Прямоугольник Moxon: Обозрение
L. B. Cebik, W4RNL
Прямоугольник Moxon – замечательная по многим статьям антенна. Хотя я уже писал об этой разработке, вопросы по ней нет-нет и возникают. Думаю, это обозрение поможет пролить свет на неясности, направить представления об антенне в нужное русло.
Прямоугольник Moxon является практической конструкцией – 2-элементным “бимом” или однонаправленной антенной, имеющей длину в 70% от длины полноразмерной антенны Yagi стандартной конфигурации “вибратор-рефлектор”. Прямоугольник, тем не менее, превосходит другие двухэлементные “бимы” в соотношении излучений вперёд-назад, при практическом равенстве с ними в усилении. Эта комбинация достоинств высоко ценится теми, кто привержен к теории радиолюбительства с “хорошими ушами”. (Альтернативой здесь может служить “крокодил”, который имеет большую пасть да маленькие ушки (Hi!) – UA9LAQ).
Откуда?
Прямоугольник Moxon - производное от квадрата VK2ABQ. Кое-кто, до сих пор, называет Moxon версией квадрата. Fred Caton, VK2ABQ, обнаружил, что, если мы возьмём квадратную рамку и положим её горизонтально, то получим направленность излучения и усиление в направлении точки питания – просто и сердито! Разрежьте рамку в центре противоположных сторон и изолируйте два получившихся полуволновых элемента друг от друга. Fred расположил полуквадраты на небольшом расстоянии друг от друга, использовав в качестве изоляторов большие пуговицы. Основной расклад квадрата VK2ABQ приведён в части А рисунка Figure 1.
Les Moxon, G6XN, чья книга HF Antennas for All Locations в наши дни претерпевает второе издание, делает очень важные открытия, касающиеся квадратов Caton’а. Во-первых, форма прямоугольника повышает усиление. Во-вторых, расстояние между концами проводников критично для правильной работы антенны и это расстояние должно быть больше, чем это обеспечивают даже самые большие пуговицы от пальто. Эти замечательные изменения отражены в части В рисунка Figure 1.
G6XN использовал прямоугольник, состоящий из двух одинаковых отрезков провода, Тем не менее, он настраивал каждый отрезок дистанционно с места оператора, тем самым, создавая вариант неподвижного с реверсируемым излучением “бима”. Он также разработал расстраивающее дополнение, позволившее ему разместить на одной мачте несколько прямоугольников для работы на нескольких диапазонах.
Мой собственный труд был направлен, в основном, на применение программного материала для моделирования и посвящён улучшению и пониманию характеристик прямоугольника Moxon. Исходя из этого, я разработал антенну в версии однонаправленного “бима”, со своими собственными размерами элементов, без дистанционной электрической их подстройки. Эта “фишка”, показанная в части С рисунка Figure 1, привела, в свою очередь, к пониманию, того, что эта антенна может и почему она делает это хорошо.
Что же может прямоугольник Moxon?
На рисункеFigure 2 показана диаграмма направленности (ДН) в горизонтальной плоскости для свободного пространства прямоугольника Moxon на 20-метровый диапазон, выполненного целиком из алюминия, описание антенны будет приведено чуть позже. На её расчётной частоте, антенна обеспечивает передний лепесток такой ширины, что ДН близка к кардиоидной. Антенна проигрывает в усилении полноразмерной Yagi всего, примерно, 0,2 дБ. В то же время, задний лепесток ДН уменьшен (по сравнению с соотношением излучений вперёд-назад 10-12 дБ, типичным для полноразмерной двухэлементной Yagi). У Moxon’а такая ДН получается без использования фазирующих линий.
Комбинация пассивной (паразитной) связи, возникающей между параллельными частями элементов и концевой связи проводников, даёт амплитуду и фазу тока рефлектору, которая опережает таковые у многих фазированных антенных систем, что даёт, так называемый, нуль с задней стороны ДН. Даже лучшие антенны ZL Specials и HB9CV имеют уровень задних лепестков подавленных чуть более 20 дБ. Геометрия Moxon’а, включающая боковые проводники или “хвостики”, имеет тенденцию к подавлению этих задних лепестков, что даёт очень “тихий” (способный подавить QRM) задний сектор ДН антенны.
