Некоторые принципы изготовления портативных антенн,
к которым следует стремиться
Л.Б. Себик, W4RNL
(Этот доклад был первоначально подготовлен для симпозиума FDIM в Дейтоне в 2003 году.)В 2003 году состоялся 8 -й симпозиум FDIM, на котором я попытался внести свой вклад в наш массив идей по антеннам. В этом году я хочу представить некоторые принципы, которые применимы к портативным антеннам. Возможно, мы не сможем достичь их всех, но чем больше из них мы сможем реализовать, тем большего успеха мы, вероятно, достигнем в наших портативных и полевых мероприятиях.
К сожалению, я видел слишком много отчетов (многие из которых задокументированы опубликованными фотографиями), показывающих, как люди используют лучшее QRP-оборудование с некоторыми из худших антенн, которые только можно себе представить. Иногда обстоятельства вынуждают нас нагружать пресловутые пружины кровати, и мы можем устанавливать контакты — по крайней мере, несколько. Однако, когда у вас всего 5 Вт мощности — или меньше — вы обязаны разработать лучшую полевую антенну, какую только можете себе представить, — и затем применить её. Конечно, это последнее условие является ограничивающим фактором. Вы должны быть в состоянии доставить антенну на место, установить её, а затем снять и вернуть домой. Прежде чем мы закончим, я расскажу несколько приемов, которые помогут сделать это возможным — по крайней мере, в некоторых обстоятельствах.
Поскольку это не детективная история, я перечислю основные принципы, которые я имею в виду,
а затем подробнее остановлюсь на них.Посмотрите, прежде чем прыгать . Первый принцип просто говорит о том, чтобы разведать территорию, которую вы будете использовать, прежде чем идти туда работать. Выясните, что там может быть полезным, что там может помешать, и что там нет, но вам понадобится. Я знал оператора, который тщательно подготовил дублет и провод с концевым питанием для своего отпуска, который отправил его в пустоши Нью-Мексико, где не было ни одного дерева или кустарника выше 4 футов, чтобы привязать концы.
- Прежде чем прыгнуть, посмотри.
- Чем выше, тем лучше.
- Чем больше, тем лучше — до определенного момента.
- Безопасность превыше всего.
- Избегайте гаек и болтов.
- Мой шестой принцип заключается в том, что ни одна презентация не должна содержать более 5 принципов.
Мой пример экстремальный, но не такой уж и далекий, как кажется. Если вы будете использовать горизонтальный трос или даже перевернутую букву L, вам понадобится как минимум пара высоких опор и способ дотянуться до них, чтобы связать концы. Если вы будете использовать вертикальный, вы должны знать, что вы можете надежно установить его. Базовая труба, которая хорошо работает в глине и суглинке, не обязательно подойдет для песка или камня. Даже растяжка/канат нуждается в почве, которая выдержит якорь.
Чем сложнее полевой выезд, тем важнее становится предварительное планирование. Слишком часто, даже в, казалось бы, хорошо спланированных выездах на "Полевой день", первый человек, прибывший с антенной, выбирает лучшее место для своей антенны, а все остальные, прибывшие позже, должны втиснуться в любое оставшееся пространство. Неудивительно, что оценки не выше.
Процесс планирования в основном представляет собой мыслительную и бумажную операцию, которая не очень захватывает по сравнению с реальными усилиями по установлению контактов. Однако она может сделать реальную операцию еще более захватывающей, повышая шансы на более успешные контакты. Процесс очень прост.
Составьте каталог антенн, которые отправятся с вами в экспедицию.
Посетите место и запишите все данные, включая деревья (и ветви), пригодные для использования в качестве опор; относительную высоту участков на участке; непригодные для использования места из-за воды, колоний муравьев и т. д.; а также любые другие особенности, которые могут повлиять на работу или ее планировку.
Сделайте несколько набросков потенциальных макетов участка, прежде чем выбрать тот, который будете использовать.
Определившись с макетом, соберите все необходимые элементы, чтобы превратить его в рабочую реальность.
На рис. 1 дважды изображена одна и та же область. На ней 4 дерева, каждое с рисунком подходящих ветвей. Я опустил некоторые потенциальные детали, чтобы не перегружать схему. Я предположу, что наиболее удобным местом для подхода к месту является нижний левый угол. Он может быть ближе всего к тропе или парковке. Как вы можете видеть из левой версии схемы, первоначальный план состоит в том, чтобы сбросить все тяжелое снаряжение как можно ближе к подходу. Затем антенное поле может принять форму, используя оставшееся пространство. Принцип работы антенного расположения заключается в том, чтобы держать антенны как можно дальше от оборудования в пределах площадки.
Кажется разумным использовать почти выровненные деревья на правом краю площадки для поддержки дублета, даже если один конец должен свисать. Чтобы обеспечить вертикальный зазор антенны от дублета, план предусматривает размещение его около левого края площадки, даже если это означает сокращение радиального поля до всего лишь 3 эффективных радиалов, растянутых на траве. ATU, по одному на каждую антенну, отправляются на операционный стол с фидерными линиями к отдельным антеннам.
Теперь давайте перепланируем место. Давайте переместим операционный стол в более центральное место. Да, он ближе к дублету, но мы позволим высоте обеспечить разделение и воспользуемся преимуществом более короткого фидерного участка, который идет вверх от ATU с меньшей вероятностью столкновения с объектами, которые могут нарушить равновесие. Наш следующий шаг — запустить дублет между деревьями 1 и 4. Такое расположение позволяет дублету быть горизонтальным на всем протяжении, без вертикального конца, который мог бы сопрягаться с вертикальной антенной. Увеличенный угол не окажет большого влияния на диаграммы направленности. Мы также переместим вертикаль на открытую область, где раньше находился операционный стол. Рядом с ним нет дерева, которое могло бы поглощать его энергию. Радиалы простираются на всю свою длину в каждом направлении. Обратите внимание, что ATU находится у основания вертикали, что является лучшим положением, если на любой рабочей частоте будут значительные уровни КСВ. Кабель к столу представляет собой отрезок согласованного коаксиала.
