Антенны с переключаемой диаграммой
( компьютерные модели )

Н.Смирнов, UA3TW (SK), г.Нижний Новгород

Предлагаются три конфигурации переключаемых антенн, проверенные компьютерным моделированием с помощью программы MMANA.

Автору хотелось, чтобы:

  1. Антенна имела усиление, примерно равное усилению двойного квадрата или трехэлементного волнового канала. Это 5 - 6 децибелл по сравнению с диполем в свободном пространстве.
  2. Располагалась на одной вертикальной мачте высотой чуть больше полволны.
  3. Переключалась по азимуту через 60 градусов на шесть направлений.
Моделирование велось на частоте 14 MHz.
В качестве базовой антенны для одной из конфигураций был взят двойной треугольник с активным питанием (Рис.1).

Puc.1
Рис.1

Была нарисована система из трех таких антенн, расположенных симметрично вокруг общей вертикальной оси и сдвинутых относительно друг друга по азимуту на 120 градусов (см. файл 6D2Delta20m.maa). Для сканирования диаграммы нужно с помощью реле подключать фидер к тем или иным концам двухпроводных линий, как ясно из рисунка в файле. Две пары холостых рамок при этом размыкаются в вершинах. На все уходит 12 одноконтактных реле внизу и 6 наверху. Реле в данной схеме могут быть низкоомные, так как напряжения на разомкнутых контактах ожидаются небольшие.

Базовой антенной для двух других конфигураций был взят трехэлементный волновой канал, у которого концы директора и рефлектора приближены к концам активного элемента. Радиолюбителям эта антенна известна как V-Yagi (Рис.2).

Puc.2
Рис.2

В одной из конфигураций антенна располагалась горизонтально и выглядела, как шестиугольник на верхушке вертикальной мачты (Рис.3).

Puc.3
Рис.3

Каждая сторона шестиугольника являлась половиной пассивного элемента. Между сторонами включены реле. Три диагонали по очереди играли роль активного элемента, причем здесь возможны следующие варианты:

1.Малые диаметры, идущие к серединам сторон шестиугольника, сделаны из проволоки и являются активными элементами. Диагонали являются изоляционными распорками, по ним же идут провода, питающие реле.

2.Диагонали сделаны из металлических труб и, являясь активными элементами, одновременно являются несущими распорками.

Реле разбивают середины сторон шестиугольника, так что базовая антенна выглядит несколько по-другому (Рис.4). Малые диаметры в данном случае - провода, питающие реле.

Puc.4
Рис.4

Директор отличается от рефлектора включением конденсатора в его центре. Так как конструкция внешне напоминает паутину, файл назван 6DWeb20m.maa, где 6D означает шесть направлений, а Web - паутина. Данная антенна имеет горизонтальную поляризацию и наиболее высокие параметры, но требует 18 реле, 12 из которых должны иметь большие зазоры между контактами, как у известных радиолюбителям реле типа "хлопушка", так как разомкнутые контакты находятся на концах элементов, то есть, в пучностях напряжения. В каждом разрыве находятся два реле. Одно реле замыкает две стороны шестиугольника, когда они работают рефлектором, другое соединяет их через конденсатор, когда они работают директором. Оставшиеся две стороны находятся далеко от резонанса и не влияют на излучение. Также питающие реле провода, в которые включены дроссели, как показано на рисунке в файле, не искажают поле антенны. Еще шесть одноконтактных реле подключают по очереди активные элементы к фидеру. Эти реле могут быть низкоомные, емкость между контактами не критична.

Другой недостаток данной конструкции - длинные, порядка 5м, распорки (в первой конструкции, что из двойных дельт, распорки всего по метру). Интересно сделать чисто проволочный вариант такой "паутины", растянув ее между тремя мачтами других антенн.

Третья конфигурация также базируется на V-Yagi, но расположенной вертикально. От базовой она отличается добавлением еще четырех элементов, расположенных вокруг активного вертикального вибратора через 60 градусов (Рис.5).

Puc.5
Рис.5

Центральный полуволновый вертикал - общий для любого направления. Файл называется 6DV-Yagi20m.maa. В серединах пассивных элементов находятся реле, провода питания реле идут к центру активного элемента. Таким образом, провода находятся в области нулевого поля и не влияют на диаграмму.

