ВЕРТИКАЛЬНАЯ АНТЕННА С МАЧТОЙ-РЕЗОНАТОРОМ


Лобачёв Олег Геннадьевич (RV3TH ex.RA3TNB)
E-mail: rv3th@mail.ru

Антенна, предлагаемая вниманию, представляет собой вертикальный волновой вибратор с несимметричным питанием, расположенный на мачте-резонаторе, разрабатывалась как альтернатива широко известной антенны CRX150В фирмы CUSHCRAFT. При хороших электрических характеристиках CRX150B свойственны и некоторые недостатки, снижающие её эксплуатационную надежность, а также затрудняющие её повторение. Вот некоторые из них:

В этой статье параметр "УСИЛЕНИЕ АНТЕННЫ" даётся в децибелах относительно изотропного излучателя(dbi).

В литературе широко описаны и радиолюбителям хорошо знакомы два типа антенн: волновой вибратор и 5l/8,поэтому останавливаться подробно на особенностях их не будем, вспомним только,что коэффициент усиления волнового вибратора имеет величину около 4 db, симметричного вибратора 5l/8 около 5.5 db, несимметричного 2.5-4 db. На первый взгляд кажется, что создать конструкцию, совмещающую в себе положительные качества этих антенн и, насколько возможно, устранить при этом их недостатки,не представляется возможным. Однако,в результате расчётов и длительных экспериментов появилась конструкция, являющаяся "композитом" двух этих антенн, эскиз которой приведен на рис 1, состоящая из следующих элементов: 1 - возбудитель; 2 - согласующее устройство; 3 - удлинитель; 4 - противовесы. Puc.1 Длина антенны, от верхней точки элемента 1 до противовесов равна l, длина возбудителя - 5l/8, питание производится по коаксиальному кабелю, центральная жила которого через согласующее устройство соединена с возбудителем, а оплётка - с верхней точкой удлинителя.

Итак, получилась конструкция, представляющая собой волновой вибратор с несимметричным питанием. Такая антенна имеет усиление около 4.7db и довольно широкую полосу пропускания. Ещё большее усиление можно получить, расположив под этой антенной ещё один волновой вибратор, питаемый током, составляющим 20-25% тока питания основной антенны. Подобная антенна, являющаяся прототипом описываемой в статье, имеет усиление около 6,5 db, полосу пропускания (по уровню половинной мощности) около 10МГц. В качестве реализации напрашивается, вроде бы очевидное решение- изолятор, делитель мощности, фазовращатель... Очень сложная конструкция. Однако, никакие противовесы не могут полностью электрически развязать антенну от мачты - такое под силу только бесконечному идеально проводящему экрану. Обычная же конструкция - противовесы типа "крест" отсекают около 75% тока, что собственно, нам и требуется. Таким образом, если антенну установить на мачту длиной несколько меньшей l (коэффициент укорочения!), то получится как раз то, что и надо. Ну совершенно естественно что хочется приставить ещё один кусок трубы. Получили усиление 6 db. Рзультат, в общем-то, понятный - мощность, питающая зультат, в общем-то, понятный - мощность, питающая резонатор, осталась прежней, а длина его возросла вдвое. Пытаться увеличить мощность питания резонатора за счёт увеличения "прозрачности" противовесов бессмысленно - произойдёт перераспределение мощности и будет меньше излучать основная антенна.

Из всего выше сказанного можно сделать следующие выводы:
Вертикальный волновой вибратор с несимметричным питанием является антенной, сочетающей довольно высокие электрические параметры с технологической простотой. Использование мачты-резонатора увеличивает усиление приблизительно на 2db.

Увеличение длины мачты, кратное l, вызывает постепенное уменьшение усиления антенны. Зависимость усиления антенны вдоль горизонта от длины мачты (для диапазона 145МГц) приведена на рис.2

Puc.2

Теперь, когда конструкция антенны понятна, изготавливаем её, настраиваем верхнюю часть - волновой вибратор (что довольно просто)- и отправляемся на крышу, прихватив с собой трубы мачты,длина которых взята с технологическим запасом (около 0.5 метра). При этом не забудьте взять ножовку по металлу... Устанавливаем антенну, замеряем сигнал удалённого орреспондента, опускаем антенну, отпиливаем 10 см мачты, устанавливаем антенну... и т.д. Веселье это, в ходе которого надо ещё ухитриться не повредить кабель, проходящий внутри мачты, будет продолжаться около часа. И оно хорошо закончится,если вовремя остановиться. А вот что делать, если отпилены лишних сантиметров 20?