Я только маркирую правый план как возможно лучший, потому что в эскизах отсутствуют существенные детали, которые вы бы внесли в свои реальные чертежи планирования. Валун, на котором вы хотите разместить операционный стол, может все испортить. Кроме того, высокие и низкие точки в этой области могут диктовать некоторые правильные и неправильные места для установки вертикальной антенны. Гнездо шершней на ветке, на которую вы хотите повесить дублет, может потребовать доработок в последнюю минуту. Тем не менее, правый эскиз широко разделяет антенны и, насколько это возможно, учитывает наиболее эффективную передачу мощности — как входящей, так и исходящей — от антенн к рабочему положению, при этом минимизируя вероятность нежелательных взаимодействий.
После того, как вы разведали место и спланировали его планировку, вашей следующей задачей будет собрать все материалы, необходимые для воплощения этого в реальность. Все думают об оборудовании, антеннах и фидерных линиях. Однако вы подумали о материалах, необходимых для установки антенн на место и для того, чтобы они оставались там на протяжении всего мероприятия? Обычно стоит иметь по крайней мере 2 способа протягивания линий через ветки, потому что деревья имеют привычку принимать странные формы. Также стоит не позволять антенному проводу касаться ветки, а подвешивать его ниже ветки с помощью веревки и кольца. Вертикальная антенна может потребовать растяжки, даже если производитель заявляет, что растяжки не нужны. Рыхлая почва и неосторожные блуждания могут в мгновение ока опровергнуть такие заявления. Не забудьте о якорях для оборудования. Снаряжение QRP, как правило, небольшое и легкое. Поэтому оно сползает с операционных столов и находит дорогу на землю, когда никто не смотрит. В целом, планируйте, чтобы на материалы для настройки и обслуживания было выделено столько же (или больше) веса, сколько и на рабочее оборудование, антенны и линии питания.
Суть в том, чтобы изменить базовый принцип: прежде чем прыгать, подумайте и спланируйте.
Чем выше, тем лучше. Когда дело доходит до антенн, этот принцип так же стар, как и само радио. Мы часто думаем, что этот принцип применим к горизонтальным антеннам, таким как диполи и многодиапазонные дублеты. Однако он также применим ко многим типам вертикальных антенн. Давайте посмотрим, что произойдет, если мы возьмем несколько репрезентативных вертикальных антенн, которые вы можете взять с собой в поле, и поднимем их. Мы сравним высоты основания антенн 0, 5, 10, 15 и 20 футов — последняя высота, вероятно, будет доступна только тем, у кого есть значительное оборудование. Наши образцы будут состоять из вертикального монополя с радиалами и вертикального диполя без радиалов. На рис. 2 показаны общие контуры того, что мы будем делать с несколькими моделями. Хотя образцы будут полноразмерными, в то время как вертикальные антенны, которые вы можете взять с собой в поле, могут быть укорочены и загружены, общие закономерности анализа будут применяться.
Изменения в рисунках, создаваемых подъемом вертикальной антенны, могут показаться незначительными, но они могут стать важными при определенных рабочих предположениях. Для нашей небольшой выборки мы возьмем вертикальные монополи, использующие 4 радиала — примерно средний размер радиального поля, используемого для большинства полевых экспедиций. По мере того, как мы поднимаем основание антенны от уровня земли выше 5, 10, 15 и до 20 футов над средней землей, мы опускаем радиалы обратно к земле. Частично этот ход отражает использование радиалов также как части системы растяжек. Опускающиеся радиалы также позволяют нам установить импеданс, близкий к 50 Ом, для прямого соответствия с коаксиальным кабелем. Давайте рассмотрим информацию в табличной форме и как ряд наложенных друг на друга рисунков возвышения. Сокращение «wl» означает длину волны.
4-радиальных вертикальных монополя над средней землей
Диапазон: 10 метров (28,4 МГц)
Высота (футы) Высота (wl) Усиление (дБи) Угол TO (градусы) Импеданс Z (R +/- jX Ом) 0 --- -0,17 27 42 + j 38 5 0,14 0,73 22 54 + j 3 10 0,29 1,32 17 52 + j 6 15 0,43 1,50 14 46 - j 1 20 0,58 1,63 45 49 + j 0 Диапазон: 20 метров (14,1 МГц)
Высота (футы) Высота (wl) Усиление (дБи) Угол TO (градусы) Импеданс Z (R +/- jX Ом) 0 --- -0,32 26 44 + j 35 5 0,07 0,20 24 46 + j 4 10 0,14 0,49 22 56 + j 4 15 0,22 0,80 19 50 + j 1 20 0,29 0,97 17 41 + j 4 Диапазон: 40 метров (7,1 МГц)
Высота (футы) Высота (wl) Усиление (дБи) Угол TO (градусы) Импеданс Z (R +/- jX Ом) 0 --- -0,43 25 46 + j 35 5 0,04 -0,15 24 45 + j 3 10 0,07 0,06 23 50 + j 5 15 0,11 0,21 22 54 + j 1 20 0,14 0,32 21 59 - j 0
Очевидно, что наибольшее изменение формы диаграммы направленности ( рис. 3 ) и производительности происходит на 10 метрах, поскольку каждые 5 футов высоты вдвое больше изменения на 20 и в 4 раза больше изменения на 40 с точки зрения длин волн. На 40 метрах мы получаем около дБ усиления и меньший угол возвышения максимального излучения, также называемый углом взлета или TO. На 20 приращение усиления больше, как и уменьшение угла возвышения. На 10 метрах мы видим более радикальные изменения в диаграмме возвышения, наиболее заметно появление более высокого лепестка, пока он не станет также самым сильным лепестком.
Будет ли полезна 10-метровая диаграмма направленности на 20', зависит от рабочих целей. В DX-экспедициях диаграмма направленности только создает шум на удаленном острове. Однако для полевых операций, не имеющих выхода к морю, в которых ищутся контакты на более коротких и дальних дистанциях, излучение под большим углом может быть полезным. Двойная запись для 20' на 10 метрах указывает угол и силу обоих лепестков диаграммы направленности.
