У даній статті розглядаються практичні питання налаштування і конструктивного виконання антени "квадрат".
Налаштування
На самому першому етапі налаштування необхідно симметрировать і узгодити фідер і вібратор "квадрата".
Для двохелементних антен з відстанню між елементами 0.2 L при живленні 75-омних коаксіальним кабелем найбільш популярним є застосування високочастотного трансформатора на феритовому кільці. Схеми і конструкції таких трансформаторів неодноразово публікувалися в літературі. Слід лише нагадати, що трансформатори повинні мати достатній зазор між витками дроту (2-3 мм), ізольованого від сердечника, і бути захищені від вологи.
Для трьох - і чотириелементних антен з вхідним опором менше 50 Ом (тобто, коли опір фідера перевищує вхідний опір) найбільш ефективно симетрування й узгодження із застосуванням настраивающейся лінії - гамма-узгоджувального пристрою. Зразкові вихідні дані таких пристроїв наведені в табл. 1. Діаметр дроти лінії може бути взятий таким же, як і для рамки випромінювача (1,5-2,5 мм), відстань між проводами рамки і лінії - в межах 5-10 див.
Діапазон, МГц
Довжина
лінії, см
Ємність
конденсатора, пФ
14
90
100
21
70
75
28
45
50
Для кожного діапазону бажано мати окремий живильний кабель зі своїм узгоджувальних пристроєм, так як різні комбінації, ускладнюючи налаштування, не дозволяють отримати хорошого узгодження на всіх діапазонах.
Для налаштування антен радіоаматорові необхідно мати наступні прилади: вимірювач КСВ, генератор, півхвильовий диполь, короткохвильовий приймач з лінійним індикатором сили сигналу, аттенюатор з загальним загасанням до 50 дБ і перемиканням ступенями через 3 дБ.
Налаштування антени треба починати з визначення робочої частоти системи в цілому. Для цього в розрив живлячої фідера включають вимірювач і вимірюють КСВ по діапазону через кожні 50 кГц. За даними вимірювання будують графік і по мінімальному значенню визначають частоту настройки. Зміною довжини вібратора переміщують мінімум КСВ на задану частоту. Для антен, що мають гамма-узгоджувальні пристрої, можна змінювати частоту в межах ±30 кГц зміною довжини согласующей лінії і ємності конденсатора. Налаштування на задану частоту можна виконувати на невеликій висоті (1-2 м) від землі (даху), взявши поправку по частоті (мінус 75 кГц для 14 МГц і пропорційно - для інших діапазонів). Після цього, піднявши антену на робочу висоту, необхідно ще раз перевірити КСВ за кожного діапазону. При правильному налаштуванні КСВ повинен бути близько одиниці на заданій середній частоті кожного діапазону. На краях діапазону він буде підвищуватися, причому тим більше, чим більше елементів має антена: двухэлементного "квадрата" в діапазоні 14 МГц - до 1,2-1,3, трехэлементного - до 1,5-1,6, четырехэлементного - до 1,8-2. Це пояснюється тим, що по мірі збільшення числа елементів система стає більш вузькосмугової. Тому ж, до речі, оптимальні характеристики, отримані на робочій частоті, будуть погіршуватися при розладі по діапазону. Остання обставина більш істотно, ніж збільшення КСВ, яке призводить лише до зростання втрат потужності в фідері, мають невеликі величини.
Після налаштування антени на задану частоту можна приступити до другого етапу - налаштування пасивних елементів, тобто до отримання діаграми спрямованості. Слід зазначити, що від цієї роботи залежить якість антеною системи. Тому радіоаматор не повинен зупинятися на перших задовільних результатах і довести налаштування до отримання найвищих характеристик.
