Приемопередающие KB антени

Про висоті установки антени

При виборі конструкції приймально-передавальної антени для своєї аматорській радіостанції коротковолновику доводиться брати до уваги безліч чинників, шукати компромісні рішення для багатьох технічних питань. Один з них - висота встановлення антени. Можливості радіоаматора в цій області (незалежно від того, де він проживе - в місті чи на селі) вельми і вельми обмежені. Чи є тут якісь оптимальні рішення? Певною мірою відповідь на це питання дають експерименти, проведені DJ2NN[1].

Слід підкреслити, що виміряти залежність ефективності антени від висоти їх установки на коротких хвилях непросто. Найбільший інтерес, природно, становлять ці дані для великих за довжиною трас (тобто для DX зв'язків), а це означає, що на результати вимірювань значною мірою впливає поширення радіохвиль в іоносфері (особливо швидкі флуктуації проходження). Більш того, в загальному випадку ці залежності можуть мати різний характер для трас з різною довжиною і азимутальних спрямованістю. Підвищити достовірність результатів можна лише багаторазовими повторними вимірами, набором статистичних даних.

Рис. 1. Залежності ефективності спрямованої KB антени від висоти установки (1 - DX станції, 2 - "ближня зона): а - діапазон 14 МГц; б-діапазон 28 МГц

DJ2NN проводив вимірювання залежностей ефективності антени від висоти їх установки на аматорських діапазонах 14. 21 і 28 МГц у режимі приймання сигналів DX станцій (протяжність траси не менше 5000 км). Крім того, вимірювалися та аналогічні залежності за сигналами станцій, що знаходяться в "ближній" зоні, де зв'язок обумовлена поверхневою хвилею. У цих експериментах DJ2NN використовував антени "хвильовий канал", висоту встановлення яких можна було дуже швидко змінювати в межах 2,5 ... 25 м. Їм були прийняті спеціальні заходи, які виключали б помилки вимірювання, обумовлені розладом антени при малих висотах її установки (з-за впливу "землі"). Результати цих експериментів для діапазонів 14 і 28 МГц наведені на рис. 1, а та 1, б. Загальний хід аналогічних залежностей для діапазону 21 МГц дуже близький до даними, наведеними на рис. 1, а. Криві, позначені цифрою 1, відносяться до вимірювань за сигналами DX станцій, а цифрою 2-за сигналами станцій, що знаходяться в "ближній" зоні Аналіз цих кривих дозволяє зробити кілька висновків.

По-перше, вимірювання параметрів короткохвильової антени та відпрацювання її діаграми спрямованості по напруженості поля в "ближній" зоні далеко не завжди може дати об'єктивну інформацію про її ефективності при проведенні DX зв'язків. Іншими словами, вимірювання в "ближній" зоні - це необхідний, але іноді недостатній етап у налагодженні спрямованої KB антени. По-друге, в інтервалі висот 2,5... 15 м ефективність такої антени на діапазонах 14 і 21 МГц змінюється дуже сильно. Може виникнути така ситуація, коли більш проста і легка двоелементна антена, піднята на висоту 10...12 м, виявиться більш ефективною, ніж, скажімо, трьохелементна антена, яку радіоаматор не може підняти вище 5...7 м (з-за більшої маси, більш громіздкого і важкого обертального пристрою тощо).

Рис. 2. Залежності ефективності спрямованої УКХ антени від висоти установки: 1-діапазон 432 МГц; 2' - діапазон 144 МГц

І по-третє, збільшення висоти установки антени понад приблизно 17 м невиправдано. Ефективність зростає незначно, а витрати на виготовлення і технічні складності, пов'язані з установкою і експлуатацією антени, збільшуються в багато разів.

Рис. 2 ілюструє вплив висоти установки УКХ антени на її ефективність для діапазонів 144 (крива 2) і 432 (крива 1) МГц. Ці вимірювання проводилися DJ2NN для джерела сигналу, віддаленого на 20 км. Цікаво відзначити, що в цьому випадку залежно практично не мають тенденції до насичення при великих висотах.