Мы можем выполнить аналогичный анализ для вертикальных монополей, которые будут в два раза длиннее высоты основания, чем монополи. Тем не менее, они пригодны для использования и, как правило, не требуют радиалов. Итак, давайте посмотрим, что произойдет. Помните, что точка питания вертикального диполя с той же высотой основания, что и у соответствующего монополя, находится примерно там, где падает кончик монополя. Поэтому мы должны ожидать найти более низкие углы TO. Кроме того, вертикальный диполь, когда он достаточно высоко над землей, будет показывать типичное сопротивление точки питания диполя около 70 Ом. Линия питания должна отходить от диполя под прямым углом настолько, насколько это возможно. Однако я слышал об успешных вертикальных диполях, которые прокладывают коаксиальный кабель внутри нижнего конца (предполагая использование трубки) с дросселем/балуном 1:1 в точке выхода. Как и со всеми полевыми антеннами, вы должны проверить все детали сборки, разборки и эксплуатации задолго до переноса антенны в поле.
Вертикальные диполи над средней землей
Диапазон: 10 метров (28,4 МГц)
Высота (футы) Высота (wl) Усиление (дБи) Угол TO (град) Импеданс Z (R +/- jX Ом) 0 --- 0,40 19 96 + j 49 5 0,14 1,23 16 71 - j 4 10 0,29 1,42 13 70 + j 2 15 0,43 1,59 12 73 + j 2 20 0,58 2,38 35 74 + j 5 Диапазон: 20 метров (14,1 МГц)
Высота (футы) Высота (wl) Усиление (дБи) Угол TO (град) Импеданс Z (R +/- jX Ом) 0 --- 0,03 19 100 + j 14 5 0,07 0,56 17 80 - j 2 10 0,14 0,84 15 72 - j 0 15 0,22 0,93 14 70 + j 4 20 0,29 0,94 13 71 + j 7 Диапазон: 40 метров (7,1 МГц)
Высота (футы) Высота (wl) Усиление (дБи) Угол TO (градусы) Импеданс Z (R +/- jX Ом) 0 --- -0,24 19 111 + j 22 5 0,04 0,08 17 90 + j 3 10 0,07 0,24 16 81 + j 0 15 0,11 0,32 15 76 + j 1 20 0,14 0,35 14 72 + j 3 И снова мы обнаруживаем наибольшие изменения в работе на 10 метрах, с меньшими изменениями на 20 и 40 метрах. Коэффициент усиления диполей немного выше, чем у монополей, за исключением самой большой высоты. Действительно, мы можем видеть уменьшающееся преимущество усиления по мере того, как мы поднимаем каждый диполь выше. Это явление происходит потому, что каждый из монополей становится диполем по мере того, как мы его поднимаем. Опускающиеся радиалы больше не являются симметричным горизонтальным явлением, которое нейтрализует собственное излучение. В той степени, в которой радиалы имеют вертикальную составляющую своего наклона, они также вносят вклад в вертикально поляризованное излучение всей антенны. VHF Ringo Ranger с его конической нижней секцией на самом деле является формой вертикального диполя.
Модели на рис. 4 показывают, что большая общая высота вертикального диполя и более высокая точка питания создают изменения моделей быстрее, чем соответствующие монополи. Даже 10-метровый доминирующий лепесток на высоте основания 20' имеет меньший угол TO, чем соответствующий лепесток монополя. Как обычно, изменения менее значительны на 20 и 40 метрах.
Даже при базе, близкой к уровню земли, вертикальный диполь имеет еще одно преимущество перед монополем с той же высотой основания, особенно когда рабочее поле не является полностью чистой плоскостью. Существует широко описанное явление, которое имеет много названий. Я склонен называть его «кустарником, поглощающим радиочастоты», основываясь на собственном опыте перемещения старого Hy-Gain 14AVQ с уровня земли на крышу одноэтажного дома. При наличии всего 4 радиалов на диапазон производительность значительно улучшилась, гораздо больше, чем предполагалось в таблицах. Вертикальный диполь имеет тенденцию избегать поглотителей радиочастот, имея его точку питания приподнятой с самого начала. Поэтому коммерческие антенны, которые являются вертикальными диполями или имитируют их, имея высокоточную область антенны приподнятой для каждого диапазона, стали очень популярными.
Хотя влияние высоты на вертикали может показаться несколько тонким, оно становится драматичным применительно к горизонтальным диполям и дублетам. На рис. 5 показан небольшой образец диполей на высоте 10, 20, 30 и 40 футов над средней землей. Мы выберем образцы почти резонансных диполей на высоте 10, 20 и 40 метров на каждой из этих высот, а затем покажем соответствующие диаграммы направленности. В этом случае, однако, диаграммы направленности берутся вдоль оси максимального усиления, поскольку диаграмма направленности диполя на высотах поля может варьироваться от широкого овала до, в лучшем случае, двунаправленного арахиса на максимальной высоте.
Горизонтальные диполи над средней землей
Диапазон: 10 метров (28,4 МГц)
Высота (футы) Высота (wl) Усиление (дБи) Угол TO (град) Импеданс Z (R +/- jX Ом) 10 0,29 5,68 51 85 + j 6 20 0,58 7,67 24 64 - j 5 30 0,87 7,09 16 78 - j 4 40 1,15 7,84 12 69 - j 0 Диапазон: 20 метров (14,1 МГц)
Высота (футы) Высота (wl) Усиление (дБи) Угол TO (град) Импеданс Z (R +/- jX Ом) 10 0,14 5,33 87 61 + j 11 20 0,29 5,72 50 86 + j 1 30 0,43 6,59 32 77 - j 17 40 0,57 7,33 24 63 - j 9 Диапазон: 40 метров (7,1 МГц)
Высота (футы) Высота (wl) Усиление (дБи) Угол TO (град) Импеданс Z (R +/- jX Ом) 10 0,07 2,55 88 53 + j 1 20 0,14 5,71 87 61 + j 10 30 0,22 6,02 75 78 + j 9 40 0,29 5,86 50 88 - j 4
Как показывают таблицы и рис. 6 , высота является необходимым компонентом для максимизации производительности диполя или любой другой горизонтально ориентированной антенны. Чем выше антенна с точки зрения длин волн над землей, тем меньше угол TO самого нижнего лепестка и сложнее структура лепестка. 10-метровые диаграммы четко демонстрируют это явление. Фактически, горизонтальная антенна не становится по-настоящему конкурентоспособной с хорошей вертикальной, пока она не будет по крайней мере на 3/8 длины волны над землей. Кроме того, если вы изучите таблицы, вы обнаружите, что импеданс точки питания диполя не начинает стабилизироваться, пока мы не достигнем высоты в 3/8 длины волны или больше. Для высот ниже примерно 1 длины волны есть высоты менее благоприятные. Если вы изучите 10-метровые диаграммы, вы обнаружите, что высота 20 футов показывает более высокий максимальный коэффициент усиления, чем высота 30 футов. Высота 30 футов близка к 7/8 длины волны, где так много энергии идет вверх, что самый нижний лепесток немного страдает.