Ho что такое есть- с электрической точки зрения - пиление мачты? А есть это ни что иное, как изменение фазы тока, текущего по ней, относительно фазы тока возбудителя. Можно ли добиться того же,только не пиля и не поднимая-опуская? Конечно, можно - и довольно просто - достаточно установить ещё одну группу противовесов, расположив их, для удобства работы, в нижней части мачты (можно и несколько ферритовых колец или четвертьволновый стакан), после чего настройка антенны в целом сведётся к перемещению этой группы по мачте и закреплении в том положении, где сигнал от удалённого корреспондента имеет максимальную величину - главный лепесток ДН антенны установлен горизонтально.

На основе описанного принципа были разработаны три варианта антенны, известной в Нижнем Новгороде как TNB6v. Это:

Далее будет подробно описана конструкция базовой антенны диапазона 145МГц и в общих чертах - её вариантов.

Общий вид антенны приведён на рис.3 .

Puc.3
Цифрами обозначены следующие части антенны:

1- возбудитель.
2- согласующее устройство.
3- верхняя группа противовесов.
4- площадка для крепления растяжек.
5- нижняя группа противовесов.

Все размеры отсчитываются от точки "О", соответствующей нижнему концу штыря возбудителя. Размеры A-D даны: в скобках - расчётные для антенны с максимальным усилением вдоль горизонта, без скобок - реальные на авторской антенне. Различие в размерах С и D легко объясняется и просчитывается - дело в том, что дом автора расположен в довольно низком месте и углы закрытия почти по всему горизонту составляют от 1 до 5 градусов, что потребовало подъёма главного лепестка ДН на угол около 2 градусов.

В случае установки антенны в местах, где отсутствуют положительные углы закрытия, следует использовать размер D в скобках, размер С в скобках следует рассматривать как установочный перед настройкой. Различие размеров А (довольно существенное) и В объяснить труднее: скорее всего моделирующие программы, которыми пользуется автор, не полностью учитывают как влияние согласующего устройства, так и диаметра штыря 1 на распределение тока в возбудителе. Во всяком случае антенны, изготовленные автором, оказались настроенными именно при таких размерах (Хотя кто знает, может автор в творческом угаре и лопухнулся?). Впрочем "... в жизни всегда есть место подвигу..." - буду очень рад узнать, если у кого-то наилучшие результаты получатся при размерах А и В в скобках.

Puc.4

На рис.4 показана верхняя часть антенны, где:

1 - подстроечный штырь диаметром 8мм, длиной 100мм, перемещается во втулке, запрессованной в верхний конец штыря 2, фиксируется двумя винтами М3, расположенными под углом 90 град.

2 - штырь длиной 1245мм, диаметром 16мм изготовлен из дюралюминиевой трубы, поверхность которой полируется и покрывается тонким слоем нигразиновой краски или эпоксидной эмали, желательно также на основе нигразинового красителя.

3 - vизолятор, в авторской конструкции - кусок детской лыжной палки из стеклотекстолита с наружным диаметром 14 мм, внутренним - 7 мм.

4 - согласующее устройство, представляющее собой катушку с наружным диаметром 30 мм, содержащую 8,5 виткa медного провода диаметром 3мм, с длиной намотки 35мм, отвод от 3 витка снизу(установочное значение).

5 - питающий кабель; в верхней части антенны используется кабель типа РК-50-2-13 или RG58. На расстоянии 500мм от точки соединения с 4 расположен кабельный дроссель, представляющий собой текстолитовую оправку диаметром 10 мм, на которую намотано 8-10 витков кабеля. Особо хочется предупредить по поводу кабеля типа RG58. На рынке под этим названием бродит масса "левака", вплоть до экранированного провода для граммофонов. Измерение одного из таких "коаксиалов" показало затухание на частоте 145 МГц 0.8db/м! Первым и самым главным признаком "левости" является очень рыхлая и редкая оплётка. Также совершенно непригоден кабель для компьютерных сетей,имеющий под оплёткой ОБМОТКУ из алюминиевой фольги. Именно - обмотку! Если же подоплеточный слой выполнен в виде "корыта" - тогда самое то, что надо.

