2-элементный прямоугольник Moxon’а из алюминия

L. B. Cebik, W4RNL

Я часто получаю запросы от ребят, которые, в силу местных обстоятельств, не могут выдержать ширину (2…3 элементных) Yagi на 10-метровый диапазон в требуемые 16,5 фута. Есть ли такая антенна, которая может без проигрыша в усилении иметь ширину в 12…13 футов? Ещё лучше, если она будет самодельной, что сэкономит деньги, не требующей настроечной и согласующей систем.

Да, действительно, такая антенна существует. Представьте себе антенну с усилением (над реальной землёй), соответствующим усилению 2-элементной Yagi (11+ dBi), с соотношением излучений вперёд-назад 3-элементной Yagi (>20 dB в диапазоне от 28,3 до 28,5 МГц) и с КСВ менее 2:1 от одного конца диапазона 10 метров до другого. Действительно, представьте, что антенна имеет соотношение излучений вперёд-назад больше, чем 15 дБ (вниз от центра) вплоть до 28 МГц и ещё до 12 дБ на 29,7 МГц. (Все цифры, кроме усиления, представлены для свободного пространства). Представьте также, что антенна может быть напрямую соединена с 50-омным коаксиальным питающим кабелем, без какой-либо согласующей системы (разве что стоит подключить “балун” 1 : 1 дроссельного типа, который я всегда рекомендую включать (для симметрирования – UA9LAQ)). Представьте также себе, что всю антенну Вы можете изготовить из подручных материалов (может быть, - купленных в магазине), которые имеют общий вес, вместе с траверсой, порядка 10 фунтов (без траверсы - около 5 фунтов) и что Вы можете изготовить антенну в своём гараже без применения специальных инструментов. Также представьте, что у Вас, после того, как Вы закончите все операции по изготовлению антенны, ещё останется сдача с 50-долларовой банкноты (таким образом показана дешевизна самостоятельного изготовления антенны – UA9LAQ).

Эта антенна есть не что иное, как прямоугольник Moxon’а. Прошлые проволочные версии антенны требовали много высококачественного и прочного материала на растяжки (например, стеклотекстолита). Смотрите об этом в "Modeling and Understanding Small Beams: часть 2: VK2ABQ Squares and Moxon Rectangles," Communications Quarterly (Spring, 1995), стр.55-70. Те версии предназначались для исследования прямоугольника Moxon’а, а не были шаблонами, по которым можно было бы строить простые антенны.

Однако, если мы переведём антенну в алюминий (трубу), то сможем изготовить антенну с использованием одной траверсы. Взгляните-ка на эскиз, на все составляющие антенное полотно части. (Примечание, чтобы все детали рисунка отчётливо прорисовались, я его сделал покрупнее, специально для экранов с разрешением в 640 (точек, линий – не указано – UA9LAQ). Отсюда, у Вас могли быть проблемы с печатью, пришлось бы перерабатывать рисунок).

Основные элементы образуют алюминиевые трубы диаметром 7/8 и ¾ дюйма, боковые элементы образуют трубы диаметром ¾ дюйма. Углы могут образовывать гнутые уголки или угловые стяжки из L-образного профиля. Отрежьте прямые трубки под углом 45 градусов и наложите отрезки L-образного профиля толщиной 1/16 дюйма сверху и снизу сведённых концов труб, чтобы обеспечить стяжку квадратного (не закруглённого как с уголками) угла. Стяжка винтами из нержавеющей стали длиной в 1…2 дюйма или заклёпками обеспечит надёжную стяжку углов с минимальным весом. Я даже пробовал вставлять ½-дюймовый L-образный профиль внутрь труб, но должен был подгонять его под трубы диаметром ¾ дюйма.

