Всехвильова або, принаймні, що працює на більшості з дев'яти аматорських KB діапазонів антена - мрія багатьох коротковолновиков. Завдання створення багатодіапазонної антени істотно ускладнюється, якщо мова заходить про спрямованої антени. Цікаве рішення її запропоновано в опублікованій статті. Ідеї, використані UT1MA в цій конструкції, можуть бути корисні коротковолновикам при самостійній розробці KB антен.
Багатодіапазонні спрямовані антени типу "хвильовий канал" для любительської радіозв'язку дуже популярні, їх виробляють десятки фірм багатьох країн. Подібні антени в основному виготовляють з використанням поділяють резонансних контурів - TRAP, або трапів [1, 2]. Незважаючи на очевидні зручності, любительському антенному конструюванні цю технологію застосовують вкрай рідко, що пояснюється, в першу чергу, складністю кустарного виготовлення надійного і точно налаштованого трапа.
Останнім часом з'явилися конструкції антен, в яких завдання багатодіапазонної роботи вирішена більш простим способом, за допомогою так званих багатодіапазонних навантажувальних ланцюгів (LOad Multiband або скорочено LOM). Головний елемент такої антени - котушка з певною індуктивністю, розташована в певному місці активного або пасивного елемента. Механізм дії LOM-навантаження полягає в тому, що на відносно високих частотах котушка викликає значне відображення струму, в результаті чого його розподіл на "докатушечной" частини виявляється близьким до розподілу у звичайному диполе з довжиною плеча приблизно 0,25 λ. На низьких частотах струм поширюється по всій довжині плеча антени і котушка працює як подовжуюча [3].
Спробуємо порівняти за основними параметрами два трехдиапазонных диполя: з трапами і з LOM-котушками. Розрахунки були проведені за допомогою антеною програми MMANA (TNX JE3HHT і DL2KQ за відмінну програму).
На рис.1,а наведено креслення диполя на діапазони 10, 20 і 40 метрів. Плечі диполя симетричні, що дозволяє для спрощення малюнка показати тільки половину диполя. Виходимо з того, що конденсатори трапів l 1 c 1 (частота резонансу f1 = 28,3 МГц) і L2C2 (f2 = 14,15 МГц) утворені трубками, що знаходяться усередині і зовні котушки. Зазначимо, що ця технологічно зручна конструкція конденсаторів має істотний недолік - з-за впливу цих трубок добротність катушок (і контура в цілому) знижується в 3...4 рази і в багатьох моделях не перевищує Q = 80... 100. Відповідно, у стільки ж разів зростають втрати в контурах і їх нагрівання.
Приймаємо С1 = 25 пф, С2 = 15 пФ, Q1 = 100 і Q2 = 80, а діаметр провідника антени (трубки) рівним 30 мм. Ділянки диполя ab, cd, eg мають довжини, при на всіх трьох діапазонах реактивна складова вхідного опору близька до нуля.
Епюри зміни величини струму вздовж диполя на різних діапазонах наведено на рис. 1,б (діапазон 10 метрів), рис. 1, (20 метрів) і рис. 1,г (40 метрів). Стрілки епюр показують напрямок струму у відповідних частинах диполя. MMANA показує, що на частинах диполя, розташованих за трапами, також є невеликий струм, який з'являється в результаті наведення від робочого ділянки антени.
На діапазоні 10 метрів цей струм відчутно, приблизно на 0,4 дБ, підвищує коефіцієнт підсилення антени за рахунок звуження діаграми спрямованості (ДН) і також підвищує вхідний опір антени.
Результати розрахунку зведені в таблицю. В ній R - це вхідний опір антени при резонансі. Коефіцієнт підсилення G дан по відношенню до полуволновому диполю без трапів.
Окремо виділені сумарні теплові втрати в двох котушках PL1 і в двох PL2, так як від цих втрат безпосередньо залежить надійність антени. G - це ширина головного пелюстка ДН за рівнем -3 дБ або 0,707 від максимуму. При оцінці теплових втрат можна виходити з того, що 0,1 дБ відповідає приблизно 2,4 % від повної потужності. Повна довжина диполя - 2x6,7 м.
