П-образные антенные элементы новой формы и антенны из них

---

Эрнест Гуткин (UT1MA), г.Луганск

---

Антенные полноразмерные элементы П-образной формы рассмотрены в [1]. В данной статье анализируются П-элемен-ты новой формы, имеющие лучшие конструктивные и электрические характеристики и 2-х элементные волновые каналы (ВК-2П) на их базе. Для анализа использована программа MMANA [2]. Параметр F/B (вперед/назад) определялся как для заднего сектора ДН в пределах 180°±60° и элевации до 40° (F/B_l20/40), так и чисто по оси X (F/B0/0).

Прежде чем приступить к заявленной теме, попробуем разобраться, является ли ВК-2П вынужденным малогабаритным компромиссом или полноценной антенной с высокими параметрами.

На рис. 1а показан ВК-2л из полноразмерных линейных элементов и его основные параметры при длине антенны (бума) S=6 м и оптимизации на частоте 7,05 МГц.

Puc.1.

Для упрощения расчет дается применительно к свободному пространству и диаметр элементов по всей длине принят 30 мм. Ток в рефлекторе составляет всего 66% от тока в активном элементе (максимальные значения), этим и объясняется малая величина F/B0/0=10,9 дБ. При сближении рефлектора с активным до S=2 м ток рефлектора после оптимизации увеличился до 80%, но усиление и F/B выросли всего на 0,3...0,4 дБ при резком падении Rbx и широкополосности (соотношение токов можно оценить по токовым кривым на экране дисплея с помощью обычной линейки).

Антенна на рис. 1б отличается тем, что её рефлектор имеет V-образный вид. При уменьшении угла между половинками рефлектора его концы приближаются к активному, при этом возрастают относительная величина тока рефлектора и показатель F/B. Аналогичный эффект наблюдается при конфигурации элементов, как на рис. 1в и 1г. При некотором критическом расстоянии Sk=1,8...1,9 m (уточняется при оптимизации) показатель F/Bo/O вырастает до значения 40 дБ и более (!) при незначительном уменьшении усиления на -0,2 дБ и сохранении широкополосности. Соответственно, MMANA показывает, что токи в обоих элементах выравниваются с точностью до единиц процентов (как при активном питании рефлектора). При расстоянии менее критического ток рефлектора превосходит ток активного и F/B ухудшается.

Остается сделать последний шаг и перейти к антенне с П-образным рефлектором (рис. 1д). Расчет показывает, что здесь также достижимо подавление назад F/Bo 0 более 40 дБ, а при расположении антенны над землей после небольшой подстройки подавление на расчетной частоте во всем заднем секторе F/B_l20/40=21...23 дБ с провалом до 30 дБ вдоль оси антенны. Эти цифры сохраняются в случае применения обоих элементов П-образной формы.

Таким образом, ВК-2 с элементами «ломаной» формы позволяют получить простым способом очень высокие значения параметра F/B. Попытку объяснить этот феномен автор предпримет в последнем абзаце статьи.

На рис.2 приведены модели нескольких вариантов исполнения П-элемента, размеры соответствуют резонансной частоте 7,05 МГц в свободном пространстве. Они имеют одинаковую среднюю часть длиной 14 м при диаметре 30 мм, но боковые части выполнены по разному.

Puc.2.

Вариант рис.2а - «бока» из провода диаметром 2 мм длиной по 4,88 м каждый. Параметры - усиление G=-0,27 дБ (по отношению к полноразмерному элементу), отношение вперед/ вбок составляет всего F/S=13,5 дБ, ширина полосы в пределах КСВ=1,5 (с использованием на входе согласующего устройства СУ) около BW=245 кГц.

Вариант рис.2б - «бока» из трубки диаметром 30 мм длиной по 3,56 м. Соответственно G=-0,21 дБ, F/S=16 дБ и BW=295 кГц.

Вариант рис.2в - «бока» из трубки диаметром 60 мм длиной по 3,12 м. Соответственно G=-0,2 дБ, F/S=17,5 дБ и BW=300 кГц.

Видно, что с увеличением диаметра боковых частей существенно уменьшается их длина (в нашем случае с 4,88 м до 3,12 м) и улучшаются электрические параметры П-элемента, однако использование толстых «боков» совершенно неконструктивно.

На рис. 2г показан предложенный UT1MA вариант с использованием боковых частей из двух параллельных проводов диаметром 2 мм длиной по 3,15 м. При расстоянии между проводами 1 м параметры элемента - G=-0,22 дБ, F/S=17 дБ и BW=285 кГц. Таким образом, в этом варианте удается совместить малые вес и парусность проволочного «бока» и параметры толстого трубочного.

