Малая вертикальная рамочная антенна для приема на КВ
Статья публикуется с любезного разрешения автора
Мэтт Робертс (Matt Roberts) - KK5JY
Сайт: http://kk5jy.net
Мой первоначальный интерес к небольшим приемным петлевым антеннам был сосредоточен на двухэлементных массивах таких элементов, используемых для формирования фазированной решетки для улучшения характеристик приема на КВ диапазонах. Отдельные элементы этой конструкции антенны представляли собой простые проволочные петли, очень маленькие по сравнению с длинами волн, которые должны были быть приняты, и не резонировали и не настраивались ни на один из диапазонов, в которых она используется. Такие массивы могут конкурировать с огромными антеннами Бевереджа, во много раз превышающими их размер. Однако даже однопроводная петля этого типа может быть очень эффективной приемной КВ-антенной для длинных волн, предлагая существенное преимущество перед многими типами передающих антенн для КВ-приема. Это заслуживает отдельного дополнительного обсуждения.
Ненастроенная, электрически малая антенна с потерями, будь то вертикальный, петлевой или горизонтальный диполь, оказывается отличным преобразователем для КВ-волн. КПД такой антенны очень низок, иногда на несколько десятков дБ ниже изотропной антенны. Однако оказывается, что низкая эффективность на самом деле помогает улучшить общее отношение сигнал/шум принимаемых сигналов. Причины этого лучше всего обсуждаются в другой статье, но будет достаточно сказать, что операторы КВ-диапазона знали о желаемых свойствах приемных антенн с потерями с первых дней развития радио, а антенна Бевереджа является лишь одним примером семейства антенн. которые используют низкую эффективность для улучшения SNR сигналов ионосферных волн.
Для целей этой статьи я буду называть такую ненастроенную электрически малую рамочную антенну, используемую только для приема, "малой приемной петлей" или SRL . Существует ряд типов антенн, которые можно рассматривать как небольшие приемные петли, но здесь я имею в виду только те петли, которые соответствуют описанию выше.
Диаграммы дальнего поля для диапазонов 40 м , 80 м и 160 м для SRL показаны на рисунках с 1 по 9.
Моделируемая петля имеет ромбовидную форму, 30 дюймов (75 см) с каждой стороны и подключается в нижнем уголу. Основание петли находится примерно на высоте пяти футов (1,5 м) над землей, а ее верхний угол находится примерно на высоте восьми футов (2,4 м) над землей. Пример такой петли показан в начале статьи и на рисунке 10.
Рисунок 10. Элемент петли.
Петли представляют собой "сбалансированные" антенны, и при питании от коаксиального кабеля они требуют тщательной развязки от внешней поверхности проводника фидерной линии. SRL, показанный на рисунке 10, приводится в действие напрямую, используя дроссель коаксиального фидера в точке питания, чтобы предотвратить наводку RF от экрана коаксиального кабеля. Позже я заменил дроссель на антенный трансформатор Бевереджа с изоляцией по постоянному току (рис. 11), подобный тем, которые использовал W8JI для своих антенн Бевереджа. Это тот же тип трансформатора, который я использовал в конструкции контура-земля, и такая же конструкция используется DXE для их коммерческой версии.
Рисунок 11. Самодельный изолирующий трансформатор.
Примечание.
Вторичная обмотка трансформатора для питающего кабеля 75 ом содержит 5 витков,
для кабеля 50 ом - 6 витков. Размер "бинокля" примерно 15х15 мм.
Трансформатор Бевереджа намного лучше справлялся с сохранением довольно резких нулей контура - и в более широком диапазоне частот - чем дроссель. Трансформатор изолирует антенный элемент от фидерной линии и обеспечивает закороченную по постоянному току точку питания, что удобно для предотвращения любого статического накопления.
На первый взгляд, диаграммы кажутся ничем не примечательными; фактически, они чем-то похожи на диаграмму направленности "более теплые облака" низкодипольной антенны. График азимута также подтверждает эту оценку. Однако, если вы внимательно посмотрите на форму и вспомогательные данные на каждом графике, вы увидите, что это не типичные паттерны NVIS. Фактически, углы излучения по уровню -3 дБ для диапазонов 40 м, 80 м и 160 м составляют 10,3°, 7,8° и 5,8° соответственно. Это не углы NVIS - это углы DX.
