Ветроустойчивая и прочная, многодиапазонная антенна DELTA - ROOST

Занимаясь вопросами повышения прочности и ветроустойчивости радиолюбительских антенн, я пришел к закономерному выводу: Устойчивой будет такая антенна, центр всех масс которой будет находится ниже точки крепления растяжек. В этом случае даже самая громоздкая антенна будет переносить ураганные ветры гораздо легче, чем антенна, у которой вся масса конструкции сосредоточена выше растяжек. За основу для расчетов была взята антенна 2EL DELTA LOOPS. “Дельта” в том виде, в каком она описана во многих источниках, выполнена таким образом, что ее центр масс находится гораздо выше точки фиксации. Первые расчеты показали, что размещение растяжек мачты всего на 5 –10 процентов выше центра масс позволит антенне устоять при вдвое более сильном ветре при тех же конструкционных материалах мачты и распорок. И чем больше вертикальный размер антенны, тем выше должна быть точка крепления растяжек. В этом случае конструкция антенны должна позволять крепить оттяжки как бы внутри объема антенны. Из известных рамочных антенн таким требованиям удовлетворяет только “двойной квадрат”, установленный “на ежах”. Конечно, это несколько снижает электрические параметры, в частности соотношение фронт/тыл, но надежность таких антенн будет значительно выше.

Вот по такому принципу и разработана новая конструкция многодиапазонной антенны Delta roost (Дельта - Насест). Такое название наиболее полно отражает количество “угнездившихся” на ней диапазонов. (Н.Филенко)

Почему именно антенна с треугольными элементами, а не квадраты? Попробую объяснить это “без высших материй”. Дело в том что в формировании диаграммы направленности в горизонтальной плоскости “принимает участие” каждая элементарная точка рамочной антенны. И чем больше горизонтальный размер рамки, тем уже лепесток диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. Но поскольку мы ведем речь о рамках с одинаковым периметром , то квадратная рамка в этом случае несколько уступает треугольной, вследствие того, что ее размер в горизонтальной плоскости меньше. Для квадрата сторона равна ¼ длины волны, а у треугольника сторона равна 1/3 длины волны. Радиолюбители уже заметили эту разницу и успешно эксплуатируют треугольные элементы.

Вернемся к нашей конструкции. Отличие этой антенны от “нормальных” Delta loops заключается в том, что распорки, обеспечивающие нужную форму элементам, опущены вниз под углом 45 градусов а точка их крепления поднята вверх почти на 8,5 метров.

Что это дает? Во первых: теперь мы имеем возможность закрепить растяжки мачты выше почти на 8 метров! Во вторых: теперь центр масс антенны находится значительно ниже точки крепления растяжек, а это приведет к устойчивости всей конструкции. В третьих: высота “свободно шатающейся” части антенны уменьшилась с 12,5 метров до 5 метров! И в четвертых: размещение распорок под углом 45 градусов снижает поперечные усилия, действующие на них, что также повышает общую прочность, даже при применении более длинных распорок.

Теперь мы можем применить на практике еще один закон геометрии: Закон жесткости фигур, который утверждает, что самая жесткая фигура – треугольник.

Основным несущим элементом в нашей антенне является верхняя траверса, к которой крепятся все треугольные элементы антенн. Дополнительную жесткость и прочность конструкции можно задать всего двумя боковыми растяжками, которые закрепим на концах распорок. Для более равномерного натяжения применим вариант с основными несущими элементами (мачта, траверса, ее растяжка, нижние распорки, рамка диапазона 40 м и 2 боковые растяжки) и элементами, не несущими нагрузки( рамки остальных диапазонов) Если мысленно убрать из общего вида рамки диапазонов 20-10 м, то можно увидеть, что конструкция полностью состоит из треугольных (т.е. жестких) элементов.

Если натянуть боковые растяжки, то натянутся сразу все элементы конструкции. Это необходимое условие для того, чтобы наша антенна прослужила долго и не скрипела, а “пела” на ветру. Кроме того, распорки теперь работают “на сжатие”, так как результирующий вектор силы натяжения растяжек и элементов антенны направлен почти вдоль распорок к мачте антенны.

Расчеты прочности показывают, что устойчивость к ветровым нагрузкам у такой конструкции в 2-3 раза выше, чем у стандартно выполненной DELTA LOOPS. Устойчивость к опрокидыванию определяется прочностью мачты и ее растяжек. Механическая прочность в основном определяется прочностью траверсы, крайних элементов и боковых растяжек.

Характеристики антенны

Элементы и узлы антенны.

Наиболее сложным в изготовлении конструкции является хомут для крепления распорок. Он изготавливается из отрезка трубы, по диаметру чуть больше диаметра мачты, длиной не менее 7 см. и 4-х П- образных скоб, которые будут держать распорки. Скобы изготавливаются по размеру применяемых распорок, за основу можно взять показанные на чертеже.

