GP-Yagi на 40 м с переключаемой ДН

   Начну с того, что скажу кому эта антенна не нужна:
    1.  Тем, у кого есть возможность поднять горизонтальную вращающуюся или переключаемую антенну на высоту более половины длины волны. В этом случае горизонтальные антенны лучше вертикальных.
    2.  Если в радиусе нескольких l вокруг антенны проводимость почвы очень плохая (песок, высохшая глина, камни гор). Над такой плохой землей любая антенна с вертикальной поляризацией будет работать плохо.
    Всем же остальным описываемая ниже трехэлементная антенна, с ДН переключаемой на 8 направлений, очень и очень пригодится.
   На НЧ диапазонах переход от простых антенн к направленным обычно подразумевает качественный скачок не только в эффективности работы, но и в стоимости, размерах и сложности настройки антенны. В этом смысле антенна этой статьи приятное исключение. Обладая хорошим усилением (выигрыш у GP 4,5...5 дБ) и возможностью коммутации ДН на 8 направлений, она конструктивно очень проста и не требует много места. Это не голословное заявление: если у вас уже есть удлиненный GP на 7 МГц, значит у вас есть почти всё (мачта и место) для данной антенны. Антенна умещается даже на узкой крыше многоэтажного дома. Система питания та же самая, что и у GP: кабель подключен  лишь к одному центральному элементу, все остальные - пассивные. Настройка простая, как у обычной Yagi - подбираются катушки рефлекторов по минимум излучения назад. И все настроечные операции не требуют чудес верхолазания, а проводятся на уровне грунта или крыши.
    В общем, антенна очень подходит,  чтобы стать вашей первой направленной антенной на НЧ, просто немного переделав имеющийся GP. Во всяком случае, для меня она была (много лет назад) одной из первых направленных антенн на 7 МГц. 
      Выглядит антенна так:

Рис. 1.

    Основой конструкции является мачта высотой 13,4 м (бывший удлиненный GP) диаметром 40..60 мм. Проволочные пассивные элементы выполнены как отрезки растяжек (от верхнего конца каждого пассивного элемента до верхушки мачты идет капроновый шнур). Нижние концы элементов отстоят от мачты на расстояние 6 м. Это означает, что антенна  вписывается в квадрат 8,5 х 8,5 м (по диагоналям). Это не считая радиалов. А их наличие обязательно, причем  не меньше четырех штук l/4 под каждым из пяти элементов. Но даже с учетом радиалов (а также того, что их можно изогнуть и частично выдвинуть на палках за габариты крыши) антенна  умещается на многоэтажном доме. Причем выглядит она точно также как и GP: мачта с тонкими растяжками и ничего более. Это тоже важно, дабы не дразнить нервных соседей, на которых большие и сложные конструкции на крыше действуют как красная тряпка на быка.
    Единственный активный вибратор (W), он же мачта, подключен к коаксиальному кабелю 50 Ом через последовательный настроечный конденсатор.    
    В основании каждого из пассивных элементов находятся: катушка, конденсатор и реле, переключающее их, в зависимости от того, чем должен быть в данный момент данный пассивный элемент: рефлектором или директором. То есть, если это рефлектор (R), то между растяжкой и радиалами под ней включена катушка, а если директор (D) - то конденсатор. 
    Если один элемент включен директором, а три остальных - рефлекторами (RRR-W-D), то излучение идет в направлении W-D. Антенна работает как 3-х элементная с эффективным средним эффективным расстоянием между элементами около 0,1l.  Очевидно, что поочередно выбирая каждый пассивный элемент директором (соответственно, оставляя остальные рефлекторами)  можно коммутировать ДН на 4 направления (рис. 2).

               

Рис. 2                                            Рис. 3

    Для коммутации еще на 4 направления (отличающиеся от предыдущих на 45 градусов) директорами включаются одновременно два соседних элемента (два остальных остаются рефлекторами), как показано на рис. 3. Т.е. как RR-W-DD. Излучение идет в направлении от вибратора к середине между двух директоров.  Т.е. из двух  одновременно работающих директоров получается один виртуальный директор, расположенный между ними (с рефлекторами тоже самое). Антенна работает как трехэлементная, но поскольку виртуальные эквивалентные D и R (образующиеся посередине между парами  реальных RR и DD) расположены в 1,4 раза ближе к вибратору, чем в случае  RRR-W-D (это хорошо видно на рис. 3), то усиление получается на 0,3...0,7 дБ (зависит от качества земли) ниже.

    Изучите файлы моделей антенны для случаев RRR-W-D и  RR-W-DD.  В последнем файле антенна для удобства повернута вокруг оси Z на 45 градусов, чтобы в MMANA можно было видеть реальное F/B.
    Вид всех восьми азимутальных ДН антенны (при переключениях) показан на рис. 4.

