Многодиапазонная Inverted-V с разных ракурсов
Л.Б. Себик, W4RNL
http://on5au.be/content/a10/wire/vang.html
Чем меньше задний двор, тем меньше места у нас есть для строительства полноразмерного 135-футового диполя с центральным питанием в качестве вседиапазонной КВ-антенны. В качестве обходного пути многие любители пробуют конфигурацию Inverted-V. Для этого требуется только одна очень высокая центральная опора с более низкими опорами для концов провода. Справочники уверяют нас, что Inverted-V будет работать довольно хорошо, с небольшим уменьшением усиления и небольшим расширением диаграммы направленности от концов провода. Поэтому мы добросовестно строим Inverted-V, а затем удивляемся, почему соседние радиолюбители так хорошо справляются со своими задачами на станциях приема. Мы оправдываемся тем, что, возможно, наша антенна направлена в неправильном направлении. Мы можем подумать, что нам нужно вырастить более высокие деревья, чтобы поднять точку питания антенны еще выше. Возможно, нам нужно купить новую установку. Мы никогда не останавливаемся, чтобы подумать, что базовая антенна может быть неисправна, особенно на верхних диапазонах. В конце концов, справочники убедили нас, что вседиапазонная Inverted-V антенна является хорошей антенной общего назначения.Давайте вернемся на шаг назад и составим план изучения ситуации. Первым шагом будет рассмотрение того, что мы можем ожидать от ровного дублета с той же высотой точки питания, что и наша Inverted-V. Мы не можем обследовать каждую высоту точки питания в этом упражнении. Поэтому я установлю точку питания на высоте 60 футов над средней землей. Этот уровень несколько высок для среднего заднего двора, но у меня есть причины выбрать его, и они появятся через мгновение.
Вторым шагом является замена дублета уровня на Inverted-V, сохраняя ту же высоту точки питания. Непосредственная проблема, с которой мы сталкиваемся, — это выбор угла наклона проводов относительно дублета. Опять же, мы не можем исследовать каждый наклонный угол. Однако нам, вероятно, нужно смотреть только на два угла. Один — это наклон в 30 градусов вниз от дублета. Другой угол — 45 градусов вниз от дублета. Разница составляет всего 15 градусов, но — как мы увидим — какую большую разницу дадут эти 15 градусов. На рис. 1 изображены 3 антенны, которые мы включим в наш обзор.
Если начать справа на рисунке, то можно понять, почему я выбрал высоту точки питания 60 футов. Концы проводов находятся на высоте от 11 до 12 футов над землей. Если позволить концам Inverted-V опуститься ниже, это будет приглашением для кого-то получить радиочастотный ожог, поскольку концы проводов будут нести высокое напряжение при передаче. Следовательно, безопасность диктует, что мы должны держать концы перевернутой V на высоте не менее 10 футов над землей и выше, если это осуществимо.
Наброски в виде Inverted-V показывают длину плеча, а общая длина провода указана в скобках. Все три антенны резонируют на частоте 3,5 МГц (используя провод AWG #12 или диаметром 0,0808"). Поскольку мы наклоняем провода в конфигурацию перевернутой V, нам нужно немного больше провода для достижения резонанса на базовой частоте.
Мы также можем увидеть важную причину использования Inverted-V вместо диполя. Каждый дополнительный градус наклона уменьшает требуемый сквозной размах антенны. Наклон в 45 градусов позволяет антенне поместиться на дворе с максимальным размером 100 футов. Для этого упражнения я предположу, что на заднем дворе есть один могучий дуб — или пихта — или древняя магнолия, — которая точно расположена, чтобы позволить нам построить Inverted-V для использования на всех КВ диапазонах.
Следующий вопрос - что мы можем ожидать от нашей антенны? Чтобы дать общий ответ и установить некоторые разумные ожидания, мы должны исследовать все любительские диапазоны КВ. Поэтому я выберу каждый любительский диапазон, запишу некоторую базовую информацию и создам диаграммы направленности антенн по углу места и азимуту. Для каждого диапазона я буду использовать самую низкую частоту в диапазоне, поскольку диаграммы не будут сильно меняться в пределах данного диапазона. Единственное исключение — 75 метров, где я использовал 4,0 МГц, чтобы мы могли увидеть, насколько широкий любительский диапазон 80/75 метров изменяет производительность антенны.
