Часть 6: Система Брюса (TheBruceArray): Современное состояние
L. B. Cebik, W4RNL
В книгеThe ARRL Antenna Book давно содержится интересная информация по антенной системе Брюса, разработанная для современных изданий (стр. от. 8-42 до 8-47 в 19-м издании) Rudy Severns’ом, N6LF. Несмотря на это, я продолжаю получать письма, касающиеся этой антенной системы, причём, большинство удивляется, как же такая система укладывается в создание общего излучения, по сравнению, с антенной “bobtail curtain” и, вообще, относится ли данная система к тому классу, который я называю: SCV.
Для интересующихся отвечу, что укладывается да ещё как! Оптимизированный “полуквадрат” на 3,6 МГц даёт усиление примерно 3,8 dBi (дБ по отношению к изотропному (всенаправленному) излучателю – UA9LAQ) перпендикулярно плоскости антенной системы, при угле излучения к горизонту порядка 18 градусов, при условии, что мы выполним её длину, примерно, равной 0,46 длины волны и подвесим основание антенны на высоту, примерно, 15 футов над землёй. Антенна “bobtail curtain” на той же высоте подвеса и рассчитанная на ту же частоту, требует длины 1,08 длины волны для усиления, примерно, 5,5 dBi, при угле излучения к горизонту равном 19 градусам. Трёхэлементная система Брюса длиной, примерно, ½ длины волны даёт такое же усиление, как и “полуквадрат”, При длине антенны “bobtail curtain”, система Брюса даёт усиление около 6,3 dBi.
Однако, для данной длины на систему Брюса пойдёт больше провода, поскольку вертикальные её элементы расположены на расстоянии всего ¼ длины волны друг от друга. Также, поскольку некоторые проводники системы Брюса расположены в нижней части антенны, то она имеет тенденцию давать максимальное усиление (как и у членов вышеупомянутого семейства) на высоте подвеса в 0,15 длины волны – примерно, 41 фут над землёй. Отсюда, расположение антенны, с целью получения от неё максимального усиления имеет тенденцию к подъёму верхушки антенны на высоту примерно 0,41 длины волны, что составит 111 футов для резонансной частоты антенны, равной 3,6 МГц. Возможно, Вы пожелаете сравнить составляющие системы по размерам с “полуквадратами” и антеннами “bobtail curtain”, описанными в частях 4 и 5 серии антенн SCV. Возможно, Вы пожелаете сравнить размеры с таковыми и в других формах антенн SCV, описанных в первых частях серии, особенно, в прямоугольнике, питаемом со стороны и в двойном прямоугольнике.
Такие простые ответы не расставляют все точки над i, относительно системы Брюса, поскольку возможность использования системы очень сильно зависит от местных условий. Однако, было бы полезно поэкспериментировать с этой антенной системой, чтобы ознакомиться со всеми её достоинствами и недостатками.
Что такое система Брюса и как она работает?
Системой Брюса называется длинный провод, сориентированный в пространстве так, чтобы образовать вертикальные ¼ длины волны проводники, разнесённые на расстояние также в ¼ длины волны. Чтобы быть уверенным, что антенна вертикально поляризована, запитаем её в центре любого из вертикальных элементов. Чтобы получить законченный вертикальный диполь, нужно отсчитать от точки питания ¼ длины волны, что подвинет нас к центру верхней или нижней горизонтальных сторон. Для получения полной длины вертикального диполя необходимо добавить к свободным концам концевых вертикальных проводов отрезки по 1/8 длины волны. Эти концевые проводники могут быть направлены наружу от антенной системы, но, из-за недостатка свободного места некоторые конструкторы антенн заворачивают (загибают) дополнительные проводники внутрь. Направление расположения дополнительных проводников не играет особой роли, поскольку система имеет доминирующее (но не полностью) излучение вертикальной поляризации, с резонансными токами в горизонтальных проводниках, в значительной степени уничтожающими друг друга (баланс токов в горизонтальных проводниках).