Хотя максимальное подавление задних лепестков ДН Moxon’а частотозависимо, типичная Moxon’овская ДН хорошо выдерживается на протяжении всего любительского диапазона. На рисунке Figure 3 показана комбинированная ДН на частоты 14,05, 14,175 и 14,3 МГц, в качестве примера. Усиление по диапазону изменяется примерно на 0,6 дБ, тогда как на границах диапазона соотношение излучений вперёд-назад, всё ещё, остаётся вблизи 20 дБ.
Не только ДН “держится” хорошо, так же “поступает” и импеданс в точке питания.. Модель 20-метрового диапазона была разработана под питание 50-омным кабелем, что является естественным для прямоугольника, а рисунок Figure 4 показывает характеристическую кривую изменения КСВ по отношению к импедансу 50 Ом по диапазону 20 метров. Питание коаксиальным кабелем с дросселем (симметрирующим) – веление времени.
Строим алюминиевый Moxon
Сколько конструкторов, столько и технологий изготовления антенн. Для конструкций антенн 10-метрового диапазона я, обычно, использую траверсы из стеклотекстолита, они хорошо изолируют элементы друг от друга и устраняют расстраивающие антенны факторы. Moxon может быть построен и на металлической (алюминиевой) траверсе с использованием изолирующих пластин.
Для моделей, выполненных из труб, углы Moxon’а могут быть выполнены по-разному. Угловую часть можно согнуть из трубы соседнего (большего или меньшего) диаметра от 1 дюйма, используемого в модели 20-метрового диапазона. Можно также использовать различные фасонные детали, разработанные для других целей, такие, например, как уголки, используемые при электрической проводке и т. п.
Одним из критичных факторов является поддержание концов элементов на определённом фиксированном расстоянии друг от друга. Я обычно использую лёгкие стеклотекстолитовые трубки, вставленные в каждую трубку с их концов, для крепления (фиксации) использую стяжки из полос листового металла.
На рисункеFigure 5 показаны операнды размеров любого прямоугольника Moxon. Для алюминиевого Moxon’а на диапазон 20 метров, длина (А) составляет 25 футов, а общая ширина (Е) – 9 футов. Это делает антенну, по размерам, практически такой же, как и 2-элементная на 15-метровый диапазон, но резонирующей в диапазоне 20 метров.
“Хвостик” вибратора (В) имеет длину 3,5 фута, тогда как “хвостик” рефлектора (D) – 4,7 фута. Расстояние между торцами “хвостиков” (С) составляет 0,8 фута. Если Вы примените конические элементы или измените их диаметр, то Вам следует изменить конфигурацию (размеры) антенны, воспользовавшись одной из компьютерных программ моделирования антенн.
Для интересующихся конструкцией прямоугольника Moxon на диапазон 20 метров, советую почитать статью "The Moxon Rectangle," написанную Morrison’ом Hoyle’ом, VK3BCY, в Radio and Communications (Австралия) за июль 1999 г, стр. 52-53.
Проволочные Moxon’ы
Изготовлению проволочных Moxon’ов способствовало проведение Полевых Дней на побережье. Технология изготовления конструкций таких антенн изменялась в довольно широких пределах: от центрального стержня с лёгкими поддерживающими штырями для вращающегося “бима”, до поддерживающих устройств, растягивающих антенну из четырёх точек в фиксированной её версии.
Хотя я уже публиковал данные по проволочным Moxon’ам, вот - таблица размеров к рисунку Figure 5:
Все антенны имеют импедансы в точках питания примерно 56…58 Ом на расчётных частотах, что отстоит недалеко от стандартных 50 Ом для коаксиальных кабелей. Усиление в свободном пространстве и соотношение излучений вперёд-назад реализуются во всех моделях и, в среднем, составляют 5,8 дБ к изотропному излучателю и более 32 дБ, соответственно.
Для ознакомления с “реверсируемым” проволочным прямоугольником Moxon, рефлектором, настраиваемым с помощью шлейфов, читайте статью "Two-Element 40-Meter Switched Beam", написанную Carroll’ом Allen’ом, AA2NN, в The ARRL Antenna Compendium, том 6, стр. 23-25. В этом же томе содержится обширный материал по прямоугольнику Moxon 10-метрового диапазона, выполненному целиком из алюминия.