Что это значит в реальной жизни? Это означает, что SRL может принимать сигналы ионосферной волны с постоянным усилением почти при всех углах прихода. Её низкоугловая характеристика лучше, чем у большинства вертикальных несимметричных антенн, что делает её очень эффективной DX-антенной. Однако, поскольку диаграмма направленности под большим углом также не повреждена, антенна также может слышать сигналы NVIS с очень похожими значениями усиления. Это делает антенну универсальным устройством для приема. Большинство антенн хороши для приема под высокими или низкими углами, но не обоих одновременно. Те, кто может слышать пространственные волны под низкими углами, имеют огромную разницу в усилении между низкими углами и более высокими углами над ними. Это означает, что сигналы DX появляются в приемнике с гораздо меньшей энергией, чем ближние сигналы под большим углом, что иногда затрудняет "раскопки". DX-сигналы от окружающих их гораздо более сильных местных станций. Более равномерное распределение усиления SRL имеет тенденцию выравнивать отношение сигнал/шум принимаемых сигналов, чтобы представить их в приемнике с более стабильной силой.
Но это не все. Азимутальная диаграмма SRL имеет два нуля, что очень похоже на дипольную антенну. И, как дипольная антенна, эти нули излучаются со "сторон" антенны. Однако диполь с такой диаграммой направленности низкого уровня должен быть очень высоким, между λ и λ/2 над землей. Это помещает центральную ось нулей диполя также очень высоко в воздух. В отличие от этого, нулевая ось SRL находится близко к уровню земли, где она может наиболее эффективно отклонять локальные QRM. Высокий диполь будет довольно "хорошо" слышать QRM под отрицательными углами от его концов, например, из соседнего дома, в то время как SRL имеет больше шансов подавить такие сигналы.
В чем действительно проявляется малый цикл приема, так это в оптимизации отношения сигнал/шум для сигналов пространственной волны. Даже в среде, свободной от помех (если такое место существует), природа ненастроенного небольшого приемного контура с высокими потерями позволяет ему лучше слышать автокоррелированные сигналы, чем случайный шум вокруг этих сигналов. Пользователи коротких ненастроенных вертикальных антенн сообщали о подобных эффектах, когда они намеренно нагружали свои вертикальные антенны резистивными нагрузками. В результате прослушивание сигналов в небольшой вертикальной петле может дать лучшее соотношение сигнал/шум для сигналов, которые нам важны (CW, SSB, RTTY, PSK и т. д.).
На рисунке 12 показан пример работы SRL при использовании на 40-метровом диапазоне CW в особенно напряженный вечер. Антенна находилась в помещении, рядом с многочисленными электронными устройствами, и при этом обеспечивала отличное соотношение сигнал/шум и низкий уровень шума. По сравнению с другими антеннами, которые у меня были в то время для 40 м, характеристики SNR SRL были безусловно лучшими. Хотя в этой антенне нет ничего "волшебного", одно только улучшение отношения сигнал/шум приводит к естественному выходу сигналов из шума.
Рисунок 12. SDR-прием на 40 м - CW
В конце 2018 года я провел несколько обширных экспериментов с FT8 и этой антенной. Я переместил антенну на открытое пространство своего двора и повернул ее, чтобы нейтрализовать некоторые помехи от того, что, как я подозреваю, является шумным световым балластом в доме соседа. Используя 33-футовую (10 метров) вертикальную антенну для передачи и SRL для приема, я смог установить около 4000 контактов всего за месяц в диапазонах 15 м, 17 м, 20 м, 30 м, 40 м, 80 м и 160 м. Антенна обеспечивала отличный уровень сигнала, используя только предусилитель 10 дБ, встроенный в мой TS-590SG. Я намеревался добавить предусилитель на мачте, но до этого не дошел, потому что он пока не нужен. На рисунке 13 показан образец WSJT-X, работающего на FT8 на 40 м с антенной SRL.
Рисунок 13. Прием на 40 м - FT8
Рисунок 14 показывает типичную карту покрытия с использованием SRL примерно за двенадцать часов.
Рисунок 14.
Использование одного элемента петли имеет определенные преимущества перед решеткой из двух элементов. Во-первых, это позволяет одновременный прием с противоположных азимутальных углов. Здесь, в центральной части США, большинство любительских сигналов, как правило, приходит с востока и с запада. Один элемент SRL будет слышать сигналы NVIS и DX одновременно с востока и запада. Это обеспечивает широкий географический охват от одной антенны, одновременно улучшая отношение сигнал/шум и обеспечивая два почти горизонтальных нуля, которые можно вращать, чтобы удалить конкретный источник помех, который может находиться поблизости.
Производительность одного SRL приближается к неопределенному Бевереджу во много раз больше ее размера, обеспечивая при этом дополнительное преимущество - возможность поворота. Напротив, двухэлементная решетка приближается к характеристикам оконечной антенны Бевереджа, которая в основном является однонаправленной.
