Поговорим об антеннах
(по мотивам доклада на Слёте Клуба RU-QRP «Ока-2022»)
Владимир Тимофеевич Поляков, RA3AAE
RA3AAE: "Поговорим об антеннах". Зарисовки со Слёта.Идея этой антенны возникла у автора давно, и не без причины – пора было менять «времянку» – «штырь со стаканом» на диапазон 144 МГц, наспех установленный много лет назад и верой и правдой прослуживший все эти годы (ничего нет долговечнее замотанного синей изолентой). Хотелось что-нибудь получше на диапазон 2 метра, и неплохо было бы заодно и на 10 метров. Антенна должна быть всенаправленной, несложной по конструкции и в установке.
Попытки сделать такую антенну автор предпринимал и раньше [1], на другом QTH, но лучшее враг хорошего, теперь хотелось чего-нибудь еще проще и эффективнее. Мысли обратились к J-антенне на диапазон 2 м, поскольку она имеет порядочные размеры, что необходимо для диапазона 10м.
Известны два способа питания J-антенны: непосредственное, как на рис. 1 слева, в разрыв провода антенны, и шлейфовое (справа). Последнее нам совсем не подходит, поскольку в диапазоне 10 м шлейф просто закоротит фидер, а вот вариант слева кажется привлекательным – здесь жила кабеля соединена c полутораметровым вертикалом.
В точках питания х-х ток с оплетки кабеля в диапазоне 2 м потечет в короткую (0,5 м) вертикальную часть антенны, как в четвертьволновую открытую линию, имеющую низкое входное сопротивление, а в диапазоне 10 м – вниз по внешней стороне оплетки кабеля. Отступив вниз на 1 м, заземлим оплетку, соединив ее, например, с металлической крышей, или присоединим в этой точке четвертьволновые противовесы. Получим GP антенну на 10 м Высота ее вертикальной части составит 2,5 м, как раз четверть волны. Но это упрощенный, и не лучший вариант антенны полувековой давности [1]. Теперь мы пойдем дальше.
Рис. 1. J-антенна и способы ее питанияПопробуем совместить две J-антенны, расположив их одна над другой, причем нижнюю перевернем «вверх ногами, чтобы точки питания были в одном месте. Совместить источники (переходим на терминологию ММАN`ы) можно соединив их как параллельно, так и последовательно.
Параллельное соединение приводит к низкому входному сопротивлению всей антенны и не очень удобно конструктивно. А вот последовательное соединение приводит к интересному решению: короткие элементы антенн соединяются, образуя полуволновый пассивный элемент, ни с чем более не соединенный, а источник включается между длинными элементами.
Такая антенна (рис. 2) была смоделирована в программе MMANA и показала весьма неплохие результаты после некоторой подгонки ее размеров.
Так, длинные элементы из алюминиевой трубы диаметром 18 мм оказались по 1,48 м, а пассивный элемент длиной ровно 1 м – из алюминиевого прутка диаметром 2 мм. Расстояние между осями элементов 8 см.
Распределение тока, рассчитанное программой, также показано на рис. 2. Видно, что большие противофазные токи текут в районе пассивного элемента, но их разность синфазна с токами в верхней и нижней частях основного элемента. В результате, вся антенна работает как трехэтажная, из трех полуволновых диполей. Результаты расчета таковы:
Рис. 2. Геометрия двойной J антенны.Центр антенны располагался на высоте 10 м над реальной землей с параметрами ε = 10, σ = 1 мСим/м (грунт средней влажности). Впечатляют выигрыш антенны почти в 11 дБ и низкий угол излучения – менее 3°. Антенна имеет и еще один, нижний по частоте резонанс, когда длина основного элемента равна λ/2.
Файл модели "2-6м.maa" (от RA3TOX)Легко видеть, что он попадает в диапазон 50 МГц, к сожалению, у нас не разрешенный. Параметры антенны для этого диапазона приведены в нижней строке таблицы, они не оптимизировались. ДН для высоты подъема антенны 10 м даны на рис.3.
Небольшая неравномернсть ДН антенны в горизонтальной плоскости в диапазоне 2 м объясняется односторонним расположением пассивного элемента, работающего как бы директором. Подробнее этот эффект описан и использован в [2]. Если нужна идеально круговая ДН, можно расположить два элемента симметрично относительно основного. Расстояние до них придется подобрать заново. Надо отметить, что настройка пассивного элемента довольно критична, и при неточной настройке в ДН появляются лепестки, "задранные в небо". В диапазоне 6 м пассивный элемент мало влияет на работу антенны, поскольку он короткий (в длинах волн), и возбуждаемый в нем ток незначителен.
Рис.3 ДН антенны в диапазонах 2 и 6 м.Такую антенну с отношением резонансных частот 1:3 удобно использовать для диапазонов 144 и 432 МГц. Уже после Слета автор обнаружил американскую публикацию на эту тему [3]. Антенны с коаксиальными резонаторами, подобные описанной в [1], у них называют Sleeve Antenna, а если вешний цилиндр резонатора заменен одним или несколькими пассивными элементами то, такие антенны называют Open Sleeve.
Но наша задача, поставленная в начале статьи, была совсем другой – сделать соотношение рабочих частот 1:5, точнее 28:144, и поставить антенну на металлической крыше! Сделать на модели это несложно, посмотрев на распределение тока (рис. 2). Надо отрезать полметра снизу антенны и поставить остальное на "землю". То, что получилось, показано на рис. 4. * * *
Теперь у антенны на половину этажа меньше, и ток из нижнего вибратора растекается по металлической поверхности крыши-земли. В остальном распределение тока в диапазоне 2 м соответствует рис.2. В диапазоне же 10 м оно соответствует распределению тока в четвертьволновом вертикале, стоящем на земле, а ток в пассивном элементе очень мал ввиду его короткой длины.