Мои процедуры будут довольно простыми, но по ходу дела будет один или два отступления. Я соберу информацию об уровне усиления самого сильного лепестка(ов) в диаграмме направленности. В диаграммах направленности по азимуту я запишу первый лепесток с максимальным усилением вдали от поперечного направления к проводу, если только самый сильный лепесток не будет точно поперечным к проводу. Я также запишу угол взлета (TO), то есть угол возвышения самого сильного излучения. Везде, где самый сильный лепесток не будет поперечным к проводу, я создам диаграмму направленности по углу места, используя направление самого сильного лепестка. Если угол возвышения максимального излучения превышает 45 градусов, я создам соответствующую диаграмму направленности по азимуту под углом 45 градусов. При этих условиях вы должны предположить, что диаграмма направленности по азимуту имеет максимальную силу, которая ниже максимально возможного усиления, поскольку это значение усиления относится к другому углу возвышения.
Для справки, я также запишу смоделированное сопротивление точки питания как последовательное сопротивление и реактивное сопротивление — округлив немного значение. Это сопротивление будет в точке питания антенны. Однако вы, несомненно, будете использовать параллельную линию передачи — вероятно, с сопротивлением от 300 до 600 Ом — для подключения антенны к антенному тюнеру в хижине. Поскольку сопротивление линии передачи редко — если вообще когда-либо — будет соответствовать сопротивлению точки питания антенны, линия станет трансформатором сопротивления. Сопротивление, которое появляется на клеммах антенного тюнера, будет функцией сопротивления антенны, сопротивления линии и длины линии. Поскольку я не могу охватить все возможные типы линий и все возможные длины линий, для нашего сбора информации придется использовать сопротивления точек питания антенны.
Для каждой антенны мы создадим два графических документа. Первый — таблица информации, собранной из модели антенны. Второй — страница с диаграммами возвышения и азимута. Причина, по которой я создаю и таблицы, и диаграммы в виде графики, проста. Возможно, вы ведете записную книжку с тем, что вы узнали об антеннах. Вы можете скопировать и сохранить графику из этих HTML-заметок в виде отдельных файлов. Затем вы можете импортировать их в текстовый редактор, например Word. Функция импорта программы должна изменять размер галерей диаграмм так, чтобы они соответствовали полям вашей статьи. Печать галереи и связанных с ней таблиц данных позволит вам хранить информацию практически в вашей записной книжке. Таким образом, вы можете опустить комментарии, которые я вплетаю вокруг таблиц и диаграмм.
135-футовый диполь с центральным расположением
Хотя наша главная тема — Inverted-V, нам нужна точка отсчета, чтобы осмыслить собранные нами данные. Диполь — это корневая антенна, одной из вариаций которой является Inverted-V. Поэтому рассмотрение того, что происходит с образцами диполя с центральным питанием, имеет решающее значение для нашего общего понимания. Диполь, который мы будем использовать, имеет длину 135 футов, как раз достаточно, чтобы быть резонансным диполем на частоте 3,5 МГц, по крайней мере, когда мы размещаем антенну на высоте 60 футов над землей и делаем ее из медного провода AWG #12. 60 футов — это не очень много, если измерять расстояние как долю длины волны. Фактически, высота составляет менее 1/4 длины волны на основной частоте. Если мы уменьшим высоту антенны, то 80-метровый угол TO будет выше, тогда как если мы поднимем антенну, то угол TO будет ниже. Чтобы действительно получить хорошие результаты DX от горизонтального диполя, мы должны увеличить его высоту до 3/8 длины волны — и намного больше, если это возможно. Но 3/8 длины волны на 80 метрах близка к 100', и поэтому нам, возможно, придется довольствоваться в основном региональными контактами на этом диапазоне. Конечно, по мере того, как мы повышаем рабочую частоту, высота антенны увеличивается, измеряемая в длинах волн. На 40 метрах антенна приближается к 1/2 длины волны над землей. Для всех более высоких диапазонов 60' не являются существенной проблемой для антенны общего назначения, хотя старая поговорка, что чем выше, тем лучше, по-прежнему применима к этой или любой другой горизонтальной антенне (но не обязательно к вертикальным антеннам HF).
