Часть 4: Разомкнутые “братья”
L. B. Cebik, W4RNL
Исследовав возможности “дельт” и прямоугольников (замкнутых рамок) на низкочастотных диапазонах, перейдём к их разомкнутым по семейству SCV антенн “братьям” – “полуквадратам’ (далее, - ПК). Хотя был разработан уже “брат” ПК двойной ширины – “bobtail curtain”, ПК, всё же, является самой фундаментальной антенной [ 1 ]. Как показано на рисунке Figure 1, ПК состоит из двух примерно равных четверти длины волны вертикальных проводов (стоек), соединённых между собой горизонтальным проводом длиной, примерно, в полволны. Этот горизонтальный провод действует как фазирующая линия для вертикальных стоек (штырей), хотя сама излучает неопределённо мало.
Figure 1.Основная раскладка антенны “полуквадрат”.
Точки питания могут быть расположены в углу и с конца провода. Размеры смотрите в тексте.
Первым вопросом, который часто задают о ПК, является ли он полноправным членом семейства SCV. Как и рамки ПК можно эксплуатировать без системы противовесов, на деле маленькая “заземляющая” поверхность может ухудшить усиление и оказать другие нежелательные влияния на характеристики антенны. Более того, можно смоделировать антенну в свободном пространстве и изготовить её ыерсии, направленные вверх или вниз на любую частоту. Для использования на низкочастотных диапазонах больше подходит версия антенны с направлением вниз, поскольку точки с максимальными токами, при этом, расположатся на углах, поднятых на максимально достижимую высоту [ 2 ].
Figure 2. Эволюция ПК из “дельты”.
Можно представить черты ПК, характерные для SCV антенны с помощью его моделирования в свободном пространстве. Начнём с прямоугольной “дельты”, как показано на рисунке Figure 2. Немного растащим провода в вершине антенны, имеющей высокий импеданс. Затем расстояние между концами проводов увеличим, одновременно, подстраивая резонансную частоту антенны. В таблице Table 1 показаны первые этапы в этой прогрессии. В действительности, ничего не случится, если провода не будут касаться при вершине антенны. Значительным увеличением длины горизонтального провода, установкой разомкнутых проводов в вертикальное состояние добиваемся перемещения точки питания получившегося ПК в угол. Наконец, для использования антенны в низкочастотном участке КВ диапазона удобнее перевернуть антенну, так, чтобы разомкнутые концы свисали вниз.. Конечно, в свободном пространстве, свисание проводов эфемерно, поскольку там нет ни верха, ни низа.
Более тщательное разделение между вертикальными элементами ПК даёт более острую двунаправленную ДН, чем рамочные антенны SCV. Подавление излучения вбок изменяется от 10 до более 15 дБ при знакомой форме ДН в виде земляного ореха. Пример такой ДН представлен на рисунке Figure 3. Является такая форма ДН преимуществом или недостатком зависит от нужд оператора.
Figure 3. Типовая для ПК ДН в горизонтальной плоскости, снятая при вертикальном угле излучения максимальной мощности, при нахождении антенны на высоте максимального усиления.
Как и у других антенн SCV, у ПК есть соотношение между горизонтальными и вертикальными размерами, которые обеспечивают ему максимальное усиление в свободном пространстве (и над землёй). Однако, это соотношение, похоже, не зависимо от частоты, разве что, небольшой эффект от увеличения диаметра провода (относительно длины волны – UA9LAQ) с увеличением частоты следует принять во внимание. Соотношение горизонтальной части антенны к вертикальной для максимального усиления составляет примерно 1,6:1 [ 3 ].
