Ідея створення дуже легкою і портативної спрямованої KB антени, виготовленої з дроту і розтягуватися між телескопічними скло-пластикові вудлищами, хоч і не нова, але все частіше привертає увагу радіоаматорів. Німецький коротковолновик Корнеліус Поль (DF4SA) запропонував варіант конструкції, в якій на одній рамі з чотирьох вудилищ розміщені три дротяні антени "хвильовий канал" - дві трьохелементні на діапазони 20 і 15 метрів і одна чотирьохелементна на діапазон 10 метрів. Антена, незважаючи на портативність і невелику вагу, має дуже хороші характеристики по КНД і діаграми спрямованості. Інтерес до антени DF4SA великий, тому з дозволу її творця ми наводимо опис "Спайдера".
Введення. "Спайдер" ("Павук") - це повнорозмірна трехдиапазонная, дуже легка антена, побудована з скло-пластикових вудок і дроту. Повний вага антени близько 5,5 кг робить її ідеально підходить для використання в польових умовах. Фотографія антени, піднятою на десятиметровій алюмінієвої щоглі, показана на рис. 1.
Для антени годяться будь-які легкі телескопічні щогли і поворотні пристрої від телевізійних антен. Вітрові навантаження на антену невеликі. Вона легко збирається і встановлюється однією людиною. Габарит складеній і упакованої антени не перевищує 1,2 м. Спрощений (директори і рефлектори в одній площині) ескіз її конструкції представлений на рис. 2.
По виграшу (посилення) G і відношенню випромінювань вперед/назад (F/B) "Спайдер" не поступається іншим повнорозмірним антен, у тому числі й стаціонарним. Допустима потужність випромінювання в безперервному режимі складає 2 кВт. Основні дані антени приведені в таблиці 1.
Головне завдання при установці антени - це підняти її на максимально можливу висоту. Антени навіть з малим виграшем, підняті на значну висоту, дають кращий сигнал, чим антени з великим виграшем, але встановлені на малій висоті. Малий вага "Спайдера" полегшує його підйом на велику висоту. Спрощується і вибір оптимального місця встановлення. Антену зручно використовувати в подорожах, встановлювати на вершинах навколишніх гір, на островах, вежах замків і маяків і навіть на будь даху. Цим антена вигідно відрізняється від звичайних важких трехдиапазонных "бімів".
Збірка антени проста, в конструкції не використовуються які-небудь особливі складні елементи. Відсутність процедури налаштування робить антену доступною для новачків. Вартість матеріалів для виготовлення антени невелика, і можна ще заощадити на щоглі і поворотному пристрої.
Розробці антени сприяло знайомство з оригінальним і витонченим рішенням Діка Берда (G4ZU), запропонував свою "Пташину Яги" - трьохелементну антену "хвильовий канал" з V-образно вигнутими дротяними директором і рефлектором. Її називають ще "Лук і стріла". Однак у літературі не було описів багатодіапазонних конструкцій, тому DF4SA довелося взятися за самостійну розробку. Після незліченних спроб комп'ютерного моделювання, нарешті, вдалося отримати віртуальну антену, що задовольняє поставленим вимогам.
Залишалися конструктивні, механічні проблеми: антена повинна була бути легкої, але жорсткою, забезпечувати захист від вологи, мати повторювані електричні характеристики незалежно від того, скільки разів її збирали і розбирали. Збірка не мала бути складною і вимагати якихось особливих інструментів. Всі ці вимоги були виконані, і автор отримав велику задоволення, спостерігаючи, як антена легко винесла жорстокий шторм при роботі з СТЗЕЕ під час CQ WW CW CONTEST 2002 року.
Основні принципи побудови антени. "Спайдер" - це хвильовий канал для діапазонів 10, 15 і 20 метрів. Вона утворена трьома як би вкладеними одна в іншу дротяними антенами, розтягнутими на загальній хрестовині ("павука") склопластику. Ці антени, у свою чергу, містять три елементи для діапазону 20 метрів, три елемента для діапазону 15 метрів і чотири елемента для діапазону 10 метрів.
