Як покращити параметри та зменшити габарити антени Хвильовий канал Застосувати П-подібні елементи
Як покращити параметри та зменшити габарити антени Хвильовий канал? Застосувати П-подібні елементи замість стандартних лінійних
З моменту винаходу в двадцятих роках минулого століття спрямованої антени UDA-YAGI (вона жВхвильовийКанал -ВК) активний та пасивні елементи застосовувалися майже виключно лінійної форми . З появою комп'ютерних антенних моделювальників почалася ера застосування антенних елементів «ламаної форми», таких як V-подібних, П-подібних, W-подібних та інших. За сумою переваг (електричних та механічних) найбільш перспективними є елементи П-подібної форми. Прості двоелементні антени з П-елементів під назвою «прямокутник Моксона-Себіка» докладно розглянуті в літературі, у тому числі в новій книзі [1], схеми та триелементні параметри були наведені в [2].
Як показують розрахунки, переваги П-елементів найбільше виявляються в довгих багатоелементних антенах. Покажемо це на прикладі двох 4-х елементних антен однакової довжини, але з елементами різної форми>Б (рис.3) все елементи лінійні. Стосовно діапазону 20 м розрахункова довжина антени (довжина буму) прийнята рівною 8,3 м - це довжина, при якій вдається повною мірою використовувати переваги заданої кількості П-елементів. Розрахунок антен проводився за допомогою програми MMANA [3] стосовно вільного простору на отримання максимального коефіцієнта посилення Gh з урахуванням вихідних вимог – у смузі частот 14.0…14.3 МГц показник F/B для кожної з антен не повинен опускатися нижче за значення 20 дБ і КСВ бути не гірше значення 1,6 АнтенаАрозраховувалася як практична конструкція, середнячастина елементів довжиною ℓср складена з трубок діаметрами 30, 26 і 22 мм і бічні частини довжиною ℓбок з алюмінієвого дроту діаметром 4,4 мм (подробиці у файлі антени UT1MA-4Пx20_8.3m ) Для фіксації бічних частин можна використовувати трубкової частини елементів (на малюнку показано пунктиром). На рис.2 показаний варіант антениАріг, який відрізняється тим, що бічні частини виконані з трубки діаметром 18 мм – така конструкція виходить досить жорсткою і не потребує застосування леєра. РозміриАріг дещо відрізняються від вихідного варіанту, але параметри збереглися.
В антеніБ,оскільки вона не становить практичного інтересу, для спрощення прийняті елементи діаметром 30 мм по всій довжині.
Розрахункові значення основних параметрів обох антен на частотах 14.00, 14.15 та 14.30 МГц показані в таблиці 1. Коефіцієнт посилення антениАна середній частоті діапазону порівняно з антеноюБбільше на 0,75 дБ (!), При тому що за одним з інших показниківАтакож не поступається. Аналіз ДН антен показав, що антениАвідповідає більш вузька вертикальна пелюстка з θha = 80° проти θhb = 96° у антениБ,при однаковій ширині горизонтальної пелюстки θе = 61° .
А якою має бути довжина антениВ, що також складається з 4-х лінійних елементів, щоб зрівнятися з посилення з антеноюА? Після оптимізації отримуємо, що довжина буму такої антени має зрости на 3 м (!) і скласти 11,3 м. Геометричні розміри антениВпоказані на рис.5, розрахункові параметри поміщені в таблицю 1 трансформатор 37,5 Ом.
Дамо завдання MMANA налаштувати антениА. БіВнамаксимальне посилення. Виходить: Gmax А = 7,24 дБд при F/B = 12,8 дБ, Gmax Б = 7,45 дБд при F/B = 9 дБ та Gmax В = 7,84 дБд при F/B = 11,5 дБ. Посилення одиночного П-елемента менше, ніж у одиночного лінійного на
0,13 дБ, тому антенаАза величиною Gmax і поступається двом іншим (зате має кращу «схильність» за параметром F/B).
Зрозуміло, параметри антени визначаються величинами і фазами струмів у пасивних елементах, тобто. їх налаштуванням (довжиною) і положенням на бумі. Добре відомо також, що налаштування на отримання максимального значення F/B, як правило, не збігається з налаштуванням на максимальне посилення. Це становище повною мірою проявляється у антеніБ– її розрахункове посилення на 1,25 дБ менше GmaxБ. В антеніці налаштування зблизилися і посилення відчутно зросло (менше максимального на 0,87 дБ), але за це довелося «заплатити» значним подовженням антени. А ось в антеніАналаштування на високий F/B = 25,3 дБ дозволяє також отримати і близьке до Gmax посилення G = 6,95 дБ (різниця всього 0,29 дБ).
Висновок застосування П-елементів дозволило максимально реалізувати потенційні можливості 4-х елементної антени.
І все ж таки можна сказати, що практична перевірка П-елементів відбулася і пройшла вона на антенах контестової станції UP5G. Сергій UN9GC «зі товаришами» ще в 2004 р. спочатку виготовили дві триелементні антени на діапазон 40 м. Результати були хороші і команда приступила до нового грандіозного проекту – розрахували, сконструювали та виготовили 4-х елементну антену на 80 м – MAGiC-480. За основу спочатку було взято електричну схему антениА(рис.1),перерахована на частоту 3,75 МГц, потім розрахунок було уточнено під конкретні місцеві умови. Вийшла антена з робочоюдовжиною близько 32 м, елементами розмахом ℓср =29…34 м із труб діаметрами 120 мм у центрі та 40 мм на краях та бічних частин із дроту діаметром 4,5 мм. За оцінками користувачів, антена працювала дуже добре, про що свідчать і спортивні успіхи – перші місця у світових контестах. Тут якраз додати, що якби антена була побудована на лінійних елементах (довжиною по 39 ... 43 м), для збереження параметрів як у MAGiC-480 бум довелося б подовжити метрів ще на 10 ... 12 (!).