Для большинства антенн, наблюдается большой разброс при переходе с диапазона на диапазон и приводимые формулы, порой, не столько помогают, сколько заводят в тупик. Другое дело в случае с ПК, где имеется неизменная зависимость между длиной и высотой для максимального усиления, где такие формулы были бы как раз к месту. H – (горизонтальная), V – высота (всё в футах), а f - частота в МГц:
ПК с максимальным усилением на диапазоны 80 и 40 метров
ПК 80-метрового диапазона, рассчитанный на частоту 3,6 МГц требует длины горизонтального провода примерно 124,5 фута и два вертикальных провода по 77 футов каждый, все провода одинаковые: медные #12 AWG. Максимальное усиление этой антенны в свободном пространстве составляет примерно 4,6 dBi. Когда антенна помещается над поверхностью земли на некоторой достижимой высоте, то об усилении как в свободном пространстве следует забыть, если почва имеет очень высокое качество сильно отличающееся от среднего.
В таблице Table 2 показан результат моделирования ПК 80-метрового диапазона над различными типами грунтов. Перечень может быть совсем коротким, так как, практически, во всех случаях, кроме очень плохой земли, ПК достигает максимального усиления, когда концы вертикальных составляющих ПК расположены вблизи поверхности земли. Действительно, наиболее желаемая, с точки зрения получения максимального усиления, высота, расположена ниже для средней почвы, чем для плохой и очень хорошей земли. Но, как и другие антенны SCV, ПК даёт устойчивое значение импеданса в точке питания для моделей, питаемых с угла, несмотря на тип почвы, расположенной непосредственно под антенной. Антенна близка к резонансу в районе импеданса в 70 Ом, хотя очень близкое расположение антенны к поверхности земли, увеличивает это значение примерно на 10 Ом.
Соответствующий ПК с максимальным усилением будет иметь на частоте 7,15 МГц: длину - 62.45 фута, высоту – 39 футов, при использовании медного провода #12 AWG (2,1 мм). Поскольку диаметр провода #12 составляет большую часть длины волны (видимо по отношению к более низкочастотным диапазонам – UA9LAQ), то усиление антенны в свободном пространстве составляет около 4.7 dBi. Но, как и в диапазоне 80 метров, ПК не достигает значения максимального усиления над поверхностью земли, если почва много лучше, чем средняя.
В таблице Table 3 приведены значения характеристик для ПК 40-метрового диапазона над различными типами грунтов. Ещё раз напоминаю, что максимальное усиление антенна демонстрирует, когда концы её вертикальных составляющих находятся достаточно близко от земли, хотя их высота и зависит от типа почвы. В отличие от антенны 80-метрового диапазона, моделирование показывает, что антенна 40-метрового диапазона работает несколько лучше над плохой землёй, чем над средней, хотя эта разница незначительна, поскольку прогрессия углов излучения максимальной мощности является нормальной – угол линейно уменьшается с улучшением типа почвы. Прогрессии импедансов в точке питания антенны также в норме, что отвечает ожидаемым их значениям. Повторюсь, провод #12 на диапазоне 40 метров “жирнее”, чем на 80, отсюда импеданс в точке питания антенны, при резонансе, на несколько Ом ниже значения у такой же антенны ПК 80-метрового диапазона.
Хотя в таблицах имеются отметки высот(ы), показывающих высоты максимального усиления для плохой земли или лучшей, чем плохая, для очень плохой земли таких отметок нет. А смысл отсутствия таких отметок заключается в том, что над очень плохой почвой, при подъёме ПК, как на 80-, так и на 40-метровом диапазоне ,демонстрирует всё увеличивающееся усиление. Таблица Table 4 расширяет значения высот подвеса ПК 40-метрового диапазона над очень плохой почвой до высоты в 60 футов (для самой нижней точки антенны). Возрастающее усиление и уменьшение угла излучения к горизонту – налицо:
Прогрессию, представленную на рисунке Figure 4 преследует иллюзия. ДН в вертикальной плоскости сняты здесь для высот подвеса нижней части ПК 10, 25 и 40 футов, соответственно. Поднимаем антенну, усиление увеличивается, но растёт и уровень вторичных лепестков ДН, расположенных под большими углами. В погоне за большим усилением, конструктор ПК получает и приём сигналов, приходящих под большими углами, ухудшающий фильтрацию QRM и QRN, свойственную ПК. Где тут остановиться, найти разумный баланс между величиной усиления и уровнем помехозащищённости антенны над плохой землёй, решать конструктору ПК.