Цей етап починають з установки рефлектора за максимального придушення випромінювання назад. Для цього на відстані не менше 2L на висоті, що дорівнює висоті центру антени, встановлюють горизонтальний напівхвильовий вібратор (при горизонтальній поляризації "квадрата"), до якого підключають генератор, налаштований на робочу частоту. До вібратора "квадрата" підключають приймач. Направивши "квадрат" рефлектором на генератор, переміщують перемичку короткозамкненого шлейфу рефлектора, досягаючи найменшого значення сигналу в приймачі.
При налаштуванні двохелементних антен після цього перевіряють зміна КСВ по діапазону. Аналогічним чином налаштовують антену на інших діапазонах, після чого перевіряють настройку рефлектора і зміна КСВ, починаючи з першого діапазону. Таку серію послідовних підстроювань треба виконувати, поки зміни параметрів при кожній підстроюванні перевищують точність вимірювань.
На закінчення знімають діаграму спрямованості і визначають відношення випромінювань вперед/назад на робочих частотах кожного діапазону. Остаточно діаграму краще всього зняти за сигналами радіостанцій, що знаходяться у двох зонах: ближньої (до 10-15 км) і дальній (800 - 2000км).
Таким же шляхом налаштовують трьох-і четырехэлементные антени. Директор (директори) налаштовують по максимальному сигналу на індикаторі виходу приймача, розгорнувши "квадрат" на генератор. Слід мати на увазі, що параметри директора (директорів) не так різко виражена, як налаштування рефлектора, тому вимагає більшого часу і уваги.
Для скорочення часу корисно використовувати пристрій для дистанційного переміщення перемичок короткозамкнених шлейфів, запропоноване Ст. Бегуновым (UW3HY). див. "Радіо", 1975. №7, с. 11.
Слід застерегти малодосвідчених коротковолновиков, що займаються настройкою спрямованих антен вперше, від визначення характеристик за оцінками сигналу іншими радіоаматорами. Справа в тому, що при такій оцінці важко врахувати вплив низки об'єктивних і суб'єктивних факторів, які в кінцевому підсумку можуть призвести до помилкових висновків. Якщо ж прийнято рішення провести експеримент, треба переконатися, що: проходження радиоволи не відрізняється якимись аномальними явищами і в обох пунктах один і той же час доби (виключаючи сутінки); поляризація антен однакова; кореспондент має можливість вимірювати сигнал на лінійному ділянці свого приймача і індикатора виходу, а методика вимірювань не відрізняється від загальноприйнятої; отримані повторювані результати.
Щоб виключити хоча б частину суб'єктивних причин, краще всього паралельно перевіряти характеристики антени в режимі прийому.
Подібна методика може бути використана для найпростішої настройки антени - двухэлементного "квадрата". При такій настройці набирають статистичні дані по вимірюванню відносини випромінювань вперед/назад в режимі прийому різних станцій, що працюють поблизу робочої частоти, при різних довжинах короткозамкненого шлейфу рефлектора і визначають його оптимальну довжину. На радіостанції UA3CT цей метод був перевірений і дав добрі результати. Однак для отримання достовірних результатів довелося виконати велику "кількість вимірювань при відстані до кореспондентів від 800 до 2000 км. Кожна точка наносилася на графік після усереднення. Вимірювання виконувалися через кожні 10 см довжини шлейфу рефлектора, а поблизу від максимального значення відносини випромінювань вперед/назад - через 3-5 див.
Для антен, що мають більше двох елементів, цей метод непридатний, так як вловити зміни сигналу за випадковим станціям при налаштуванні директора неможливо.
Варіанти "квадратів"
Наведемо кілька практичних схем антен з короткими коментарями, надавши рішення конструктивних питань самим радіоаматорам а залежно від їх можливостей.
Оскільки двухэлементный "квадрат" широко поширений і по ньому є багато публікацій (як в СРСР, так і за кордоном), ми вважаємо недоцільним приводити вже відомі варіанти антени. Обмежимося розглядом двоелементної антени на 14 МГц з активним харчуванням рефлектора, яка була вперше створена авторами, випробувана в 1968 році на радіостанції UA3CT і викликала інтерес у багатьох радіоаматорів. Принцип роботи цієї антени полягає в тому, що струм живлення рефлектора зрушений по фазі щодо струму живлення вібратора на кут, при якому виходить нан. більше випромінювання енергії у бік головного напряму і найменше - в протилежному напрямку.