Сварка хомута производится на стапеле, на котором по диагонали проведены линии, соосные с положением распорок. Стапелем может быть кусок ровного металла или даже деревянная плита. Важно обеспечить высокую прочность сварки и правильное положение скоб. Распорки выполняются из ровных хлыстов или брусков необходимой длины. Можно состыковать 2-3 хлыста с помощью трубок. Толщину брусков не следует брать меньше 40х40мм для диапазона 40 м и не менее 30х30мм для диапазона 20 м.

Можно применять металлические трубы, разбив их изолирующими вставками на отрезки не более 2,5 метров каждый. Но металлические элементы ухудшают коэффициент усиления и соотношение фронт/тыл.

Деревянные распорки необходимо брать из хорошо просушенной древесины без сучков, перед установкой требуется пропитать их олифой и покрасить масляными красками. Длина распорок для диапазона 40 м – около 12 метров, но на прочность это не влияет, так как распорки поддерживаются всеми рамками антенны, равномерно по всей длине. Главная задача распорок – держать форму рамок. В концах распорок сверлятся поперечные отверстия, в них будут вставляться крепежные болты, проходящие сквозь скобы. Эти концы лучше укрепить металлическим бандажом из стальной ленты толщиной 0,8-1,5 мм. Наиболее ответственным элементом является верхняя траверса.

Она принимает на себя весь вес антенной конструкции и усилия натяжения элементов, обеспечивающих прочность антенны. Траверса должна выполняться из цельной металлической трубы, диаметром не менее 50 мм. К трубе привариваются блоки для натяжения элементов антенны, вблизи мачты должен находиться блок с таким количеством шкивов, чтобы было достаточно для всех планируемых диапазонов. В крайнем случае вместо блоков можно установить проволочные петли из гладкой проволоки диаметром не менее 10 мм, в блоки или петли заправляются леера, после чего траверса устанавливается на мачте и закрепляется верхними растяжками.

Расстояние между блоками соответствует расстоянию между рамками соответствующих диапазонов. На данной конструкции можно разместить 2 дополнительные элемента на диапазон 10 м, как показано на рисунке и рамки WARC-диапазонов .

Проволочные элементы особенностей не имеют, за исключением элементов самого длинноволнового диапазона – их прочность определяет прочность всей конструкции, поэтому диаметр провода для них должен быть не менее 4-х мм. Лучше применить биметаллический (сталемедный или сталеалюминиевый) провод.

Основные размеры в плане сверху приведены на рисунке. Размеры треугольных элементов приведены в таблице 1.

Подшипник для растяжек особенностей не имеет, корпус подшипника должен обеспечивать легкий поворот антенны по азимуту и коррозионную устойчивость.

Сборка антенны:

Перед сборкой необходимо разметить рамки всех диапазонов так, чтобы получились правильные треугольники. В начале на мачту одеваются подшипник и хомут и закрепляются в нужных местах. На мачту устанавливается траверса с пропущенными через блоки леерами. Длина лееров должна быть достаточной для подъема элементов и возможности натяжения элементов. Крайние треугольники закрепляются на траверсе без блоков, но обязательно изолируются от нее. В П-образные скобы хомута вставляются концы распорок и закрепляются с помощью болтов.

После этого можно устанавливать мачту в вертикальное положение и крепить растяжками. Если данная конструкция будет подниматься на мачте типа “УНЖА”, необходимо обеспечить расстояние от редуктора до растяжек не менее 4 метров, причем лучше использовать цельную трубу для изготовления всей мачты.

Нижние углы крайних треугольников( диапазона 40 метров) прочно прикрепляются к распоркам, после чего производится натяжение боковых растяжек. Сила натяжения должна быть такой, чтобы крайние треугольники были натянуты сильно, а распорки не прогибались. В случае, если распорки прогибаются или провисают, производится установка на место рамок диапазона 20 метров и дополнительных боковых растяжек, но натяжение этих элементов должно только ликвидировать прогиб распорок. Производится окончательное крепление распорок в П-образных скобах и затяжка болтов. Теперь можно установить треугольники остальных диапазонов. Они крепятся нижними углами к распоркам, а вершина с помощью леера натягивается к траверсе. После достаточного натяжения леер прочно крепится к хомуту или специальным крюкам на мачте. В процессе эксплуатации эти элементы можно снимать или заменять. Если распорки недостаточно прочные и прогибаются, можно усилить конструкцию дополнительными боковыми растяжками.

Кабель питания подходит к рамкам по одной из боковых распорок, жила подключается к вертикальному элементу, оплетка кабеля - к нижней стороне.