Мы провели наше элементарное исследование влияния высоты на работу антенны, используя полноразмерные диполи и монополи. Однако ради веса и удобства сборки многие полевые операторы приобрели многодиапазонные укороченные антенны. Поэтому наш следующий вопрос заключается в том, имеет ли размер существенное значение, то есть достаточно ли оно существенно для того, чтобы мы переосмыслили наши полевые антенны.
Чем больше, тем лучше — до определенного момента. Фактически, размер может иметь существенное значение. Как мы это делали для нашего взгляда на высоту, мы рассмотрим влияние размера как для вертикальных, так и для горизонтальных антенн. Вертикальная будет 20-метровым вертикальным монополем на уровне земли. Мы будем использовать полноразмерную антенну в качестве наших базовых данных, а затем укоротим антенну в два этапа до 3/4 полного размера и до 1/2 полного размера. Для каждого из этих двух случаев мы разместим нагрузку как у основания, так и примерно на полпути вертикального элемента, используя полноразмерные радиалы по всей длине. Затем мы сделаем то же самое для горизонтального 20-метрового диполя на высоте 20 футов. Мы будем использовать нагрузку в центре и середине элемента для длин, которые составляют 3/4 и 1/2 от полноразмерной антенны.
Обычно мы используем индукторы (катушки) для укорачивания антенны, а катушки имеют некоторые потери, которые являются функцией Q или отношения последовательного реактивного сопротивления к последовательному сопротивлению. Большинство нагрузочных катушек имеют Q от 200 до 250, но я буду использовать Q 300 для наших тестовых моделей. Поскольку требуемая нагрузка будет отличаться для вертикальных и горизонтальных антенн, давайте рассмотрим их по одной. На рис. 7 в эскизной форме показаны вертикальные испытания.
В следующей таблице суммированы результаты тестовых моделей, с использованием полноразмерного монополя в качестве базовой ссылки, а затем переходом к версиям размера 3/4 и 1/2 с базовыми и средними нагрузочными катушками. Средние нагрузочные катушки были размещены точно посередине монополя, хотя практическая антенна может значительно изменять это положение. Реактивные сопротивления катушек изменялись до тех пор, пока не был восстановлен резонанс в пределах +/-j1 Ом.
Тесты размера монополя: 14,1 МГц
Все антенны используют вертикали диаметром 1 дюйм с радиальными элементами длиной 15 футов и диаметром 0,2 дюйма.
Длина относится к вертикальному элементу. Все нагрузочные катушки имеют добротность 300.
Длина антенны (футы) Нагрузка: L (мкГн) R (Ом) X (Ом) Усиление (дБи) Угол TO (град.) Импеданс Z (R +/- jX Ом) Полноразмерная 17,5 --- --- --- -0,56 27 42 + j 2 3/4, База 13,125 1,422 0,42 126 -0,78 28 19 - j 0 3/4, Mid-El 13,125 2,427 0,72 215 -0,78 27 29 + j 0 1/2, База 8,75 3,240 0,96 287 -1,59 29 9 + j 0 1/2, Mid-El 8,75 5,395 1,59 478 -1,31 29 17 - j 0 Переход от полного размера к размеру 3/4 приводит к снижению усиления примерно на 0,2 дБ. Однако дальнейшее снижение до половинного размера увеличивает потерю усиления примерно до целого дБ. Скорость снижения усиления увеличивается быстрее, когда мы становимся еще короче половинного размера. Вы можете оценить влияние этих потерь по шаблонам на рис. 8. Преимущество использования катушек со средним элементом заключается не столько в усилении, сколько в наличии более высокого, более легко согласующегося импеданса точки питания, чем мы получаем с катушками базовой нагрузки. Однако, чтобы получить это преимущество, мы обычно сталкиваемся с большей механической сложностью, что часто приводит в полевых условиях к большей тенденции к поломке в середине рабочего сеанса.
Вертикальные монополи уменьшенного размера, безусловно, пригодны для использования, но полноразмерные версии несколько лучше и имеют более широкую полосу пропускания. Фактически, рабочая полоса пропускания — при использовании обычного стандарта КСВ 2:1 — уменьшается в соответствии с длиной загруженного элемента. Однако, поскольку мы предполагаем использование ATU в основании антенны, КСВ обычно не будет проблемой, а дополнительные потери будут только теми, которые присущи конкретному типу сети, используемой в тюнере. (Если вы просто используете коаксиальный кабель для основания антенны и размещаете тюнер на операционном столе, у вас будут небольшие дополнительные потери из-за уровня КСВ на кабеле, а общие потери от этого источника будут функцией длины кабеля. Такие потери в кабеле будут меняться в зависимости от частоты работы, увеличиваясь по мере увеличения частоты.)
Во всех дипольных испытаниях использовался медный провод AWG #12 (диаметром 0,0808 дюйма) на высоте испытания 20 футов над средней поверхностью почвы. Антенны были установлены ровно, что может быть не совсем осуществимо в большинстве полевых ситуаций, если мы свяжем концы антенны с помощью имеющихся конструкций. На рис. 9 показана схема испытаний, за которой следуют табличные результаты.
Тесты размера диполя: 14,0 МГц
Все антенны используют провод AWG #12. Все нагрузочные катушки имеют добротность Q 300. Центральные нагрузочные катушки представляют собой отдельные блоки. Однако для загрузки среднего элемента используются 2 катушки каждого из указанных размеров. Таким образом, общая нагрузка в два раза превышает указанные значения.
