Портативный прямоугольник Moxon для работы в полевых условиях
L. B. Cebik, W4RNL
С тех пор, как я начал разработку прямоугольника Moxon в качестве двухэлементной однодиапазонной направленной антенны с огромным соотношением излучений вперёд-назад и прямым 50-омным питанием, я много беседовал с коллегами - радиолюбителями на тему, как сделать антенну действительно портативной. Многие идеи были отфильтрованы в процессе дискуссий, включая идею с поддерживающей рамкой из фибергласа и проволочными элементами. Ведь трубчатые элементы позволяют получить более широкую полосу пропускания для всех главных рабочих характеристик антенны. Так что я сфокусировался, именно, на этом направлении.
Начальные размеры прямоугольника Moxon и его характеристики
Мы можем рассчитать размеры любого прямоугольника Moxon в удобной программе, содержащейся в собрании утилит HAMCALC у VE3ERP. Рисунок, расположенный ниже, даёт набор опорных размеров, которые фигурируют в последующих таблицах (уже с цифрами).
Трубы, что я выбрал для серии портативных прямоугольников (Moxon) имели диаметр 5/8 дюйма (0,625 дюйма), из алюминия 6063-Т832, которые можно приобрести в таких местах, как Texas Towers (http://www.texastowers.com), в отрезках удобной 6- футовой длины. Основываясь на этом выбранном материале, мы можем ввести в программу его диаметр и расчётную частоту, чтобы получить размеры антенны. Для диапазонов 20 и 15 метров, расчётная частота должна располагаться в 40% диапазона от нижнего его края, что обеспечивает рабочую полосу антенны, включающую весь диапазон. Отсюда, расчётными частотами являются 14150 и 21200 кГц. На диапазоне 10 метров лучшим выбором является частота 28350 кГц, что обеспечивает перекрытие полного первого мегагерца диапазона. Размеры приведены в таблице (в футах):
Moxon Rectangle Dimensions
E, конечно же, является простой суммой размеров В, C и D, что даёт полные размеры антенны (перёд-зад). Постоянный диаметр материала означает, что диаметр, как часть длины волны, возрастает с увеличением частоты. Отсюда, размер С на 10-метровом диапазоне больше половины этого зазора на диапазоне 20 метров.
В последующих строках, я сконцентрирую внимание на прямоугольнике, который труднее всего осуществить в переносном варианте, - прямоугольнике 20-метрового диапазона. Уверен, что Вам больше понравится версия как можно более компактная. На рисунке Fig.1 показан эскиз прямоугольника на диапазон 20 метров со всеми размерами и примечаниями, которые будут полезны при воплощении конструкции в металле.
Размеры даются в футах, если после цифры присутствует знак (‘) или в дюймах (“).
Решение попытаться сделать действительно переносный Moxon частично было обусловлено его пространственными характеристиками. На рисунке Fig. 2 показана диаграмма направленности антенны (для свободного пространства) для краёв и центра диапазона 20 метров. Очень большое соотношение излучений вперёд-назад в портативной модели уменьшилось примерно до 18 дБ на краях диапазона, а усиление, как в обычной 2-элементной системе вибратор – рефлектор.
Ожидаемые цифровые значения параметров, которые будут идентичны и для всех трёх верхних (широких) диапазонов, сведены в таблицу:
20-Meter Moxon Performance in Free Space
Усиление по диапазону 20 метров падает на ¾ дБ. Как показано на рисунке Fig. 3, кривая КСВ спадает более круто ниже расчётной частоты, нежели выше её. Эта кривая параллельна кривой соотношения излучений вперёд-назад и эти обе кривые диктуют выбор расчётной частоты по максимуму соотношения излучений вперёд-назад, которая находится немного ниже середины диапазона.
SWR – КСВ.
Для среднего радиолюбителя, не имеющего высоких мачт под антенны и денег на покупку набора высокоэффективных антенн, Moxon является палочкой-выручалочкой. Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости даёт представление о двух возможностях, которые может предоставить Moxon. Во-первых, он сильно давит сигналы, приходящие сзади, усиливая сигналы, приходящие спереди. Во-вторых, передний лепесток диаграммы направленности очень широк, что позволяет направлять антенну не точно на корреспондента (меньше крутить надо, удобно в соревнованиях).
