Всеволновая или, по крайней мере, работающая на большинстве из девяти любительских KB диапазонов антенна - мечта многих коротковолновиков. Задача создания многодиапазонной антенны существенно усложняется, если речь заходит о направленной антенне. Интересное решение ее предложено в публикуемой статье. Идеи, использованные UT1MA в этой конструкции, могут быть полезны коротковолновикам при самостоятельной разработке KB антенн.
Многодиапазонные направленные антенны типа "волновой канал" для любительской радиосвязи очень популярны, их производят десятки фирм многих стран. Подобные антенны в основном изготавливают с использованием разделяющих резонансных контуров - TRAP, или трапов [1, 2]. Несмотря на очевидные удобства, в любительском антенном конструировании эту технологию применяют крайне редко, что объясняется, в первую очередь, сложностью кустарного изготовления надежного и точно настроенного трапа.
В последнее время появились конструкции антенн, в которых задача многодиапазонной работы решена более простым способом, с помощью так называемых многодиапазонных нагрузочных цепей (LOad Multiband или сокращенно LOM). Главный элемент такой антенны - катушка с определенной индуктивностью, расположенная в определенном месте активного или пассивного элемента. Механизм действия LOM-нагрузки заключается в том, что на относительно высоких частотах катушка вызывает значительное отражение тока, в результате чего его распределение на "докатушечной" части оказывается близким к распределению в обычном диполе с длиной плеча примерно 0,25λ. На низких частотах ток распространяется по всей длине плеча антенны и катушка работает как удлиняющая [3].
Попробуем сравнить по основным параметрам два трехдиапазонных диполя: с трапами и с LOM-катушками. Расчеты были произведены с помощью антенной программы MMANA (TNX JE3HHT и DL2KQ за отличную программу).
На рис.1,а приведен чертеж диполя на диапазоны 10, 20 и 40 метров. Плечи диполя симметричны, что позволяет для упрощения рисунка показать только половину диполя. Исходим из того, что конденсаторы трапов L1C1 (частота резонанса f1 = 28,3 МГц) и L2C2 (f2 = 14,15 МГц) образованы трубками, находящимися внутри и снаружи катушки. Отметим, что эта технологически удобная конструкция конденсаторов имеет существенный недостаток - из-за влияния этих трубок добротность катушек (и контура в целом) снижается в 3...4 раза и во многих моделях не превышает Q = 80... 100. Соответственно, во столько же раз возрастают потери в контурах и их нагрев.
Принимаем С1 = 25 пф, С2 = 15 пФ, Q1 = 100 и Q2 = 80, а диаметр проводника антенны (трубки) равным 30 мм. Участки диполя ab, cd, eg имеют длины, при которых на всех трех диапазонах реактивная составляющая входного сопротивления близка к нулю.
Эпюры изменения величины тока вдоль диполя на разных диапазонах приведены на рис. 1,б (диапазон 10 метров), рис. 1,в (20 метров) и рис. 1,г (40 метров). Стрелки у эпюр показывают направление тока в соответствующих частях диполя. MMANA показывает, что на частях диполя, расположенных за трапами, также есть небольшой ток, который появляется в результате наводки от рабочего участка антенны.
На диапазоне 10 метров этот ток ощутимо, примерно на 0,4 дБ, повышает коэффициент усиления антенны за счет сужения диаграммы направленности (ДН) и также повышает входное сопротивление антенны.
Результаты расчета сведены в таблицу. В ней R - это входное сопротивление антенны при резонансе. Коэффициент усиления G дан по отношению к полуволновому диполю без трапов.
Отдельно выделены суммарные тепловые потери в двух катушках PL1 и в двух PL2, так как от этих потерь напрямую зависит надежность антенны. G - это ширина главного лепестка ДН по уровню -3 дБ или 0,707 от максимума. При оценке тепловых потерь можно исходить из того, что 0,1 дБ соответствует примерно 2,4 % от полной мощности. Полная длина диполя - 2x6,7 м.
На рис. 2,а также изображен диполь на диапазоны 10, 20 и 40 метров, но, в отличие от первого, в нем использованы не трапы, а LOM-катушки. Величины L1 и L2, длины участков ab, cd, eg и емкостных нагрузок ЕН1 и ЕН2 выбраны с расчетом, чтобы на всех трех диапазонах реактивная составляющая входного сопротивления была близка к нулю. В частности, длина первого участка ab при этом будет около 0,25 длины волны для диапазона 10 метров. Благодаря наличию L1 на этом диапазоне форма токовой кривой на участке ab почти такая же, как у полуволнового диполя.