Давайте посмотрим, что мы получаем из нашего 135' диполя на любительских КВ диапазонах. Таблица 1 содержит табличные данные, а рис. 2 представляет галерею диаграмм.
Мы можем начать с таблицы и сразу перейти к столбцу «точка питания-импеданс». Значения, кажется, повсюду, с некоторыми очень высокими значениями и некоторыми довольно низкими значениями сопротивления. Реактивное сопротивление также показывает очень большие колебания. Чтобы понять столбец, мы должны подумать о длине антенны. На частоте 3,5 МГц антенна имеет длину волны 1/2, поэтому мы ожидаем и получаем более низкий импеданс с почти нулевым реактивным сопротивлением. На частотах 7, 14, 21 и 28 МГц антенна близка к 1, 2, 3 и 4 длинам волн соответственно. На этих длинах мы ожидаем очень высокие импедансы — и получаем их. На частотах 10,1, 18,068 и 24,89 МГц антенна имеет длину волны 3, 5 и 7 полуволн соответственно — или около того. Поскольку эти диапазоны не имеют прямой гармонической связи с 3,5 МГц, мы не можем ожидать точности. Но можно ожидать и получить довольно низкие значения импеданса при относительно скромных значениях реактивности. Так что значения импеданса в таблице все-таки имеют смысл.
Обратите внимание, что и в таблице, и в галерее на 80 и 75 метрах угол TO больше 45 градусов, и это требует азимутальных диаграмм в 45 градусов. В моем выборе 45 градусов нет ничего магического. Это слишком много для хорошей работы DX и слишком мало для большинства работ NVIS. Его единственное достоинство заключается в том, что он дает нам достаточно хорошую картину формы азимутальной диаграммы на этом угле и ниже. Следовательно, мы можем ясно видеть постепенное сужение ширины луча вплоть до 40 метров, хотя азимутальная диаграмма остается поперечной к проводу.
От 30 до 10 метров мы обнаруживаем, что диаграмма направленности распадается на множество лепестков. Для диполя с центральным питанием давайте измерим длину антенны в длинах волн. Для длин, которые близки к целому кратному длины волны (то есть 1 длина волны, 2 длины волны и т. д.), количество лепестков будет в два раза больше длины антенны в длинах волн. Следовательно, на 20 метрах антенна составляет 2 длины волны, и мы обнаруживаем 4 лепестка. Ситуация меняется для длин, которые являются нечетными кратными 1/2 длины волны (то есть 3/2 длины волны, 5/2 длины волны и т. д.). Теперь количество лепестков будет в два раза больше количества полуволн. Таким образом, на частоте 24,89 МГц у нас есть около 7 полуволн, и мы обнаруживаем 14 лепестков. Поскольку лепестки не просто появляются и исчезают, на нечетных частотах мы обнаруживаем смесь появляющихся или затухающих лепестков. Обратите внимание, что когда длина антенны ближе к нечетному кратному 1/2 длины волны, мы не только видим больше лепестков, но и самый сильный лепесток находится дальше от направления, которое является поперечным к проводу, и ближе к оси провода. Таким образом, табличные данные показывают колебание вверх и вниз к азимутальному углу самого сильного лепестка, когда мы проверяем диапазоны от 20 до 10 метров.
Угол возвышения максимального излучения или угол TO диполя почти полностью зависит от высоты антенны над землей. Антенна, которая находится примерно на 1/2 длины волны вверх, покажет угол TO около 25-26 градусов. Когда на 1 длину волны вверх, угол падает примерно до 14 градусов. Если мы физически поднимем или опустим всю антенну, мы можем изменить угол возвышения, но структура лепестков азимутальных диаграмм останется неизменной.
Вы можете использовать таблицу и галерею при планировании установки диполя на все диапазоны, предполагая, что у вас есть некоторое пространство для маневра. Выберите ваши любимые диапазоны и посмотрите, куда идут лепестки. Затем выровняйте антенный провод так, чтобы лепестки были в направлении выбранных вами целей связи. Вероятно, вам придется пойти на компромисс — не только с точки зрения направления лепестков, но и с точки зрения ограничений вашего двора. Однако будьте осторожны, чтобы не идти на слишком строгий компромисс, иначе ваши лепестки могут промахнуться мимо всех ваших целей.