Ненаправлені антени

Велика частина коротковолновиков змушена обмежуватися встановленням тільки однієї антени, яку, звичайно, намагаються зробити багатодіапазонної і ненаправленою. Існує безліч конструкцій подібних антен, в яких ці вимоги виконуються в більшій чи меншій мірі. Одна з таких антен - "G5RV" (за позывному радіоаматора, запропонував її [2] - призначена для роботи на аматорських діапазонах 3,5 ... 28 МГц.

Розміри антени і двопровідної согласующей лінії показані на рис. 3.а, живлення антени подається коаксіального кабелю з хвильовим опором 75 Ом. Рекомендована висота встановлення антени над землею, або над дахом - близько 10 м. Якщо проліт, в якому встановлюють антену, менше 32 м, то кінцеві відрізки полотна антени довжиною до 3 м можна залишити висять вниз (тобто для установки антени в цьому випадку підійде проліт приблизно 26 м). Антена "G5RV" в принципі допускає установку з використанням тільки однієї щогли у вигляді "INVERTED V", але для того щоб її характеристики помітно не погіршувалися, кут при вершині повинен бути не менше 120°.

Рис. 3. Многодиапазонная КБ "G5RV": а - спрощена конструкція антени. б - ізолятор; в - пристрій двопровідної лінії: р - високочастотний дросель.

Саморобна двопровідна узгоджуюча лінія утворена двома проводами, відстань між якими підтримується постійним ізоляторами (рис. 3,б) виконаними з хорошого, негигроскопического діелектрика (оргскло, текстоліт і т. д.) Після відповідної просочення можна використовувати також дерево або фанеру. Проводи лінії укладають в V-подібні вирізи на торцях ізоляторів і фіксують невеликими відрізками проводів (мал. 3. 0), пропущених через отвори в ізоляторах. Узгоджуюча лінія повинна йти перпендикулярно полотну антени принаймні на довжині 6 м.

Для ефективної роботи антени "G5RV" на всіх діапазонах її фідер необхідно підключати до передавача через згода пристрій. Оскільки у цієї антени в фідері практично завжди є в тій чи іншій мірі стояча хвиля, то застосовувати симметрирующее пристрій (BALUN) для переходу від согласующей лінії до коаксіальному кабелю немає сенсу. Проте для зменшення випромінювання з зовнішньої обплетення кабелю (це. зокрема, може бути причиною перешкод телебаченню) доцільно [3] з верхньої частини фідера зробити високочастотний дросель (рис. 3. г). Число витків 8 .. 10, діаметр намотування близько 180 мм, витки скріплені у трьох місцях липкою стрічкою.

Рис. 4. Варіант виконання багатодіапазонної антени на основі "G5RW: а - конструкція антени: б - центральний ізолятор і підключення фідера.

Ще один варіант многодиаплзонной KB антени, в основу якої покладена "G5RV" [4], наведено на рис. 4. а. На центральній щоглі 1 заввишки близько 12 м під кутом приблизно 30° один до одного підвішені два полотна антени "G5RV". Кінці цих полотен через ізолятори 4 кріпляться до чотирьох допоміжним щоглам 3 заввишки близько 6 м. В центрі, антени полотна попарно підключені до обший двопровідної лінії 5 (див. рис. 4.б), яка так само, як і у звичайної "G5RV", виконана повітряної на ізоляторах 6. Для кріплення кінців полотен на щоглі 1 служить центральний ізолятор 2. Слід зазначити, що наведені розміри не є критичними. Їх можна варіювати в досить широких межах, орієнтуючись на можливості радіоаматора і місце, наявне в його розпорядженні для установки антени.