6 - верхняя вставка, отдельно показанная на рис.5, соединяется с мачтой 4 винтами М5,расположенными по высоте двумя группами, угол между винтами в каждой группе 90°.

Puc.5 7 - мачта, в авторском экземпляре диаметр 32 мм, толщина стенки 2 мм. Желательна полировка всей поверхности с последующим покрытием (после настройки, разумеется) как и 1. Очень важно, чтобы длина трубы в верхней части антенны была выдержана с точностью ±50 мм, что сведёт к минимуму лишние хлопоты при окончательной настройке антенны.

8 - держатель противовесов, конструкция его очевидна. При изготовлении следует обратить внимание на получение минимальной разницы диаметров мачты и внутренней части держателя. Крепление 8 осуществляется также 4 винтами М5,расположенными двумя группами.Нижний держатель имеет аналогичную конструкцию с той разницей, что длина противовесов на 15 мм меньше и равна 470 мм.

9 - нижняя вставка. Общая длина 190 мм, диаметр канала для пропуска кабеля 16.5 мм. На поясок вставки кладётся пластина 80х80 мм с отверстиями по краям, к которой через кольца крепятся растяжки.

10 - разъём СР50-74ФВ. Длина кабеля от 9 до 10 должна быть около 1 м.

В зависимости от того, какое количество труб для мачты имеется в распоряжении, могут быть реализованы три варианта базовой антенны, данные по которым приведены в таб.1. На рис.6-10 изображены их диаграммы направленности.

ДН-1 ДН-2
ДН-3
ДН-4
ДН-5

В таб.2 приведены электрические характеристики этих антенн.

Таб.1
Для авторского экземпляра, с целью проверки работы нижней группы противовесов,длина мачты была выбрана не оптимальной. Усиление антенн (G) в таб.2 дано вдоль горизонта, на частоте 145 МГц ; все остальные параметры также даются для этой частоты.

Таб.2
Из данных таб.2 очевидно также, что антенны с нижней группой противовесов имеют пренебрежимо малое падение усиления при увеличении длины мачты что,в общем, вполне объяснимо. Кстати сказать, стремиться к увеличению длины мачты не всегда разумно. Конечно, при этом растёт дальность связи, но не следует забывать и то, что потери в кабеле также увеличиваются, возрастает ветровая нагрузка, понижается частота механического резонанса(что весьма опасно). Разница в дальности связи у антенн с длиной мачты 8 и 10 метров,стоящих на крыше девятиэтажного дома весьма мала, а вот разница в возне с ними при установке очень даже ощутима.

Настройку антенны лучше проводить в два этапа - предварительная верхней части и окончательная - всей системы в целом. В простейшем варианте на первом этапе производится настройка по минимуму КСВ в диапазоне 144-146 МГц. Этой работой желательно заниматься на открытой площадке, расстояние до ближайших металлических предметов должно быть не менее 4м. Для этой работы вполне подходит плоская крыша, двор, садовый участок. Верхняя часть антенны устанавливается вертикально так, чтобы расстояние до земли было не менее 0.7 метра (например, на столе), кабель питания антенны при этом расположен перпендикулярно и существенного влияния на результаты не оказывает. Если в распоряжении нет панорамного измерителя КСВ, то значения КСВ снимаются, как минимум, на трёх частотах - 144, 145 и 146МГц. Изменяя положение отвода на катушке в пределах ±0,2...0,3 витка, находим точку минимума КСВ, после чего изменением расстояния В опять же добиваемся возможного уменьшения КСВ. Обычно эту процедуру требуется повторить 2-3 раза. Очень желательно контролировать при этом резонансную частоту антенны по ГИРу или измерителю АЧХ. Для тех, кто имеет большой опыт работы с антеннами, можно посоветовать провести настройку на максимальный диапазон по уровню КСВ=2, для чего кроме описанной процедуры,следует изменять длину подстроечного штыря 1. При этом надо иметь в виду, что увеличение размера А ведёт к расширению полосы по КСВ, но при этом растёт и входное сопротивление антенны, что требует перестройки согласующего устройства и изменения размера В. Кроме того, изменение длины подстроечного штыря резко сдвигает резонансную частоту.

На этом предварительная настройка антенны завершается. В авторском экземпляре на этом этапе получены следующие результаты: КСВ 144 МГц - 1.17; 145 МГц - 1.13; 146 МГц - 1.18. Полоса усиления по уровню -3db - 11 МГц. После завершения предварительной настройки можно приступать к сборке и окончательной настройке.