Рис. 4.

     Из этого рисунка видно, что даже для самых неудачных азимутальных направлений проигрыш по сравнению с максимумом составляет не более 1 дБ. Это означает, что вы имеете возможность в любом направлении излучить мощность на 4 дБ (в 2,5 раза) больше чем простой GP аналогичной высоты. Фиолетовая область в центре показывает, что можно ослабить сигнал с любого направления не менее, чем на 20 дБ. 
    На рис. 5 показано сравнение зенитных ДН GP высотой 13,4 м и данной антенны. За счет наклона пассивных элементов  имеется заметное излучение в зенит (в отличие от GP).

Рис. 5.

    Это несомненный плюс, позволяющий при ближнем прохождении (а на 7 МГц  оно есть бОльшую часть времени) удержать свою частоту от "затаптывания"  соседями в радиусе нескольких сот км, которые на GP вас будут слышать плохо.

Система питания и переключения

    1. В основании пассивных элементов через нормально замкнутые контакты реле на радиалы включен конденсатор 360 пФ. При переключении реле вместо конденсатора включается катушка около 0,4 мкГн (подгоняется при настройке).  То есть при обесточенном реле пассивный элемент включен директором, при включенном - рефлектором.

    2.  Узел питания вибратора выполняется так, как показано на рис. 6.

Рис. 6.

     3. Узел управления должен обеспечивать подачу сигналов на реле пассивных элементов в соответствии с требуемым направлением излучения (см. рис. 2, 3), а также включение реле K1(на рис. 6) если включен  лишь один директор (как на рис. 2). Последнее необходимо, т.к. если если включено три R (и один D), то резонансная частота вибратора понижается (из-за влияния целых трех рефлекторов), и чтобы вернуть ее на место приходится уменьшать емкость согласования W, отключая  небольшой конденсатор С1 (рис.6).
Детали
  При мощности в 500 Вт использовались конденсаторы КСО 250 В, с дополнительными подстроечными конденсаторами из отрезка кабеля 50 Ом (1 пф/см).
  Катушки рефлекторов бескаркасные, намотаны проводом 1,5 мм на оправке диаметром 20 мм  с шагом 3 мм и содержат по 5 витков.
  Реле использовались силовые электротехнические с контактами 250 В/6А.
  Кабель управления - пятижильный (пять реле, по одному в каждом элементе).

  Узел управления (внизу) - многоплатный переключатель на 9 положений. Из них:

- одно обзорное положение W-DDDD, круговое излучение без усиления, как у простого GP;
- 4 положения RR-W-DD (как на рис. 3), излучение по направлениям 45,135, 225 и 315 гр;
- 4 положения RRR-W-В (как на рис 2), излучение по направлениям 0, 90, 180 и 270 гр. В этих положениях также должно включаться реле K1 (рис. 6).

Настройка

    1  Настройка подавления назад ведется растягивание-сжимание катушек рефлекторов (всех одинаково). Трогать для конденсаторы директоров я бы не советовал (разве что у вас заметно отличается от рекомендованного размер пассивных элементов и/или антенна стоит в окружении близкорасположенного железа, способного заметно сдвинуть резонансы пассивных элементов). Дело в том, что емкость этих конденсаторов выбрана компромиссно:  в положениях RRR-W-D для максимального F/B она должна быть больше,  а в положениях RR-W-DD - меньше. Поэтому меняя при настройке С директоров вы можете улучшить F/B в этом положении, но ухудшить в другом.
    Поэтому настраивать лучше только катушками, не забывая проверять F/B как в положениях RRR-W-D, так и в RR-W-DD. 
    2. После завершения настройки F/В минимум КСВ обеспечивают конденсатором С2 на  рис. 6 (в положениях RRR-W-D). При переключении в положения RR-W-DD настройка в резонанс ведется С1, не трогая С2.

    Правильно настроенная антенна при направленном излучении (в любом из 8 направлений) во всем диапазоне имеет КСВ не выше 1,3  и F/B  не менее 18 дБ. При обзорном круговом излучении (W-DDDD) КСВ во всем диапазоне не превышает 1,6. 
 Вариант с уменьшенной высотой показан на рис. 7 и в файле модели.

Рис. 7.

    Тут требуется мачта всего 9,5 м, но зато на ее верхушке требуется городить "зонтик", который состоит из  половинки "ежа" (примерно как тут), 4-х труб по 1,6 м и проволочных стяжек. 
    Также в этом варианте отличаются данные С и L для пассивных элементов (см. файл) и входное сопротивление антенны. За счет меньшей высоты Ra получается около 25 Ом, и для согласования с кабелем 50 Ом требуется четвертьволновый отрезок из линии 37 Ом (два кабеля 75 Ом в параллель).