Для Полевых Дней и подобных условий, антенна может быть очень эффективной, несмотря на то, изготовлена она из проволоки или труб. Описания проволочных версий Moxon’а для Полевого Дня, включая антенну обратного излучения, появились в мае 2000 г в журнале QST. Здесь же, мы сконцентрируемся на создании действительно переносной антенны Moxon из труб.
Требования, предъявляемые к переносной конструкции
Действительно переносный “бим” должен отвечать некоторым требованиям:
Антенная система должна упаковываться в компактный свёрток, удобный для хранения и транспортировки.
Последующее отвечает всем этим требованиям. Но не стоит устанавливать такую антенну для условий постоянной эксплуатации (стационарно) и подвергать воздействию сильных ветров. Максимальная ветровая нагрузка на такую антенну не должна превышать 15 узлов (knots) (1 узел/час = 1,8532 км/час; 1 дюйм = 25,4 мм; 1 фут = 12 дюймам = 30,48 см - UA9LAQ).
Ключевой идеей предлагаемого метода здесь является сборка отдельных частей в блоки, которые являются функциональными узлами целого. В конструкциях антенн, обычно, применяются метизы из нержавеющей стали (винты, стяжки, гайки, скобы), для каждого соединения. В полевых условиях соединения частей конструкции антенны должны осуществлять электрическую проводимость на протяжение всего цикла работы. Таким образом, единственным заданием для метизов должно быть: крепко держать, вместе сведённые для обеспечения контакта в рабочем положении, конструкции. Гайки, стяжки и винты могут и не понадобиться (если применить немного другую технологию).
Единственной “железкой”, которая потребуется для соединений в полевых условиях, будет, приведённая на рисунке выше, известная как прищепка или заколка для волос. При подходящих размерах эти прищепки будут больше, чем достаточны для поддержания частей конструкции переносной антенны Moxon в сборе. Прищепки выпускаются (и продаются) различных размеров. Хотя нержавеющие прищепки служат долго, они и по цене вдвое дороже, чем половина требуемого количества стальных оцинкованных, по каталогу McMaster-Carr catalog (страница 2971 on- line каталога на http://www.mcmaster.com.
Эффективное применение прищепок обусловлено тщательной подгонкой частей конструкции антенны в мастерской. Просверливаемые отверстия должны обеспечивать плотное прилегание соединяемых частей друг к другу, их диаметр должен быть только-только, чтобы прямая часть прищепки с усилием могла пройти в них. Чем лучше (плотнее) подходят друг к другу части соединения, тем дольше и надёжнее будет служить соединение. Конечно же, со временем, прищепки начнут болтаться в отверстиях, тогда выходом из положения будет пересверливание отверстий рядом с имеющимся.
Прищепки бывают разных размеров. Для труб диаметром 5/8 дюйма пойдёт прищепка, предназначенная для использования на трубах ½ до ¾ дюйма. Провод, из которого изготовлена прищепка, имеет диаметр 1/8 дюйма (0,125 дюйма), соответственным должно и быть отверстие в соединяемых деталях. Если у Вас нет прецизионного (точного) инструмента, то одинаковые части конструкции могут не подходить друг к другу, тогда следует концы труб обернуть лентой, на которой сделать соответствующие метки, чтобы не было путаницы при сборке антенны в полевых условиях.
Прищепки легко теряются в траве, так что, берите с собой их избыточное количество. Также можно приклеить яркие ярлычки на верхние части каждой прищепки. Эти меры вытекают из основного принципа “тяжко в ученье – легко в бою” – чем больше потрудишься в мастерской, тем легче будет в поле.
Разрабатывая портативный Moxon
Наша цель: сделать портативный прямоугольник Moxon на диапазон 20-метров. Разработка начинается разбивкой всей антенны на отдельные конструктивные части. Размеры этих конструктивных составляющих вытекают из требований, показанных на рисунке Fig. 1 и доступных материалов. Трубы, обычно, поставляются нарезанными по 6 футов (около 2 метров). Поскольку антенна на 20-метровый диапазон имеет размеры от центральной (осевой) линии в каждую сторону по 12,56 фута (150,7 дюйма), то мы можем использовать два отрезка трубы длиной по 5 футов 9 дюймов (69 дюймов) до 6 футов (72 дюйма) для каждой длинной части элемента. (В версии для 10-метрового диапазона потребуется только одна секция на каждую сторону элемента от осевой линии, антенны, для диапазона 15 метров можно использовать две укороченные части). Угловое соединение добавит недостающие несколько дюймов. “Хвостики” не превышают в длине 6 футов, так что, они могут являться отдельными частями. Соединительные вставки состоят из трубок диаметром 0,5 дюйма, вставляются в основную трубу диаметром 0,625 дюйма.