Величина тока за катушкой на участке cd в несколько раз меньше, чем на первом участке. Это важно, так как здесь ток имеет встречное направление и его действие приводит к расширению ДН и, соответственно, к падению усиления диполя. Чтобы минимизировать этот нежелательный эффект, введена емкостная нагрузка ЕН1, которая "берет на себя" и исключает из излучения часть встречного тока. Величина тока на участке cd также зависит от индуктивности катушки L1 и будет тем меньше, чем она больше. С другой стороны, увеличение индуктивности катушки приводит к снижению широкополосности на втором диапазоне (20 метров), поэтому выбор индуктивности этой катушки - это неизбежный компромисс. На диапазоне 20 метров аналогичным образом работают элементы L2 и ЕН2, а катушка L1 работает как удлиняющая. На диапазоне 40 метров обе катушки - удлиняющие. Эпюры токов вдоль проводника этого варианта диполя даны на рис. 2,6 (10 метров), рис. 2,в (20 метров) и рис. 2,г (40 метров).
Расчет показал, что оптимальными будут значения L1 = 3,5 мкГн и L2 = 18 мкГн. Общая длина диполя 2x5,8 м при диаметре трубок 20 мм на крайнем участке и 30 мм на остальных. Длина ЕН1 - 0,8 м и ЕН2 - 0,6 м, трубки - диаметром 16 мм. Расчетные параметры приведены также в таблице, что удобно для сравнения. При расчетах добротность катушек L1 и L2 принята 250, что вполне реально.
Сравнение тепловых потерь в TRAP-и LOM-диполях показывает, что у второй потери в 2...3 раза меньше. При одинаковых прочих конструктивных условиях LOM-антенна способна выдержать большую мощность. Впрочем, если в трапах применить внешние конденсаторы, обе разновидности антенн по этому показателю примерно сравняются.
Полезным свойством LOM-антенны является ее некритичность к величине индуктивности катушек. При отклонении ее от расчетного значения на 10 % резонансная настройка легко восстанавливается регулировкой длины элементов ЕН. При этом параметры антенны изменяются незначительно. Также очевидное преимущество - нет необходимости применять высоковольтные конденсаторы, рассчитанные на большую реактивную мощность.
После успешного использования LOM-технологии в вертикальной многодиапазонной антенне [3, 4] автором была предпринята попытка применить эту технологию в активном вибраторе (АВ) простой направленной антенны на семь KB диапазонов - от 10 до 40 метров. АВ рассчитан на применение одного 50-омного фидера без каких-либо переключений. Помимо АВ, в состав антенны входят пять рефлекторов диапазонов 10, 12, 15, 17, 20 метров, а на диапазонах 30 и 40 метров в антенне работает только активный вибратор. Внешний вид экспериментальной антенны, получившей авторское название BMA-7 (Beam Multiband Antenna на 7 диапазонов), приведен на рис. 3.
Схематично электрическая схема ее активного вибратора приведена на рис. 4. Каждое плечо АВ (условно показано только одно из двух) состоит из четырех проводников, начала которых сходятся в точке питания.
Конструктивной основой антенны является центральный вибратор, состоящий из трех отрезков дюралевых труб, между которыми расположены катушки L1 и L2. Этот вибратор работает на диапазонах 10, 20 и 40 метров. Диапазоны 15 и 17 метров обеспечивают проволочные вибраторы ПВ15 и ПВ17. Катушка L4 с небольшой индуктивностью позволяет уменьшить длину вибратора ПВ17 до нужных по конструктивным соображениям размеров. В диапазоне 12 метров работает вибратор ПВ12, а совместно с катушкой L3 и дополнительным проводником ПВЗО получается излучатель диапазона 30 метров. Естественно, между составными частями АВ существуют взаимные влияния, но тем не менее в целом получаются четкие семь резонансов и КСВ на средних частотах всех диапазонов в пределах 1,1... 1,4 (только АВ - без рефлекторов).
Более подробный чертеж АВ с основными размерами в двух проекциях схематично приведен на рис. 5.
Проволочные вибраторы ПВ выполнены из многожильного провода в виниловой изоляции марки ПВЗ сечением 2,5 кв. мм. Для поддержки проволочных вибраторов использованы малые орешковые изоляторы ИО и пластмассовые антенные изоляторы ИП фирмы "Антеннополис" (г. Запорожье). Эти изоляторы имеют размеры 17x17x115 мм и четыре отверстия - два по краям и два посередине. Катушка L4 имеет 7 витков и намотана непосредственно на средней части изолятора из провода излучателя ПВ17. Проволочный излучатель ПВ12 зафиксирован на некотором удалении от центрального вибратора диэлектрическими распорками РП. Дальние (от центра антенны) концы излучателей ПВ15 и ПВ17 зафиксированы через полипропиленовые растяжки ПП на трубке ЕН2.