У радіоаматорський літературі нерідко зустрічаються описи багатодіапазонних горизонтальних антен, що представляють собою включені паралельно випромінювачі (наприклад, півхвильові диполі) на окремі KB діапазони. Даний принцип можна застосувати і для створення антен з вертикальною поляризацією. Конструкція такої трехдиапазонной KB антени [5] показано на рис. 5. Металева щогла 3, служить випромінювачем на діапазоні 14 МГц, встановлена на опорному ізоляторі 2. У її верхній частині, на відстані близько 350 см від опорного ізолятора укріплена діелектрична розпірка 9. До основи щогли кріпляться (і підключаються до неї електрично) дротові випромінювачі 4 на діапазони 21 і 28 МГц. Натяг випромінювачів забезпечують нейлонові розтяжки 5, які приєднують до них через ізолятори 6. Живиться антена коаксіальним кабелем 8 з хвильовим опором 50 Ом, центральну жилу якого підключають до щогли 3, а оплітку до системи противаг 7. Довжини всіх випромінювачів відрізняються від значення */4 для відповідного діапазону, що обумовлено взаємним впливом випромінювачів. Наведені на рис. 5 розміри випромінювачів були підібрані експериментально за мінімальним значенням КСВ на робочих діапазонах.

Рис. 5.

Варіант широкосмугової антени [б], яка працює на всіх KB діапазонах, включаючи і 160 м, показаний на рис. 6. Антена являє собою дротяний випромінювач довжиною 22,6 м, на відстані однієї третини від кінця якого включена LR-ланцюг, що розширює смугу робочих частот.

Рис. 6. KB антена для діапазонів 10..J60 м: а - загальний вигляд: б -LR-ланцюг; в - узгоджувальний трансформатор.

Ця ланцюг (рис. 6, б) утворена резистором опором R 370 Ом (6 резисторів опором 2,2 кОм і максимальною потужністю розсіювання 1 Вт) і котушкою L (55 витків дроту діаметром 1 мм, намотування рядова суцільна на каркасі діаметром приблизно 50 мм).

Антену підключають до фідеру (хвильовий опір 50 Ом) через узгоджувальний трансформатор (рис. 6, в). Він виконаний на кільцевому магнітопроводі з фериту діаметром приблизно 50 мм з початковою магнітною проникністю близько 20. Кожна з обмоток має по 24 витка дроту діаметром 1 мм Антену підключають до відведення від 18-го витка вторинної обмотки. Точку підключення підбирають експериментально при налагодженні антени.

Налаштовують антену підбором в першу чергу індуктивності котушки L і точки підключення антени до согласующему трансформатора. Критерій - мінімум КСВ в межах аматорських діапазонів. Хоча в статті зазначається можливість роботи антени навіть на діапазоні 160 м, реально, мабуть, отримати задовільні характеристики можна тільки на частотах 7 МГц і вище.

Вплив "землі"

Описана вище антена, так само як і багато інших "дротяні" і штирьові антени для своєї нормальної (ефективної) вимагає наявності гарної роботи "радіотехнічної землі". У міських (та й не тільки в міських) умовах її зазвичай забезпечують підключенням еквівалента - противаг. Скільки ж противаг і якої довжини можуть створити гарну "радіотехнічну землю"? Вимірювання показують [7], що їх число не повинно перевищувати 20 ... 30. При декількох противагах (випадок дуже типовий в радіоаматорський практиці) опір втрат становить приблизно 30 Ом. Це означає, що близько 50% потужності передавача втрачається. Іншими словами, варто задуматися: що простіше - конфліктувати з Державною інспекцією електрозв'язку, підвищуючи понад дозволених меж потужність передавача, або додати кілька десятків противаг до антени і отримати ту ж саму ефективність радіостанції в цілому.

Рис. 7. Залежності вхідного опору штиря від числа противаг

Типові залежності вхідного опору четвертьволнового штиря (теоретичне значення 37 Ом) від числа четвертьволновых противаг для різних умов (1 - сухий грунт, 2-мокра, 3 - теоретичне значення) наведено на рис. 7. Не слід, беручи до уваги ці залежності, дивуватися, що GP з трьома противагами забезпечує КСВ ~ 1 при живленні коаксіальним кабелем 75 Ом (теоретичне значення КСВ ~2). Стає зрозумілою і ефективна робота деяких вертикальних антен в широкій смузі частот - втрати в "землі" помітно розширюють її.