Для антенны на диапазон 20 метров необходимо примерно 70 футов трубы, которые при толщине стенки в 0,58 дюйма весят меньше 7,5 фунтов. Траверса и другое конструктивное “железо” удвоят вес конструкции, что, в общем, составит 15 фунтов. Поскольку принадлежности - траверса, крепления элементов к траверсе и крепления траверсы к мачте, практически не изменяются в более малогабаритных версиях антенны, то Moxon на диапазон 10 метров будет весить примерно 10 фунтов, а на 15 метров – 12 фунтов (1 фунт = 453,592 г – UA9LAQ).
Первое, на что нам предстоит обратить внимание при изучении составляющих частей, - это угловые соединения. Длина трубы может варьироваться в пределах 9 дюймов при окончательной настройке, считая от центра антенны (осевой линии, проходящей через центр траверсы) до конца элемента. Труба длиной 6 дюймов и диаметром 0,5 дюйма крепится постоянно к линейной части элемента с помощью нержавеющих стальных крепёжных элементов – к “длинному” элементу и его “хвостику”. Прищепки определяют места соединений и длину непроводящей стяжки, которая поддерживает угол при эксплуатации антенны прямым. Две маленькие пластины образуют в углу шарнир, который позволяет сворачивать антенну для хранения и транспортировки. Возможность сгиба углов является главным достоинством конструкции, позволяющим хранить и транспортировать её в компактной упаковке.
Недостатком сгибающихся углов является необходимость применения инструмента для затяжки крепления (можно применить и винты с гайками-“барашками” – UA9LAQ). Конечно, указанный тип угла Вы можете заменить и на отрезок изогнутой алюминиевой трубы диаметром 0,5 дюйма. Если Вы выберите этот путь, имейте в виду, что прямые и изогнутые участки каждого элемента добавляют длины к её значению, указанному в таблицах. Полная длина активного вибратора равна: А + (2 х В), тогда как, полная длина рефлектора равна: А + (2 х D). Изгиб алюминиевых труб на 90 градусов требует сноровки. Заполните кусок трубы больше, чем требуется по длине, сыпучим песком, чем плотнее, тем лучше. Многие гнущие греют трубы и песок перед гибкой до температуры, когда ещё можно держать трубу в перчатках (рукавицы нам ближе… Hi! - UA9LAQ). Сделайте специальную оправку или подберите подходящий по диаметру предмет, затем закрепите конец изгибаемой трубы. Взявшись за второй небольшими усилиями и по малым частям, медленно сгибаем трубу на угол, превышающий немного 90 градусов (прямой угол). Дело в том, что лучше немного разогнуть остывший угол, чем его догибать.
Согнутому углу не требуются дополнительные крепления и стяжки. Сверление отверстий под прищепки в трубах элемента, согласованные с отверстиями вставляемых внутрь трубок крепления - конечная операция, проводимая в стенах мастерской, если не считать разметки (маркировки частей антенны). Четыре угла с отверстиями под прищепки, всё-равно, будут разными и, если их перепутать, то для Вас откроется необозримое поле деятельности по настройке антенны, да ещё в полевых условиях.
На рисунке Detail 2 показан тип соединения труб, применяемый во всей конструкции портативной антенны, для сочленения труб используются отрезки труб диаметром 0,5 дюйма. Во внутренних частях длинных отрезков труб элементов и в таковых у “хвостиков” используются соответствующие крепёжные детали для постоянного их скрепления (т. е., видимо, один конец внутренней трубки закреплён постоянно, а на второй одевается при сборке соседнее колено внешней и крепится прищепкой – фиксатором - UA9LAQ). Большинство внешних труб и угловых соединений имеют отверстия под прищепки. Сверля отверстия под прищепки (один конец которых вставляется в отверстия, а другой “обнимая” трубу служит для фиксации прищепки - UA9LAQ), убедитесь, что внешние трубы диаметром 5/8 дюйма плотно пристыкованы друг к другу. Отверстия сверлятся тщательно строго под углом 90 градусов к оси труб и их диаметру, проведённому параллельно земной поверхности и через центр внешней и внутренней труб. Если сверло пройдёт через обе трубы нормально, также нормально будет проходить и прищепка-фиксатор.