На рисункеFig. 1 показаны наиболее часто встречающиеся формы систем Брюса, имеющие от 2 до 5 вертикальных элементов, используемые радиолюбителями. На практике, Вы можете продолжать систему до тех пор, пока не надоест, пока не кончится свободное место. На рисунке представлены и названия частей антенной системы: горизонтальные, вертикальные и конечные проводники. В каждом случае, по крайней мере, - вначале, будем питать антенну или в центре вертикальных проводников, или в точке, ближайшей к центру одного из вертикальных проводников.
Для примера, возьмём резонансную частоту антенны 3,6 МГц, такую, чтобы можно было сравнивать с ранее описанными славными представителями семейства антенн SCV. Размеры будут даны в длинах волны или в частях длин волны, так, чтобы можно было без проблем управляться, варьируя антенну по диапазону. Все модели будут одинаково выполнены из медного провода AWG #12 (2,1 мм), кроме, небольшого набора случаев, приведённых в примечаниях, приведённых внизу. Моя первая начальная модель системы Брюса была 4-элементной, взятой из The ARRL Antenna Book и имела рекомендованные там размеры в 1,05 длины волны. Отсюда ¼ части длины волны, в действительности, были равны 0,26, а 1/8 части - 0,135 длины волны. Так что немного помудрствуем лукаво и изменим размеры.
Аппроксимированные (приближенные) размеры помогают разобраться в принципе работы антенной системы Брюса, а рисунок Fig. 2 поможет нам в достижении этой благородной цели. Кривые линии показывают амплитуды токов вдоль каждого элемента, в том случае, когда мы питаем антенну в центре вертикального элемента. Поля, как показано амплитудами токов на вертикальных элементах, складываются, образуя двухстороннюю ДН. Горизонтальные проводники имеют в центрах минимумы токов, и, конечно же, на концевых проводах токи стремятся к нулю, здесь мы имеем максимумы напряжения, высокого, - нужно заметить.
Что на рисунках нельзя увидеть, так это то, что ток претерпевает фазовый сдвиг на 180 градусов от одной центральной точки на вертикальном элементе до другой. Мы это обстоятельство используем позднее в дискуссии об альтернативных питающих системах. А теперь, просто отметим, что этот постоянный сдвиг по фазе токов от одного центра вертикального элемента к другому создаёт условия, при которых излучения от горизонтальных проводников самоуничтожаются, оставляя преимущественно вертикально поляризованное излучение антенной системы.
На рисунке Fig. 3, приведена ДН в вертикальной плоскости, наложенная на изображение антенной системы, при подвесе этой системы на высоте 15 футов над землёй. ДН очень хорошо стыкуется с антеннами вертикальной поляризации и расположена перпендикулярно к плоскости антенны.
Среди страстных конструкторов антенн бытует мнение, что нижний горизонтальный элемент в центре антенной системы иметь удобнее. Потому-то, они часто разрывают провод в его центре и подключают открытую питающую линию. Как только мы “дёрнемся” в эту сторону, всё сразу изменится.
На первый взгляд, при моделировании, мы не обнаружим, что сменили сау суть антенны. На рисунке Fig. 4 показана диаграмма амплитуд токов очень похожая на приведённую на рисунке Fig. 2. Что эти диаграммы токов не показывают, так это то, что фаза на горизонтальных проводниках не изменяется и остаётся неизменной на каждом конце горизонтального провода. В результате мы получаем диаграмму, приведённую на рисунке Fig. 5.
Питание системы Брюса последовательно в центре горизонтального проводника изменяет ДН с перпендикулярной на вытянутую вдоль полотна антенной системы и значительно снижает её усиление: примерно 3,2 дБ для показанной 4-элементной системы. Существуют системы питания антенны Брюса в центре основания, которые дают довольно большое усиление и перпендикулярное излучение вертикальной поляризации, необходимое нам, но с помощью простой последовательной системы питания здесь ничего не сделать.
