Многодиапазонный коммутируемый директорный элемент с улучшенными параметрами

Ведущие производители коротковолновых направленных радиолюбительских антенн в настоящее время предлагают в основном многодиапазонные антенны. К примеру, у фирмы OPTIBEAM (www.optibeam.de) из 15 предлагаемых моделей только 3 однодиапазонные – это громоздкие антенны на 40 м. Российский производитель RQUAD (www.quad.ru) заявляет 38 модели, из которых тоже только 3 (на диапазон 40 м) – однодиапазонные. Способы создания многодиапазонных антенн кратко рассмотрены в [ 1 ], там же показан вариант трехдиапазонного (10 / 15 / 20 м) директора с применением коммутирующих вакуумных реле. Ниже кратко рассмотрен новый вариант, более простой по конструкции самого директора, цепей питания реле, бума антенны и имеющий лучшие характеристики. Суть его состоит в том, что на диапазонах 10 и 15 м используется вся длина директора диапазона 20 м и нужный «директорный» эффект обеспечивается за счет включения в центре директора реактивного элемента (катушки или конденсатора).

Для пояснения работы такого директора рассмотрим модель антенны типа Волновой Канал ( ВК ), состоящей из рефлектора Р, активного А и директора Д . С помощью программы антенного моделирования MMANA [ 2 ] производится настройка антенны на максимальное значение параметра Front-to-Back ( F/B ) и отсчитываются остальные параметры – коэффициент усиления G (дБд) в свободном пространстве и входное сопротивление Zвх = R + X. Весовые коэффициенты отдельных параметров в процессе оптимизации выбраны равными: 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 производится отдельно на диапазонах 20 м, 10 м и 15 м. Расстояние между активным и рефлектором Sа-р и между активным и директором Sа-д на каждом из диапазонов принято таким же, как в пятидиапазонной антенне, описанной в [ 1 ], радиус проводников всех элементов для упрощения расчетов принят равным 12,5 мм по всей длине.

ВК – 20 ( рис.1, f0 = 14,15 МГц ) Sа-д = 2,85 м, Sа-р = 3 м. В результате расчета получаем: G = 5,62 дБд, F/B = 21,06 дБ, Rвх = 24,6 Ом, ширина полосы в пределах КСВ = 1,5 (с применением согласующего устройства на входе антенны ) BW1,5 = 225 кГц и длина директора d = 9,68 м. Остальные расчетные данные в нашем случае не нужны и здесь не приводятся.

ВК – 10 ( f0 = 28,3 МГц ), Sа-д = 2,85 м, Sа-р = 1,9 м. .На этом диапазоне расчет производим в 3 этапа:

• А. Применен стандартный директор ( рис.2 );
• Б. Применен сдвоенный директор ( рис. 3 )
• В. Применен директор с размерами директора диапазона 20 м, т. е. длиной 9,68 м ( рис.4 ). Необходимая фаза тока в директоре обеспечивается за счет включения в центре элемента фазосдвигающей катушки индуктивности L10.

Расчетные значения параметров сведены в таблицу 1.

    Вариант            F/B (дБ)        G  (дБд)         Rвх  (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

Невысокое для 3-х элементного ВК значение параметра F/B объясняется большой отдаленностью директора от активного элемента А ( Sa-d = 0.27l ). При построении А по системе «open sleeve» [1] F/B вырастает в варианте В до «приличного» значения 20 дБ при сохранении очень высокого значения G»6,3дБд

Расчет показывает, что вариант В, проигрывая по усилению всего 0,08 дБ, по остальным параметрам выгодно отличается от стандартного А .

Распределение тока вдоль директора В показано на рис. 4 внизу. Участок с током обратного направления в центре элемента составляет всего 7% от общей длины, а максимум 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 Ра = 1 кВт и добротности катушки Q = 250 тепловые потери в ней около 4,5 Вт.

Была также проверена критичность величины L10 - проведены расчеты параметров антенны при изменении L10 на ± 10% от расчетного значения 9,16 мкГн. При этом изменение усиления антенны было 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.

ВК -15 ( f0 = 21,2 МГц ). Sа-д = 2,85 м, Sа-р = 2,5 м. Рассчитываем 2 варианта:

• А. применен стандартный директор ( рис.5 );
• Б. применен директор с размерами директора диапазона 20 м, т. е. длиной 9,68 м ( рис. 6 ). Необходимая фаза тока в директоре обеспечивается за счет включения в центре элемента фазосдвигающего конденсатора С15.

Расчетные значения параметров сведены в таблицу 2.

       Вариант         F/B (дБ)             G (дБд)        Rвх (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 вариант Б проигрывает всего 0,03 дБ по усилению, зато значительно выигрывает по остальным показателям. Распределение тока вдоль директора показано на рис. 6 внизу. При вариации С15 на плюс-минус 10% усиление изменялось на 0,18 дБ, а 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 С15 около 1050 В и реактивная мощность около 1000 ВА.

Главный вывод из приведенных расчетов – это возможность создания эффективного Многодиапазонного Коммутируемого Директора (МКД) на базе одного, самого длинного. Для проверки этой идеи автор в своей антенне, описанной в [1], применил новый директор, состоящий из двух половин по 4,8 м и нескольких реактивных элементов, коммутируемых в центре элемента с помощью 4-х вакуумных реле (размеры узла коммутации 177х112х63).

Подробное описание конструкции МКД предполагается позднее разместить на сайте. Как показали расчеты и проверка в эфире, новый директор эффективно работает на всех вч диапазонах 10, 12, 15, 17 и 20 м и позволяет получить на каждом из диапазонов параметры, соответствующие однодиапазонной антенне.

Конструктивно один директорный элемент вместо пяти – это значительная экономия недешевых алюминиевых трубок, снижение парусности и веса, но главное, конечно, - это устранение «конфликта» между директорами разных диапазонов. Всё это, вместе взятое, делает целесообразным некоторое усложнение антенны, связанное с применением реле.

Расчеты показывают, что аналогичным образом может быть выполнен и многодиапазонный рефлектор.

Литература

1. Э. Гуткин Многодиапазонные направленные антенны Радиохобби, 1 / 2004 РАДИО 2,3 / 2004
2. И. Гончаренко Антенны КВ и УКВ Компьютерное моделирование MMANA. Радиософт Москва 2004

Э. Гуткин (UT1MA).