Использованные мной уголки представляли собой радиально-гнутые 7/8 дюйма секции, присланные мне N6BT (из Force 12) для ускорения моих экспериментов. Вы можете нагнуть сколько угодно и своих собственных уголков, путём предварительного наполнения трубы песком под давлением и последующего изгиба трубы вокруг 6-дюймового колеса или проката. Работайте не спеша, медленно. Следите за тем, чтобы песок был хорошо сжат и не высыпался из трубы, иначе в месте сгиба может произойти сминание трубы.

Комбинация алюминиевых труб 7/8 и ¾ дюйма позволяет вставить их друг в друга телескопически, таким образом свести их к центру и обеспечить плавную подстройку размеров под требуемую частоту (как у трамбона – звук определённой высоты извлекается при определённом выдвижении подвижной изогнутой трубки – UA9LAQ). Такой же эффект достигается при применении покупных алюминиевых труб диаметром 1 и 7/8 дюйма – подходят по диаметрам для стыковки.

Длина антенны (точнее, ширина) от стороны до стороны является ключевой в деле центровки кривой изменения КСВ по минимальному значению на частотах 28,4…28,5 МГц. Центральная частота настройки антенны изменяется примерно на 150 кГц на каждый дюйм изменения длины антенны при настройке. Отсюда, раздвигая и сдвигая U-образные концы антенны, подобно системе тромбона, можно устанавливать центральную (резонансную) частоту антенны в любом месте 10-метрового диапазона. Если Вы будете использовать несколько больший по диаметру набор труб, например, алюминиевые трубы диаметром 1 и 7/8 дюйма, то характеристики антенны изменятся мало. При использовании труб диаметром 7/8 дюйма в качестве внешних основных проводников и боковых (т.е., видимо одинаковых по диаметру), Вы можете сварить или соединить их другим каким образом (с помощью Penetrox’а или других биметаллических проводников/протекторов между металлами (имеется в виду электролитическая разность потенциалов между металлами: без специальных мер, соединение, например, алюминий – медь, вскоре, нарушится – UA9LAQ)), с помощью, например, 3/8 дюйма медной водопроводной трубы L-профиля вместо уголков.

Поскольку расстояние между концами проводников (зазор) и настройка критичны для случая получения максимально возможных характеристик антенны, то необходимо на концы элементов антенны одеть или вставить внутрь трубки (штыри) из лёгкого высококачественного изоляционного материала длительно не меняющего свои свойства (например, стеклотекстолита) и зафиксировать их с помощью винтов и стяжек. Жёсткие вставки хорошо применить здесь для ограничения скручивающих сил, приложенных к скруглённым или прямоугольным углам конструкции антенны. Трубы в ¾ и 7/8 дюйма также скрепляются винтами. Проверьте, чтобы все винты были из нержавеющей стали. Подойдут и заклёпки, если Вы осуществляете неразборные соединения.

Конструкция точки питания антенны не показана на эскизе. Для питания я использовал очень простую систему. Я отрезал одну сторону трубки активного элемента в точке питания на 1 дюйм короче (другой?). Затем, отрезал кусок 1/16-дюймового L-образного профиля длиной 2 дюйма и прорезал на одном конце (его?) отверстие диаметром 5/8 дюйма. РЧ коаксиальная розетка (гнездо) с фиксирующей шайбой вставляются в проделанное отверстие, стороной под штекер ,развёрнутая к мачте, кусок, торчащего на 1 дюйм наружу L-образного профиля приворачивается к срезу трубки активного вибратора с помощью винтов из нержавеющей стали. Медный провод #14 AWG (с покрытием по всей длине) идёт от центрального проводника коаксиального гнезда до другой стороны активного элемента в точке питания, где он был также прикреплён с помощью винта из нержавеющей стали. Вы можете сами разработать свой узел соединения в точке питания. После проверки, перед установкой на постоянную эксплуатацию, загерметизируйте заднюю сторону коаксиального гнезда, крепёжные винты и коаксиальный штеккер от попадания влаги.