На рисункеFig. 6 показан более правильный способ получения системы с вертикальной поляризацией с питанием в центре. Соединяем с землёй вертикальный провод, идущий из центра нижней горизонтальной стороны и подключаем питание между концом данного провода и землёй. Рассмотрим эту питающую систему несколько позднее. А теперь, останемся один-на-один с основными возможностями системы Брюса и предположим, что мы будем питать её в центре вертикального проводника или способом, симулирующим такое питание.
На рисунке Fig. 7 представлено изменение КСВ для нашего начального проекта: системы Брюса на частоту 3,6 МГц. КСВ относительно импеданса 250 Ом интересен тем, что показывает рамки изменения КСВ 2 : 1 в полосе немного более 200 кГц. Но кривые изменения активного и реактивного сопротивления - ещё интереснее…
Активное сопротивление с изменением частоты меняется мало. В большей степени происходит изменение реактивного сопротивления, но, практически, по линейному закону при увеличении частоты. Вместе оба этих факта дают возможность конструктору антенны расширить полосу её пропускания. Во-первых, нужно так разработать антенну, чтобы она имела реактивность индуктивного характера на самой низкой частоте диапазона (т. е., была бы чуть длиннее, чем требуется – UA9LAQ). Во-вторых, расположите дистанционно подстраиваемый конденсатор переменной ёмкости на зажимах антенны вверху, включив последовательно в цепь её питания. КПЕ будет компенсировать индуктивную реактивность, оставляя активную составляющую импеданса близкой к 250 Ом (для нашей опытной антенной системы). В-третьих, добавьте “балун” 4 : 1 и запитайте систему 75- или 50-омным коаксиальным кабелем. Большинство “балунов” работают эффективно, когда на их зажимах для нагрузки мало или совсем нет реактивности, так что “балун” сослужит здесь добрую службу. На рисунке Fig. 8 показана общая схема для этой системы питания.
Мы рассмотрим некоторые другие возможности питания в конце наших исследований системы Брюса. Ну, а теперь – время выяснения размеров системы и способов её монтажа.
Каковы размеры, и на какой высоте?
Если мы рассмотрим обычную конфигурацию радиолюбительской системы Брюса, то кое-что в 2-элементной её версии нас заденет, при этом, как из ряда вон выходящее. Она напоминает питаемую сбоку квадратную рамку, но имеющую зазор. Мы можем помещать этот зазор хоть сверху, хоть снизу. На рисунке Fig. 9 показана квадратная рамка и её два родственника системы Брюса.
Отметьте, что зазор в системе Брюса (в обеих версиях) расположен в точке с высоким импедансом, высоким напряжением, в точке минимума тока. При исследовании эволюции “полуквадрата” из замкнутой рамки, такой, например, как “дельта”, я обнаружил, что в точке с высоким импедансом можно, без заметного влияния на характеристики антенны, разомкнуть рамку. Практически нет разницы между высокоимпедансной точкой на периметре замкнутой рамки и очень высокоимпедансным зазором, если последний - невелик. В действительности, последующая таблица даёт характеристические данные для 2-элементного квадрата и его соперников системы Брюса, при подвесе их на высоте в 0,15 длины волны.
Оригинальная 4-элементная модель системы Брюса, выполненная из медного провода AWG #12 с приведёнными размерами (0,26 длины волны - вертикальные и горизонтальные провода и 0,135 длины волны - концевые проводники) обнаружила импеданс равный 248 - j61 Ом, при питании в центре одного из внутренних вертикальных проводников. Это условие выполняется при высоте подвеса основания антенны в 0,15 длины волны, или примерно 41 фут. Следующим вопросом было: как расширить структуру, чтобы ввести систему в резонанс.
Самым простым выходом из положения было бы увеличение длины концевых проводников, до тех пор, пока система не подойдёт к резонансу на расчётной частоте. Однако, этот трюк чреват небольшой потерей усиления. В оригинальной разработке усиление составило 5,20 dBi при угле излучения максимальной мощности к горизонту в 16 градусов и импедансе в точке питания 248.6 - j60.6 Ом. Увеличение длины концевых проводников на 0,01…0,145 длины волны приводит антенну к резонансу с импедансом 259.2 - j 2.5 Ом. Однако, усиление, при этом, падает до 5,11 dBi.