Антена схематично зображена на малюнку. Відстань між елементами одно 0,2 L. Рефлектор і вібратор з'єднані відрізком коаксіального кабелю, довжина якого і противофазное включення в рамки забезпечують необхідний зсув фаз. (Про розрахунок фазозсувної лінії для антени з активним харчуванням рефлектора розказано в статті "Антена з активним рефлектором" в журналі "Радіо". 1968, №9. с. 17). До коаксіальному кабелю в точно розрахованій точці підключений живить фідер.
Для узгодження з вхідними опорами рамок використані гамма-узгоджувальні пристрої, встановлені в їхніх нижніх кутах. Ці пристрої мають декілька незвичайний вигляд. З обох боків до рамки підключені за два короткозамкнених шлейфу шириною 12-15 см. До середини перемички одного з шлейфів рефлектора приєднаний провід, який, проходячи через ізоляційні розпірки паралельно проводах шлейфу, через конденсатор С1 з'єднує перемичку з центральної житлової коаксіальної лінії. Таким чином, але противофазно, підключений вібратор.
На робочу частоту антену налаштовують підбором довжини шлейфів вібратора, мінімального КСВ домагаються за допомогою двох гамма-узгоджуючих пристроїв, а максимального придушення випромінювання назад - підбором довжини шлейфів рефлектора і довжини коаксіальної лінії. Треба зазначити, що налагодження такої антени вимагає великих навичок, терпіння і часу.
Після налаштування антени були отримані наступні характеристики: посилення-12 дБ, ставлення випромінювань вперед/назад-30 дБ, відносин випромінювань вперед/вбік - більше 30 дБ, придушення задніх пелюсток - на 20 дБ нижче основного, КСВ на робочій частоті (14150 кГц) - 1,02.
Серед трьохелементної квадратів найбільш вдала конструкція, створена радянським радіоаматором А. Ф. Камалягиным (UA4IF). Антена розрахована для роботи на діапазонах 14 і 21 МГц. Конструктивні дані антени приведені в табл. 2. Її вхідний опір - близько 50 Ом на кожному діапазоні, тому в якості фідера можна застосувати 50-омний кабель, підключивши його до рамки безпосередньо або (краще) через сімметрірующій трансформатор. Можна застосовувати і 75-омний кабель, але з гамма-согласующим пристроєм. Фідер для кожного діапазону окремий.
Автор конструкції
Частота
налаштування,
МГц
Вібратора
Довжина рамки, м
Відстань, м
Рефлектора
Директора
Вібратор-
рефлектор
Вібратор-
директор
14.2
21.48
22,2
20.72
4
UA4IP
21,2
14,32
15.2
13.84
3
2.6
14.2
21.62
22,56
20.48
WA7NFH
21.2
14.4
15,12
13,68
3.05
1.83
28,3
10,76
11,28
10,24
14.2
21,48
21.84
20,68
VE7DG
21.2
14.2
14,6
13,8
2.4
3,6
Антена має наступні розрахункові характеристики: посилення відносно ізотропного випромінювача - 11,5 дБ на 14 МГц і 12 дБ на 21 МГц; ставлення випромінювань вперед/ назад - близько 30 дБ на обох діапазонах; ставлення випромінювань вперед/вбік - більше 35 дБ на обох діапазонах; КСВ на робочих частотах - близько 1.
Наступна антена, яка, на наш погляд, заслуговує уваги, - трьохелементний "квадрат" на три діапазони, побудований американським радіоаматором WA7NFH. Її дані наведені в табл. 2.