Замечание для тех, кто ещё не проникся идеей окончательно

Работа описываемой антенны основана на том, что мачта её является резонансным элементом самой антенны. Ток, питающий резонатор, должен протекать только по РЕЗОНАТОРУ и нигде больше! Поэтому кабель должен проходить ВНУТРИ мачты и отходить перпендикулярно, растяжки должны быть ИЗОЛЯЦИОННЫЕ. Можно, в принципе и металлические, разбитые по ВСЕЙ длине изоляторами через 30 см, только уж очень тяжёлая получается погремушка... Автор использовал капроновый фал диаметром 5 мм, применяемый для изготовления рыболовных сетей который, в отличие от обычных синтетических верёвок, не вытягивается и обладает высокой устойчивостью против агрессивных атмосферных проявлений.

Антенна устанавливается, по возможности, как можно дальше от любых вертикально расположенных металлических предметов, имеющих высоту более 1 м. Нижний конец мачты (по требованиям техники безопасности) через дроссель, аналогичный кабельному, расположенный в непосредственной близости от антенны, кратчайшим путём соединяется с шиной заземления. После того как антенна установлена, неплохо проверить КСВ, который измеряется при помощи технологического кабеля, включенного вместо основного и имеющего такую длину, чтобы измеритель КСВ находился на расстоянии 1-2м от антенны. Если величина КСВ не превышает 1.3-1.4, можно продолжать настройку, для чего на расстоянии не менее нескольких километров располагают передатчик (при настройке авторской антенны использовался трансивер ICOM-T7A, антенна DIAMOND, автомобиль находился на расстоянии 25км на склоне возвышенности у села Безводное) и, наблюдая за показаниями S-метра базовой станции, перемещают нижние противовесы по мачте, добиваясь максимальных показаний. По завершении настройки мачту опускают, герметизируют все соединения и стыки, на согласующее устройство надевается защитный чехол (автор использовал пластиковую бутылку из-под синьки).
Если лень, антенну после этого можно не поднимать.

При работе с описанной антенной проведены следующие QSO:

Во время периода осенней атмосферной сверхрефракции-
          18.11.97   UA3SDV  220км  48/57
                     RA4YO   200км  45/46
          20.11.97   UA3SDV  220км  58/58
                     RA4YO   200км  45/45
                     UA3DTI  300км  47/57
                     UA3SGC  200км  56/55
До 26.11.97 работа с UA3SDV была практически повседневной. С RA4YO никто из нижегородских радиолюбителей, бывших в это время в эфире, не смог сработать. Трасса на UA3DTI проходила через производственное железобетонное здание, находящееся в 100 метрах от дома автора.

Повседневные связи:

Трасса дом-сад, 43 км, полное закрытие Волжским откосом, плотная жилая застройка. В саду трансивер ICOM-T7A и антенна TNB6v06. В любое время суток, при любой погоде RS не хуже 59/59.

Трасса Н.Новгород-Лысково, 70 км. Эмоциональная оценка UA3TT: "После твоего включения пять минут S-метр в трансивер запихивали...".

Работа с автомобилями на трассе Нижний Новгород - Чебоксары:

           RZ3BF- носимая станция внутри машины - 65км
           RW9WZ- неоднократно, носимая внутри машины/
                  /крышевая антенна SIRIO -70км/95км
           UA3TQ- регулярно, в разное время суток, лето/осень,
                  носимая станция, крышевая антенна DIAMOND - 100км

Другие нижегородские корреспонденты, использовавшие антенны типа GP l/4 и находившиеся значительно выше автора, теряли связь на дальностях от 40 до 60 км.

В конце статьи принято выражать благодарность кому-нибудь, кто что-нибудь хорошее автору сделал. Так вот автор выражает не только благодарность В.Морозкину (RA3TNR), а полную уверенность в том, что без его участия эта антенна вообще не появилась бы, так как предварительные расчёты были сделаны им, обсуждение результатов экспериментов было чрезвычайно полезным.

Хочется также поблагодарить нижегородскую фирму "НИМЕЛ", предоставившую автору комплект стандартных антенн и малогабаритную измерительную аппаратуру, использованные при настройке и проведении испытаний в полевых условиях антенн 6v05 и 6v06.


73!