Вторым способом увеличения размеров системы, с целью введения системы в резонанс, является небольшое увеличение длины её вертикальных составляющих. Этот способ следует признать весьма хорошим, так как он способствует увеличению высоты антенны. Однако, этот способ также уменьшает усиление на пути к резонансу. Увеличение длины вертикальных составляющих на 0,005…0,265 длины волны приводит систему в район резонанса с импедансом в точке питания равным 261.4 - j3.3 Ом, но снижает усиление на 0.02 дБ. Хотя падение усиления и небольшое, но мы не пойдём этим путём.
Действительно, наилучшим путём сохранения усиления антенной системы и ввода её в резонанс является удлинение горизонтальных проводов. Хотя удлинение этих проводников и небольшое, но оно увеличивает расстояние между вертикальными проводниками, что способствует (компенсирующему – UA9LAQ) росту усиления. В идеале, вертикальные проводники позволяют получить максимальное усиление в фазированной системе с расстоянием между ними около ½ длины волны. Этого в системе Брюса мы достигнуть не можем, поскольку эта система состоит из согнутых диполей, пристыкованных один к другому концами. Тем не менее, любое разумное увеличения расстояния между вертикальными составляющими, которое не уменьшает высоты антенны, является залогом увеличения усиления. (Есть ещё один способ увеличения длины антенны без ухудшения её параметров: коль конструктор не сделал припусков при изготовлении антенны, то, чтобы не пришлось вытягивать провод с целью покрытия недостающего куска, придётся припаять дополнительный провод и перегнуть всю систему с учётом снижения резонансной частоты – UA9LAQ).
В последующей таблице приведены окончательные значения (размеров) составляющих антенных систем Брюса. Небольшое уменьшение длины вертикальных составляющих и увеличение длины горизонтальных составляющих, от рекомендованных, позволит оптимизировать усиление и приведёт импеданс в точке питания к его резонансному значению.
При системе, помещённой основанием на высоту 0,15 длины волны (с соответствующей высотой верхушки – 0,405 длины волны) образуется интересная ДН в вертикальной плоскости перпендикулярная плоскости антенны. На рисунке Fig. 10 представлены смоделированные эскизы ДН.
Хотя ширина вертикальных лепестков ДН во всех четырёх версиях системы Брюса одинакова. Система с чётным числом элементов даёт большее подавление излучения прямо над антенной (меньше “светит” в космос - UA9LAQ). Версии с нечётным числом вертикальных элементов выполняются с одним конечным проводом, расположенным вверху, другим - внизу. Может быть этот факт и является причиной небольшого подавления излучения в зенитном направлении, я не исследовал, поскольку, в работе, это, практически незаметно. Хотя факт, безусловно, интересный.
Родственный вопрос, который уместно привести здесь, почему я всё время в моделировании располагаю основание антенны на высоте в 0,15 длины волны? Ответ прост: эта высота обеспечивает антенне максимальное усиление. Я исследовал характеристики 4-х версий системы Брюса, расположенных на высотах основания от 0,05 до 0,25 длины волны через промежутки в 0,025 длины волны. В последующих таблицах подтверждается мой выбор высоты подвеса основания антенны.
Высоты максимального усиления обозначены в таблицах знаком '+' . Отметьте, что версии системы с чётным количеством элементов безразличны к высотам между 0,15 и 0,175 длины волны, тогда как версии с нечётным количеством элементов демонстрируют одну очевидную высоту максимального усиления.
На рисункеFig. 11 показаны ДН в вертикальной плоскости 4-элементной системы Брюса с высотой основания над поверхностью земли в 0,05, ).15 и 0,25 длины волны. Из ДН явствует, что выбором высоты подвеса основания антенны можно влиять не только на значение максимального усиления антенны, поскольку и изменение усиления здесь не слишком большое. Обе ДН: для самого низкого и самого высокого подвеса системы Брюса показывают значительные излучения под большими углами к горизонту. Наиболее оптимальная высота подвеса основания составляет 0,15 длины волны и характеризуется наименьшим излучением под большими углами, что обеспечит более спокойную от QRN обстановку на диапазоне в наиболее “шумные” (летние – UA9LAQ) месяцы эксплуатации антенны.