Активний елемент антени складається з трьох індивідуальних диполів для діапазонів 20, 15 і 10 метрів, сполучених між собою лише в точці живлення. В результаті жодних котушок або контурів ("трапів") в конструкції антени не використовується. Для переходу від несиметричного коаксіального кабелю до симетричного диполю використано нескладне і широкосмугове дросельний пристрій, запропоноване W2DU. Це робить систему харчування дуже простою і надійною. Жодних фазирующих ліній чи інших узгоджувальних пристроїв не вимагається.
Загальний ескіз антени (вид зверху) і настановні розміри елементів (в сантиметрах) показано на рис. 3.
Довжини проводів (в сантиметрах) пасивних елементів антени приведені в таблиці 2.
Необхідно зауважити, що зазначені дані справедливі лише при виготовленні антени з мідного або обмідненої дроту діаметром 1 мм без ізоляції. Інші типи проводів, особливо ізольованих, вимагають певної корекції розмірів елементів, що пов'язано зі зміною коефіцієнта укорочення, що залежить, у свою чергу, від швидкості поширення хвиль вздовж проводу. Корекція може виявитися необхідної при використанні ізоляторів на кінцях проводів антени.
Витримати точні розміри антени при її виготовленні дуже важливо. Помилка навіть в один сантиметр (!) призведе до зміни параметрів. З сказаного слід, що дроти антени не повинні витягатися під навантаженням. Краще всього використовувати омедненную сталевий дріт, дані про яку можна знайти в [1]. Коли перший примірник антени був виконаний з звичайного м'якого мідного дроту з емалевою ізоляцією, деякі елементи при збірці-розбиранні антени витягувалися навіть на 10 см, чого резонансні частоти "йшли" і діаграма спрямованості погіршувалася. Особливо потерпало ставлення випромінювань вперед/назад.
Конструкція активного елемента показано на рис. 4. Він складається з трьох диполів, які повинні бути розташовані у вертикальній площині, строго один над іншим. Також як і у випадку інших багатодіапазонних диполів, чим далі вони розташовані один від одного, тим менше їх взаємодія.
Відстань між верхнім диполем діапазону 20 метрів і нижнім диполем діапазону 10 метрів має бути близько 50 див. Також важливо, щоб диполь діапазону 10 метрів був протягнутий хоча б у кількох сантиметрах від склопластикової несучої труби. В іншому випадку КСВ може дещо змінюватися, коли склопластикове вудилище стане мокрим від дощу. Довжини диполів (в сантиметрах) дані в таблиці 3.
Симметрирующее пристрій ("балун") може бути дуже простим, оскільки вхідна опір антени в точках живлення вже близько до 50 омам. Отже, ніякого узгодження опорів не потрібно. Все, що потрібно, це перейти від несиметричного коаксіального кабелю живлення до симетричної антени. Тому замість того тороїдального трансформатора виявилося можливим застосувати в цій антени простий дросель з коаксіального кабелю.
Найпростіша версія дроселя з коаксіального кабелю - котушка з декількох витків (5... 10) безпосередньо біля точки харчування. Однак робота такого дроселя сильно залежить від частоти, типу самого кабелю, діаметра та довжини котушки. Інша проблема виникає, якщо діаметр намотування менше допустимого для даного типу кабелю - з часом параметри кабелю погіршуються.
Набагато краще рішення - використовувати коаксіальний дросель, описаний W2DU [2]. Треба взяти відрізок тонкого коаксіального кабелю і надягти на його зовнішню ізоляцію кілька (від 16 до 50, в залежності від типу) феритових кілець, які ефективно збільшують повне опір для струмів, що течуть по зовнішній поверхні обплетення. В результаті чого ці струми значно зменшуються. Якщо використовувати відрізок кабелю з фторопластовою (тефлонову) ізоляцією, то допустима потужність, що підводиться до антени, може досягати двох кіловат.
Відрізок кабелю з надітими на нього феритовими кільцями поміщається в водонепроникну коробку, виконану з коробчатого пластикового профілю з кришкою. На одному кінці коробки монтується стандартний кабельний роз'єм типу S0239, на іншому - два болта для приєднання половинок активного елемента. Конструкція симетрувального пристрою зі знятою кришкою показана на рис. 5.