Для соединения элементов с траверсой можно использовать любой прочный материал. Можно с успехом использовать пролакированную многослойную фанеру толщиной 3/8 дюйма, различные прочные пластмассы применяющиеся для изоляции в низковольтной электротехнике. Примерно от 3 до 9 дюймов (или длиннее) пластины дают возможность крепления элементов к ним с помощью U-образных шпилек и крепления с помощью U-образных шпилек к мачте. В моей опытной модели антенны использовались ½ дюймовые полихлорвиниловые U- образные трубки, используемые в электропроводке, которые крепились с помощью нержавеющих винтов с гайками #8. Поскольку труба 7/8 дюйма несколько вытягивала стяжки, я подложил внешние прокладки между U-образными стяжками и фанерной пластиной. Выглядит фирменно, но для постоянной эксплуатации не совсем надёжно. Две такие стяжки держали рефлектор у центра, для крепления активного элемента потребовалось по две стяжки с каждой стороны от точки питания.

Как и в любой хорошей антенной системе, элементы находятся под траверсой (подвешены). А из чего же сделать траверсу? А, почти что из всего, например, от пластика с номинальным диаметром 1-1/4 дюйма (который был у меня под рукой) до алюминиевой трубы с достаточным диаметром (со стенкой толще, чем обычные 0,55-дюймовые, или два куска трубы, соединённые вместе (параллельно)) и 5-ти футового в длину штыря диаметром 1,25 дюйма из прокрашенной древесины от шкафа. Пластины для крепления траверсы к мачте делайте одинаковыми с таковыми для крепления элементов к траверсе, только чуть поквадратнее (пошире) и дело в шляпе. Пластик - самый тяжёлый (видимо, кругляк – не труба), алюминий – самый лёгкий, но при длине траверсы в 5 футов (грубо: 1,5 м) это, практически, ничего не значит.

Размеры антенны на эскизе слишком компьютерно точны, так как перенесены прямо с модели антенны. Постарайтесь выдержать их, хотя бы, в пределах ¼ дюйма от чертёжных и Вы не заметите разницы в работе антенны (т.е., размеры должны соблюдаться с указанной точностью). Прямоугольность в углах антенны или недостаточность в размерах в полдюйма сдвигают характеристический центр работы антенны в большинстве случаев на 100 кГц. Но, обычно, Вы об этом и не подозреваете (Если, конечно, не сделать антенне тщательной проверки – UA9LAQ). Чтобы точно соблюсти все указанные размеры, начертите на полу гаража, а то и просто на земле фигуру антенны в натуральную величину с соблюдением всех размеров и центровкой, после, собирайте антенну, укладывая её по периметру начерченных линий. Как говорится: два раза мерь, а раз отрежь. (У!… У нас-то точнее будет! – Семь раз отмерь, да раз отрежь. (Hi!) – UA9LAQ).

Отметьте, антенна имеет ширину около 12,7 фута и менее 5 футов в длину по траверсе, что обеспечивает ей радиус поворота примерно в 6 футов 8 дюймов (не забыли: фут = 30,48 см, дюйм = 2,54 см – UA9LAQ). Растянутая у угла дома, при повороте, антенна не пересечёт границы двора соседа. (Всё зависит от размера собственного двора, его планировки и места размещения антенны, а также от настроения соседа, которому мешают смотреть телепередачи (Hi!)– UA9LAQ). Антенна легко поворачивается вручную, для дистанционного её поворота можно приспособить старенький ТВ-поворотник. (У нас солидные ТВ антенны обычно вращаются вручную или как флюгер, с помощью ветра за отсутствием специальных “ТВ-поворотников” (Hi!) – UA9LAQ). Благодаря замечательным характеристикам антенны (в основном: ДН), антенну не нужно много вращать.