На рисунке Fig. 12, мы можем сравнить ДН (снятых на уровне максимума излучения в вертикальной плоскости) в горизонтальной плоскости четырёх разновеликих систем Брюса, подвешенных на высоте 0,15 длины волны. Если мы увеличим количество элементов, то горизонтальный лепесток излучения сузится, что является основным признаком (источником) прибавления усиления, за счёт увеличения числа элементов системы. Однако, на два других признака, также, следует обратить наше внимание. Во-первых, 5-элементная система Брюса начинает “выпускать” в ДН боковые лепестки, что предупреждает нас о необходимости переконструирования (изменения конфигурации) действительно большой (с большим количеством элементов) системы Брюса с целью укрощения роста боковых лепестков. Во-вторых, ни одна из ДН не является действительно симметричной. Боковые лепестки 5-элементной версии антенной системы Брюса показывают этот факт наиболее наглядно, из-за её несимметричных размеров. Однако, если Вы тщательно пройдётесь по ДН других версий системы, то обнаружите, что ДН одной версии оказывается “чище” другой: одна сторона в них преобладает над другой. Разница также не заметна на практике, но является интересным фактором для исследования сущности антенн, которые, как правило, никогда не бывают симметричными на 100%.
На рисункеFig. 13 представлен общий вид изменения усиления при изменении высоты подвеса основания для четырёх версий антенной системы Брюса. В каждом случае, степень изменения усиления не очень высокая, при изменении высоты подвеса, хотя точка максимума усиления выявляется отчётливо. Более существенным фактом следует считать тот, что степень прибавления усиления с добавлением каждого нового элемента уменьшается. На оптимальной высоте, у 3-элементной версии антенны выигрыш в усилении над 2-элементной составляет 1,92 дБ. Добавление четвёртого элемента к 3-элементной даёт прибавку только 1,52 дБ, а 5-го элемента – только 1,08 дБ. Прогрессия к снижению добавления усиления с ростом количества элементов сохраняется. На практике, при увеличении количества элементов, наступает момент, когда дополнительно даваемая величина усиления не будет стоить уже потраченного на неё провода и механических поддерживающих средств, потраченной под систему площади (одним словом, антенна с очень большим количеством элементов – “овчинка”, которая не стоит выделки – UA9LAQ).
Изменение углов излучения к горизонту существенно для любой антенной системы, так что мы обойдём эту проблему и вплотную приблизимся к активному сопротивлению в точке питания антенны, показанному на рисунке Fig. 14. Что наиболее очевидно из таблиц и графиков, так это то, что активное сопротивление в точке питания возрастает с уменьшением высоты подвеса антенны. В зависимости от системы питания, выбранной разработчиком антенны, изменение импеданса в точке питания антенны в зависимости от высоты её подвеса может иметь существенное значение.
Но мы отметим ещё один интересный аспект изменения, который просматривается в сравнении приведённых четырёх строк. Шаг изменения активного сопротивления в точке питания антенны больше, при переходе от чётного числа элементов к нечётному, чем от нечётного к чётному. По отношению ко всей системе, точка питания версий с чётным количеством элементов расположена в центре горизонтали. Однако, когда число элементов чётное, то точка питания всегда смещена по горизонтали от центра. Позднее, мы познакомимся со способом исправления этой ситуации, но сначала изучим характеристику изменения реактивности для 4-х версий системы Брюса.
На рисунке Fig. 15 приведены кривые изменения реактивности. В каждом случае, реактивность носит наиболее ёмкостный или наименее индуктивный характер на, или, возле оптимальной высоты подвеса основания. Реактивность становится более “индуктивной”, когда мы увеличиваем или уменьшаем высоту подвеса основания антенн от оптимальной. Дополнительно, реактивность возрастает в большей степени в случае увеличения количества элементов в системе антенны, особенно, на малых высотах подвеса основания. Однако, величина реактивности находится в прямой зависимости от высокоомной активной компоненты импеданса в точке питания, которая сопутствует увеличению количества элементов антенны. Отсюда, КСВ не будет изменяться слишком сильно, что обусловлено импедансом при резонансе каждой версии антенной системы Брюса.