На рисунке Detail 3 показан сборочный чертёж для “хвостиков”, хоть и не в масштабе. Для Moxon’а 20-метрового диапазона возьмите примерно 36 дюймов жёсткой трубки с точным внешним диаметром 0,5 дюйма. (Измеряйте перед применением все трубы, так как в их характеристиках даётся диаметр как номинальный, а отклонения в ту и другую сторону бывают часто и только непосредственный замер может прояснить картину на деле). (Трубы меньшего, номинально необходимого внешнего диаметра, будучи вставленными внутрь труб, даже с номинальным внутренним диаметром будут болтаться, ухудшая контакт, а трубы (первые) с большим диаметром, просто, не войдут внутрь (вторых) и потребуют дополнительной обработки, ухудшающей прочность труб - UA9LAQ). “Хвостики” по 18 дюймов в длину, как раз, позволят расположить их концы на необходимом для Moxon’а 20-метрового диапазона расстоянии друг от друга и обеспечить необходимую настройку антенны. Поскольку “хвостики” активного вибратора короче, то постоянное крепление будет осуществляться с их стороны, а прищепки будут вставляться для крепления “хвостиков” рефлектора. Поскольку “хвостики” имеются с обеих сторон антенны, то необходимо их промаркировать, чтобы не перепутать.
Рисунок Detail 4 обнаруживает, что Moxon требует сдвига точки подключения питания, которое изолирует элементы от траверсы. Самой прочной для этого является поликарбонатная пластина толщиной в ¼ дюйма. Она может быть любой длины и ширины по потребности. Убедитесь, что имеется место для монтажа пластины подключения кабеля, которая крепится к траверсе с помощью изогнутой полоски алюминия. На пластине (из диэлектрика) крепится коаксиальный соединитель и выводы от него, идущие к трубчатым проводникам активного вибратора антенны.
Для крепления показанной пластины используется U-образная шпилька, а для скрепления концов труб потребуется поликарбонатный или фибергласовый штырь. Этот штырь держит концы труб в выровненном состоянии и экономит массу U-образных шпилек и предохраняет трубы от сминания U-шпильками.
Для хранения, система, показанная на рисунке Detail 4 и повторённая на другом рисунке, имеет недостаток: требует применения инструментов, чтобы освободить, по крайней мере, одну сторону сборки, для того, чтобы можно было разобрать одно из 69-дюймовых коленьев элементов (Помните, что длина в 69 дюймов является приблизительной и зависит от того, как Вы распорядились с распределением субсекций параллельных частей элементов). Другая конструкция, показанная в нижней части рисунка, использует более короткую длину непроводящего штыря. Его функцией является и выравнивание концов элемента и он является основанием для крепления проводов, идущих от коаксиального соединителя.
Альтернативный монтаж в центре использует части первой длинной секции с отрезкой прямо у платы подвода кабеля питания. В этом случае, для упрочнения внутренней части элемента 20-метрового диапазона, полная 6-футовая длина вставки диаметром 0,5 дюйма пропущена по всей длине элемента и обеспечивает соединение, как с внутренним, так и с соседним внешним коленом элемента. (Согласно теории сопротивления материалов, две трубы прочнее одной, жаль, вот, масса антенны увеличивается, да и себестоимость - тоже - UA9LAQ). На длинной трубе применён постоянный крепёж, а прищепки - на противоположных сторонах каждого из сочленений. На эскизе показано положение прищепок, но не их ориентация. Прищепка у пластины питания антенны должна быть параллельна её поверхности.
Хоть альтернативный узел пластины питания немного посложнее в конструктивном отношении, зато теперь можно полностью собрать этот узел без инструментов на выезде, благодаря прищепкам.
На рисунке Detail 5 показана соответствующая пластина рефлектора. Как показано, пластина потребует инструмент, для освобождения одной из U-образных шпилек. Чтобы собирать антенну без инструмента, проштудируйте альтернативный вариант активного вибратора и примените его к рефлектору, вместо штыря из изоляционного материала подключите кусок трубы диаметром 0,5 дюйма. Конечно же, здесь точка подключения питания излишняя.