ДН в горизонтальной плоскости, построенные для свободного пространства на частоты 28,1, 28,5 и 28,9 МГц показывают возможности прямоугольника Moxon. Отметьте очень широкий передний лепесток ДН, практически, - кардиоида, дающая возможность передавать и принимать в широком секторе, примерно, как сектор обзора человека. Сзади антенны, практически, полное подавление сигнала или близкое к тому. Les Moxon, G6XN, использует проволочную версию антенны с дистанционно подстраиваемыми (обоими) элементами: таким образом, не вращая антенну, он работает со всем миром, реверсируя излучения электрически. Отметьте также, что характеристики антенны мало изменяются в пределах настройки по активным участкам 10-метрового диапазона.

Что же можно сказать о работе антенны над реальной землёй и на реальных высотах подвеса?

На высоте в 35 футов, примерно в 1 длину волны, антенна обеспечивает большинство характеристик свободного пространства по диапазону и над реальной землёй. Чем выше подвес антенны, тем ближе её характеристики приближаются к таковым в свободном пространстве. Угол максимального излучения к горизонту на высоте подвеса в 35 футов составляет 13…14 градусов.

Даже на высоте 20 футов, обычной для переносных антенн 10-метрового диапазона, антенна даёт прекрасное соотношение излучений вперёд-назад в союзе с усилением 2-элементной Yagi (у которой, кстати, соотношение излучений вперёд-назад не очень хорошее и составляет на этой высоте, примерно, 9…10 дБ). Угол максимального излучения к горизонту на высоте 5/8 длины волны составляет примерно 23 градуса.

Прямоугольник Moxon’а является очень стабильной антенной системой в отношении характеристик в точке питания, при изменении высоты её подвеса. При предварительном некотором подъёме над реальной землёй, характеристические кривые далее – плоски. Отсюда и запуск антенны в эксплуатацию – прост.

Я начал процедуру на опробованной предварительно в течении долгого времени методике (поставив антенну вертикально), чтобы установить её затем на высоте в 20 футов. Теперь рефлектор находился на высоте не более чем 5 футов над землёй. Я настроил по минимуму КСВ на частоте 28,45 МГц боковые размеры антенны, вдвигая и выдвигая конечные секции элементов, как у тромбона. После крепления секций и подъёма антенны, от положения, когда антенна смотрела в небо, в КСВ её не произошло каких-либо значительных изменений.

Для общего вида собранной антенны на мачте для проведения экспериментов, щёлкните здесь: click here.

Для более детального вида сборки в точке питания, щёлкните здесь: click here.

В противовес высказываниям VK2ABQ, эти антенны не любят комбинаций в многодиапазонные системы. Даже стыковка двух антенн на диапазоны 10 и 15 метров требует расстояния между ними в 10 футов. Но можно делать комбинации антенн,639582*1 пристыкованными тыльными сторонами друг к другу на 10 и 15 метров. На траверсе длиной в 13 футов можно разместить обе антенны рефлектор к рефлектору с минимальным их взаимодействием.

Не похоже, чтобы кто-то когда-либо производил эту антенну в промышленности, поскольку она является однодиапазонной и не имеет супер-усиления, которым так увлекаются DX- и контест-мены. А такое усиление можно получить только от многоэлементных Yagi. Но, за то, Вы сможете построить простую работающую сразу компактную антенну, которая побьёт по эффективности проволочный диполь и другие простые антенны как на диапазонах ниже 20 метров, так и выше. Изящной будет выглядеть такая антенна на “Полевых Днях”. Итак, если Вам нужна компактная антенна в Вашей скромной обители, то стройте прямоугольник Moxon’а.

Почему я выставил этот материал на сайт, а не послал его в журналы? В них – куча материалов и статья выйдет минимум через год. Пятна на Солнце свидетельствуют о приближении цикла прохождения на 10 метрах, народ нужно активизировать уже сейчас.Сезон для постройки антенн уже наступил. Короче, это – лучший способ распространения информации в кратчайший срок. Если у Вас есть друг, которому нужна компактная, но эффективная 2-элементная антенна, но у него нет возможности выйти на сайт, сделайте ему копию статьи.

Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru
г. Тюмень июль, 2004 г