На рис. 2,а також зображений диполь на діапазони 10, 20 і 40 метрів, але, у відміну від першого, в ньому використані не трапи, а LOM-котушки. Величини L1 і L2, довжини ділянок ab, cd, eg і ємнісних навантажень ЕН1 і ЕН2 вибрані за розрахунком, щоб на всіх трьох діапазонах реактивна складова вхідного опору була близька до нуля. Зокрема, довжина першої ділянки ab при цьому буде близько 0,25 довжини хвилі для діапазону 10 метрів. Завдяки наявності L1 на цьому діапазоні форма струмового кривої на ділянці ab майже така ж, як у полуволнового диполя.
Величина струму за котушкою на ділянці cd в кілька разів менше, ніж на першому ділянці. Це важливо, так як тут струм має зустрічний напрямок і його дія призводить до розширення ДН і, відповідно, до падіння посилення диполя. Щоб мінімізувати цей небажаний ефект, введено ємнісна навантаження ЕН1, яка "бере на себе" і виключає з випромінювання частина зустрічного струму. Величина струму на ділянці cd також залежить від індуктивності котушки L1 і буде тим менше, чим вона більша. З іншого боку, збільшення індуктивності котушки призводить до зниження широкосмуговості на другому діапазоні (20 метрів), тому вибір індуктивності цієї котушки - це неминучий компроміс. На діапазоні 20 метрів аналогічним чином працюють елементи L2 і ЕН2, а котушка L1 працює як подовжуюча. На діапазоні 40 метрів обидві котушки - подовжуючі. Епюри струмів вздовж провідника цього варіанту диполя наведено на рис. 2,6 (10 метрів), рис. 2, (20 метрів) і рис. 2,р (40 метрів).
Розрахунок показав, що оптимальними будуть значення L1 = 3,5 мкГн і L2 = 18 мкГн. Загальна довжина диполя 2x5,8 м при діаметрі трубок 20 мм на крайньому ділянці і 30 мм на інших. Довжина ЕН1 - 0,8 м і ЕН2 - 0,6 м, трубки діаметром 16 мм. Розрахункові параметри наведені також у таблиці, що зручно для порівняння. При розрахунках добротність котушок L1 і L2 прийнята 250, що цілком реально.
Порівняння теплових втрат в TRAP-і LOM-диполях показує, що у другій втрати в 2...3 рази менше. При однакових інших конструктивних умовах LOM-антена здатна витримати велику потужність. Втім, якщо в трапах застосувати зовнішні конденсатори, обидві різновиди антен за цим показником приблизно зрівняються.
Корисною властивістю LOM-антени є її некритичність до величини індуктивності котушок. При відхиленні її від розрахункового значення на 10 % резонансна настройка легко відновлюється регулюванням довжини елементів ЄП. При цьому параметри антени змінюються незначно. Також очевидне перевага - немає необхідності застосовувати високовольтні конденсатори, розраховані на велику реактивну потужність.
Після успішного використання LOM-технології у вертикальній багатодіапазонної антени [3, 4] автором була зроблена спроба застосувати цю технологію в активному вібраторі (АВ) простий спрямованої антени на сім KB діапазонів - від 10 до 40 метрів. АВ розраховано на застосування одного 50-омного без фідера будь-яких перемикань. Крім АВ, до складу антени входять п'ять рефлекторів діапазонів 10, 12, 15, 17, 20 метрів, а на діапазонах 30 і 40 метрів в антені працює тільки активний вібратор. Зовнішній вигляд експериментальної антени, отримала авторське назва BMA-7 (Beam Multiband Antenna на 7 діапазонів), наведений на рис. 3.
Схематично електрична схема її активного вібратора наведена на рис. 4. Кожне плече АВ (умовно показано тільки одне з двох) складається з чотирьох провідників, почала яких сходяться в точці живлення.