Рассматривался как вариант с одним директором и одним рефлектором, когда четыре остальных элемента разомкнуты и их влияние на поле минимально, так и вариант, когда все шесть пассивных элементов в работе, а именно - четыре директора и два рефлектора или три директора и три рефлектора.

Первый вариант имеет лучшие электрические характеристики, но требует двенадцать реле, по два реле на элемент. Второй вариант - всего шесть реле, причем можно получить двенадцать направлений, через 30 градусов, чередуя позиции: четыре директора - два рефлектора, три директора - три рефлектора. КСВ фидера для этих позиций не сильно отличается. Для обоих вариантов требования к реле не критичны, то есть можно использовать низкоомные реле с большими межконтактными емкостями.

Для проверки жизнеспособности компьютерных моделей были изготовлены макеты антенн двух последних конфигураций, то есть, базирующихся на V-Yagi, на двухметровый диапазон. Горизонтальный вариант (файл Web2mModel.maa) был изготовлен из медной проволоки диаметром 1мм в эмалевой изоляции,с применением пластмассовых распорок из стержней диаметром 8мм. Стороны шестиугольника на углах разделялись вставками из стеклотекстолита шириной 6мм и длиной 60мм; на концах вставок оставлялись небольшие полоски фольги (Рис.6), к которым припаивались концы проволочных элементов.

Puc.6
Рис.6

Все размеры такие, как в файле. Переключение не применялось, были запаяны перемычка для рефлектора и конденсатор для директора. Для симметрирования применялся мост Бушеро (см. файл). Без всякой подстройки антенна показала как отличный КСВ, так и ожидаемую диаграмму и усиление.

UA3TW Почему не делалось переключение, ясно: очень трудно найти подходящие реле с малыми емкостями на этот диапазон.

Затем был изготовлен макет антенны с вертикальной поляризацией (файл 6DV-Yagi2m6Rel.maa), причем вариант с шестью реле. В качестве активного элемента использовался кусок лыжной палки диаметром 16мм из алюминиевого сплава. Пассивные элементы делались из медного провода диаметром 2мм, в эмалевой изоляции.

Диэлектрические распорки делались из пластмассового стержня диаметром 8мм и из кусков оргстекла. Применялись реле РЭС 49. Антенна продемонстрировала ожидаемые параметры, но, в отличие от первой, понадобилось около двух месяцев, чтобы заставить ее работать. Главным "подводным камнем" оказалось влияние диэлектрических распорок. Оказалось, что куски оргстекла и пластика, приближенные к концам элементов, заметно их расстраивают. Например, если концы элемента из двухмиллиметровой проволоки продеть в просверленные для них отверстия в восьмимиллиметровом пластиковом стержне, то это смещает резонансную частоту элемента вниз примерно на 1,5 МНz, то есть на 1%. А в конструкции также использовались пластины из оргстекла толщиной 4,5мм и шириной 70мм, сквозь которые проходили как концы активного элемента, так и двух пассивных.

Также пришлось перейти от питания активного элемента через гамма-согласование на Т-согласование, так как при гамма-согласовании та половина вибратора, к которой идет гамма-матч, "видит" провода, которые питают реле, как подобие радиалов, и это заметно нарушает симметрию, хотя и не очень сильно. Этот эффект показало и компьютерное моделирование: при переходе от гамма-матча к Т-матчу токи в проводах, идущих к реле, упали на порядок.

Для согласования кабеля со входом Т-матча и симметрирования применялся мост Бушеро, который во всех случаях вел себя прекрасно: не требовал настройки после изготовления по расчету. Т-матч и длина вибратора совместно настраивались по минимуму КСВ, для чего вибратор был сделан заведомо короче, а на концах сделаны скользящие удлиняющие вставки. В отличие от расчетного в файле длина плеч Т-матча получилась где-то по 7см.

Антенны поддаются превращению в многодиапазонные, как по принципу "матрешки", так и применением фильтр-пробок или комбинацией этих методов. Например, была обсчитана модель конфигурации Web на диапазоны 20, 15 и 10 метров, причем пассивные элементы состояли из концентрично вложенных шестиугольников, а активные получались с помощью фильтр-пробок. Файлы некоторых заготовок прилагаются (например, файл 6D5B2Delta.maa). Конечно, для счета таких антенн, где число проводов доходит до двух - трех сотен, нужен мощный компьютер.

Модели антенн в формате программы MMANA

73! Nick. Март 2004 г.