Последний рисунок Detail 6 касается траверсы и её крепления к мачте. Я рекомендую изготавливать траверсу из секций алюминиевых труб диаметром 1,25 и 1,125 дюйма, если диаметр стенки равен 0,58 дюйма. Одинарные трубы будут работать, но сминаются под давлением U-образных шпилек. На диапазоне 20 метров длина траверсы должна составлять 9.5…10 футов. Чтобы сделать такую траверсу, используйте отрезки труб каждого диаметра по 6 футов и более короткие (3.5… 4 фута). Определите их положение с помощью прищепок. Прищепки позволяют разбирать траверсу, максимальный размер элементов в свёртке составляет 6 дюймов, т.е., определяется длиной самых длинных колен траверсы. Пластина крепления траверсы к мачте может быть из алюминия толщиной 1/8 дюйма или из поликарбоната толщиной ¼ дюйма. U-образные шпильки должны быть из нержавеющей стали. Прокатки (продавленные канавки под U-шпильки) полезны как средство предупреждения скольжения траверсы и поломки труб.
Хранение, транспортировка и использование
В предлагаемой конструкции переносного прямоугольника Moxon нет ничего сверхестественного. По своему усмотрению пересматривайте и переделывайте конструкцию, может Вам удастся улучшить технологию создания и развёртывания антенны, приведённую здесь. Вот два ключевых направления:
1. Сводите к минимуму количество инструментов, необходимых для сборки и разборки антенны в полевых условиях. Закон Мэрфи гласит, что вы обязательно забудете один из ключевых инструментов, необходимых для сборки конструкции. Оставьте Мэрфи “с носом” - сконструируйте такую антенну, которая не требует инструмента при сборке и разборке совсем. Имейте лишь при себе какой-нибудь штырь (временами называемый отвёрткой), чтобы выдёргивать прищепки после применения.
2. Старайтесь так разрабатывать антенну, чтобы в свёрнутом состоянии, она занимала минимум места. Длины 6-футовых отрезков труб с трубками сочленения диктуют один из размеров. Пучок промаркированных труб, собранных вместе, имеет определённый обхват. Сгибаемые углы конструкции (шарнирно) добавляют немного толщины, собранной для хранения конструкции, но лучше складируются при плоской схеме складирования.
Разработайте футляр или чехол для хранения антенны. Подойдёт брезент или подобный ему материал. Будьте уверены в том, что все крепёжные элементы подходят по калибру, промаркированы и уложены в коробку или в сумку, с которыми исключена их потеря. Если для сборки и разборки антенны, всё-таки, необходимо некоторое количество инструмента, купите недорогие специально для антенны и храните их вместе с алюминиевыми конструкциями и прищепками.
Я не прокомментировал конструкцию мачты, их так много всяких и их можно найти на сайтах в Интернете. Тем не менее, поднимайте прямоугольник Moxon насколько реально возможно. Для диапазона 20 метров примерный рекомендуемый минимум составляет примерно 3/8 длины волны или примерно 26 футов над землёй. На этой высоте или выше, кривая КСВ будет очень стабильной.
На рисунке Fig. 10 показана диаграмма направленности антенны для краёв и середины диапазона 20 метров по углам излучения при высоте подвеса 26 футов. При высоте подвеса в 3/8 длины волны угол излучения составляет 35 градусов и уменьшается до 26 градусов при размещении антенны на высоте в ½ длины волны.. Меньшая высота подвеса часто бывает удовлетворительной для работы в полевых условиях, поскольку вертикальный лепесток для дальней зоны очень широкий с полезным излучением до углов элевации 10…15 градусов. Также на высоте 3/8 длины волны, как красноречиво о том свидетельствуют цифры, соотношение излучений вперёд-назад, просто, отличное для двухэлементной системы.
Эти строки являются только набором идей для создания действительно портативной антенной системы типа Moxon на диапазоны от 20 до 10 метров. Прищепки позволяют убыстрить и упростить сборку и разборку антенны в полевых условиях. Тем не менее, это не означает, что отрезки труб не должны иметь хорошего электрического контакта в местах соединений. Если Вы будете очищать контактные поверхности абразивом или металлической пряжей, щёткой или другим способом перед каждым использованием, то электрические контакты не будут вызывать проблем.
Для стационарного варианта антенны, подразумевающего длительную эксплуатацию, длительное погодное воздействие и тот химический “суп”, который называется атмосферой, используйте другие методы соединений и более мощную конструкцию.
Как бы то ни было, непродолжительные сеансы работы в полевых условиях, конструкторские мысли, изложенные здесь и приложенные Вами, на основании собственного опыта позволят создать действительно портативный прямоугольник Moxon, или антенну другого типа, которую Вы бы пожелали взять с собой в поле.
Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru
г. Тюмень апрель, 2004 г