Перейдем к анализу двухэлементных направленных антенн с использованием варианта рис.2г. Предварительно следует напомнить, что параметр F/B ВК-2л из 2-х линейных полноразмерных элементов изменяется в пределах 8...16 дБ в зависимости от высоты над землей (в свободном пространстве около 11 дБ). Принимаем высоту антенны над землей h=28 м как максимально возможную при размещении на небольшом частном подворье или над крышей пятиэтажного дома. Дополнительно следует отметить, что при высоте 26...30 м антенна с П-элементами на 7 МГц имеет наиболее благоприятную ДН для DX-связей и высокие значения F/B.

Рассмотрим 3 варианта исполнения

На рис. За дано обычное расположение П-образных рефлектора и активного элемента, когда «бока» направлены навстречу друг другу.

Puc.3.

Расчетные размеры показаны на рисунке, параметры приведены в табл. 1 для трех частот 40-м диапазона.

№		Ga, дБи			F/B, дБ			F/S,	BW,
п/п	Частота, МГц	7,0	7,05	7,1	7,0	7,05	7,1	ДБ	кГц
1	Ант. рис.За	11,7	11,5	11,3	17,3	21,0	18,2	17	350
2	Ант. рис.Зв	12,1	11,8	11,6	17,2	20,9	17,5	23	130
з	Ант. ВК-2л	11,9	11,7	11.6	9,0	9,0	8,8	32	133

Отличается от «прямоугольника Моксона-Себика» [3] соотношением сторон и формой боковых частей, условно можно назвать «М плюс». Возможная конструкция проволочных «боков» дана на рис.4.

Puc.4.

На рис.3б активный элемент расположен необычно и, как показали расчеты, при таком положении боковых частей антенна имеет усиление на 0,3..0,5 дБ выше. Недостаток этой конструкции - необходимость применения дополнительной распорки (пунктир) для поддержки проволочных «боков» активного элемента. Возможный вариант полезного использования распорки рассмотрен дальше. Условные названия - «МА-ПП антенна» или «антенна двурогая». :-)

В варианте рис.Зв изменена форма боковых частей активного элемента, что позволило сделать «зазор» между крайними частями обоих элементов равный критическому Sk, при котором F/B0/0>40 дБ и F/Bl80/40=21 дБ, а также уменьшить длину антенны.

В таблице для сравнения также приведены параметры ВК-2л с двумя линейными полноразмерными элементами и бумом длиной 6 м (3-я строка). Отметим, что высота 28 м для такой антенны по параметру F/B неудачная, к примеру, на h=21 м этот параметр около 16 дБ.

Итак, 2-х элементная антенна рис.Зв превосходит линейную полноразмерную ВК-2л по параметрам Ga и F/B.

На рис.4 приведен чертеж совмещенной антенны (не в масштабе), имеющей по два элемента на диапазоны 40, 30, 17 и 12 м. Максимальная длина элементов всего 13 м, продольная длина антенны 7,33 м.

Каждый элемент состоит из нескольких отрезков дюралевых трубок или проводов. Диаметр каждого отрезка, его длина и координаты приведены в таблице в формате MMANA в конце статьи. На чертеже эти отрезки обозначены под тем же номером с добавлением буквы w (wire - провод) как в таблице. Бум антенны соединяется с мачтой (на рис.4 торец мачты показан в виде прямоугольника) с таким расчетом, чтобы ветровые сопротивления половин антенны были примерно одинаковы. На чертеже бум (показан двойной пунктирной линией) совмещен с осью X, точка пересечения бума и мачты соответствует координате х=0. В центре всех трех длинных элементов установлены вертикальные стойки длиной по 0,9 м, используемые для крепления растяжек (не показаны).

Рефлектор Р40 (диапазон 40 м) состоит из отрезков w4...w9 (трубки) и w10...w15 (провода). В центре Р40 включен длинный шлейф из трубок w2, w3. В перемычке w1 установлен переменный конденсатор С1 (нумерация реактивных элементов по номеру отрезка, в который они включены). Изменением емкости С1 устанавливают максимальное подавление (F/Bmax) на частоте 7,035 МГц. Если есть возможность подняться по мачте до бума антенны, возможна оперативная настройка С1 непосредственно на рабочей высоте.