Спробуємо розібратися, чому антенаАперевершує посилення антенуБ.
Почнемо з рефлектора – замінимо в антеніБлінійний рефлектор П-подібний. Креслення антениБп-р після невеликого підстроювання наведено на рис.4, параметри в таблиці 1. Можна відзначити поліпшення всіх показників, у тому числі F/B на 1,8..4,3 дБ. Для розуміння цього ефекту розглянемо дуже коротко просту антену, що складається з П-рефлектора та лінійного активного елемента (АЕ). При певній відстані між елементами можна отримати гарне придушення в задньому секторі ДН (F/B 20дБ). Якщо застосувати замість П-рефлектора лінійний, максимальне зменшення не перевищить 11,5 дБ (у вільному просторі). Причина в тому, що при П-рефлектор вхідний опір АЕ на (20..30)% вище, ніж при лінійному, відповідно, струм АЕ буде менше і зрівняється зі струмом в рефлекторі. Залишається встановити потрібну фазу струму в рефлекторі ... Можна застосувати замість лінійного АЕ П-подібний (вийде антена Моксона) - ефект збережеться. При додаванні додаткових елементів директорів підвищений вхідний опір АЕ зберігається. Переконатись у цьому можна, подивившись на малюнки антен. Рис.3 (ант.Б -лінійна) – для отримання Ra ≈ 50 Ом довелося наблизити директор до АЕ на 1,2 м. Рис.4 (ант.Бпр) –директор стоять на 1,45 м. І, нарешті, рис.1 (ант.А) – директор стоять від АЕ на 2,15 м, тобто. не створює штучного підвищення Ra та його розташування оптимізовано на отримання високих параметрів.
Цікаво зробити експеримент – в антенахБ,Бпр іАрозрахувати F/B при відключених директорах (в MMANA поставити цим елементам нульовий радіус). Виходять відповідно значення 10,3, 12,5 та 15 дБ. Потенційна можливість П-рефлектора «самостійно видати» F/B близько 20 дБ, як бачимо, не використовується, але й додаткові 3..5 дБ виявляються дуже доречними. Хоча б тому, що «дозволяють» більшою мірою орієнтувати налаштування директорів отримання високого посилення.
Таким чином, можна вважати, що підвищений (за рахунок використання П-рефлектора) вхідний опір АЕ сприяє отриманню високих значень параметра F/B. Разом з тим, якщо в чотириелементній антені залишити П-подібними лише обидва директори (АЕ та рефлектор лінійні) виграш над лінійною антеною все одно збережеться, хоча й меншою мірою.
Порівняльний розрахунок великої кількості антен показав, що виграш від застосування П-елементів зберігається і в 6-7 елементних антенах (хоч би за параметром F/B). Як приклад подивимося, як зміняться параметри відомої шестиелементної антени - файл 6el20(nw3z_owa), якщо її лінійний рефлектор замінити на П-подібний - файл 6el20ПR(nw3z_owa). Розрахунок показує, що після невеликої корекції розмірів двох найближчих до Префлектору елементів показник F/B покращився в межах діапазону на 1,3...4,5 дБ, посилення зросло на 0,1 дБ, крива зміни КСВ залишилася практично без змін. Хоча зміни невеликі (врахуємо, що 3 дальні директори не підлаштовувалися), але тенденція очевидна.
Розрахунки показали, що на діапазоні 20 м оптимальний розмір середньої частини П-елемента близько 7,7 м або ℓср опт ≈ 0,36λ, а на діапазонах 40 і 80 м прийнятним можна вважати ℓср≥ 0,33 λ. У 4-х елементній антені для діапазону 40 м відповідно до принципу подібності (і розрахунки це підтверджують) заміна лінійних елементів на П-подібні дозволить зменшити її довжину на 5,5..6 м.
Розглянемо можливість створення багатодіапазонної антени на базі антениА.
Якщо використовувати принцип, запропонований [4], тобто. Багатодіапазонне використання кожного пасивного елемента за рахунок включення в його центрі відповідних котушки або конденсатора, можна отримати антену з відмінними параметрами на діапазонах 20, 17, 15, 12 і 10м (Ga = 7…8 дБд, F/B ≥ 20 дБ). Але для цього знадобляться 20...25 високочастотних реле, тому на сьогоднішній день такий варіант є складним і неекономічним. А ось дводіапазонний варіант із застосуванням всього одного реле в кожному пасивному елементі і 1..2 реле в активному є цілком реальним. Як приклад розглянемо 4-х елементний ВК на діапазони 40 і 20 м. За основу взято антенуАв масштабі 2:1. ,6 м. У центрі кожного пасивного елемента включено комутатор, що складається з одного реле типу В1В-1В і двох котушок. Котушка діапазону 20 м включена між половинами елемента постійно, а діапазоні 40 м реле включає паралельно другу котушку. Схема комутатора активного елемента дано на рис.6.
Основні параметри (висота над землею 41 м):
1 Діапазон 7,0..7,2 МГц Ga = 14,0..14,4 дБд, F/B = 28.2..23,4..20,8 дБ, КСВ 1,5..1,2. .1,95 2 Діапазон 14,0..14,3 Ga = 14,9..15,6 дБд, F/B = 20,9..22,5..17,8 дБ, КСВ 1 ,35..1,02..1,6
Вершиною такої дводіапазонної побудови, що дає максимальну економію, може бути антена на 80 і 40 м. Тут цей варіант не розглядається як недоступний переважній більшості читачів.
Мета цієї статті – звернути увагу радіоаматорів та фахівців на перспективи застосування елементів «ламаної форми» у багатоелементних антенах ВК.