Figure 4. ДН в вертикальной плоскости ПК над очень плохой землёй на трёх разных высотах подвеса. Отметьте возрастающее усиление, а также возрастающий уровень вторичных лепестков ДН, расположенных под большими углами к горизонту.
В общем, ПК, почти над любым видом почвы даёт максимальное усиление на высотах вблизи поверхности земли, что не характерно для других антенн SCV. Как и другие его собратья, ПК начинает увеличивать уровень вторичных лепестков, расположенных под большими углами в ДН, как только высота подъёма антенны пройдёт высоту максимального усиления. Резкое увелмчение высоты подъёма антенны даёт увеличение уровня сигналов ближней зоны и частично или полностью нивелирует смысл применения антенны SCV.
Резонансные ПК 80- и 40-метрового диапазонов со входным импедансом 50 Ом
Из данных таблиц Table 3 и Table 4 ясно, что импеданс в точке питания ПК при максимальном усилении отличается от 50 Ом. Однако, к одним из достоинств питания ПК с угла можно отнести возможность питания его стандартным 50-омным Поэтому я перемоделировал ПК с целью получения импеданса в точке питания как можно более близкого к 50 Ом.
Модель ПК 80-метрового диапазона (3,6 МГц) требует увеличения горизонтальных размеров антенны до 155 футов и укорочения вертикальных составляющих ПК до 60 футов, каждый, для получения 50-омного входа в свободном пространстве. При этом соотношение в антенне горизонталь/вертикаль составляет примерно 2,58:1,Что означает значительный уход от соотношения максимального усиления равного 1,6:1. Если вернуться к тому же систематическому моделированию над различными типами грунтов и моделям с максимальным усилением, то появляется таблица Table 5. Все данные по усилению значительно ниже, чем в моделях с максимальным усилением, данные ухудшаются с ростом ухудшения грунта. Более того, высоты максимального усиления также уменьшаются, а углы излучения к горизонту растут. Мириться ли с этими уступками в деле достижения 50-омного импеданса или нет – дело конструктора ПК.
На рисунке Figure 5 показаны изменения активного и реактивного сопротивления в точке питания по диапазону 80 метров для модели ПК на частоте резонанса 3,6 МГц. Изменение активной компоненты импеданса по диапазону составляет, примерно, 77 Ом. После небольшого изменения конфигурации антенны, практически весь диапазон может быть перекрыт с КСВ не хуже, чем 2 : 1, принимая в расчёт тот факт, что реактивность может быть скомпенсирована в точке питания антенны. Однако, реактивность меняется в очень широких пределах, более 500 Ом, а это говорит за то, что и дополнительное изменение конфигурации и последовательно включенный конденсатор не смогут обеспечить перекрытие всего диапазона с приемлемым КСВ.
Резонансный ПК 80-метрового диапазона на высоте 15 футов.
Активное и реактивное сопротивления.
Figure 5. Активное и реактивное сопротивления в точке питания ПК 80-метрового диапазона (по диапазону) с резонансным импедансом 50 Ом.
В диапазоне 40 метров с ПК, рассчитанным на 50-омное питание проблем меньше. Размеры модели для частоты 7,15 МГц составили: длина – 70,5' фута, высота – 34,5 фута vertically (при изготовлении из медного провода #12 AWG). Соотношение длина/высота составляет примерно 2 : 1, что намного ближе к соотношению максимального усиления, чем это достигается в ПК 80-метрового диапазона. Как показано в таблице Table 6, уменьшения усиления на 40-метровом диапазоне носят не такой “ужасающий” характер, как для 80-метровой модели, и высоты подвеса (везде ориентировка по высоте подвеса самой нижней части антенны над землёй – UA9LAQ), необходимые для получения максимального усиления, лишь на немного меньше, чем те, что необходимы для моделей с максимальным усилением над каждым типом почвы. Подобным же образом, возрастание угла излучения к горизонту менее катастрофичны. В общем, ПК 40-метрового диапазона рассчитанный по 50-омное питание, является более привлекательной антенной, чем таковая, но на диапазон 80 метров.