После закрепления всех элементов можно производить настройку рефлекторов по максимальному соотношению фронт/тыл. Методика настройки антенны аналогична описанной в статье. Рекомендую для облегчения настройки шлейфы диапазонов 30-10 метров разместить в верхнем углу треугольника, тогда для настройки можно будет отпустив соответствующий леер, опустить весь этот элемент вниз и, удлинив или укоротив шлейф, снова поднять его к траверсе. Шлейфы диапазона 40 метров необходимо оставить внизу, тогда до них легко можно дотянуться снизу.

После сборки проверьте, не задевают ли растяжки мачты за элементы антенны и распорки и если необходимо – измените положение кольев, забитых в грунт, или анкеров.

При разработке данной конструкции за основу были взяты размеры элементов антенны “2 EL DELTA LOOPS”, опубликованной в журнале “Радиохобби” N5, 1999 год, поэтому размеры рамок и согласующих шлейфов приведены без изменения.

Табл 1. Основные размеры конструкции.

Диапазон частот, мГц

Сторона рамки См

Расстояние между рамками,(длина травесы), см

Длина распорок от центра мачты, см

Длина шлейфа рефлектора,см

7

1450

869

1197

100

10

1011

607

834

70

14

724

434

599

60

18

564

338

466

50

21

483

289

398

45

24

410

246

339

40

28

359

215

296

40

При установке дополнительных элементов на 10 и 13 м расстояния между всеми рамками соответствующих диапазонов - одинаковые (см. табл)

Если у вас нет возможности сделать полноразмерную антенну, вы можете уменьшить ее размеры за счет отказа от диапазонов 40 или 40 и 30 метров, при этом необходимо уменьшить размеры распорок и выбрать точку установки хомута их крепления.

Расстояние от хомута до верхней траверсы и высота наибольшей рамки .

Диапазон частот (минимальный) МГц

Высота рамки (см)

Расстояние от распорок до траверсы

Длина распорки, См

7

1240

515

1197

10

864

358

834

14

619

257

599

Как видно из этой таблицы при построении “дельты” на 10-20 метровые диапазоны, размеры антенны только немногим больше размеров “двойных квадратов”, но при этом конструкция получается проще и прочнее. Радиус поворота в этом случае будет всего 4,3 метра, и такая антенна может быть установлена даже на крыше жилого дома.

На основе идей, заложенных при конструировании этой антенны можно построить быстроразворачиваемую антенну для полевых соревнований.

Быстроустанавливаемая антенна на частоты 14,18,21,24 и 28 мГц.

Антенна предназначена для использования в соревнованиях, по эффективности не уступает двойным квадратам, но гораздо проще в сборке и развертывании. Конструкция ее видна на рисунке:

Все основные размеры соответствуют приведенным выше.

Детали.

Мачта этой антенны может быть изготовлена из составной мачты, применяемой в радиостанциях Р-140 (трубы диаметром 55 мм, длиной 150 см.)

Для изготовления потребуются такие трубы в количестве не менее 8 штук, стальной тросик диаметром 4-6мм, две трубы диаметром 40 мм и длиной 215 см для траверсы, четыре распорки длиной 6 метров, изготовленные из дюралевых труб диаметром 30-40 мм(или деревянные) и разбитые изолируюшими вставками в местах крепления элементов и мягкий медный провод для рамок антенны. Провод для рамок диапазона 20 метров является несущим, поэтому его нужно выбрать диаметром не менее 4 мм. Остальные рамки нагрузку не несут и диаметр провода для них не критичен.

Распорки желательно сделать разборными с длиной отрезков не более 2 метров. Кроме того, потребуется изготовить насадку с блоками на верхнее колено мачты, и два шарнира, один для траверсы, другой – для распорок. Шарнир для распорок аналогичен хомуту для распорок из предыдущего описания, необходимо только скруглить углы скоб. И последнее, на самом нижнем колене мачты необходимо установить блоки с лебедкой для натяжения троса. Лебедка должна иметь храповик для фиксации антенны в рабочем состоянии. Можно применить лебедку от станка для антенны Р-140. Трубу нижнего колена необходимо прорезать вдоль для установки блоков.

При использовании 8-ми труб длиной 1,5 метра нижний край антенны будет находится на высоте 4,5 метра от земли, а верхний на высоте 10,5 метров, что не так и плохо для полевых условий и рамочной антенны. Можно использовать и большее количество труб, но такую конструкцию сложнее поднимать в вертикальное положение.

Первоначальная сборка антенны.

