- образным согласованием.

По этим данным можно судить о степени остроты диаграммы.

Думаю, в принципе, этот вариант антенны должен вызвать интерес не только у радиолюбителей, но и у тех, кто профессионально занимается проектированием антенн.

«Трехэлементный волновой канал» с двумя дополнительными рефлекторами

Автор: Ляхов В. К. (UA4HUL)