Режекторние контури для KB антен

Антени з режекторными контурами ("W3DZZ" і їй подібні) отримали широке поширення в радіоаматорський практиці. Вони мають цілком прийнятні характеристики, але з конструктивної точки зору не зовсім зручні. Особливі труднощі (у виготовленні або придбанні) викликає конденсатор, що входить в режекторний LC-контур. Він повинен мати цілком певний номінал і дуже високі електричні параметри, працюючи в умовах впливу на нього атмосферою вологи.

Режекторний контур для антен типу "W3DZZ" можна виготовити з відрізка коаксіального кабелю, обплетення якого буде формувати необхідну індуктивність, а "центральна жила- оплетка" створять необхідну ємність |8].

Рис. 8. Конструкція режекторного контуру на основі коаксіального кабелю

Конструкція такого режекторного контуру наведена на рис. 8. На діелектричний каркас 1 намотують коаксіальний кабель 2. Кінці кабелю 3 пропускають в отвори каркаса і розпаюють (5) у відповідності з малюнком. Скоби 4 служать для підключення полотен антени 6.

Для простих антен з режекторными контурами вибір параметрів котушки досить довільний (треба лише забезпечити необхідну частоту режекции). В антені "W3DZZ". крім того, необхідно мати і цілком визначене ставлення індуктивності котушки L і ємності конденсатора С - без цього не можна реалізувати багатодіапазонні властивості антени.

Спрямовані антени

Обертова спрямована KB антена - мрія всіх коротковолновиком. Однак виготовити повнорозмірну антену ("хвильовий канал", "подвійний квадрат" і т. д.) багатьом радіоаматорам не під силу Одна з причин цього - дуже обмежена площа на даху житлового будинку, яку коротковолновик може використовувати для установки антени (особливо в будинках-вежі). Ось чому в радіоаматорських журналах так часто зустрічаються описи різних варіантів малогабаритних одно - або багатодіапазонних KB антен.

Рис. 9. Спрямована антена "DOUBLE-D"

Антена, ескіз якої наведено на рис. 9, отримала назву "DOUBLE-D" ("подвійна дельта") [9]. Невелика за розмірами, легка, вона цілком може бути першою конструкцією коротковолновіка, що бажає підвищити ефективність своєї аматорській радіостанції установкою обертається спрямованої антени.

На щоглі 1 на відстані D від її вершини встановлені чотири розпірки 2 з бамбука або дерева, просоченого вологозахисними складами. До кінців цих розпірок і через розтяжки 5 кріпляться полотна активного елемента 3 і рефлектора 4. Обидва полотна виконані з мідного дроту або антенного канатика, а розтяжки - з нейлонового шнура. Конфігурація активного елемента і рефлектора нагадує латинську літеру D, звідки і пішла назва антени. Живлять антену по коаксіальному кабелю 6 з хвильовим опором 50 Ом.

Довжину дротяних елементів антени в метрах розраховують за такими формулами: (f - робоча частота в МГц):

А = В = 85,1/f

З = 60,2/f

D = 17,8/f

Е = 34/f

Значення частоти f вибирають або в середині відповідного аматорського діапазону, або в середині його ділянки, найбільш цікавить коротковолновіка (наприклад, в середині телеграфного ділянки).

Виходячи з даних [9], антена "DOUBLE-D" практично не поступається двоелементної антени "хвильовий канал" по коефіцієнту направленої дії і відношенню випромінювання назад-вперед. Однак вона має меншу смугу пропускання, що ілюструє рис. 10, на якому наведено залежності КСВ від частоти (діапазону 28 МГц) для антени "DOUBLE-D" (крива 1) та повнорозмірного "хвильового каналу" (крива 2).

