Экспериментальная антенна на 432 МГц


В.БЕСЕДИН, UA9LAQ, г.Тюмень

                    Экспериментальная антенна, описанная .в [1, 2], успешна использовалась автором во многих модификациях (от 5 до 13 элементов) в диапазоне 144 — 146 МГц. Принцип построения такой антенны магнитного типа можно использовать в более широком диапазоне частот, если учитывать некоторые особенности. Во-первых, для обеспечения минимальной расстройки активного вибратора антенна должна содержать не менее 5 элементов: рефлектор, активный вибратор и три директора. Это утверждение справедливо при размерах элементов и расстояний между ними, полученных в результате расчета. Добавление пассивных директоров сверх указанного их числа вплоть до получения в конце концов пирамиды (Hi!) приводит лишь к изменению диаграммы направленности антенны, увеличивая концентрацию энергии в направлении излучения.

          

Конструкция антенны
Конструкция антенны

                    Преимущества рамочных антенн перед дипольными известны давно — пониженная реакция на искровые помехи, большее усиление в расчете на элемент, меньшая чувствительность к окружающей обстановке, а следовательно, возможность установки на меньшей высоте (причем чем большее количество элементов содержит антенна, тем на меньшей высоте она может быть установлена).

                    В [1] приводится расчет элементов антенны с текстом программы на Бейсике. Идет время, и такой расчет ныне выглядит архаично, поэтому автор решил перенести его в среду Excel, тем более, что этот расчет "работает" во всем диапазоне УКВ (50 — 1500 МГц) и может быть применен не только для радиолюбительских, но и для антенн, предназначенных для приема телевидения, радиовещания и профессиональной УКВ радиосвязи. С уменьшением расчетной частоты антенны (на KB) ошибка в приводимом расчете увеличивается за счет уменьшения полосы пропускания антенны, и требуется обязательное применение измерительной аппаратуры для небольшой коррекции длин элементов и их взаимного расположения для более точной настройки/согласования. С повышением частоты полоса пропускания антенн становится шире, и ошибка расчета уменьшается, что приводит к удовлетворительным результатам при изготовлении антенны только по расчету, без применения измерительной аппаратуры. Тем не менее, использование такой аппаратуры позволит тщательнее настроить антенну. Поскольку с увеличением частоты усиление антенн падает, приходится увеличивать количество элементов в ней, поэтому автором в расчет было добавлено количество пассивных вибраторов (директоров), а конструктор сам ограничит число элементов антенны согласно своим потребностям. Для расчета антенны в программу вводится лишь ее резонансная частота и количество элементов (от 5 до 30 включительно). На заключительном этапе ввода данных следует указать периметр последнего из директоров в выбранной конфигурации антенны (например, в 20-элементном варианте антенны это будет периметр 18-го директора). После ввода данных и клика левой клавишей мыши на любой другой ячейке электронной таблицы в нижеследующей строке получим результат — длину необходимого для изготовления антенны провода в метрах для выбранного количества элементов.

          Программа в среде Excel очень проста и поэтому не имеет так называемой "защиты от дурака". Следует быть внимательным: ввод расчетной частоты (обязательно в килогерцах) ниже 50 МГц и выше 1500 МГц приведет к получению лишь примерных размеров антенны, требующих уточнения на практике. Вводить количество элементов менее 5 и свыше 30 не имеет смысла, т.к. в первом случае придется уточнять все размеры антенны на практике, а во втором будет выход за пределы расчета. Строка с вводом периметра последнего из применяемых в выбранной конфигурации директора специально поставлена в конец расчета, ввод значений здесь влияет только на подсчет количества провода, необходимого для изготовления антенны. Если этот параметр не нужен, то его можно и не вводить, не обращая внимания на. результат в последней строке.

          Приводимое здесь описание антенны восходит своими корнями к [1], размеры элементов антенны взяты из расчета, вытекающего из конфигурации данного типа антенны, проверенного на практике.

          Антенна предназначена для работы в начальном участке 70-сантиметрового диапазона, где расположены DX-окна — участки для работы CW и SSB, а также входные частоты старых ИСЗ (например, АО-7). Однако антенна достаточно широкополосна (еще одно преимущество рамочной антенны перед дипольной при большом количестве элементов) и позволяет достаточно успешно работать в участке диапазона, отведенном для проведения QSO через ИСЗ (435 — 436 МГц). Конечно, при расчете следует выбирать резонансную частоту антенны в требуемом участке диапазона. Для этого приводится расчетная таблица, доступная для скачивания с сайта журнала (http://radio-mir.com).