Вхідний опір такої антени на всіх діапазонах менше 50 Ом, тому доцільно застосування гамма-узгоджувального пристрою. Автор застосовував спеціальний трансформатор на феритовому кільці, що забезпечує узгодження рамок всіх діапазонів (КСХ=1) з одним 50-омних коаксіальним кабелем. Антена має досить хороші характеристики на діапазонах 21 і 28 МГц, задовільні - на діапазоні 14 МГц і дуже компактні розміри (довжина траверси - всього 4,88 м).
Параметри антени WA7NFH, визначені розрахунковим шляхом, відповідно на 14, 21 і 28 МГц такі: посилення відносно ізотропного випромінювача-10, 11,5 і 12 дБ, ставлення випромінювань вперед/назад - 27, 30 і 28 дБ.
Остання трьохелементна антена "квадрат", яку, ми вважаємо, слід показати (в якості негативного прикладу),-це трьохелементний "квадрат" на 14 і 21 МГц, побудований канадським радіоаматором VE7DG (див. табл. 2).
Автор антени переплутав місцями рефлектори і директори, тому на діапазоні 14 МГц ставлення випромінювань вперед/назад складає всього 15 дБ. на 21 МГц-25 дБ.
З чотириелементних антенних систем типу "квадрат" найбільшою популярністю користується антена WOAIW з однаковою відстанню між елементами (3,05 м), розрахована для роботи на 14, 21 і 28 МГц (див. табл. 3). Її вхідний опір на діапазонах 14 і 21 МГц - близько 50, на діапазоні 28 МГц - близько 40 Ом. Автор пропонує безпосереднє включення 50-омного кабелю на 14 і 21 МГц, а на 28 МГц-через відрізок довжиною 175 см 75-омного коаксіального кабелю.
Частота
налаштування
Вібратора
Довжина рамки, м
Рефлектора
Директорів
14,25
21,4
22
21,08
21,2
14.44
14,84
14,16
2 8,6
10,64
10.96
10,24
Антена має оптимальні характеристики на 21, хороші-на 28 і задовільні-на 14 МГц. Однак ці "задовільні" характеристики порівняти з оптимальними характеристиками трехэлементного "квадрата". Це, а також симетрична конструкція дуже проста - ось, очевидно, причини великої популярності антени W0AIW серед радіоаматорів. Слід відзначити ще потенційну можливість цієї антени: на ній можна розмістити двухэлементный "квадрат" на 7 МГц з відстанню між елементами 0,2 L.
Перелік варіантів "квадратів" можна було б продовжувати (розроблені конструкції п'яти - і шестиэлементных антен), але, нам здається, в цьому немає необхідності, так як основні висновки і рекомендації, до яких прийшли автори в результаті експериментів і розрахунків, досить добре проілюстровані.
Література
- К. Ротхаммель. Антени. М.. "Енергія", 1969.
- I. Ікгепуі. Amaterske kratkovol-nove antenny. Bratislava, 1972. W. 0 r r. All about qublcal quad antennas. Radio publications Inc.. Wilton, 1959.
- R. Fitz. Yagi vs quad. "QST", 1966. №11.
- J. Lindsay, Jr. Quads and yagls. "QST". 1968, №5.
- J. Parгоtt, Jr. Quad vs triband yagi. "QST". 1972, №2.
- Ст. Бекетов, К. Харченко. Вимірювання та випробування при конструюванні м регулюванню радіоаматорських антен. М.. "Зв'язок", 1971.
- А. А. Пістолькорс. Антени. М., Связьиздат. 1947.
- Р. 3. Айзенберг. Короткохвильові антени. М.. Связьиздат, 1962.
- С. В. Надененко. Антени. М.. Связьиэдат, 1969.
- А. Снесарев. Антена з активним рефлектором. "Радіо", 1968. №9, с. 17.
- Ст. Бігунів. Шлейф для дистанційної настройки антени. "Радіо", 1975. №7. с. 11.
- Радіо №7, 1976 р.
Публікація: www.cxem.net