Направленные антенны с проволочными вибраторами

         Для установления дальних связей желательно применять направленные антенны, излучающие основную часть подводимой к ним энергии в заданном направлении. Использование таких антенн дает возможность не увеличивая мощности передатчика уверенно проводить радиообмен с дальними корреспондентами. Действительно, если, например, увеличить мощность передатчика в 4 раза, напряженность поля в месте приема возрастет всего лишь в 2 раза, а при увеличении мощности передатчика в 16 раз - только в 4 раза и т.д. В то же время применяя относительно несложные направленные антенны возможно увеличить напряженность поля в требуемом направлении в 10 - 15 раз. Кроме того, направленные антенные системы позволяют создавать излучение под низкими углами к горизонту. Это имеет особое значение для осуществления дальних связей. Однако применение направленных антенн имеет и свои недостатки, особенно в низкой части декаметрового диапазона. Размеры таких антенн, как правило, много больше, чем ненаправленных, существует проблемма и поворота таких антенн на корреспондента. В ряде случаев  можно применить проволочные антенны с переключаемой диаграммой направленности, что существенно облегчает задачу их реализации. Можно применить схему построения - активный элемент и пассивный вибратор. В зависимости от расстояния до пассивного вибратора и от его настройки он может играть роль как рефлектора, так и директора, но схема построения переключаемой двух элементной антенны является не оптимальной. Поскольку использование одного рефлектора или директора не дает достаточно большого выигрыша по главному направлению, одновременно с переключением будет нарушаться условие согласования с фидером. Оптимальное решение этой проблеммы, заключается в использовании двух пассивных элементов, которые последовательно переключаются в рефлектор или директор не изменяя импеданса антенны при переключении и дают дополнительное усиление по главному направлению. Схема принимает вид Рис. 1.

Рис. 1

Пассивные элементы снабжены шлейфами и реле. Реле, замыкая своими контактами шлейф, превращает вибратор - рефлектор в вибратор - директор. Сопротивление излучения у данной антенны очень мало, поэтому необходимо применять согласующие трансформаторы или использовать шлейф - вибратор в качестве активного элемента 2. Наиболее простое решение, питать полуволновой вибратор с конца. Согласование производится с помощью четвертьволнового резонансного трансформатора (J - согласование). Достоинство такого согласования заключается в следующем: простота настройки, передвигая кабель питания по четвертьволновому короткозамкнутому шлейфу мы всегда найдем точку оптимального согласования с кабелем питания любого волнового сопротивления или двух - проводной линией. Нижняя точка короткозамкнутого четвертьволнового шлейфа находится под нулевым потенциалом высокой частоты, поэтому ее можно заземлять, не изменяя режима работы излучателя. К тому же мы имеем хорошую грозазащиту и защиту от статики. Антенна принимает вид Рис.2.

Рис. 2

По схеме построения мы видим, что такая конструкция должна иметь шесть опор, если пойти на компромисс, за счет небольшой потери усиления, можно поставить четыре опоры изогнув пассивные элементы. Рис. 3.

Рис. 3

Трудность настройки антенны в нижней части декаметрового диапазона, заключается в том, что невозможно учесть влияние земли при расчете длин пассивных элементов, так как в большинстве случаев антенны радиолюбителей расположены ниже оптимальных значений относительно земли. Для идеальной настройки антенны необходимо иметь возможность корректировать длину полотен вибраторов на высоте ее постоянной эксплуатации

Это возможно сделать, снабдив полотна вибраторов несложными приспособлениями. Рис. 4.

Рис. 4

         Подтягивая или отпуская шлейф мы можем регулировать пассивный элемент изменяя его длину. Грузы с двух сторон создают необходимое натяжение полотна не зависимое от перепадов температуры. Рассмотрим конструктивные особенности узла “А” Рис. 5.

Рис.5 Узел А

         К мачте крепятся две изоляционные прямоугольные пластины 1, например из стеклотекстолита. К каждой из этих пластин прикручивается два латунных ролика 3 и ограничитель 4, который не дает выпасть проводнику полотна элемента из канавки ролика при монтаже антенны. Такой же ограничитель можно поставить и на второй ролик, чтобы не выпадал шлейф 5. Латунные ролики имеют глубокую канавку, ставятся они через латунные болты, что бы обеспечивался хороший контакт полотна антенны через ролики к пластинам. К этим пластинам припаивают контакты реле . Когда две пластины замкнуты (через реле) элемент является директором, при разомкнутых пластинах полотно дополняется шлейфом и служит рефлектором. Если пассивный элемент не прямой, а изогнут, как в нашем случае то и пластины крепятся под углом.

Рис.6

         С верху этот узел закрывается пластмассовой пластиной козырьком 6 от попадания осадков. По два ролика на каждой пластине обеспечивают надежный контакт. Полотна из медного антенного канатика. Пассивные элементы директор - рефлектор можно сделать шлейфовыми, при этом улучшается защитное свойство рефлектора. При настройке антенны на максимальное подавление заднего лепестка в диаграмме направленности, лучшие результаты получаются при применении шлейфовых элементов.

Рис.7
Такой элемент дополнен еще двумя узлами “К” Рис.8.

Рис. 8 Узел К.

Узел изготовлен из стеклотекстолита толщиной 2 ? 4 мм. Выпиливаются две щечки, которые скреплены между собой через бонки 1. Ролики пластмассовые, конструкция должна быть легкой. Противовес 2, из жесткой стальной или алюминиевой проволоки ? 2-3 мм длиной 200?250 мм, заканчивается свинцовым грузом. Этот противовес, при большой длине полотна, не дает шлейфовому элементу повернуться двумя проводами параллельно земле. И так узлы А (Рис. 5) устанавливаются на двух опорах см. Рис.3а, опоры А1, А2. На опоре С  установлен узел крепления трех полотен антенны. Рассмотрим узел С.  К мачте, любым удобным для изготовления способом, (сварка или болтовое соединение), крепятся под нужным углом три уголка с роликами.