Некоторые переменные, которые влияют на характеристики антенн
Различные конструкторы антенн работают в своих специфичных условиях, так что, необходимо задать, хотя бы, несколько вопросов, относительно различий в конструкциях систем Брюса. Первый вопрос касается того, а что же произойдёт, если для антенной системы выбрать другой диаметр провода? Ответ – прост: не многое, хотя придётся попотеть на стадии моделирования антенны. В последующей таблице показаны результаты использования проводов от AWG #8 до AWG #14 для изготовления 4-элементной версии системы Брюса.
Разницу в усилении можно целиком отнести на счёт РЧ потерь в проводах, поскольку с проводниками не имеющими потерь, разница в усилении между самым тонким и самым толстым проводами составляет всего лишь 0,01 дБ. Подобным же образом, возрастание активного сопротивления в точке питания можно отнести на счёт того же явления. Разница в углах излучения к горизонту кажущаяся, получившаяся из-за округления результатов с точностью 1 градус: действительный угол излучения близок к 16,5 градусам.
Можно, не мудрствуя лукаво, при смене диаметра провода, выбрать данные из таблицы, не так это важно, потому что разница типов почв влияет на характеристики антенн куда больше, чем диаметр провода. Я провёл моделирование 4-элементной антенной системы, расположив её над стандартным набором типов почв, на оптимальной высоте подвеса основания, равной 0,15 длины волны и полученные результаты свёл в следующую таблицу:
Изменения импеданса в точке питания, в связи с изменением качества грунта – куда менее значительны, чем изменения в ДН для дальнего поля системы. Диаграмма, похоже, кого-то уже воодушевила на переезд в другое место, с лучшей почвой, для работы антенн вертикальной поляризации. Но, радиальные системы противовесов, выполненные под вертикальными антеннами могут быть сравнимы с грунтом любого качества (так что подумайте, менять QTH или не менять (Hi!) – UA9LAQ ).
Очень часто дают советы по размещению обширной радиальной системы под вертикальными антенными системами SCV. Чтобы рассмотреть, какой эффект даст такая система, я разместил 32 луча, каждый длиной по 0,25 длины волны под каждым вертикальным элементом антенны Брюса. Чтобы уберечься от пересечения с другими проводами и сегментами при моделировании я расположил радиальные системы поочерёдно на глубине 0,001 и 0,0015 длины волны под поверхностью земли. На рисунке Fig. 16 показана, получившаяся в результате модель в форме эскиза. Для проверки, я взял те же типы почв, какие были указаны в предыдущей таблице. Основание антенны осталось на высоте 0,15 длины волны.
В последующей простой таблице показан результат. Для цели лёгкого сравнения, я указал результат без противовесов над каждым типом грунта из предыдущей таблицы.
Усиление системы, в связи с введением противовесов, возрастает от 0,25 дБ над очень плохой землёй, до 0,02 дБ над очень хорошей землёй. Основной распознаваемый эффект сосредоточен на импедансе в точке питания, который, в связи с применением противовесов, становится менее зависимым от качества почвы. Эффект от применения противовесов в дальнем поле антенной системы – минимален. В действительности же, качество почвы, помимо противовесов, оказывает большее влияние на напряжённость дальнего поля антенны и на величину угла излучения к горизонту. Преимущество применения противовесов достигается ценой 8743 футов медного провода AWG #12 для изготовления 128 лучей. Длбавлять к системе Брюса противовесы или не добавлять – это, в конце концов, решение конструктора.
Есть одна система питания антенны Брюса, которая требует радиальной системы противовесов, но она будет частью нашей заключительной главы об альтернативных системах питания антенны Брюса.