Конструктивною основою антени є центральний вібратор, що складається з трьох відрізків дюралевих труб, між якими розташовані котушки L1 і L2. Цей вібратор працює на діапазонах 10, 20 і 40 метрів. Діапазони 15 і 17 метрів забезпечують дротяні вібратори ПВ15 і ПВ17. Котушка L4 з невеликою індуктивністю дозволяє зменшити довжину вібратора ПВ17 до потрібних за конструктивним міркувань розмірів. В діапазоні 12 метрів працює вібратор ПВ12, а разом з котушкою L3 і додатковим провідником ПВЗО виходить випромінювач діапазону 30 метрів. Природно, між складовими частинами АВ існують взаємні впливи, але тим не менше в цілому виходять чіткі сім резонансів і КСВ на середніх частотах всіх діапазонів в межах 1,1... 1,4 (тільки АВ - без рефлекторів).
Більш докладний креслення АВ з основними розмірами в двох проекціях схематично наведений на рис. 5.
Дротові вібратори ПВ виконані з багатожильного дроти у вінілової ізоляції марки ПВЗ перетином 2,5 кв. мм. Для підтримки дротових вібраторів використані малі орешкова ізолятори ІО і пластмасові антенні ізолятори ІП фірми "Антеннополис" (р. Запоріжжя). Ці ізолятори мають розміри 17x17x115 мм і чотири отвори - два по краях і два посередині. Котушка L4 має 7 витків і намотана безпосередньо на середній частині ізолятора з дроту випромінювача ПВ17. Дротяний випромінювач ПВ12 зафіксований на деякому видаленні від центрального вібратора діелектричними розпірками РП. Далекі (від центру антени) кінці випромінювачів ПВ15 і ПВ17 зафіксовані через поліпропіленові розтяжки ПП на трубці ЕН2.
Рефлектор діапазону 10 метрів виконаний з трубки діаметром 20 мм і має довжину 5,3 м, діапазону 15 метрів - з трубок з діаметрами 30, 20, 16 і 10 мм (загальна довжина 7,235 м), діапазону 20 метрів - з трубок з діаметрами 30 і 20 мм (загальна довжина 10,51 м). Відстані від АВ до рефлекторів діапазонів 10, 15 і 20 метрів складають 2,05, 2,6 і 3,7 м відповідно. Рефлектори діапазонів 12 і 17 метрів виконані з багатожильного проводу в вінілової ізоляції марки ПВЗ - 2,5 і розташовуються відповідно над рефлекторами 15 і 20 метрів (див. рис. 3) таким чином, що середня частина дротяного рефлектора вище трубкового на 0,5 м, а кінці на 0,2 м. Повна довжина рефлектора діапазону 12 метрів - 5,5 м , діапазону 17 метрів - 7,75 м. Ємнісні навантаження - з трубки діаметром 16 мм, довжина ЕН1 - 1,3 м і ЕН2 - 1,6 м. Дані котушок : L1 - каркас діаметром 33 мм, провід МГТФ перетином 1 кв. мм, кількість витків - 9, намотування щільна, гідроізоляція ізолентою NOVA ROLL; L2 - каркас діаметром 32 мм, МГТФ 0, 75 кв. мм, кількість витків - 24; L3 - каркас діаметром 40 мм, МГТФ 0,75 кв. мм, 18 витків.
Антена експериментально відпрацьовувалася спочатку на макеті, а потім доводився реальний зразок. Активний вібратор налаштовувався з допомогою мостового КСВ-метр: на діапазонах 10 і 20 метрів зміною довжини ємнісних навантажень, а на діапазоні 40 метрів зміною довжини кінцевого ділянки. Інші діапазони налаштовують підбором довжин дротяних вібраторів. Довжину дротяних рефлекторів з-за наявності вінілової ізоляції на дроті і близькості трубочных рефлекторів розрахувати було складно, вони налаштовувалися з допомогою Гіра на частоту, відрізняється від середньої частоти даного діапазону на 3 % вниз. Повна довжина активного вібратора - 2x6,35 м.