Активный А40 состоит аналогично из отрезков w16...w21 (трубки), передних боковых частей w22...w27 и задних боковых частей w51...w56. При таком построении удается установить «критическое» расстояние (зазор) между «боками» А40 и Р40, соответствующее максимальному F/B и сохранить преимущество в усилении антенны за счет использования передних «боков». В схеме согласования использованы катушки L28, L29 (подстроечные) и компенсационная L30 (аналог hairpin). Для удобства настройки непосредственно на рабочей высоте узел согласования вынесен ближе к мачте с помощью соединительной линии w28, w29. Питание на А40 подается кабелем РК50 через разъем XS1 и внешнее симметрирующее устройство.

Активный элемент А17 состоит из трубок w32...w35, w40, w41 и центрального отрезка w42, в разрез которого установлен входной разъём WARC диапазонов XS2 (питание отдельным кабелем РК50 через балун). Элемент АЗО состоит из тех же трубок плюс подключаемые через катушки L36, L37 (намотаны на стеклотекстолитовых каркасах - соединительных вставках) трубки w38, w39 (т.н. LOM-технология, см. [4,5]). Активный А12 (w43) вынесен вперед и связан с А17 через поле (система open sleeve). Рефлекторы Р17 и РЗО проволочные и выполнены в виде буквы V, что позволило получить высокие значения параметра F/B. Середина этих рефлекторов крепится к верхушкам вертикальных стоек Р40 и А40, а концы, с помощью диэлектрических веревок, - к концевым частям длинных элементов. В середину РЗО включена небольшая удлиняющая катушка L46 (без нее РЗО не «вписывался»), вместо катушки можно применить короткозамкнутый шлейф. Растяжки (кевлар, полипропилен) на рисунке показаны пунктиром, диэлектрические вставки заштрихованы. В качестве боковых проводников можно использовать обмоточный провод ПЭВ-2 диаметром 2 мм или многожильный в изоляции ПВ-3 сечением 2,5 мм2, в этом случае полная длина каждого бока (например, w10+w12+w14) должна быть короче, примерно, на 3,5%. Провод подвязывается в нескольких точках к идущей рядом диэлектрической растяжке, на конце провода перед подключением к концевой трубке элемента (например, w10 и w12 к w8) делается волнообразный демпфирующий изгиб.

Настройка «сороковочной» антенны

Антенну поворачивают рефлектором в сторону датчика сигнала и вращением оси переменного конденсатора С1 добиваются минимальной слышимости сигнала. Настройка не критичная - расчетные значения емкости при минимальном остатке сигнала на частоте 7,035 МГц С1=662 пф, соответственно при С1 =761 пф минимум сместится на 7,0 МГц и при С1=503 пф -на 7,1 МГц. Если линию w2, w3 удлинить, необходимая емкость С1 соответственно уменьшиться.

Настройка согласования производится по КСВ-метру путем подбора нужных значений индуктивностей. Первоначально, удалив катушку L30, изменением индуктивности катушек L28, L29 нужно получить минимум КСВ на частоте 7,3 МГц. В зависимости от точности выполнения А40, качества земли и высоты над ней, индуктивности этих катушек могут значительно отличаться от табличных значений или даже придется вместо катушек попробовать применить конденсаторы емкостью в сотни пф. Затем подключают L30 и небольшой вариацией всех трех реактивностей добиваются минимального КСВ на средней частоте диапазона (непременное условие - наличие балу-на). При кропотливой настройке принятая схема позволяет получить КСВ не хуже 1,05.

Элементы WARC диапазонов имеют простую форму и при аккуратном расчете их размеров подстройка может и не понадобиться.

Расчетные значения параметров антенны 40 м на 4-х частотах приведены в таблице 2 (1-я строка). Там же для сравнения (2-я стр.) приведены расчетные параметры 3-элементного укороченного ВК, имеющего габариты антенны Force-12 MAG-340 (длина бума 9 м, длина элементов по 13,5 м, вместо шлейфов в расчете использованы эквивалентные катушки с добротностью 500, по входу согласование типа L-match).

	Ga, дБи				F/B.20 40.Дб				КСВ
Частота, МГц	7,0	7,05	7,1	7,2	7,0	7,05	7,1	7,2	7,0	7,05	7,1	7,2
2эл. рис.4	12,0	11,7	11,4	10,8	14,1	20,0	16,2	10,6	1,65	1,08	1,4	1,9
Зэл. укороч.	11,4	11,9	11,7	10,1	8.3	22,1	13,1	-7,4	3,2	1,0	1,3	22(!)
Зэл. ук.подстр.	11,7	11,6	11,4	10,7	14,5	17,6	14,5	5,0	2,1	1.01	1,5	11,9

Антенна автоматически оптимизировалась программой на достижение максимальных показателей на частоте 7,05 МГц. Затем для выравнивания показателей по диапазону пассивные элементы были соответственно подстроены (3-я стр.).