На 40-метровом диапазоне и питание антенны менее проблематично. Активная составляющая импеданса в точке питания ПК, как показано на рисунке Figure 6, изменяется, всего лишь, на 6 Ом или где-то в этих пределах, а вот реактивное сопротивление изменяется почти на 140 Ом. Отсюда, при питании ПК с угла, в диапазоне 40 метров появляется реальная возможность перекрытия всего диапазона, с приемлемым КСВ, использованием последовательно включенного дистанционно подстраиваемого КПЕ, при прямом питании коаксиальным кабелем, при условии дальнейшей оптимизации антенны с целью внесения в неё реактивности индуктивного характера по диапазону.
Резонансный ПК 40-метрового диапазона на высоте подвески в 10 фуирв.
Активное и реактивное сопротивления.
Figure 6. Изменение активного и реактивного сопротивления в точке питания резонансного ПК 40-метрового диапазона с 50-омным импедансом на резонансной частоте.
КонцевоепитаниеПК
Питание ПК с угла устраняет в большой степени необходимость в более сложной системе согласования, когда антенна используется только на диапазоне, для которого она была рассчитана. Напротив, питание антенны наиболее традиционным способом – со свободного конца вертикальных её составляющих, - требует применения параллельного настроенного контура, резонирующего на выбранном диапазоне. Катушка упомянутого контура имеет отвод для питания коаксиальным кабелем. Дополнительный отвод может быть сделан у горячего конца контура для обеспечения возможности более точного согласования.
Figure 7. Сравнительные ДН в горизонтальной плоскости ПК, питаемого с угла и с конца. Антенны идентичны, кроме положения точки питания.
На основной частоте, для которой был рассчитан ПК, положение точки питания даёт мало разницы в ДН, что и показано на рисунке Figure 7. При питании с угла, двунаправленная ДН, практически, - симметрична с максимами усиления на 90 и 270 градусов, как показано на рисунке. При питании с конца, ДН антенны смещается примерно на 5 градусов, судя по точкам максимального усиления, которые наклонены от положения точки питания. Но, практически, довольно трудно распознать эту разницу.
Питание с конца антенны рекомендуется обычно, когда радиолюбитель собирается использовать её на нескольких диапазонах [ 4 ]. При дистанционной подстройке, это обычно осуществляется через многодиапазонный тюнер. Также, нет противопоказаний для питания антенны с угла параллельной (симметричной, открытой) передающей линией с применением тюнера между передатчиком и этой линией на дополнительные диапазоны.
Таблица Table 7 содержит результаты сравнения применения ПК 80-метрового диапазона на диапазонах 40, 30 и 20 метров. Путём сравнения систем питания ПК с угла и с конца определяем, что, при этом условии, в ДН моделей одинарного ПК нет особенной разницы. Небольшая разница в усилении, так же как и в углах максимального излучения, получается за счёт большей или меньшей выпуклости лепестков в ту или иную сторону ДН. Главная же разница между различными точками питания ПК заключается в получаемых в них импедансах.
Figure 8. ДН в горизонтальной плоскости ПК 80-метрового диапазона в 40-метровом диапазоне. ДН, питаемого в центре ПК аналогична.
На диапазоне 40 метров ДН напоминает квадрат для обоих систем питания, как очевидно показывает рисунок Figure 8. Максимальное усиление наблюдается по углам ДН наиболее удалённых от точек питания. Для контраста, диполь диапазона 80 метров становится близким к волновому на 40 метрах и даёт ярко выраженную двухстороннюю ДН с усилением около 9 dBi, если антенна подвешена на высоте в полволны для диапазона 40 метров. ПК распределяет усиление по азимутальным углам, в отличие от диполя.
Figure 9. ДН ПК 80-метрового диапазона, питаемого с конца, на диапазоне 30 метров. ДН ПК, питаемого в центре (с угла) аналогична.