Рис. 9 Узел С

Этот узел С поддерживает три полотна антенны и при помощи грузов обеспечивает натяжение полотен.

         Узел  В (Рис. 10). К мачте крепятся два уголка с роликами, на них устанавливается изолятор 4, который поддерживает J-согласующий трансформатор. С этой мачты вниз только два груза для пассивных элементов. Активный средний элемент натягивается только одним грузом через узел С.  Двухпроводная линия короткозамкнутого четвертьволнового шлейфа J- согласования с узла В опускается к земле под любым удобным углом.

Настройка антенны.

         Подсоединяем кабель питания, любого волнового сопротивления 50 или 75 Ом,  к J- согласующему устройству, примерно в одну десятую часть короткозамкнутого шлейфа. При помощи ВЧ- моста или КСВ- метра, передвигая кабель питания по короткозамкнутому шлейфу находим точку наилучшего согласования. При этом, если сразу не удалось получить КСВ=1, или сопротивление в показаниях ВЧ- моста не соответствует (на небольшую величину) волновому сопротивлению подводящего кабеля питания антенны, это нам указывает, что полотно активного элемента необходимо скорректировать, то есть уменьшить или увеличить линейные размеры вибратора. Если КСВ не более 2.0 , а сопротивление отличается » на 20 Ом. Эту операцию можно отложить и выполнить ее после подгонки пассивных элементов. Итак, поставив измерительный зонд, на расстоянии не менее 1,5 ?  2 l от антенны, включаем генератор или передатчик. Подаем питание на реле антенны таким образом, чтобы включилось и замкнуло своими контактами реле расположенное на пассивном вибраторе, который ближе в направлении измерительного зонда. Этот вибратор мы будем настраивать в режиме директора. От измерительного приемника к мачте, на которой находится в данном случае директор подходит 2 провода и включен измерительный прибор, например тестер. Замечаем показания прибора. Взявшись за нижний конец шлейфа, опускаем или поднимаем его (этим мы удлиняем или укорачиваем вибратор) следя за показаниями прибора добиваемся максимального усиления антенны в этом направлении. Добившись максимального усиления, закрепляем шлейф в этом положении. И так мы настроили один директор, переключаем антенну таким образом, чтобы в направлении измерительного приемника этот пассивный вибратор стал рефлектором. Поднимаясь по мачте и закорачивая шлейф, находим такую точку на шлейфе, когда прибор покажет минимальное значение. Необходимо учитывать, что при настройке элемента в режиме директор мы имеет размытую характеристику, то есть когда прибор показал максимальное значение, увеличивая или уменьшая длину вибратора, мы видим плавное медленно меняющееся показания прибора, а вот при настройке в режиме рефлектора мы заметим резкое изменение показаний при незначительном увеличении или уменьшении шлейфа.

L – длина элемента
Рис.11

Внизу шлейф закреплен, края вибратора растянуты грузами, шлейф всегда находится в натянутом состоянии, поэтому удобно закорачивать шлейф медной трубочкой, намотав слева и справа по одному витку  (Рис. 12). На эту трубочку необходимо напрессовать пластмассовое колесико, вращая которое по часовой или против часовой стрелки мы и будем передвигать шлейф в верх или в низ. Так как провода шлейфа находятся в натянутом состоянии трубочка короткозамыкателя надежно держится и обеспечивается хороший электрический контакт. Пластмассовое колесико необходимо, если мы возьмемся одной рукой за мачту, а второй за шлейф или за короткозамыкатель, стрелка прибора начнет реагировать на это и будет трудно искать точку где необходимо остановить короткозамыкатель. Это связано с тем, что на мачту наводится ВЧ энергия и по длине мачты это ВЧ напряжение неравномерно. И так, мы предварительно настроили один пассивный элемент. Теперь необходимо поставить второй измерительный зонд с противоположной стороны на таком же примерно расстоянии как и первый и настроить в такой же последовательности второй элемент. После настройки второго элемента вернуться к настройки активного элемента, подогнав полотно в резонанс и сделать оптимальное согласованние J- трансформатором. Так как мы меняли линейные размеры вибраторов и согласование необходима снова настроить первый элемент, потом второй, и так несколько раз. Подавление заднего лепестка в диаграмме направленности более 30 dB. Дальнейшая доводка антенны (если это необходима) заключается  в следующем:

Постотрим Рис.11, мы получили максимальное значение уровня напряжения на измерительном приемнике при определенной длине директора, если немного удлинить директор это не приведет к заметному ослаблению сигнала, но при этом существенно повышается защитное действие в режиме рефлектор.

         Далее, оптимальное положение короткозамыкателя на шлейфе рефлектора при максимальном подавлении заднего лепестка в диаграмме направленности, не совпадает с положением этого короткозамыкателя при определении максимального усиления антенны вперед. Поэтому можно поставить еще два реле на шлейфах пассивных элементов и выбрать удобное расположение короткозамыкателя для наилучшего подавления заднего лепестка или наибольшего усиления вперед.

         Дополнение: Если существует проблема регулировки длины полотна активного элемента, можно произвести коррекцию изменяя длину двухпроводной линии J- согласования. Сделать ее немного длиннее 0,25 l,  и в процессе настройки подбирать ее длину с нижнего конца при помощи короткозамыкателя 1 изменяя при этом и точку подсоединения кабеля питания Рис 13.

Р
ис. 3а

Рис. 10 Узел В

Рис.12 Короткозамыкатель шлейфа

Рис. 13 Шлейф активного элемента

EW8AU

Владимир Приходько