Рис. 4. Геометрия проводов и распределение
тока в антенне, стоящей на "земле".Прежде, чем приводить результаты расчета, надо сделать два замечания. Программа MMANA в любом случае считает входное сопротивление, считая землю идеально проводящей. А это как раз наш случай. Реальные же параметры земли программа учитывает при построении диаграммы направленности. Поэтому в расчетах мы полагали землю реальной, с параметрами, примерно соответствующими городской застройке: ε = 7, σ = 0,1 мСим/м.
Второе замечание: уже после доклада на Слете, и намного позже изготовление Михаилом R2ATK этой антенны, при тщательном ее моделировании и оптимизации, выяснилось, что пассивный элемент выгодно сделать из более тонкой трубки, или даже из алюминиевого сетевого провода. При этом уменьшаются верхние боковые лепестки ДН и немного растет выигрыш. Вероятно, это объясняется увеличением добротности элемента. В таблице даны оптимизированные размеры проводов
Результаты расчета нельзя назвать идеальными. Они получились такими:
Файл модели "2-10м.maa" (от RA3TOX)В диапазоне 10 м антенна неплохо согласуется с 50-Ом кабелем, проходящим сквозь нижнюю десяти миллиметровую трубку и уходящим под землю-крышу. Низкий выигрыш антенны объясняется потерями в реальной, плохо проводящей земле, для которой и рассчитывается ДН. Здесь антенна работает как обычный вертикал GP. В диапазоне 2 м входное сопротивление R довольно низкое, всего 22,4 Ома, хотя реактивность Х устранена почти полностью.
Повысить R и улучшить КСВ можно несколькими способами. Например, включить между точкой питания и основным 50-Ом кабелем 1/4λ отрезок с более низким волновым сопротивлением 34 Ома (среднее геометрическое между 22 и 50 Ом). При длине Всего 33 см (ПЭТ изоляция) или 50 см (при воздушной изоляции) он мало повлияет на параметры антенны на "десятке".
Рис. 5. ДН "заземленной" антенны в диапазонах 2 м (сверху) и 10 м.На этом статью можно бы и закончить, но по мере ее написания возникло много новых мыслей. Как, например, сделать многодиапазонный портативный вариант этой антенны, используя стеклопластиковую удочку? Это было бы вполне в духе QRP-Клуба. Никакой земли здесь, в конструкцию антенны, входить уже не будет. Задача облегчается тем, что подобная проблема уже решалась автором для КВ диапазонов в первой части статьи "Вертикал верхнего питания" [4]. * * *
Вернемся к рис. 2 этой статьи. Активный (длинный) элемент антенны вполне можно с сделать из коаксиального кабеля, продетого внутри удочки, причем его жила наставляется обычным проводом длиной 1,5 м и он располагается в верхней (тонкой) части удочки. Оплетка в точке питания обрывается, изолируется, и не соединяется ни с чем. Излучающий ток будет течь по ее внешней поверхности. Его надо остановить в нижней точке антенны, на расстоянии 1,5 м вниз от точки питания.
Это может сделать запорный дроссель из одного витка (для 144 МГц достаточно) самого кабеля (рис. 6). Рисунок заимствован из [4], и на нем показана точка питания и дроссель из 2-х витков (а), который часто называют "балун», на мой взгляд, не совсем правильно. Слово Balun – balanced-to-unbalanced означает симметрирующее устройство. Запорный дроссель из одного или нескольких витков кабеля часто располагают около самой антенны, и он выполняет свою прямую функцию – предотвращает затекание тока на внешнюю оплетку кабеля, но вовсе не симметрирует его.
Рис. 6. "Балун" и его эквивалентная схема.На рис.7 показаны результаты экспериментов автора с дросселями из кабеля, проведенные еще 20 лет назад и опубликованные в [5]. По горизонтали отложено число витков кабеля - дросселя, около кривых – диаметр витков в сантиметрах, а по вертикали – резонансная частота контура, образованного индуктивностью витков и емкостью между ними.
Рис. 7. Резонанс "балуна".Для одного витка дросселя диапазона 2 м емкость регулируется длиной участка, на котором начало и конец витка соприкасаются друг с другом внешней изоляцией кабеля. После настройки этот участок закрепляется (скорее всего, синей изолентой, hi!). На расстоянии 3…3,5 м ниже точки питания нужен еще один дроссель диапазона 10 м. Он может содержать 3…4 витка диаметром 10…15 см, и на него уйдет порядка 120 см. кабеля. В этом диапазоне антенна будет работать как полуволновый вертикал. Ниже дросселей кабель может быть любой длины. Такая портативная антенна не моделировалась и не испытывалась. Предоставляю этот труд заинтересованным читателям, пишите о результатах!
Литература:
- Поляков В. Двухдиапазонная УКВ антенна. — Радио, № 5, 1971. us3iat.qrz.ru/radio/1971/ant_polakov/ant_polakov.htm
- Поляков В. Вертикальная направленная антенна. "KB журнал", 1998, № 5, с. 27-31. rfanat.qrz.ru
- 2m + 70cm Open Sleeve Vertical Dipole www.eham.net/article/8808
- Поляков В. Вертикал верхнего питания. Радио, № 6, 2004. rfanat.qrz.ru
- Поляков В. Balun или не balun? — Радио, № 1, 2002, с. 65. rfanat.qrz.ru
[ На главную ] [ Антенны ]