Некоторые альтернативные системы питания антенной системы Брюса
Одной из альтернативных питающих систем, о которой мы уже упоминали, является использование вертикального провода, присоединённого к центру нижнего горизонтального проводника антенны. На уровне земли, между проводом и землёй, подключается питание. На рисунке Fig. 17 показана полная требуемая система питания антенны Брюса таким образом и получения вертикальной поляризации.
Поскольку соединяющий проводник является чем-то, вроде штыря, питаемого относительно земли, то нам необходима радиальная система противовесов, чтобы дополнить излучающую систему. В ранних версиях этого способа питания использовалось всего 2 противовеса, но я смоделировал систему (недостаточно) с использованием 32 противовесов. Недостаточность системы противовесов происходила из факта, что противовесы были зарыты в грунт и требовались определённые длины сегментов по другую сторону сегмента, в котором располагался источник или точка питания. Радиальные противовесы были зарыты в грунт на глубину 0,001 длины волны, а нам требуется осуществить соединение (с фидером) на уровне земли. В идеале, сегмент над этим соединением также должен быть длиной 0.001 длины волны, как и сегмент над ним. Вне этой высоты, остающиеся длины сегментов вертикального проводника могут быть сведены на конус к длинам сегментов, используемых в горизонтальном проводнике системы Брюса, в том месте, где вертикальный проводник соединяется с ним. (туманно… - UA9LAQ). Модель, которую я использовал вплотную приближается к этим требованиям, но может быть неполной на малых высотах подвеса. Эта незавершённость (неполность, недостаточность) немного, похоже, влияет на усиление.
Над средним грунтом, с 32-элементной системой радиальных противовесов под вертикальным питающим проводником, я получил результаты, сведённые в следующую таблицу. Цель предпринятого заключалась в определении: на какой высоте и, при какой длине питающего проводника, система приблизится к резонансу.
На оптимальной высоте относительно усиления антенной системы, центральный вертикальный питающий провод обнаруживает значительную ёмкостную реактивность. Одной из альтернатив для строящего такую антенную систему может быть: просто, включить отрезок открытой передающей линии между антенной и антенным тюнером, расположенным у передатчика. Однако, второй альтернативой может быть увеличение длины центрального вертикального проводника и увеличение высоты подвеса антенны, пока проводник не продемонстрирует в точке питания импеданс близкий к резонансному. Отсюда, я и включил эти этапы в предпринятое исследование.
Результаты должны быть более точными, чем может позволить моделирование. Но, несмотря на это, длина чуть меньше 0,25 длины волны должна обеспечить импеданс в точке питания, близкий к резонансному. Однако, мы должны не только отметить падение усиления, но и увеличивающуюся степень падения этого усиления при прохождении этого участка. Изменение длины в 0,003 длины волны повлечёт за собой уменьшение усиления, в этом участке, такой же величины, как начальное изменение в 0,05 длины волны, приведённое в таблице.
Также, поднятие антенны на высоту основания в районе 0,24 длины волны даёт нежелаемые эффекты относительно ДН. На рисунке Fig. 18 показана разница ДН в вертикальной плоскости, при поднятии основания антенной системы на высоты в 0,15 и 0,24 длины волны. За вычетом некоторых возможных специальных эксплуатационных требований, я делаю заключение, что ДН слева – наиболее желательна.
Всегда есть и будут строящие антенны, кто предпочитает использовать в качестве фидерных линий коаксиальные кабели: от передатчика до антенны. Мы уже рассматривали возможность приспособления такого способа питания к антенне Брюса с помощью компенсации реактивной составляющей и “балуна” 4 : 1. Но у нас - другие приоритеты. На рисунке Fig. 19 показан один из них, который как нельзя лучше подходит к 4-элементной системе Брюса.