Рис. 10. Залежності коефіцієнта стоячої хвилі від частоти в діапазоні 10 м для антен "DOUBLE-D: і двухэлементного "хвильового каналу"

Налаштовують цю антену підбором довжини активного елемента і рефлектора. На резонансній частоті її вхідний опір носить чисто активний характер і становить приблизно 40 Ом.

Використовуючи такий принцип побудови антени, можна виготовити і багатодіапазонну конструкцію. У цьому випадку кожен з активних елементів бажано живити окремим коаксіальним кабелем. Експерименти з дводіапазонною антеною (14 і 21 МГц) показали, що установка на ту ж конструкцію елементів на другий діапазон не змінює діаграми спрямованості антен. При запитке обох активних елементів навіть по одному коаксіальному кабелю КСВ в межах обох аматорських діапазонів не перевищував 2.

Компактний трехдиапазонныи (14, 21 і 28 МГц) "подвійний квадрат" (рис. 11) був запропонований. 9Н1GL [10]. За розмірами він не перевищує двухднапазонный "подвійний квадрат" на 21 і 28 МГц. Ця антена по суті складається з двох повнорозмірних "подвійних квадратів" на діапазони 21 і 28 МГц, а третій діапазон - 14 МГц виходить підключенням до елементів діапазону 21 МГц навантажувальних ємностей.

Рис. 11. Малогабаритний трьохдіапазонний подвійний квадрат: а - вигляд спереду; б - вид збоку; в - конфігурація елементів антени

На щоглі 1 закріплена коротка несуча траверса 2, до якої у свою чергу кріпляться скоби 3 "їжака". Застосування комбінації "несуча траверса" - "їжаки" (кожна з них окремо широко використовується в "подвійних квадратах") дозволило отримати досить високу точку кріплення розтяжок 6. Антена обертається разом із щоглою 1 (двигун з редуктором встановлені у її заснування), тому відтяжки кріпляться до проміжного підшипника 5. Висота щогли приблизно 5,5 м, підшипник встановлений на 0,8... 1 м нижче точки кріплення несучої траверси. У цьому випадку при максимальному припустимому куті між щоглою і відтяжками 30° точки кріплення відтяжок до даху будуть відстояти від основи щогли приблизно на 2.7 м.

Конфігурація елементів "їжаків" 3 (їх виконують із сталевого куточка) показана на рис 11. ст. В відігнуті частини цих елементів кріплять U-образними болтами або затискачами розпірки 4 з бамбука. Довжина розпірок -близько 2,4 м. Довжина кожної сторони рамки для діапазону 21 МГц становить 3,6 м, а для діапазону 28 МГц - 2,75 м.

Навантажувальні ємнісні елементи, що забезпечують роботу антени на діапазоні 14 МГц, розташовані всередині рамок діапазону 21 МГц (дещо ближче до щогли, ніж ці рамки). Вони "відключаються" чотирма режекторными контурами - по два на кожну рамку. Резонансна частота режекторних контурів (до підключення до антени) -20,2 МГц. Конструктивно вони виконані з коаксіального кабелю так само, як описано в попередньому розділі огляду. Контури підключають між рамкою і ємнісними навантаженнями у точках, позначених на рис. 11.

Методика налаштування елементів антени на діапазонах 28 і 21,МГц не відрізняється від стандартної. На діапазоні 14 МГц антену налаштовують підбором довжини елементів - ємнісних навантажень. Якщо зміна довжини цих елементів істотним чином впливає на параметри антени на діапазоні 21 МГц, то его свідчить про те, що режекторние контури налаштовані неточно (тобто не "відключають" повністю ємнісне навантаження при роботі на діапазоні 21 МГц).

При харчуванні антени 50-омних коаксіальним кабелем КСВ не перевищувало 2 на всіх трьох діапазонах.

Література

Автор: Б. Степанов (RU3AX); Публікація: www.cxem.net