Существуют применения как одноэлементной версии SRL, так и версии с двухэлементной фазированной решеткой. Хотя двухэлементная решетка обеспечивает дополнительную направленность, которую многие люди ищут от приемной антенны, одноэлементная петля по-прежнему имеет множество преимуществ перед большинством типов передающих антенн, такими как полноразмерная вертикальная антенна. Мое местоположение практически невозможно использовать на 160 м при использовании вертикальной антенны как для передачи, так и для приема. Однако при использовании выделенных приемных антенн 160 м оживает благодаря сигналам во время основных рабочих событий. Не следует недооценивать полезность таких простых приемных антенн.
В 30-дюймовом квадрате, который я использовал для своих прототипов, нет ничего особенного. Я выбрал размер, который был электрически мал для тех длин волн, на которых я хотел работать, а также размер, который было легко измерить, сконструировать и носить с собой. SRL будет генерировать более низкие уровни сигнала, но будет обеспечивать более глубокие нули по сторонам. Более крупная SRL будет генерировать сигнал больше, но будет иметь меньшее затухание в нулях. Таким образом, размер может быть выбран так, чтобы сбалансировать необходимый уровень сигнала с желаемой направленностью. Я предпочитаю иметь достаточно сигнала, чтобы "установить шум" в моем приемнике, когда я подключаю антенну. Если кто-то предпочитает антенну с очень глубокими нулями и желает добавить предусилитель, можно разработать контур гораздо меньшего размера, который обеспечит одинаковые уровни сигнала на приемнике. Если используется предусилитель, следует выбирать модель с наименьшим практическим коэффициентом шума.
Комбинированные устройства, состоящие из SRL и широкополосного предусилителя, установленного на мачте, легко доступны у ряда производителей. К сожалению, большинство таких устройств довольно дороги ( https://www.dxengineering.com/parts/dxe-rf-pro-1b), и в результате дизайн SRL не получает того внимания, которого он заслуживает. Я обнаружил, что, правильно подобрав размер петли и используя качественный коаксиальный кабель с низкими потерями, я могу отказаться от предусилителя или использовать предусилитель, встроенный в радиоприемник, тем самым устраняя большую часть стоимости качественного коммерческого SRL. Это значительно снижает затраты на создание контура, а также устраняет общую точку отказа, поскольку предусилитель, установленный на мачте, склонен к отказу из-за статического электричества, ударов молнии поблизости, экстремальных температур и других подобных нарушений окружающей среды.
Если материалы будут тщательно отобраны и собраны, одноэлементный качественный SRL может быть построен всего за несколько долларов, включая изолирующий трансформатор, и будет иметь производительность не хуже своих коммерческих собратьев за 500 долларов. При использовании качественного коаксиального кабеля, такого как для кабельного телевидения, потери могут быть минимальными, что устраняет необходимость в предварительном усилителе. Такой кабель широко доступен и очень недорог, потому что кабельная и спутниковая промышленность использует тонны материалов для пользовательских установок, поэтому он широко производится серийно. Помните, что если уровень шума приемника повышается при подключении какой-либо приемной антенны, антенная система в целом генерирует более чем достаточно сигнала для управления приемником, и предусилитель не нужен где-либо на пути прохождения сигнала. Создание контура, который может генерировать достаточный уровень сигнала, а затем объединение его с кабелем с низкими потерями для сохранения этого сигнала на всем пути к приемнику, обеспечит превосходные характеристики любой антенны с предусилителем, установленным на мачте, потому что сам предусилитель поднимет минимальный уровень шума, отменяющий некоторые улучшения SNR, которые должна обеспечивать антенна.
Когда я начал возиться с этой антенной, я почти отказался от КВ-радиосвязи из-за постоянной борьбы с RFI и неравномерного минимального уровня шума, который я часто видел из-за всей электроники и линий электропередач, которые меня окружают. У меня нет места для антенн Beverage, и даже укороченная Beverage должна доходить почти до стен домов соседей. Я построил первую маленькую вертикальную петлю по прихоти, просто чтобы посмотреть, что она может слышать, и был потрясен, обнаружив, что она не только не глухая, но и может слышать лучше, чем мои полноразмерные антенны. Уровни сигнала ниже, но отношение сигнал/шум гораздо лучше. С того времени я провел большую часть своего радиолюбительского радио, экспериментируя с приемными антеннами других производителей. Этот проект побудил меня поэкспериментировать с другой очень эффективной конструкцией приемной петлевой антенной, которую я успешно использовал на диапазонах от 160 до 20 метров. Эксперименты продолжаются, но я обнаружил, что все, что я думал об антеннах, улетучивается, когда я пытаюсь принять пространственные ВЧ-волны, особенно на более длинных волнах. Способность небольшого куска провода улучшать прием, если он правильно расположен и сконструирован, продолжает меня удивлять. Надо ли говорить, что без таких антенн я бы не работал на КВ диапазонах.
Перевод с английского - RA3TOX.
Август 2020 г.