Пристрій виконує ще одну функцію: прикріплене до щогли, воно підводить точку живлення активного елемента над центральним з'єднанням несучих склопластикових елементів.
Конструкція антени. Її основою служить центральне з'єднання, показане на рис. 6.
Воно виготовляється з двох квадратних пластин листового дюралюмінію і чотирьох відрізків труб (рис. 7), в які вставляються несучі склопластикові елементи.
Труби затискаються між пластинами вісьмома гвинтами, довгасті отвори в пластинах дозволяють відрегулювати з'єднання під конкретний діаметр щогли, який може бути від 30 до 60 мм. З'єднання додатково жорстко кріпиться до щоглі відрізком П-образного дюралюмінієвого профілю (він прикріплений двома болтами до верхньої пластини) і U-подібним хомутом з гайками. Конструкція центрального вузла забезпечує розташування центру ваги антени точно по осі щогли, що зменшує навантаження на щоглу і поворотний пристрій.
Несучі склопластикові елементи довжиною по 5 м являють собою нижні секції девятиметровых склопластикових вудилищ. Для додання жорсткості всій несучої конструкції використаний ряд розтяжок, виготовлених з кевларовой струни діаметром 1,5 мм - метод, добре відомий з часів парусного флоту. Струна витримує на розрив до 150 кг. Кевлар хороший тим, що він практично не розтягується, і антена зберігає свою форму при обертанні і при значних вітрових навантаженнях. Конфігурація розтяжок показана на рис. 8. Для їх кріплення рекомендується використовувати вітрильні вузли, які добре тримають навантаження і легко розв'язуються при демонтажі антени.
Після складання несучої конструкції до неї легко і швидко приєднуються дротяні елементи. У місцях вигину, а також на кінцях, на елементи надягають короткі відрізки пластикових ізоляційних трубочок.
Результати та технічні дані. Антена була піднята на десятиметровій щоглі відкритому місці, і її параметри були ретельно виміряні. Виявилося, що використані сталеві обміднені дроту діаметром 1 мм не вимагають введення коефіцієнта укорочення, і дані, отримані при комп'ютерному моделюванні, можна використовувати безпосередньо при виготовленні антени. Виявилося також, що ізолятори на кінцях проводів (поліамідні трубочки довжиною 4 см, заповнені епоксидною смолою) помітно впливають на резонансну частоту елементів, знижуючи її приблизно на 100...200 кГц. Цей ефект треба брати до уваги, відповідно скорочуючи дроти.
Результати вимірювань виграшу і відносини випромінювань вперед/назад та вперед/вбік наведені в таблиці 4. Значення виграшу наведені відносно ізотропного випромінювача, а в дужках - щодо диполя. Отримані приблизно такі ж значення, як і для типової сучасної трехдиапазонной антени з довжиною несучої траверси (буму) 6...7 м.
Значення відносини випромінювань вперед/вбік дещо менше, це обумовлено тим, що активні елементи, що не лежать в одній горизонтальній площині з пасивними. Проте в цьому є і певна перевага: при пошуку по діапазону оператор, хоча і слабо, але чує сигнали, що надходять з інших напрямків.
В якості прикладу на рис. 9,а наведені діаграми спрямованості антени на частоті 14,12 МГц в азимутальній і вертикальній площинах, розраховані з допомогою програми моделювання антен NEC. Розрахунок проведений для висоти установки антени 10м над поверхнею Землі. На рис. 9,б аналогічні дані діаграми спрямованості при установці антени на висоті 20 м. Графіки рис. 9, показують залежності виграшу і відносини випромінювань вперед/назад від частоти.
При польовій роботі в різних експедиціях "Спайдер" повністю виправдав покладені на нього надії.
Подальшу інформацію про антені і докладний опис технології її виготовлення можна знайти на сайті DF4SA [3]. Деякі корисні обговорення конструкції, а також переклад опису на інші мови є на сайті [4]. Антена моделювалася і з допомогою програми моделювання антен MMANA. Отримані результати мало відрізняються від наведених вище.
Література