ДН ПК 80-метрового диапазона на диапазонах 30 и 20 метров не очень сильно отличаются друг от друга, как ясно видно из рисунков Figure 9 и Figure 10. “Квадрат” ДН удлиняется с увеличением усиления в направлениях нашего интереса. Применение антенны на 20-метровом диапазоне показывает недостаток - наличие основных лепестков ДН в вертикальной плоскости, расположенных под большими углами к горизонту, несмотря на то, что вертикальные лепестки основного излучения в вертикальной плоскости довольно широки. Импедансы в точке питания ПК на обоих диапазонах требуют применения тюнеров с большим диапазоном перестройки.
Figure 10. ДН в горизонтальной плоскости ПК 80-метрового диапазона, питаемого с конца, на диапазоне 20 метров. ДН антенны, питаемой в центре аналогична.
Конечно же, приведённые ДН, не способствуют работе с DX. Но, для участия в соревнованиях и в повседневной работе такие ДН дают преимущества, которых нельзя достигнуть, имея направленные (включая двунаправленные с большим усилением) антенны. Однако, в некоторых случаях, настройки антенного тюнера могут быть очень острыми и требуют перестройки даже при небольшой расстройке по частоте.
Хотя ПК и можно использовать при работе на нескольких диапазонах, его характерные особенности, как антенны вертикально поляризованного излучения с малым углом излучения к горизонту, с малым усилением, которая даёт довольно большое соотношение сигнал/шум на DX-сигналах, остаются. Как стало очевидным, при исследовании представителей семейства антенн SCV, для получения максимального усиления, их необходимо монтировать как можно ниже над поверхностью земли, насколько позволяет их конфигурация, что справедливо над большинством типов грунтов. Однако, максимальное усиление модели антенны 80-метрового диапазона будет на высотах 90…100 футов, тогда как Ир же самое будет происходить с моделью 40-метрового диапазона на высотах 50…60 футов. За исключением случая размещения над очень плохой землёй, дальнейшее увеличение высоты подвеса не даст улучшения характеристик антенны, если иметь в виду одновременное восприятие как усиления, так и угла излучения к горизонту, соответcтвующего максимальному излучению.
Более того, если кого-то устраивает двухсторонняя ДН, то для возможности круговой работы, необходимо применить два ПК, расположив их под прямым углом друг к другу. Но, с небольшим количеством дистанционных переключений, можно разработать антенную систему, изменяющую излучение на 90 градусов, с питанием общей вертикальной составляющей и расстройкой неиспользуемых проводов антенны. Конечно, иметь площадь для размещения такой антенны – первое дело.
Что ж, эта серия описаний подошла к концу. Я и не пытался даже сравнивать различные типы антенн SCV, хотя я и сравниваю антенны внутри каждого их типа. Поскольку каждый тип антенн SCV имеет собственные установочные требования, вопрос “что лучше?” и “что хуже” становится комплексным, приходится не только учитывать данные по пространственным характеристикам и таковым, описывающим точки питания антенн, а также все конструктивные данные и их отношение к будущей площадке размещения антенны. Несмотря на это, будущий пользователь антенн SCV должен помнить, что эти антенны, как класс, не являются антеннами общего назначения. Более того, установленные с соблюдением условий, присущих каждому типу антенн внутри класса, эти антенны обеспечивают небольшое усиление, малый угол излучения к горизонту, отсутствие сколько-либо значимых лепестков в ДН, расположенных под большими углами к горизонту и, таким образом, формируют естественный фильтр от QRM и QRN, исходящих из ближней зоны. В некоторых случаях, пользователи используют такие антенны только на приём, а на передачу или диполи или аналогичные (отдельные) – для достижения отсутствия помех, приходящих под большими углами.