Состыковав трубы на земле, на размеченных местах (см. табл 2) устанавливают и прочно закрепляют на трубах шарниры для распорок и шарниры для траверсы, а также подшипник для растяжек мачты. На верхнюю трубу устанавливают насадку с блоками. К верхним шарнирам прикрепляют половинки траверсы, к нижним – распорки. Пропускают внутри трубы стальной тросик (2 шт) и закрепляют концы одного на одной, а другого на другой половинах траверсы, для чего концы тросиков удобно оборудовать карабинчиками, а на траверсах предусмотреть петли. Вторые концы тросика пропускают через нижние блоки и выводят наружу из трубы. Отведя половинки траверсы к нижней части мачты, и уложив тросики в блоки, выравнивают концы тросиков и закрепляют их на барабане лебедки. К крайним петлям на траверсе( предназначенных для закрепления самых больших рамок) через изолятор крепят верхние углы самых больших рамок(20 метрового диапазона).

Нижние углы этих рамок также через изоляторы закрепляют на соответствующих местах распорок. Устанавливают боковые растяжки, не забыв пропустив их выше растяжек мачты. На распорках в соответствующих местах закрепляют нижние углы рамок остальных диапазонов, а верхние углы с помощью отрезков лееров крепят в соответствующих точках на траверсе. Рекомендую отрезки лееров укоротить, а вместо укороченных отрезков установить резиновые элементы от эспандера, тогда элементы всегда будут ровно натянуты к мачте.

Проверив положение тросиков на блоках и слегка натянув их с помощью лебедки, приступают к подъему мачты. Мачта осторожно поднимается в вертикальное положение, при этом необходимо следить, чтобы не запутались элементы антенны, не повредились распорки и не соскочили тросики с блоков.

После установки растяжек мачты можно приступать к развертыванию антенны. Для этого производят натяжение тросиков лебедкой, при этом вначале потребуется слегка отвести траверсу от мачты. С уменьшением длины тросика половинки траверсы будут подниматься в горизонтальное положение, поднимая все элементы антенны и распорки. Когда траверса займет горизонтальное положение, распорки будут находиться под углом 45 градусов, а нижние стороны элементов и боковые растяжки не будут давать подниматься распоркам выше. Если продолжить натяжение тросиков, будут натягиваться все основные несущие элементы (рамки диапазона 20 метров, боковые растяжки, траверса, тросики) . Одновременно натяжение тросиков внутри мачты создаст напряжение в самой мачте и повысит тем самым ее прочность на изгиб (вспомните антенну Куликова). Антенна приняла рабочее положение. Закрепите рукоятку лебедки, чтобы предотвратить самопроизвольное складывание антенны. Теперь проверьте правильность натяжения всех внутренних рамок и произведите настройку антенны.

Сборка антенны в транспортное состояние:

Осторожно освободив рукоятку лебедки и храповик, ослабляйте понемногу тросики. Под собственным весом половинки траверсы будут опускаться вниз и дадут возможность опуститься распоркам. Когда распорки и траверса займут нижнее положение, опустите антенну на землю. Снимите и аккуратно уложите рамки, растяжки мачты и боковые растяжки. Отсоедините половинки траверсы и распорки от шарниров. Рассоедините трубы, но не вынимайте из них тросик, а сложите трубы гармошкой вместе с ним. Если есть возможность, расстыкуйте распорки на части. Если теперь сложить все вместе, получится пакет длиной 2 м 15 см, который можно транспортировать даже на багажнике автомобиля.

Развертывание антенны из походного положения производится в обратном порядке и занимает не более 20 минут.

Еще один вариант саморазворачиваемой антенны можно изготовить на основе телескопической мачты, используя для этого те же элементы, что и в описанной конструкции. Отличия – придется подобрать длину тросиков и крепить их прямо к одному из верхних колен. Тогда при подъеме мачты антенна будет разворачиваться самостоятельно. Также придется подобрать положение траверсы и распорок на мачте, чтобы при складывании мачты не приходилось снимать шарниры этих элементов. На рисунке показан способ крепления растяжки траверсы для этого варианта антенны.

Во время подъема мачты верхнее колено, выдвигаясь будет натягивать трос, который в свою очередь поднимет траверсу в горизонтальное положение. Траверса поднимет элементы антенн и распорки.

Программа для расчета антенны DELTA-ROOST 36kb. 
 Полное описание варианта быстроустанавливаемой антенны 186kb

Дальних вам связей!

Литература:

Н. Лаврека (UX0FF) “2 EL DELTA LOOPS”, “Радиохобби” N5, 1999 год,
Б.Дякив(UX7LM), А.Дякив “КВ антенны” изд. “Чумацький шлях”
А.Степанов “Шарнирные куклы и игрушки” “Детская литература”.

Статья предназначена только для размещения на сайте Кубанских радиолюбителей, любое коммерческое использование, размещение на других сайтах и страницах в Интернете или печатных изданиях без согласия автора запрещены.

Н.Филенко (UA9XBI), ua9xbi@online.ru