Если вы укоротите антенну — возможно, сделав ее резонансной на 4 МГц вместо 3,5 МГц — то вам придется создать собственную галерею диаграмм направленности. Вы не найдете особых проблем на большинстве диапазонов, но самые высокие 2 или 3 диапазона могут быть довольно далеко от длин антенн, которые создавали эти диаграммы направленности. Следовательно, точные направления лепестков могут отличаться достаточно, чтобы иметь значение. Я рекомендую вам приобрести элементарный пакет моделирования антенн и освоить его в достаточной степени, чтобы спланировать эффективный диполь для всех диапазонов.
Inverted-V с углом 30 градусов и высотой 135,6 футов
Диполь уровня является эталоном результатов, которые мы получаем от любой Inverted-V антенны. Сначала мы рассмотрим скромную Inverted-V антенну с ножками, наклоненными вниз на 30 градусов от горизонтали. При 60-футовой точке питания концы находятся на высоте около 26 футов над землей. 30-градусные наклоны с каждой стороны точки питания означают, что угол между проводами составляет 120 градусов (вместо значения 180 градусов, которое применяется к диполю). Эта версия Inverted-V, возможно, типична для любительских установок, хотя точная верхняя высота может меняться от одного места к другому.
Без лишних слов давайте посмотрим, какую производительность мы можем ожидать от перевернутой на 30 градусов буквы V. Таблица 2 содержит табличные данные, а рис. 3 дает нам галерею шаблонов.
Мы не обнаружим существенных изменений в столбце импеданса. Поскольку антенна резонирует на частоте 3,5 МГц, ее электрическая длина близка к длине диполя на каждом диапазоне. Наклонные провода немного взаимодействуют, а концы проводов находятся ближе к земле. Но изменения импеданса точки питания умеренные или скромные.
Если мы посмотрим на столбец углов TO, то обнаружим, что они обычно выше, чем углы TO для диполя. Фактически, азимутальные диаграммы для 80–30 метров требуют угла места по умолчанию 45 градусов для азимутальных диаграмм из-за более высоких углов TO. (Диполь требовал такой обработки только на 80 и 75 метрах.) Несмотря на то, что Inverted-V имеет ту же высоту точки питания, она ниже в каждой другой точке вдоль провода. В общем, эффективная высота Inverted-V составляет около 2/3 пути вверх между самой низкой точкой и самой высокой точкой вдоль провода. Следовательно, наша Inverted-V фактически ниже диполя на каждой рабочей частоте.
Мы можем легко сравнить две таблицы и увидеть, что Inverted-V дает меньшее значение максимального усиления, чем диполь. Частично это обусловлено меньшей эффективной высотой. Кроме того, есть некоторое излучение с концов проводов, поскольку они теперь наклонены и имеют как вертикальную, так и горизонтальную составляющую. Эта энергия должна откуда-то поступать, и значительная ее часть поступает из-за снижения усиления главного лепестка или лепестков. Тем не менее, величина снижения недостаточна, чтобы дисквалифицировать 30-градусную пInverted-V как хорошую универсальную вседиапазонную КВ-антенну.
Мы также должны с некоторой осторожностью сравнить галерею диаграмм направленности как для диполя, так и для 30-градусной Inverted-V. От 80 до 40 метров мы замечаем, казалось бы, небольшие изменения. Например, диаграмма направленности Inverted-V на 40 метрах представляет собой овал, который утратил «арахисовую» талию диполя. Однако, начиная с 30 метров и выше, изменения диаграммы направленности становятся гораздо более выраженными. Например, диполь на 30 метрах имел 6 лепестков, но мы можем идентифицировать только 4 в диаграмме направленности Inverted-V для того же диапазона. По мере того, как мы продолжаем увеличивать рабочую частоту, резко определенные азимутальные лепестки диполя уступают место менее определенным волнообразным изменениям, особенно на 17 и 12 метрах, двух диапазонах, в которых диаграммы имеют много лепестков.
Не забудьте просмотреть две галереи в отношении рельефных моделей. На самых высоких полосах обратите внимание на рост лепестков с большим углом относительно гораздо более скромного развития тех же лепестков с диполем. Энергия, которая идет почти прямо вверх, недоступна на более низких углах, более благоприятных для установления контактов. В результате максимальные значения усиления Inverted-V показывают больший дефицит верхней полосы относительно диполя, чем значения усиления для нижних полос. Что, возможно, важнее, так это то, что эти лепестки с большим углом предвещают то, что должно произойти с нашей следующей Inverted-V.
