Директорный элемент трехдиапазонной антенны

---

Эрнест ГУТКИН (UT1MA), г. Луганск, Украина

---

Ведущие производители радиолюбительских коротковолновых направленных антенн в настоящее время предлагают в основном многодиапазонные антенны. К примеру, у фирмы OPTIBEAM [1] из 15 предлагаемых моделей только три однодиапазонные — это громоздкие антенны на диапазон 40 метров. Российский производитель RQUAD [2] заявляет 38 моделей, из которых тоже только три (на диапазон 40 метров) однодиапазонные.

Способы создания многодиапазонных антенн кратко рассмотрены в [3], там же приведен вариант трехдиапазонного (10, 15 и 20 метров) директора с применением коммутирующих вакуумных реле. В статье рассмотрен новый вариант директора — более простой по самой конструкции, по цепям питания реле, бума антенны и имеющий лучшие характеристики. Существо идеи состоит в том, что на диапазонах 10 и 15 метров использована вся длина директора диапазона 20 метров и нужный "директорный" эффект достигнут включением в центре директора реактивного элемента (катушки или конденсатора).

Для пояснения принципа действия такого директора рассмотрим модель антенны ВК (волновой канал), состоящей из рефлектора Р, активного вибратора А и директора Д. С помощью программы антенного моделирования MMANA [4] антенна оптимизирована на максимальное значение параметра F/B (Front-to-Back) и рассчитаны остальные параметры — коэффициент усиления G (дБд) в свободном пространстве и входное сопротивление ZBX = R + X. Весовые коэффициенты отдельных параметров в процессе оптимизации выбраны такими: F/B — 70 %, G — 18 %, X — 6 %, SWR — 6 %.

В MMANA использована автосегментация, параметры — по умолчанию (в том числе F/B в азимуте 180±60° и элевация до 60°). Расчет производился отдельно на диапазонах 20, 10 и 15 метров. Расстояния между активным элементом и рефлектором SA.P и между активным элементом и директором 5А.Д на каждом из диапазонов взяты такими же, как в антенне, описанной в [3], радиус проводников всех элементов принят равным 12,5 мм по всей длине.

Рис. 1

ВК—20 (рис. 1). Рассчитана для центральной частоты f0 = 14,15 МГц, 8д-д = 2,85 м, Зд.р = 3 м. В результате получаем G = 5,62 дБд, F/B = 21,06 дБ, RBX = 24,6 Ом, ширина полосы при КСВ не более 1,5 (с применением согласующего устройства СУ на входе антенны), BW,15 = 225 кГц и длина директора D = 9,68 м. Остальные расчетные данные в нашем случае не нужны и их не приводим.

ВК-10. f0 = 28,3 МГц, 8А.д = 2,85 м, Зд.р = 1,9 м. В этом диапазоне расчет производим в три этапа:

А — применен стандартный директор (рис. 2);

Рис. 2

Б — применен сдвоенный директор (рис. 3);

Рис. 3

В — применен директор с размерами директора диапазона 20 метров, т. е. длиной 9,68 м (рис. 4).

Рис. 4

Необходимая фаза тока в директоре получена включением в центре элемента фазос-двигающей катушки индуктивности L10. Расчетные значения параметров сведены в табл. 1.

Таблица 1

Вариант	F/B, дБ	G, дБд	R.X, Ом	BW1,5, кГц	L10, мкГн
А	12,91	6,51	27,2	528	—
Б	15,98	6,49	30,4	611	—
В	16,19	6,43	31,1	633	9,16

Расчет показывает, что вариант В, проигрывая по усилению всего 0,08 дБ, по остальным параметрам выгодно отличается от стандартного варианта А. Распределение тока вдоль директора в варианте В показано на рис. 4 внизу. Участок с током обратного направления в центре элемента составляет всего 7 % от общей длины, а максимум этого тока — около 45 % от максимумов в рабочей части директора и всего 11 % от максимума тока в активном элементе (MMANA позволяет произвести такую оценку).

Расчет показал, что при подводимой к антенне мощности Рд = 1 кВт и добротности катушки Q = 250 тепловые потери в ней не превосходят 4,5 Вт. Была также проверена критичность индуктивности катушки L10 — рассчитаны параметры антенны при ее изменении на ±10 % от исходного значения 9,16 мкГн. При этом изменение усиления антенны оставалось в пределах ±0,2 дБ, а изменение F/B — в пределах от -0,8 до +0,2 дБ. Для сравнения отметим, что изменение, к примеру, длины любого элемента на те же 10 % полностью расстроило бы антенну.

Полезно также отметить, что при построении активного элемента по системе "open sleeve" [3] показатель F/B в варианте В вырастает до "приличного" значения 20 дБ.

ВК-15 f0 = 21,2 МГц, 8А.Д = 2,85 м, SA-P = 2,5 м. Рассчитываем два варианта:

А — применен стандартный директор (рис. 5);

Рис. 5

Б — применен директор с размерами директора диапазона 20 метров, т. е. длиной 9,68 м (рис. 6). Необходимая фаза тока в директоре обеспечивается включением в центре элемента фазосдвигающего конденсатора С15.

Рис. 6

Расчетные значения параметров сведены в табл. 2.

Таблица 2

Вариант	F/B, ДБ	G, ДБД	Rax» Ом	BW1,5, кГц	С15, пФ
А	20,04	6,16	28,5	468	—
Б	24,83	6,13	32,4	570	6,6

Расчет показывает, что в варианте Б антенна проигрывает всего 0,03 дБ по усилению, зато значительно выигрывает по остальным показателям. Распределение тока вдоль директора в варианте Б показано на рис. 6 внизу. При вариации емкости конденсатора С15 на ±10 % усиление изменялось на 0,18 дБ, a F/B — в пределах 2,3 дБ.

При подводимой к антенне мощности РА = 1 кВт на частоте f0 = 21,2 МГц расчетное значение напряжения на конденсаторе С15 — 1050 В и реактивная мощность — около 1000 вар.

Главный вывод из приведенных расчетов — это возможность создания эффективного трехдиапазонного директора на базе одного, самого длинного. Возможный вариант конструкции с применением двух реле приведен на рис. 7.

Рис. 7

Алгоритм работы директора таков:

— замкнуты контакты обоих реле — диапазон 20 метров;

— замкнуты контакты реле К1 —диапазон 10 метров;

— замкнуты контакты реле К2 — диапазон 15 метров.

Конструктивно один директорный элемент вместо трех выгоден — это дает значительную экономию недешевых алюминиевых трубок, снижение парусности и веса, но главное, конечно, устраняет "конфликт" между директорами разных диапазонов. Все это, вместе взятое, делает целесообразным некоторое усложнение антенны, связанное с применением реле (в принципе, директор длиной 9,68 м может быть также эффективно использован и на диапазонах 12 и 17 метров путем установки дополнительных реактивных элементов и реле). Аналогично может быть выполнен и многодиапазонный рефлектор, в частности, на диапазоны 20 и 15 метров.

Окончательное заключение можно будет сделать после проверки предложенного директорного элемента в реальной многодиапазонной антенне.

ЛИТЕРАТУРА

1. www.optlbeam.de.

2. www.quad.ru.

3. Гуткин Э. Многодиапазонные направленные антенны. — Радио, 2004, № 2, с. 68, 69; № 3,с.64-67.

4. Гончаренко И. В. Антенны KB и УКВ. Часть 1. Компьютерное моделирование. MMANA. — М.: ИП Радиософт, журнал "Радио", 2004.

Радио 4-2005