Длина антенны (футы) Нагрузка: L (мкГн) R (Ом) X (Ом) Усиление (дБи) Угол TO (град.) Импеданс Z (R +/- jX Ом) Полноразмерная 33,88 --- --- --- 5,74 50 85 + j 0 3/4, Центр 25,41 4,309 1,26 379 5,42 51 40 + j 0 3/4, Mid-El 25,41 3,968 1,16 349 5,45 51 59 + j 0 1/2, Центр 16,94 9,947 2,92 875 4,66 50 18 - j 1 1/2, Mid-El 16,94 9,095 2,67 800 4,76 52 34 + j 1 Мы видим ту же картину в нагруженном укороченном диполе, что и в монополе. Общие требования к нагрузке среднего элемента почти вдвое превышают требования к нагрузке центра с точки зрения размера катушки и потерь. Следовательно, для любого заданного уровня укорочения нагрузки среднего элемента не приводят к значительному увеличению усиления, хотя они устанавливают сопротивление точки питания на более приемлемом значении, если мы не используем тюнер. Как центральная, так и средняя нагрузочные катушки представляют собой механические проблемы, увеличивая сложность и вес конструкции антенны. Чем сложнее механическая структура полевой антенны, тем выше вероятность возникновения трудностей во время длительной полевой работы.
Тем не менее, как показывают образцы на рис. 10 , мы не теряем много из-за образца. Худший случай усиления примерно на 1 дБ ниже, чем усиление для полноразмерного диполя, примерно такое же падение, с которым мы столкнулись с вертикальным монополем. Не пытайтесь напрямую сравнивать образцы для монополей с образцами для диполя, поскольку внешнее кольцо в каждом случае относится к разному уровню усиления. Однако вы можете захотеть оценить усиление диполя под углом 25 градусов и сравнить эту оценку с максимальным усилением монополей под их углами TO. Диполи опускаются примерно на 2 дБ или около того и, таким образом, имеют большую силу вдоль оси максимального двунаправленного усиления, чем монополи в своих всенаправленных образцах.
Мы можем добиться значительной простоты в компактной конструкции диполя, исключив катушки нагрузки. Вместо этого давайте завершим антенну, просто опустив элементы вниз, как только мы создадим полудлинный диполь. Расположение, которое мы можем назвать перевернутой буквой U, выглядит как контурный эскиз на рис. 11 .
Общие размеры, показанные для 20-метровой перевернутой U-образной антенны, даны для провода AWG #12, хотя они, как правило, не сильно меняются для элементов любого размера. Одна мачта будет поддерживать трубчатый горизонтальный элемент с опущенными концевыми проводами. Возможно, единственным недостатком этой конструкции является то, что для нее требуется 20-футовая мачта, чтобы удерживать концы элементов значительно выше уровня, до которого могут дотянуться люди. Даже при уровнях мощности QRP напряжение на концах диполя может достигать некомфортных, если не опасных, уровней.
Перевернутая U-образная антенна работает немного лучше, чем диполь половинного размера на той же высоте, когда этот диполь использует нагрузочные катушки. Работа немного менее надежна, чем у диполя 3/4-размера или полноразмерного диполя. Диаграмма направленности, показанная на рис. 12, предоставляет соответствующие данные. Она также показывает точки -3 дБ или половинной мощности для антенны. Вы можете, как правило, применять эти значения угла к любому из диполей, которые мы исследовали.
Азимутальная диаграмма показывает, что перевернутая U имеет значительное, но не подавляющее вертикально поляризованное излучение от свисающих концов. Следовательно, для любой заданной высоты ее азимутальная диаграмма — справа на рис. 12 — будет немного более овальной, чем соответствующие диаграммы для загруженных диполей.
Расчетная частота для смоделированной здесь перевернутой U составляет 14,175 МГц, что является центром диапазона. Причина, по которой я использовал эту частоту, а не какую-то частоту ближе к концу CW диапазона, проста. Использование линейных элементов вместо нагрузочных катушек обеспечивает очень широкую кривую КСВ, в то время как падающие элементы снижают импеданс точки питания с 70 Ом, которые мы связываем с полноразмерным линейным диполем, до примерно 50 Ом. На рис. 13 показана смоделированная кривая КСВ для перевернутой U.
Прежде чем мы закроем книгу о наших пяти принципах полевых антенн, мы вернемся к перевернутой U, чтобы показать вам, как построить 5-диапазонную версию, подходящую для диапазонов от 20 до 10 метров, антенну длиной около 36 дюймов для переноски. И стоимость будет значительно ниже 50 долларов, даже если вы купите все детали (кроме мачты) новыми. Однако прежде чем мы перейдем к этому — и, возможно, чтобы создать атмосферу напряжения — давайте вернемся к общей проблеме, которая окружает мою заметку, — чтобы концы перевернутого U-элемента находились значительно выше рук даже самого высокого человека на месте полевых работ.
Как сказал парень, безопасность превыше всего. Безопасность часто является отдаленной мыслью в удаленных полевых операциях. Однако гораздо проще спланировать безопасность в полевой операции, чем транспортировать раненого из удаленного места обратно на цивилизованную территорию, где есть медицинская помощь. Следовательно, это должно быть неотъемлемой частью каждой запланированной полевой операции.
Рис. 14 суммирует некоторые из наиболее упускаемых из виду вопросов безопасности в полевых условиях. Принцип безопасности, который мы упомянули, проиллюстрирован фигуркой из палочек и концом антенны: безопасное расстояние между самой дальней точкой досягаемости человека и концом антенны. Концы антенны обычно являются точками высокого напряжения и не должны быть доступны для прикосновения, даже случайного, во время работы.
Рисунок также указывает на несколько других мер безопасности. Простое слово «растяжки» сигнализирует о необходимости убедиться, что все, что вы возводите в полевых условиях, должно быть механически защищено от любого ожидаемого ветра. Правильное расположение антенны достаточно удалено от рабочей площадки, чтобы в случае падения антенна не могла упасть ни на кого — или на дорогостоящее оборудование. Приняв эту меру предосторожности, вы также должны закрепить установку так, чтобы у нее было меньше всего шансов упасть. В большинстве случаев 3 или 4 растяжки достаточно для стабилизации чего-либо высокого, включая мачты и вертикальные антенны. Если вертикальная конструкция имеет высоту более 20 футов, то используйте два набора растяжек, по одному на каждые 10 футов вверх. Нейлоновая веревка 3/16 дюйма достаточно легкая, чтобы вы могли носить ее в полевом рюкзаке для замены изношенных растяжек. Также носите с собой зажигалку, чтобы запечатать концы веревки и предотвратить их распускание.