Після отримання комп'ютерної програми MMANA розрахунок активного вібратора (діапазони 10, 20 і 40 метрів) показав, як можна отримати ті ж параметри при зменшення довжин ЕН і загальної довжини активного вібратора (див. наведені вище дані розрахунку).
Кабель живлення узгоджений з АВ за допомогою тільки одного додаткового елементу - конденсатори ємністю 56 пФ/2,5 кВА, підключеного паралельно входу антени. Симетрування здійснюється за допомогою захисного дроселя L5 з 15 витків коаксіального кабелю фідера RG-58, навитого на кільцевій ферритовыи магнітопровід діаметром 65 мм з матеріалу 300ВН. Дросель і узгоджувальний конденсатор поміщені в захисний кожух і укріплені на сталевий розпірці РП1 в центрі АВ, підтримуючої елементи ПВ15 і ПВ17. Не слід забувати (при моделювання антени, зокрема), що відрізки проводів, що йдуть до трансформатору (довжина приблизно по 10 см кожен), входять в електричну довжину АВ.
Центральна частина АВ (до котушок L2) виготовлена з трубки діаметром 30 мм, а кінцеві відрізки - з трубок діаметром 20, 18 і 10 мм, вставлених одна в іншу.
Антена заживлення кабелем РК50-7 довжиною 30 метрів.
Після невеликої корекції довжин елементів АВ отримані наступні значення: КСВ - на середніх частотах діапазонів в межах 1,1... 1,4; смуга робочих частот по КСВ ≤ 2 становить діапазоні 10 метрів 1 МГц, на діапазонах 12, 15 і 17 метрів - 0,5 МГц, на діапазоні 20 метрів - 0,32 МГц, на діапазоні 30 метрів - 0,09 МГц і на діапазоні 40 метрів - 0,18 МГц. Вимірювання проводилися приладом WH7 фірми DRAKE.
Перевірка антени "в ефірі" показала, що ставлення вперед/назад на середніх трасах на діапазоні 20 метрів лежить в межах 12...15 дБ на верхніх діапазонах - 15...18 дБ. На діапазоні 40 метрів при порівнянні з антеною Inv. V виявилося, що в напрямку її максимального випромінювання антена BMA-7 не поступалася повнорозмірною Inv. V, зате в бічному напрямку перевершувала на 1...2 бали. Розрахункові значення коефіцієнта підсилення на діапазонах 10...20 МГц складають 4...4,5 дБд.
Можливе поліпшення параметрів цієї антени за рахунок додавання директорів? Це досить складно з наступних причин. По-перше, директори більш низьких діапазонів відчутно погіршують параметри верхніх. Для усунення цього явища доведеться вводити трапи, LOM-ка-тушки або приймати інші спеціальні заходи. По-друге, затрудняється застосування стандартних способів узгодження при одному фідері через розкиду вхідних опорів на різних діапазонах.
Мабуть, саме в описаному вигляді антена може представляти інтерес для "середнього" коротковолновіка. За своїми параметрами антена BMA-7 близька до логопериодической антени довжиною 6...8 метрів, але в ній є елементи на діапазони 30 і 40 метрів.
Можна також відзначити, що серед західних коротковолновиков користується популярністю проста антена С4 фірми FORCE-12 з довжиною буму 3,6 м, що має за два елемента на діапазонах 10, 15, 20 метрів і один на діапазоні 40 метрів при двох фідерах (ціна - близько 700 доларів США).
На закінчення можна сказати, що, як показала ця робота, LOM-технологія може з успіхом застосовуватися в багатодіапазонних антенах, на рівних конкуруючи з TRAP-технологією.
Автор дякує Бориса Катаєва (UR1MQ) за неоціненну допомогу в процесі монтажу і налаштування антени BMA-7.
Література
Автор: Е. Гуткін (UT1MA), р. Луганськ, Україна