Располагая антенны SCV на слишком большой высоте, особенно, ПК, можно запросто нарушить главное функциональное преимущество этих антенн. Разработка их для диапазона 20 метров - крайнее дело, а на более высоких частотах другие типы антенн с успехом обходят SCV. Преимущества антенн SCV снова возвращаются в нижней части УКВ диапазона, где они уже могут быть подвешены на высоте многих длин волн и их большей частью вертикальная поляризация в союзе с углом излучения около 60 градусов может работать в некоторых случаях лучше и удобнее, чем Yagi, повёрнутая только в одну сторону.
Кроме этих, очень общих комментариев, я разработал сравнительный анализ с другими типами антенн. Хотя тщательные сравнения полезны, большая часть материалов там посвящена представлению антенн SCV и ограниченность места для такой презентации предлагает, что это должно быть упражнение для читателя, как порой любят повторять в печати.
Действительно, осталось столько вопросов, непосредственно касающихся антенн SCV, которые необходимо было б рассмотреть. Некоторые радиолюбители делают антенны SCV с уменьшенными размерами (укороченные). Другие удваивают одинарные антенны, например, двухвитковая “дельта”, разомкнутая антенна “double magnetic slot”, и “bobtail curtain”). Некоторые умудряются изготавливать и реверсивные направленные SCV антенны. Мы коснёмся этих проблем в оставшихся материалах.
Литература:
1 Антенна ПК появилась в обиходе после её большей производной - антенны “bobtail curtain”. Смотрите: Ben Vester, K3BC, "The Half Square Antenna," QST (March, 1974), 11-14. Дополнительные записки появились в: Radio Communications for January, 1977 (p. 36).Смотрите также: Robert Schiers, N0AN, "The Half-Square Antenna," Ham Radio (December, 1981), 48-50. Во всех этих трёх ранних источниках антенна представлена как питаемая напряжением с одного из её свободных концов. Об антенне “bobtail curtain”, смотрите: Woodrow Smith, W6BCX, "Bet My Money on the Bobtail Beam," CQ (March, 1948), 21-23 and 92-95. Смотрите также последующие статьи Smith’а: "The Bobtail Curtain and Inverted Ground Plane," Parts 1 and 2 in Ham Radio (February, 1983), 82-86, and (March, 1983), 28-30. See also John Devoldere, ON4UN, Antennas and Techniques for Low-Band DXing, 2nd Ed. (Newington: ARRL, 1994), Chapter 12, "Other Arrays."
2 ПК УКВ диапазона будут рассмотрены в последующем номере Communications Quarterly. К сожалению, некоторые пользователи ПК переоценивают возможности этой антенны, особенно, на высокочастотных КВ диапазонах. Смотрите, например: Hannes Coetzee, ZS6BZP, "A Visit to the Half Square Antenna," Communications Quarterly (Spring, 1998), 83-90. На нормальной высоте (в ½ длины волны или более), диполь обычно превосходит ПК на верхних КВ диапазонах. Применение ПК оправдано на низкочастотных КВ диапазонах, наряду с другими SCV антеннами, которые сохраняют двухстороннюю направленность с достаточным усилением и излучением под малыми углами к горизонту, что помогает фильтровать сигналы DX радиостанций в условиях помех, приходящих из ближней зоны под большими углами к горизонту. Наиболее характерно применение антенн SCV (в частности: ПК) там, где подвес их на высоту в полволны и более не является возможным.
3 Если выразить это соотношением вертикальных размеров к горизонтальным, то соотношение будет 0,62:1. Применяя эффект толщины провода, получим константу Fibonacci:
(Это уравнение даёт значение примерно 0,618034, которое также даёт обратное соотношение, примерно, 1,618034. Числа – длиннее, т. Е., имеют больше знаков после запятой – указано специально для дотошных математиков. Ссылка на Fibonacci является здесь спорадической, случайной (носит характер частного случая) по контексту; соотношение выдерживается, по крайней мере, по всему КВ диапазону.
4 Смотрите, например, Joe Everhart, N2CX, "End-Fed Half-Wave Antennas," QRPp (Spring, 1998), 11-15.
Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ)
ua9laq@mail.ru
г. Тюмень июнь, 2004 г