Никакая растяжка или проволока не лучше, чем ее привязывание. Не полагайтесь на то, что на месте можно найти камни или ветки, чтобы использовать их в качестве привязывающих грузов. Возьмите с собой длинные колья, которые можно вбить в землю. Чем длиннее — в пределах ограничений по переноске — тем лучше. Также выучите один или два хороших узла, которые не скользят, и применяйте их к соединениям веревки со кольями.
На рис. 14 также показано несколько предметов в форме вымпела, называемых флагами. Не требуется темноты ночи или утреннего тумана, чтобы сделать видимое невидимым. Существует туман, вызванный волнением от предприятия, который ослепляет каждого участника в то или иное время. Закон Мерфи гласит, что туман нападет, когда человек окажется ближе всего к чему-то, что остановит полевую операцию на ее пути. Вы, возможно, не сможете полностью победить Мерфи, но вы можете усложнить его задачу. Разместите флаги на оттяжках на самом видном уровне. Дополнительный флаг на крепежном колышке — неплохая идея, чтобы предотвратить спотыкание, которое обрушит антенну.
Добавьте флаги на короткие колышки вдоль любого кабельного маршрута, чтобы предупредить путников о его присутствии. Зацепившийся кабель может порваться — обычно в разъемах. Кроме того, он может потянуть вниз антенну. На другом конце линии он может стащить оборудование с операционного стола. На рисунке показан только коаксиальный кабель на уровне земли. Вам следует добавить флаги к любому двухпроводному кабелю, идущему от ATU до дуплета над головой. Действительно, возьмите себе за правило, что все, с чем вы можете столкнуться, от пальцев ног до вытянутых рук, получает флаг.
Флаги не обязательно должны быть формальными вымпелами. В магазине тканей поищите остатки самой яркой, самой переливающейся ткани, какую только сможете найти. Ярд этого материала будет легким для переноски и позволит вам отрывать полосы для флагов, которые не заметит только абсолютный дальтоник.
Наше внимание к тому, чтобы сделать элементы сайта безопасными от случайных столкновений, не должно исключать другие факторы безопасности, о которых мы обычно думаем. Все оборудование должно быть электрически безопасным, без открытых электрических контактов. Если блок питания или аккумулятор имеет такие контакты, придумайте для них крышку, чтобы предотвратить случайный контакт — либо пальцами человека, либо блуждающим валом отвертки. Закороченная батарея означает короткую поездку на природу, не говоря уже о повреждении вашей любимой отвертки.
Не забывайте о механической безопасности вашего оборудования. Большая часть маломощного оборудования также очень легкая. Добавьте кабель питания и радиочастотный кабель, и у вас будет ситуация, которую мы можем назвать волочением — прямо с операционного стола на землю. Вы можете использовать любое количество методов, чтобы предотвратить исчезновение вашего оборудования под действием гравитации. Некоторые полевые операторы разрабатывают разделенные на отсеки корпуса, чтобы удерживать все оборудование на месте во время использования. Вы также можете создать опорную плиту и использовать L-образные кронштейны для удержания оборудования. Вы также можете создать столешницу с неглубокими ячейками, в которые помещается каждый элемент. Точная система, которую вы создадите, будет зависеть от типа операции и количества оборудования, которое необходимо закрепить.
Оборудование для крепления требует предварительного планирования. Фактически, каждый аспект обеспечения безопасности и надежности полевой операции требует столько же времени, сколько и времени, отведенного на обдумывание перед поездкой, сколько займет сама поездка. Эти краткие заметки предназначены только для того, чтобы предупредить вас о возможных проблемах и нескольких способах их решения. Фактическое количество способов обеспечения безопасности и надежности полевой операции столь же многочисленно и разнообразно, как и творческие умы полевых операторов.
Предварительное планирование должно включать два важных шага. Первый — очистить все, что отправится в поездку. Эта деятельность должна быть сосредоточена на всем в установке, что будет иметь контакт металл-металл, включая разъемы и соединения в любой антенной конструкции. Второй шаг следует за первым: проверить все дома, чтобы убедиться, что оно имеет наибольшую вероятность работы на месте.
Ничто так не притупляет принцип безопасности, как слишком много слов. Каким бы неполным ни был этот список, я закончу его здесь, надеясь, что я сказал достаточно, чтобы вы могли продолжить с этого места. Предусмотрительность — ваше самое сильное оружие против закона Мерфи, который гласит: «Если это может произойти и это нехорошо, то так и будет».
Избегайте гаек (и болтов). Несчастные случаи — не единственные события, которые приводят к резкой остановке полевых работ. Один из самых тривиальных, но эффективных способов остановить работу — потерять гайку или болт в траве или грязи и никогда больше их не найти. Поэтому придумайте способы предотвращения этой потери. Я использую два правила.
- Любая гайка или болт, используемые при установке на месте, должны быть постоянно затянуты и ни в коем случае не ослабляться.
- Каждое полевое соединение должно использовать что-то иное, нежели гайку и болт.
Есть несколько соединений с барашковыми гайками для заземляющих проводов и т. п., которые могут быть неизбежны. Для них я добавляю каплю Plasti-Dip на конец резьбового контакта, чтобы предотвратить полное отсоединение барашковой гайки.
Однако давайте используем этот последний принцип для двух вещей.
Во-первых, я познакомлю вас с двумя моими любимыми полевыми разъемами. Они не являются последним словом в соединениях для полевых антенн, но они могут вдохновить вас на более тщательное изучение имеющегося оборудования для разработки еще лучших для вашего типа полевых операций.
Во-вторых, чтобы дать вам представление о том, как мы можем применить хотя бы один из этих полевых соединителей, мы вернемся к перевернутой U-образной антенне и посмотрим, что она может предложить. Опять же, это не последнее слово в полевых диполях, но у нее есть некоторые особенности, которые стоит рассмотреть, включая ее малый вес, распространенные материалы и низкую стоимость.
На рис. 15 показаны два моих любимых элемента крепежа для любого типа полевой антенны с использованием алюминиевой трубки. Данные включают ссылку на каталог McMasters-Carr (http://www.macmasters.com). Однако многие размеры могут быть доступны в разделе специализированного крепежа в домашних центрах. Каталог поставит вас в затруднительное положение. Крепежные элементы доступны как в версии из нержавеющей стали, так и с покрытием. Нержавеющая сталь обеспечивает антикоррозионную отделку, но с покрытием имеют больше размеров и стоят в два раза дешевле.