Расчет F/B производился при «честных» установках программы по отношению к любому лепестку ДН в секторе 180°±60° и при элевации до 40°. Следует отметить, что при «секторе» 180°±0° и нулевой элевации показатель F/Bo/O первой антенны «вырастал» на средней частоте до значения 30 дБ (таким способом нередко пользуются зарубежные производители антенн).

Из табл.2 следует, что предложенный 2-х элементный вариант при меньших габаритах по всем показателям превосходит аналог MAG-340.

Расчетные параметры антенны на WARC диапазонах (вход XS2 на w42c) представлены в таблице 3, а на рис.5-8 - диаграммы направленности на средних частотах 7,050; 10,125; 18,120 и 24,940 МГц соответствующих диапазонов.

Частота, МГц	Zbx	КСВ	Ga, дБи	F/B, ДБ
10,125	56,7-j1,0	1,14	10,7	24,4
18,12	46,1-j1,3	1,09	11,0	18,4
24,94	46,5-jO	1,08	12,1	11,4

Основная цель этой статьи - познакомить радиолюбителей с перспективными для диапазонов 40 и 80 м новыми вариантами антенн на основе П-элементов. В дальнейшем предполагается опубликовать конкретные разработки и результаты испытаний.

Файл антенны UT1 MA-(40+WARC)x2el.03.maa размещен на сайте журнала http://radiohobby.go.to

Для читателей, не имеющих доступа в Интернет, этот файл в виде таблицы приведен ниже , в нем можно найти размеры всех частей антенны (установка DM1=800).

Вернемся к антеннам рис. 1. Все они оптимизированы на получение максимума F/B - в варианте 1а это около 11 дБ, в остальных 40 дБ и более. MMANA позволяет определить собственное (внутреннее) сопротивление рефлектора zр каждого из вариантов на расчетной частоте 7,05 МГц. Для этого следует перенести точку питания в середину рефлектора и «удалить» активный элемент (для устранения его влияния), установив радиус его проводника равным нулю.

Получается:

Видно, что собственное сопротивление рефлекторов вариантов 1б...1д значительно меньше, чем в варианте 1а. При этих величинах z_p удается возбудить в рефлекторе ток равный и даже больший тока в активном элементе.

Уменьшение zp происходит по двум причинам:

- если один или оба элемента имеют «ломаную» форму, высокому значению F/B соответствует почти резонансная настройка рефлектора с активной составляющей 64..74 Ом и малой индуктивной составляющей, что в итоге дает меньшее значение zp. Нужная для подавления излучения «назад» фаза поля обеспечивается не только за счет индуктивной настройки рефлектора, а в основном благодаря тому, что излучение от разных точек «ломаного» элемента уже происходит с разными пространственными фазами;
- если «ломаную» форму имеет рефлектор, это также приводит к понижению zp (варианты 16 и 1д).

Примечание

Соединительная линия (шлейф) из w2, w3 согласно файлу антенны состоит из трубок диаметром 20 мм при расстоянии между осями трубок 40 мм, что соответствует волновому сопротивлению линии Zл=165 Ом. Применить при расчете трубки меньших диаметров (соответственно с меньшим межосевым расстоянием) проблематично из за ограничений MMANA на минимальное расстояние между параллельными проводниками. В реальной антенне можно использовать трубки меньших диаметров или линию с2л=150 Ом, выполненную из двух отрезков кабеля РК-75. В последнем случае электрическая длина линии будет в 1,52 раза больше её физической длины. Если сохранить физическую длину такой линии 3,8 м (как в файле), расчетная емкость конденсатора уменьшится до С1=300 пФ (вместо 662 пф), что есть хорошо.

Литература

1. Гуткин Э. Волновой канал для н.ч. диапазонов. "Радиохобби" N93/2005 г.

2.  Гончаренко И. Антенны KB и УКВ. Часть 7. Компьютерное моделирование. MM ANA. -M.: ИП Радиософт, Журнал "Радио". 2004 - 128с: ил.

3.  www.cqham.ru/cebikji.htm.

4. Гуткин Э. Семидиапазонная направленная KB антенна ВМА-7. "Радиохобби" № 1/2003 г.

5.  Гуткин Э. Вседиапазонная KB антенна VMA-10 (часть 2.) "Радиохобби" №3/2002 г.

---

РадиоХобби 2-2006