До сих пор создание системы питания активных антенн было весьма  сложной вещью даже для профессионалов.  Любители же, в лучшем случае,  вынужденно ограничивались повторением чужих конструкций. Но вот (в основном усилиями Александра Шевелёва, DL1PBD) создана программа по расчёту кабельных систем питания активных антенн. Теперь корректно включить два активных элемента гарантировано сможет даже школьник. Причём займет это пару минут. Трех и четырех элементные антенны несколько сложнее, но тоже возможно.   
    

 APAK-EL

         При активном питании энергия подводится к каждому элементу непосредственно с нужной амплитудой и фазой. Это позволяет при  любом разумном расположении и размерах элементов (даже нерезонансных) получать хорошие направленные свойства. Кроме того активное питание позволяет при равных размерах получить около 1dB  дополнительного усиления. Который тоже на дороге не валяется. 
    Расчёт самих активных антенн и нужных амплитуд и фаз каждого источника не представляет особой трудности и может быть выполнен в любой программе моделирования антенн.  Я бы рекомендовал в MMANA. Не потому что я к ней имею некоторое отношение, а потому, что это удобнее всего. С использованием оптимизации MMANA по амплитуде и фазе источников, питающих элементы можно проектировать любые активные антенны.  Впрочем можно использовать не только MMANA, но  и любую другую моделирующую программу. Только придется амплитуду и фазу  источников подбирать вручную. 
    В результате расчётов антенны мы имеем её размеры, и нужные амплитуды и фазы источников.  И остаётся "всего лишь" создать систему питания. То есть устройство, которое распределит энергию передатчика по элементам с требуемыми амплитудами и фазами.  
    Дело резко осложняется тем, что входные импедансы элементов оказываются  комплексными (даже при резонансных размерах) и разными. Что естественно, кроме собственного тока по каждому вибратору течет еще и сумма токов от всех других вибраторов. Если попытаться согласовать их при помощи тюнера, то последний произвольно изменит заданные амплитуду и фазу тока в элементе. Получается собака, гоняющаяся за своим хвостом - при попытке согласования импедансом рассыпается нужное распределение фаз и амплитуд, а при  попытке поставить это распределение как  надо не выходит ни  согласования, ни сложения мощности в общий кабель.
        Радиолюбители приложили немало усилий, чтобы как-то упростить решение  задачи синтеза системы питания активной антенны. Было придумано множество методов. Почти все они сводились к тому, что к каждому элементу подводится свой кабель,  а на  дальних от элементов концах кабелей (хотя есть варианты, что и на обоих) устанавливаются весьма сложные LC цепи, обеспечивающие нужное распределение с учётом трансформирующих свойств линий. Беда тут в том, что и расчёт и настройка таких LC цепей чрезвычайно сложны и совершенно недоступны среднему радиолюбителю.
     Единственный метод не требовавший громоздких LC-цепей был предложен Al Cristman, KB8I. Суть метода состоит в следующем:  пусть к каждому элементу антенны, возбужденному в нужной фазе и амплитуде подключена своя питающая линия. Просчитывая комплексное напряжение вдоль всех (по числу элементов) линий можно найти точки, в которой комплексные напряжения на линиях максимально совпадают. В этих точках линии соединяются параллельно (это возможно, так как напряжения одинаковы, причем как реальная, так и мнимая часть напряжений). Получившийся комплексный импеданс преобразуется в 50 Ом простейшей согласующей цепью из пары реактивностей.
    Идея весьма привлекательная в практическом исполнении. Но  как рассчитать нужные длины кабелей? Для этого надо численно решить уравнения распределения комплексных напряжений вдоль каждой из линий (нагруженной на комплексный импеданс элемента, и имеющей в точке подключения элемента требуемые фазу и амплитуду). Это многоэтажные формулы с комплексными числами явно неподъёмные  для радиолюбителя.
    Для резкого упрощения решения этой задачи и была создана утилита APAK-EL. Всю сложную и нудную работу по построению графиков напряжения она берет на себя.   Достаточно ввести данные по источникам и входным сопротивлениям элементов и требуемые графики будут построены автоматически. на плоскости с координатами реальной и мнимой части напряжения они имеют вид эллипсов. Точка их пересечения  и есть искомый ответ. Достаточно движками, изменяющими длину линий подогнать курсоры на обеих графиках в точку пересечения. Впрочем можно не делать даже этого - имеется возможность поиска, делающего то же самое автоматически.  
        Не останавливаясь на описании программы (всё достаточно ясно описано в файле помощи) перейдем к примерам расчета.

Два вертикала на расстоянии 0,125l

    Это  широко известная направленная антенна из двух 1\4l GP,  с усилением на 4 dB выше чем у одиночного вертикала.  Её  приводит для иллюстрации сам KB8I.  Файл самой антенны в программе MMANA можно посмотреть здесь.  Данные по источникам:
  Первый: E=0,5 V,  фаза 0 градусов, Z=10,94-j18,79 Ом.
  Второй: E=0,55 V, фаза 0 градусов, Z=11,65-j22,47 Ом.
Вводим эти данные в APAK-EL и получаем:

   Точка пересечения выбрана в левом верхнем квадранте (туда из центра идет прямая радиуса). И сразу получены результаты.
     К первому элементу надо подключить кабель 50 Ом длиной 0,463l (цветные смотри надписи над движками).
    Ко второму  - такой же кабель, но длиной 0,5302l.
     На противоположных элементам концах кабелей, будут практически одинаковые (отличие менее 0,1%)  комплексные напряжения 0,71+j0,13 V (выделено красным в таблице). Поэтому можно соединить кабеля параллельно.  В этой точке получится сопротивление Zin=46,8-j2,5 Ом (окошко над длинами линий). Поэтому никакого СУ не требуется, и  можно непосредственно подключать питающий кабель 50 Ом любой длины.  Вид ДН  (её очень просто переключать на два направления) показан ниже.