          КСВ антенны не превышает 2 в полосе 4 МГц. Элементы антенны диаметром 2 — 3 мм выполнены из жил силового 3-фазного кабеля. Лучше всего использовать медные жилы, но можно и алюминиевые. Изоляция с проводов не снимается и служит цветовым ориентиром при сборке антенны. Разница в размерах директоров через два становится более заметной и расцветка может повторяться.

          Конструкция антенны может повторять конструкцию, описанную в [1] и выполненную на рыболовных лесках, но может быть и жесткой. Для этого на траверсе устанавливают диэлектрические "элементы", как это делается, например, в многоэлементных дипольных антеннах Yagi, только диэлектрические "элементы" будут вдвое короче дипольных, и элементы антенны крепят к торцам диэлектрика в средней их части, например, бандажом.

          Настройку антенны можно проводить по максимуму сигнала маячка диапазона 70 см, расположенного на расстоянии не менее 7 м (10λ) в центральной части основного лепестка диаграммы направленности антенны. Для настройки требуется лишь небольшое перемещение рефлектора и первого директора относительно активного вибратора. В большинстве случаев достаточно подобрать точное положение первого директора по минимуму КСВ.

          Пользоваться программой очень просто: устанавливаем рамочный курсор на клетку с указанием резонансной частоты антенны и вводим ее значение в килогерцах (например, 432200). Затем переводим курсор через строчку для указания количества элементов антенны (например, 20). Далее курсор убираем на любую клетку (например, G3). Программа выведет необходимые данные, а также длину волны для введенной частоты и длину сторон элементов (периметры элементов и расстояния между ними). Расстояния между всеми директорами одинаковые и определяются расчетным путем через длину волны введенной резонансной частоты антенны.

          После расчета антенны с необходимым количеством элементов в прилагаемой таблице Excel необходимую информацию можно "отсечь" при печати. Нажав на левую клавишу мыши, протягиваем курсор из верхнего левого до правого нижнего угла нужной части таблицы, выделяя необходимую информацию. Затем при печати выбираем "напечатать выделенный диапазон". При полной печати таблицы потребуется два листа формата А4.

          В программе приведен графический пример рассчитанной 13-элементной рамочной антенны на частоту 145500 кГц из [1]. Отдельный рисунок антенны в данной статье не приводится, т.к. он мало что добавит к тому, о чем уже рассказано читателям, а лишь займет место в журнале — элементов много, и рисунок получится слишком вытянутым.

          В таблице Excel вычисления имеют точность больше, чем необходимо на практике, но значения оставлены без округления, которое предоставлено сделать ЭВМ по ее возможностям, что позволит конструктору сделать вывод: увеличивать длину проводника элемента на 1 мм по последующей значащей цифре (если она, например, 8), или оставить как есть (если следующая цифра, например, 1).

          Размеры (с точностью до 1 мм) 20-элементной антенны с резонансной частотой 432200 кГц приведены в таблице.

          

          № элемента

          Периметр, мм

          Длина стороны, мм

          Расстояние до предыдущего элемента, мм

 

          1

          R —773

          R —193

   

          2

          А —705

          А —176

          RA — 138

 

          3

          1D —667

          1D — 167

          A1D —104

 

          4

          2D —660

          2D — 165

          1D2D —172

 

          5

          3D —653

          3D —163

          2D3D —172

 

          6

          4D —646

          4D —162

          3D4D — 172

 

          7

          5D—640

          5D —160

          4D5D —172

 

          8

          6D —633

          6D —158

          5D6D —172

 

          9

          7D — 626

          7D —156

          6D7D —172

 

          10

          8D — 619

          8D — 155

          7D8D — 172

 

          11

          9D —613

          9D —153

          8D9D — 172

 

          12

          10D—606

          10D — 151

          9D10D —172

 

          13

          11D —599

          11D —150

          10D11D —172

 

          14

          12D — 592

          12D —148

          11D12D — 172

 

          15

          13D —586

          13D — 146

          12D13D —172

 

          16

          14D — 579

          14D —145

          13D14D —172

 

          17

          15D — 572

          15D —143

          14D15D — 172

 

          18

          16D — 565

          16D —141

          15D16D —172

 

          19

          17D — 559

          17D —140

          16D17D —172

 

          20

          18D —552

          18D —138

          17D18D —172

 

          Длина траверсы по центрам крайних элементов (рефлектор — 18-й директор) — 3166 мм

 

          Примечание: R — рефлектор, А — активный вибратор, D — директор с его порядковым номером.