Смоделированные линии передачи от двух внутренних вертикальных идут к центральной точке стыковки, одна линия реверсируется для достижения фазового сдвига токов на 180 градусов между двумя элементами. Противофазным питанием двух элементов достигается ситуация, когда импеданс в точке питания каждого составляет 125.0 + j 5.4 Oм. Физическое расстояние между элементами составляет 0,27 длины волны, что определяет физические длины каждой питающей линии как равные 0,135 длины волны. Если мы используем коаксиальный кабель RG-83 с характеристическим импедансом в 125 Ом, то электрическая длина его будет равна 0,16 длины волны или около того. Когда мы реверсируем одну из линий, то общий импеданс - близок к 65 Ом, практически без наличия реактивности.
На рисункеFig. 20 показана кривая изменения КСВ относительно импеданса 65 Ом, выведенная из модели этой системы. Ниже приведена кривая КСВ при использовании 50-омного кабеля в соединении. Использование кабеля в 75 Ом даст кривую КСВ, которая будет искривлена в другую сторону, по отношению к 50-омной. Хотя эта система и многообещающа, она зависит от возможности конструктора расположить поддерживающий кабеля столб в месте стыковки кабеля RG-83 с главным питающим кабелем. Также успех системы зависит от получения близких к идеальным импедансов в точках питания на двух внутренних вертикальных проводниках, а эти цифры зависят как от высоты подвеса основания антенны, так и от качества почвы под антенной системой.
Поскольку большинство систем Брюса в популярных конфигурациях (до 5 элементов) могут иметь только точки крепления по краям, с непроводящими шнурами между ними для поддержки проводов системы, мы также отметим потенциальную возможность питания системы с одного из концов. Давайте к нашей 4-элементной системе подключим такое питание и посмотрим, что из этого выйдет.
На рисункеFig. 21 показана общая схема такой системы вертикального питания с конца антенного полотна. В общем, конечное крепление антенны держит и питающий кабель, который идёт к центру вертикального элемента. В нашей 4-элементной системе Брюса, выполненной из медного провода AWG #12 и расположенной на высоте основанием в 0,15 длины волны, мы получим усиление примерно 5,3 dBi, при вертикальном угле максимального излучения к горизонту в 17 градусов, другими словами, практически такие же характеристики мы получим, питая систему через центральный проводник. Импеданс в точке питания модели составляет 254.0 + j22.7 Ом, что очень близко к тому, что мы получаем при питании через центральный проводник. 300-омная питающая линия будет здесь в самый раз и позволит минимизировать изменения (несанкционированные) напряжений, токов и импеданса по длине линии на пути к месту размещения передатчика.
На рисунке Fig. 22 мы видим смоделированную ДН в горизонтальной плоскости для системы. Единственной примечательной особенностью является немного больший наклон ДН к питаемому концу, относительно ДН системы, питаемой в центре. Этот наклон получается в результате небольших потерь в проводах от одного конца системы до другого, что, однако, практически, не имеет значения на практике в эксплуатации.
Мы можем также запитать антенну вертикально с нижнего угла. Характеристики её не изменятся, но импеданс возрастёт до 356.7 - 82.8 Ом, что является естественным для несимметричного питания диполя. Импеданс возрастёт по отношению к таковому при питании в центре системы, а длина её может оказаться уже не резонансной. Такая точка питания управляется или с помощью техники стандартных открытых передающих линий или дополнительной подстройкой размером антенны. Ещё раз напоминаю, что точное значение полученного импеданса, при питании с угла будет зависеть от подвеса основания антенны и качества почвы под ней.
Хотя длина этих записок не позволила включить описание антенн на другие диапазоны, данные по антенне на 80-метровый диапазон послужат неплохим руководством к действию при пересчёте антенны на диапазоны 160 и 40 метров. У системы Брюса есть неплохой потенциал среди антенн SCV в получении большего усиления при меньшей длине по горизонтали, чем, например, антенна “bobtail curtain”. Однако, это даётся ценой необходимости использования подвеса основания антенны на большую высоту, чем требуется для системы с разомкнутыми концами. В общем-то, выбор антенной системы вертикальной поляризации (прямоугольника, антенны “bobtail curtain” или системы Брюса) может зависеть от местных условий пользователя как по - вертикали, так и по - горизонтали.
Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ)
ua9laq@mail.ru
г. Тюмень июнь,
2004 г