Предположим, что мы строим антенну с использованием алюминиевых трубок и нам нужно перекрыть зазор с помощью компонента, например, коаксиального разъема или катушки нагрузки. Конечно, мы механически затыкаем электрический зазор, используя короткий стержень или трубку из стекловолокна или ХПВХ. Зажим для инструмента, иногда продаваемый как зажим «ручка метлы», решает нашу проблему перекрытия, как показано на рис. 16 .
С помощью небольшого куска оргстекла мы можем создать пластину для крепления соединителя или катушки. Зажимы образуют механическое соединение с трубкой и клеммами компонентов. Используйте оргстекло толщиной от 3/16" до 1/4", поскольку плоский конец зажима на самом деле не плоский. Фактически, он изогнут и пружинит, так что когда вы (постоянно) прикручиваете его гайкой и болтом к пластине, он оказывает значительное изгибающее давление на более тонкий пластик. Сплющивание монтажной части сжимает часть зажима так, что она обеспечивает отличный механический и электрический контакт с трубкой.
Мое предпочтение самодельным антеннам уже проявляется, и везде, где это возможно, я люблю использовать алюминиевые трубки. Однако я давно понял, что не стоит использовать любые трубки, так же как я научился строить собственные антенны, которые будут такими же хорошими или даже лучше, чем все, что есть на коммерческом рынке. Поэтому я использую трубки 6063-T832 почти для каждого проекта антенны, за исключением случаев, когда мне нужны алюминиевые стержни, которые доступны в 6061-T6. Алюминиевые заготовки доступны, если не на месте, то в домах, занимающихся почтовой торговлей, таких как Texas Towers, и имеют длину 6 футов. Трубки 6063-T832 имеют стенки 0,58 дюйма, что означает, что вы можете вкладывать трубки с шагом в 1/8 дюйма.
На рис. 17 показано типичное гнездо трубок диаметром от 0,75 дюйма до 0,375 дюйма с добавлением стержня в четверть дюйма для пущей убедительности.Если мы аккуратно зачистим заусенцы и очистим как внутреннюю, так и внешнюю поверхность трубок, они будут скользить вместе, когда не используются, чтобы сделать компактный единый предмет для переноски для монополя или пару переносимых предметов для диполя. Не обрабатывайте напильником края срезанных трубок. Вместо этого отшлифуйте их гладко мелкой наждачной бумагой из оксида алюминия, чтобы не оставлять на них частиц другого металла. Периодически очищайте внешнюю поверхность пластиковой губкой, а внутреннюю часть — ершиком для бутылок с длинной ручкой. Не используйте смазку для облегчения гнездования, так как мы будем зависеть от контакта металла с металлом чистого алюминия для электрического контакта между секциями элемента.
Некоторые люди, которые использовали только более тяжелый алюминиевый трубопровод для антенных элементов, не понимают, насколько легким может быть элемент 6063-T832. В следующей таблице указан вес на фут каждого размера трубки, а также вес некоторых алюминиевых стержней. С помощью таблицы вы можете оценить вес практически любого типа элемента, который вы захотите сделать, а затем добавить вес любой нагрузки или центральной структуры, которую вы добавите.
Таблица веса алюминиевых трубок на линейный фут
Table of Aluminum Tubing Weight Per Linear Foot
6063-T832 Tubing 6061-T6 Rods
Diameter Lb/ft Diameter Lb/ft
0.375" 0.044 0.1875 0.032
0.5" 0.095 0.25 0.058
0.625" 0.104
0.75" 0.127
0.875 0.150
1.0" 0.202
1.125" 0.229
1.25" 0.255
1.375" 0.283
1.5" 0.309
Я включил несколько труб большего размера, потому что кто-то может захотеть спроектировать вложенную мачту, состоящую из секций труб. Однако такая мачта может удерживать только самую легкую сборку диполей и требует оттяжек по крайней мере каждые 10 футов над землей.
Чтобы сформировать базовый элемент для нашей перевернутой буквы U, давайте создадим полноразмерный 10-метровый диполь. На рис. 18 показана базовая структура.
Секция 3/4" в крайней левой части будет частью сборки центральной пластины, которую мы покажем отдельно. Нам нужно только отметить здесь отверстие для зажима сцепного штифта, который мы будем использовать на каждом стыке для скрепления секций вместе. Вложенный, каждый полуэлемент имеет длину всего 36" с использованием 3" нахлеста на каждом стыке. В открытом виде мы используем зажимы сцепного штифта для механического скрепления секций. Каждое отверстие требует, чтобы мы аккуратно просверлили через оба отрезка трубы за одну операцию, чтобы обеспечить плотное прилегание отверстия и точное выравнивание. Вы можете пометить каждое отверстие на соединительных трубах таким образом, чтобы это не мешало вложению. Кондуктор, сделанный из обрезков древесины, и некая форма сверлильного станка значительно облегчают сверление идеально выровненных отверстий.
Элемент, состоящий из 2 половинных элементов и центральной пластины, будет покрывать первый МГц 10 метров с КСВ менее 2:1, используя указанные размеры и длину трубок. Для каждого из диапазонов от 12 до 20 метров нам нужно добавить удлинители проводов, которые свисают вниз и которые мы можем легко заменить. Однако давайте сначала завершим диполь с помощью узла центральной пластины, который постоянно собран и, следовательно, имеет несколько гаек и болтов.
Я использовал кусок поликарбоната толщиной 1/4", который у меня случайно оказался в качестве основы для центральной сборки, как показано на рис. 19. У меня также были U-образные болты из нержавеющей стали, поэтому я запрессовал их, чтобы закрепить пластину на мачте. Однако вы можете заменить ее короткой секцией мачты — металлической или из ПВХ — и использовать отдельные болты и самостопорящиеся гайки для крепления мачты и пластины вместе. Фактически, вы можете разработать совершенно другую дипольную центральную сборку, если у нее есть средства для подключения кабеля к антенне и способ подключения половин элемента к центральному зазору и соединению.