          При необходимости оптимизации антенны на какую-то конкретную частоту или диапазон частот можно провести расчет в среде Excel, а затем полученные данные вставить в программу-моделировщик (например, MMANA) и провести дальнейшую оптимизацию антенны.

          Антенна относится к рамочным с удлиненной траверсой, ее усиление по отношению к диполю составляет примерно 16 дБ, ширина лепестка в горизонтальной и вертикальной плоскостях — не более 30°, подавление заднего лепестка — 25 — 30 дБ, Антенна может использоваться как с вертикальной, так и с горизонтальной поляризацией. Для этого достаточно лишь поворачивать активный вибратор в его плоскости на 90°. Входной импеданс антенны близок к 50 Ом на резонансной частоте (чуть ниже) и устанавливается по наименьшему значению КСВ путем перемещения первого директора относительно активного вибратора. Перемещение остальных директоров влияет тем меньше, чем дальше находится директор от активного вибратора. Влияет на согласование и положение рефлектора, но его положение желательно установить по максимуму принимаемого сигнала от маячка, а уж затем, не трогая рефлектор, двигать первый директор для наилучшего согласования.

          При непосредственном подключении несимметричного кабеля к симметричному вибратору антенны ее диаграмма направленности несколько "косит", т.е., линия, проходящая через центр основного лепестка диаграммы направленности, не совпадает с физической осью антенны в продольном направлении. Как правило, на это мало обращают внимание, ведь антенна работает, а занимаясь симметрированием, можно потерять значительную часть мощности, израсходовать дополнительные материалы и средства на их приобретение.

          Простой способ симметрирования — установить в месте подключения фидера к антенне бухточку из того же кабеля, которым питается антенна, навив его на оправке диаметром 70 — 100 мм (число витков — 5 — 9). Бухточку следует скрепить стяжками из диэлектрика (например, кабельными). У самого места подключения можно надеть на кабель кольцо (или несколько колец) проницаемостью не выше 50, что позволит снизить излучение оплетки кабеля. В режиме передачи это обеспечит снижение помех соседней радиоприемной аппаратуре, а в режиме приема — снижение уровня локальных помех. Еще одно кольцо аналогичного назначения можно надеть на кабель в месте его подключения к приемопередатчику.

          При описании антенн авторы мало внимания уделяют допустимым мощностям, подаваемым в фидеры. В результате плавится изоляция кабеля, ухудшаются контакты в местах паек, которые могут создавать TVI и BCI (помехи телевидению и радиовещанию) и, как следствие, изменяется волновое сопротивление фидера, что ведет к рассогласованию с входным сопротивлением антенны.

          При КСВ=1 имеет место активное сопротивление нагрузки на резонансной частоте антенны, поэтому можно производить простые расчеты как на постоянном токе (по аналогии), имея в виду действующее напряжение, ток и мощность ВЧ энергии и не забывая об их импульсных (амплитудных) значениях. На высоких частотах начинает сказываться увеличение потерь в диэлектрике кабеля, следовательно, необходимо использовать для питания антенны кабель минимальной длины.

          Поведение самих проводников, из которых состоит активный вибратор антенны, можно также предсказать, взяв, например, по аналогии мощную осветительную лампочку. Что,светит?! Раскаляется?! Если для обеспечения теоретически малой полосы пропускания (для увеличения усиления антенны) изготовить, например, элементы антенны из провода диаметром меньшее мм, то при подаче значительной мощности на активный вибратор такой антенны можно получить, как минимум, уход резонансной частоты вибратора вниз из-за нагрева и рассогласование антенны, как максимум, — плавление вибратора со всеми вытекающими отсюда последствиями. Поэтому элементы, несмотря на расширение полосы пропускания и увеличение массы антенны, изготавливают из проводников, имеющих не только достаточную механическую прочность, но и способность противостоять большим деформациям при нагреве. Следовательно, элементы антенны должны служить радиатором не только для ВЧ колебаний, но и для теплового излучения.

          Все пайки к активному вибратору (да и соединения во всех замкнутых рамочных элементах антенны) должны быть идеальными, обеспечивающими минимальное сопротивление и защищенными от внешних погодных воздействии. Небольшой пример: источником помех телевидению оказался последний, 11-й директор антенны на 145 МГц, свернутый в рамку: он был замкнут при скрутке плохо зачищенных в спешке концов рамки.

          Литература

          1.  В.Беседин. Экспериментальная антенна на 145 МГц. — KB журнал, 1998, №3.

          2. В.Беседин. Экспериментальная антенна на 145 МГц. — Радиолюбитель: KB и УКВ, 1998, № 5.


РЛ КВ-УКВ 7/2011 с.36-38