Inverted-V с углом 45 градусов и длиной 136,6 футов
Если мы добавим всего 15 градусов к наклону каждой перевернутой V-образной ноги, может ли произойти что-то вредное? Теперь ноги наклонены вниз на 45 градусов относительно горизонтали. Угол между ногами составляет 90 градусов. Поскольку антенна поместится на моем участке в 100 футов, это заманчивый строительный проект.
Чтобы найти ответ на наш вопрос, нам нужно только изучить информацию. Изменения в шаблонах и производительности, которые мы увидели между диполем и 30-градусной перевернутой V, предполагают, что мы можем увидеть некоторую дальнейшую эволюцию ключевых свойств. Однако мне интересно, готовы ли мы к некоторым сюрпризам. Таблица 3 содержит табличные данные, а рис. 4 дает нам соответствующую галерею шаблонов.
Опять же, столбец импеданса в таблице не дает нам никаких подсказок относительно революционных изменений, поскольку значения показывают лишь небольшую эволюцию в прогрессиях значений, которые начались с диполя. Также столбец усиления кажется немного странным, с более низкими значениями для нижних диапазонов и более высокими значениями для верхних диапазонов. Наиболее значимые изменения происходят в двух столбцах, в которых перечислены азимутальный угол самого сильного лепестка и угол TO. Все углы TO очень высокие, что указывает на то, что на всех диапазонах преобладающий фокус энергии направлен прямо вверх или почти вверх. Все показанные значения усиления относятся к жарящим облакам и мало к чему еще.
В результате очень высоких углов TO все азимутальные диаграммы направленности находятся под углом 45 градусов. Азимутальные диаграммы направленности показывают некоторое развитие лепестков под этим углом. Однако максимальное количество лепестков составляет 6. До 14 МГц мы обнаруживаем только 2 лепестка. На частоте 28 МГц старые лепестки, которые были направлены в поперечном направлении к проводу, наконец исчезли, оставив только 4 лепестка, которые появились около 18 МГц. По сути, 45-градусная Inverted-V показывает только половину количества лепестков, которые мы обнаруживаем в диполе той же общей длины провода. Более того, эти лепестки с меньшим углом значительно слабее, чем главный лепесток с очень большим углом. Как показывают диаграммы направленности, 45-градусная Inverted-V обеспечивает относительно слабое излучение под углами, подходящими для дальней связи.
Хотя 45-градусная Inverted-V-образная антенна может быть полезна для NVIS или региональной связи на расстоянии около 30 метров, она не является желательной антенной для использования выше этого диапазона. По сути, добавленные 15 градусов наклона к каждой ноге изменили производительность Inverted-V антенны. Учитывая обычное стремление к излучению под меньшим углом, трансформация действительно была вредной. Существует предел наклона Inverted-V, если мы собираемся использовать ее для вседиапазонной КВ-антенны. Этот предел не намного превышает наклон в 30 градусов.
Заключение
Рассматривая свойства 135-футового диполя на всех КВ диапазонах, мы смогли проследить эволюцию Inverted-V диаграмм по мере увеличения наклона провода с 30 до 45 градусов. В то время как в 30-градусной Inverted-V диаграмма давала полезные характеристики общего назначения, 45-градусный вариант антенны стал в целом бесполезным на большинстве диапазонов для обычной КВ связи.
Если бы мы начали с набора антенн с резонансной длиной 40 метров, результаты в конечном итоге не изменились бы. Однако полная деградация диаграмм не произошла бы примерно до 20 МГц с 45-градусной Inverted-V. Если бы мы начали с антенны, длина которой подходила бы для 160 метров, диаграммы развалились бы примерно на 5 МГц. Действительно, 45-градусная Inverted-V дает такую плохую производительность, что можно было бы добиться большего, исключив одну ногу и запитав оставшуюся ногу в ее центре как наклонный диполь. В качестве альтернативы перевернутая L — либо с базовым, либо с центральным питанием — также может дать лучшую производительность. Вывод прост: если вам нужно использовать Inverted-V в качестве вседиапазонной КВ-антенны, не делайте V слишком острой.
[ На главную ] [ Антенны ]