Номинальный CPVC 1/2" помещается внутри коротких отрезков 0,75-дюймовой трубки. Трубка удерживает половинки элемента выровненными и сводит к минимуму необходимое оборудование для крепления элемента к пластине. Я использовал короткий отрезок алюминиевого L-образного профиля 1" на 1" на 1/16" для крепления гнездового коаксиального разъема. Вся сборка весит менее 1 фунта, включая U-образные болты. Вся остальная часть элемента, включая зажимы для сцепных штифтов, весит менее 2 фунтов. Таким образом, у нас есть 3-фунтовый 10-метровый диполь.
Прежде чем продолжить, позвольте мне отметить дополнительное преимущество зажимов сцепного штифта как механического крепления. Они значительно больше, чем любой винт, гайка или болт, которые вы можете использовать для соединения секций элемента. В результате они не так легко теряются на земле. Однако давайте сделаем еще один шаг вперед в плане сохранения оборудования. Вы можете добавить яркие флажки из ленты к петле каждого штифта. С этой дополнительной мерой предосторожности вам придется вырыть яму и закопать зажим, прежде чем вы сможете его потерять.
Однако зажимы обеспечивают механическое крепление секций. Электрический контакт — это вопрос чистого алюминия, встречающегося с чистым алюминием. Если вы очищаете секции элементов перед каждым полевым приключением, у вас не будет никаких проблем. Однако НЕ используйте эту технику для домашней антенны, которая будет оставаться под воздействием погоды месяцами и годами. Накопление оксида постепенно увеличит сопротивление между секциями трубки и ухудшит работу антенны.
Теперь мы готовы расширить покрытие антенны для всех диапазонов от 10 до 20 метров. Для 12-20 метров вы можете добавить вертикальные провода к концам трубок диаметром 3/8". Подойдет практически любой провод от AWG #18 до AWG #14. Удобным проводом для использования является проволока для ограждения AWG #17, которая дешева, широко распространена и очень подходит для этой задачи. На рис. 20 показано, как я прикрепил свои провода к концу 10-метрового элемента, снова используя зажим-шплинт.
Я просверлил пару отверстий в трубке под прямым углом друг к другу. Одно сквозное отверстие имеет размер прямой части зажима шкворня. Другое достаточно большое, чтобы пропустить конечный провод. Когда провод находится на месте и слегка согнут, я устанавливаю зажим шкворня, прижимая провод к одной стороне, когда зажим проходит через его отверстия. Объединенные изгибы обеспечивают очень надежное крепление и хороший электрический контакт. Однако, когда я снимаю зажим, конечный провод вытаскивается прямо наружу.
У меня есть пары конечных проводов для каждого диапазона, намотанные на пустые пластиковые катушки с лентой. Я выпрямляю их перед установкой, но небольшие изгибы, оставшиеся в проводах, не влияют на работу антенны. Провода замечательно постоянны по длине, независимо от размера провода, поскольку секции трубок доминируют в высокоточной секции антенны. В следующей таблице указана длина, необходимая для каждого диапазона, с использованием размеров, установленных для 10-метрового базового диполя. Я добавил смоделированные характеристики для каждого диапазона для справки, предполагая высоту 20 футов над средней почвой. Помните, что высота 20 футов необходима на 20 метрах в качестве меры безопасности.
Длина конечного провода, необходимая для Inverted-U
Band Wire Length Modeled Performance Gain Elevation Impedance
(inches) at 20' Above Average (dBi) Angle (deg) R +/- jX
Ground: (Ohms)
10 ----- 7.6 24 65 - j 2
12 16 7.2 27 67 - j 8
15 38 6.4 32 69 - j 8
17 62 5.7 38 65 - j 4
20 108 4.9 49 52 + j 4Катушка алюминиевой проволоки для забора содержит бесконечный запас сменных концевых проводов на случай, если вы сломаете один, наступите на другой и непреднамеренно используете третий в качестве крепления. Я рекомендую использовать непроводящую мачту, если она у вас есть, чтобы предотвратить случайный резонанс на том или ином диапазоне. При мачте высотой 20 футов диапазон 15 метров, скорее всего, покажет некоторые аномалии КСВ из-за связи между концевыми проводами и мачтой. Как отмечено в разделе о безопасности, используйте оттяжки на любой мачте, которую вы берете с собой в поле. Не полагайтесь на основания штатива, если вы планируете держать антенну поднятой более нескольких минут.
Inverted-U будет работать так же хорошо, как и любой коммерческий полевой диполь на рынке. Главное отличие в том, что вам будет трудно потратить 50 долларов на inverted-U, даже если вам придется купить двойной карман, полный зажимов для сцепных штифтов, чтобы выполнить требования минимального заказа для дома, работающего по почте.
Я представляю перевернутую U-образную антенну как одну из многих возможных легких полевых антенн, которые вы можете построить самостоятельно. Используя те же методы, вы можете построить вертикальные монополи, включая загруженные версии для 80, 40 и 30 метров. Зажимы для инструментов могут удерживать отдельные нагрузочные катушки для каждого диапазона. Вы можете построить опоры основания из ПВХ. (См. последние выпуски QRP Quarterly для применения этих методов к вертикальным монополям. QST в конечном итоге опубликует полную статью об истории и конструкции перевернутой U-образной антенны. Основная идея не нова, но использование зажимов сцепного штифта для ее работы относительно недавнее.)
Я уважаю основные коммерческие портативные/полевые антенны на рынке — и я систематически моделировал некоторые из них. Тем не менее, нет никаких причин, по которым бюджетный оператор QRP не может иметь первоклассный набор антенн для использования в своих поездках и при этом иметь несколько долларов, чтобы заплатить за бензин и немного еды для приключения. В то же время нет никаких веских причин, по которым эти антенны должны зависеть от полевой сборки с использованием легко теряемых гаек и болтов, когда есть так много доступного оборудования, которое и надежно, и трудно потерять.
Я подошел к концу своего списка принципов. Все они являются идеалами, и реальные обстоятельства мобильных или полевых операций могут диктовать, что вам придется нарушить один или несколько из них. Что касается производительности, вы, по крайней мере, будете знать, чего ожидать, исходя из того, насколько вы нарушаете принципы, например, быть высоким и большим. Если есть один принцип, который вы не должны нарушать ни при каких обстоятельствах, кроме самых тяжелых чрезвычайных ситуаций, то это принцип безопасности. Мы можем заменить хорошее оборудование, но не хороших операторов и друзей.
[ На главную ] [ Антенны ]