Рефлектор диапазона 10 метров выполнен из трубки диаметром 20 мм и имеет длину 5,3 м, диапазона 15 метров - из трубок с диаметрами 30, 20, 16 и 10 мм (общая длина 7,235 м), диапазона 20 метров - из трубок с диаметрами 30 и 20 мм (общая длина 10,51 м). Расстояния от АВ до рефлекторов диапазонов 10, 15 и 20 метров составляют 2,05, 2,6 и 3,7 м соответственно. Рефлекторы диапазонов 12 и 17 метров выполнены из многожильного провода в виниловой изоляции марки ПВЗ - 2,5 и располагаются соответственно над рефлекторами 15 и 20 метров (см. рис. 3) таким образом, что средняя часть проволочного рефлектора выше трубочного на 0,5 м, а концы на 0,2 м. Полная длина рефлектора диапазона 12 метров - 5,5 м , диапазона 17 метров - 7,75 м. Емкостные нагрузки - из трубки диаметром 16 мм, длина ЕН1 - 1,3 м и ЕН2 - 1,6 м. Данные катушек : L1 - каркас диаметром 33 мм, провод МГТФ сечением 1 кв. мм, число витков - 9, намотка плотная, гидроизоляция изолентой NOVA ROLL; L2 - каркас диаметром 32 мм, МГТФ 0, 75 кв. мм, число витков - 24; L3 - каркас диаметром 40 мм, МГТФ 0,75 кв. мм, 18 витков.
Антенна экспериментально отрабатывалась сначала на макете, а затем доводился реальный образец. Активный вибратор настраивался с помощью мостового КСВ-метра: на диапазонах 10 и 20 метров изменением длины емкостных нагрузок, а на диапазоне 40 метров изменением длины концевого участка. Остальные диапазоны настраивают подбором длин проволочных вибраторов. Длину проволочных рефлекторов из-за наличия виниловой изоляции на проводе и близости трубочных рефлекторов рассчитать было сложно, они настраивались с помощью ГИРа на частоту, отличающуюся от средней частоты данного диапазона на 3 % вниз. Полная длина активного вибратора - 2x6,35 м.
После получения компьютерной программы MMANA расчет активного вибратора (диапазоны 10, 20 и 40 метров) показал, как можно получить те же параметры при уменьшении длин ЕН и общей длины активного вибратора (см. приведенные выше данные расчета).
Кабель питания согласован с АВ с помощью только одного добавочного элемента - конденсатора емкостью 56 пФ/2,5 кВА, подключенного параллельно входу антенны. Симметрирование осуществляется с помощью защитного дросселя L5 из 15 витков коаксиального кабеля фидера RG-58, навитого на кольцевой ферритовыи магнитопровод диаметром 65 мм из материала 300ВН. Дроссель и согласующий конденсатор помещены в защитный кожух и укреплены на стальной распорке РП1 в центре АВ, поддерживающей элементы ПВ15 и ПВ17. Не следует забывать (при моделировании антенны, в частности), что отрезки проводов, идущие к трансформатору (длина примерно по 10 см каждый), входят в электрическую длину АВ.
Центральная часть АВ (до катушек L2) изготовлена из трубки диаметром 30 мм, а концевые отрезки - из трубок диаметром 20, 18 и 10 мм, вставленных одна в другую.
Антенна запитана кабелем РК50-7 длиной 30 метров.
После небольшой коррекции длин элементов АВ получены следующие значения: КСВ - на средних частотах диапазонов в пределах 1,1... 1,4; полоса рабочих частот по КСВ ≤ 2 составляет на диапазоне 10 метров 1 МГц, на диапазонах 12, 15 и 17 метров - 0,5 МГц, на диапазоне 20 метров - 0,32 МГц, на диапазоне 30 метров - 0,09 МГц и на диапазоне 40 метров - 0,18 МГц. Измерения проводились прибором WH7 фирмы DRAKE.
Проверка антенны "в эфире" показала, что отношение вперед/назад на средних трассах на диапазоне 20 метров лежит в пределах 12...15 дБ, на верхних диапазонах - 15...18 дБ. На диапазоне 40 метров при сравнении с антенной Inv. V оказалось, что в направлении ее максимального излучения антенна BMA-7 не уступала полноразмерной Inv. V, зато в боковом направлении превосходила на 1...2 балла. Расчетные значения коэффициента усиления на диапазонах 10...20 МГц составляют 4...4,5дБд.
Возможно ли улучшение параметров этой антенны за счет добавления директоров? Это достаточно сложно по следующим причинам. Во-первых, директоры более низких диапазонов ощутимо ухудшают параметры верхних. Для устранения этого явления придется вводить трапы, LOM-ка-тушки или принимать другие специальные меры. Во-вторых, затруднится применение стандартных способов согласования при одном фидере из-за разброса входных сопротивлений на разных диапазонах.
Пожалуй, именно в описанном виде антенна может представлять интерес для "среднего" коротковолновика. По своим параметрам антенна BMA-7 близка к логопериодической антенне длиной 6...8 метров, но в ней есть элементы на диапазоны 30 и 40 метров.
Можно также отметить, что среди западных коротковолновиков пользуется популярностью простая антенна С4 фирмы FORCE-12 с длиной бума 3,6 м, имеющая по два элемента на диапазонах 10, 15, 20 метров и один на диапазоне 40 метров при двух фидерах (цена - около 700 долларов США).
В заключение можно сказать, что, как показала эта работа, LOM-технология может с успехом применяться в многодиапазонных антеннах, конкурируя на равных с TRAP-технологией.
Автор благодарит Бориса Катаева (UR1MQ) за неоценимую помощь в процессе монтажа и настройки антенны BMA-7.
Литература
Автор: Э.Гуткин (UT1MA), г.Луганск, Украина