    Для коммутации  на два направления от каждого элемента до коммутатора должен идти кусок кабеля 0,463l, а дополнительный отрезок в длиной (0,5302-0,463)=0,0672l  включается в направлении заднего лепестка.
  

Два элемента петлевых наклонных вибраторов

    Этот пример демонстрирует всю мощь и одновременно простоту пользования APAK-EL. Два элемента петлевых вибраторов на одной мачте высотой всего 13,5 м на диапазон 80 м. Вид антенны можно подробно посмотреть открыв её файл модели. Если  для предыдущего примера - системы 1\4l GP данные по системе питания еще можно найти в справочной  литературе, то для этой, индивидуально спроектированной  антенны, можно их там даже не искать. Не будет. Придётся рассчитывать.
      Данные по источникам такие:
  Первый: E=0,5 V,  фаза -26 градусов, Z=90,60-j32,98 Ом.
  Второй: E=0,48 V, фаза 0 градусов, Z= -59,68-j76,35 Ом.
Знак "минус" в активной части  входного сопротивления не моя опечатка и не ошибка программы. Он означает, что второй элемент не потребляет энергию из питающей линии, а наоборот. Перехватывая часть энергии, излученной первым элементом  в ненужном направлении, второй элемент ВОЗВРАЩАЕТ её в линию питания. То есть работает не как нагрузка, а как генератор. Поэтому и возникает отрицательная часть входного активного сопротивления.  
Вводим эти данные в APAK-EL и получаем:

     К первому элементу подключен кабель 50 Ом длиной 0,5895l.
    Ко второму такой же кабель, но длиной 0,4491l.
     На противоположных элементам концах кабелей, будут практически одинаковые (отличие менее 0,1%)  комплексные напряжения 0,394+j0,048 V      В этой точке соединения кабелей получится сопротивление Zin=37,5-j19,8 Ом Для согласования с кабелем, идущим к TX  потребуется простенькое  СУ, которое не составит труда рассчитать в MMANA. Система питания сделана. Вид ДН  (коммутация направлений аналогично предыдущему примеру) показан ниже.

    И такую отличную направленность на 3,7 MHz можно получить при мачте высотой всего 13,5 м и при весьма ограниченном пространстве. Антенна помещается даже на крыше!

Три элемента  наклонных GP

   Также весьма нестандартная антенна. На любую мачту высотой около 0,3l  (11 метров на 7 MHz , мачта  используется только как  несущая конструкция) с самого верха установлены три растяжки. Нижние концы растяжек расположены по окружности с радиусом 0,15l.  Растяжки (изолированные сверху от мачты)  являются наклонными 1\4l GP - активными элементами антенны.  Очень простая конструктивно антенна (мачта без изолятора + растяжки) с возможностью простой коммутации ДН на три направления. Вид антенны можно подробно посмотреть открыв её файл модели.  Понятно, что  и для этой антенны в литературе не найти схемы питания. 
      MMANA указывает следующие данные по источникам:
  Первый: E=0,5V,  фаза 0 градусов, Z=56,72-j8,15 Ом.
  Второй: E=0,48V, фаза 0 градусов, Z= 56,72-j8,15 Ом.
  Третий: E=0,27V, фаза 1 градус,   Z= -13,32-j16,85 Ом.
Знак "минус"  нас уже не пугает. Вводим эти данные в APAK-EL и получаем:

    В качестве решения (всего есть 4 точки пересечения) выбираем такую, при которой  больше суммарный импеданс, и при которой длина кабелей не слишком мала (их же надо довести до точки установки коммутатора, и не забудем еще про коэффициент укорочения коаксиальных кабелей). Итого:
   К первому  и второму элементам подключены кабели 50 Ом длиной  по 0,6411l.
    К третьему - такой же кабель, но длиной 0,8393l.
     На противоположных элементам концах кабелей, будут практически одинаковые комплексные напряжения 0,286+j0,334 V . В этой точке соединения кабелей получится сопротивление Zin=19,2-j0,3 Ом. Для согласования с кабелем, идущим к TX  потребуется  согласующая цепь. В данном случае это может быть как LC цепь, так и трансформатор 1:2,25 на феррите. Вид ДН этой антенны показан ниже.

    Для коммутации  на три направления от каждого элемента до коммутатора должен идти кусок кабеля 0,6411l, а дополнительный отрезок в длиной (0,8392-0,6411)l  включается в направлении заднего лепесткаю

    Нравится? Тогда скачивайте APAK-EL (всего 181 кБ) и проектируйте свои активные антенны. Русская версия APAK-EL бесплатна.

    *Рисунки в этой статье относятся к версии APAK-EL  1.01. Программа вероятно еще будет развиваться и дополняться, поэтому виды экрана  новых версий возможно будут отличаться от приведенных в этой статье. Но только в лучшую сторону - hi.