Работа над реальной землёй
Одно дело ДН в свободном пространстве, совсем другое – работа антенны над реальной землёй: на разных высотах подвеса над ней. Чтобы проследить, как стабильно держится ДН, в зависимости от высоты подвеса прямоугольника Moxon, рассмотрим три ДН в горизонтальной плоскости, снятые для различных высот на частотах 14,05, 14,175 и 14,3 МГц, с использованием алюминиевой версии антенны 20-метрового диапазона.
Группа диаграмм направленности для высоты подвеса антенны в 35 футов (1/2 длины волны) на рисунке Figure 6 показывает, что у антенны вполне приемлемые усиление и соотношение излучений вперёд-назад, хотя задние лепестки не совпадают по форме с таковыми (с “нулями”), снятыми в свободном пространстве.
При высоте подвеса в 55 футов (примерно 3/4 длины волны на 20-метровом диапазоне), на рисунке Figure 7 показано, что задние лепестки диаграммы направленности, почти, не существуют на центральной частоте диапазона и проявляются наглядно по его краям.
На высоте в 70 футов (длина волны) антенна демонстрирует совсем другую картину в тыльной части диаграммы направленности, как показано на рисунке Figure 8. На всех трёх высотах подвеса, характеристическая кривая КСВ не отличается сколько- либо значительно от кривой, снятой для свободного пространства, показанной на рисунке Figure 4.
Настройка прямоугольника Moxon или подгонка размеров под другие материалы очень просты. Длина (A), похоже, управляет общим импедансом. Тем не менее, подстройка “хвостиков” вибратора (B) наиболее непосредственно влияет на реактивность в точке питания. Зазор (C) влияет наибольшим образом на положение “глубокого нуля” в пределах выбранного диапазона. А это ведёт к заключению, что антенна с самого начала подгоняется и настраивается как по инструкции, где всё разложено по полочкам и давно известно.
В размерах проводов даны чуть более длинные “хвостики” и меньшие зазоры между ними, чем в моделях, выполненных из труб, для достижения тех же характеристик и импеданса в точке питания. Модели, использующие трубы, имеют немного большее, незаметное на практике, усиление (примерно, 0,15 дБ), как и более пологие характеристики изменения КСВ. Тем не менее, проволочная модель на 20-метровый диапазон сможет полностью его перекрыть.
Другие разработки, связанные с прямоугольником Moxon
Принцип прямоугольника Moxon просматривается в ряде разработок, в которых делается прямая ссылка на работы G6XN и других, которые, впрочем, не подозревают (или не хотят знать) откуда пошла эта антенна. Двойная D-образная антенна Peter’а Dodd’а является интересной разработкой для маленького приусадебного “садика” и переработана в настоящее время для второго издания известной книги G3LDO Antenna Experimenter's Guide. С другой стороны, ныне введённая в обиход на западном побережье США, 2-элементная направленная антенна, работающая на диапазоне 80 метров (имеющая небольшой изгиб параллельных сторон) использует принцип антенны Moxon, без ссылки на G6XN.
Принцип можно применить и в 3-элементной конструкции. Оптимизированная для 40-метрового диапазона (поверхностно напоминающая старую разработку G4ZU), приведённая Nathan’ом Miller’ом, NW3Z, и Jim’ом Breakall’ом, WA3FET, в QST за май 1998 гола антенна, имеет диаграмму направленности в горизонтальной плоскости идентичную, приведённой для прямоугольника Moxon, но имеющую большее усиление, связанное с применением трёх элементов. Смотрите рисунок Figure 9. Проволочный директор и рефлектор загнуты в сторону активного вибратора и обеспечивают некоторую степень связи с сохранением характеристик пассивных элементов. (т. е., налицо “подкачка” элементов как активных при ёмкостной связи со стороны высокого импеданса, однако элементы считаются пассивными – UA9LAQ).
Как бы Вы не называли антенну: квадратом VK2ABQ, прямоугольником Moxon или ещё как, разработка - стоящая и заслуживает быть повторённой, если Вам необходима компактная направленная антенна длиной 0,35 длины волны и шириной 0,13 длины волны с прямым согласованием по кабелю. Для тех, кому важнее большее подавление QRM, чем чистая прибавка в усилении, разработка даст фору.
Для дальнейшего ознакомления, прочитайте следующее:
"Modeling and Understanding Small Beams: Part 2: VK2ABQ Squares and Moxon Rectangles," Communications Quarterly (Spring, 1995), 55-70
"Moxon Rectangles for 40-10 Meters," QRPp (December, 1995), 25-27
Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru
г. Тюмень май,
2004 г