Как улучшить параметры и уменьшить габариты антенны Волновой канал ? Применить П-образные элементы вместо стандартных линейныхОпубликовано: 04.09.2018 Как улучшить параметры и уменьшить габариты антенны Волновой канал? Применить П-образные элементы вместо стандартных линейных C момента изобретения в двадцатых годах прошлого столетия направленной антенны UDA-YAGI (она же В олновой К анал - ВК ) активный и пассивные элементы применялись почти исключительно линейной формы. С появлением компьютерных антенных моделировщиков началась эра применения антенных элементов «ломаной формы», таких как V-образных, П-образных, W- образных и других. По сумме достоинств (электрических и механических) наиболее перспективными являются элементы П-образной формы. Простые двухэлементные антенны из П-элементов под названием «прямоугольник Моксона –Себика» подробно рассмотрены в литературе, в том числе в новой книге [1], схемы и параметры трехэлементных были приведены в [2]. Как показывают расчеты, преимущества П-элементов в наибольшей мере проявляются в длинных многоэлементных антеннах. Покажем это на примере двух 4-х элементных антенн одинаковой длины, но с элементами разной формы.. В антенне А (рис.1) использованы три пассивных П-элемента и Т-образный активный, в антенне Б (рис.3) все элементы линейные. Применительно к диапазону 20 м расчетная длина антенны (длина бума) принята равной 8,3 м - это есть длина, при которой удается в полной мере использовать преимущества заданного количества П-элементов. Расчет антенн производился с помощью программы MMANA [3] применительно к свободному пространству на получение максимального коэффициента усиления Gh с учетом исходных требований – в полосе частот 14.0…14.3 МГц показатель F/B для каждой из антенн не должен опускаться ниже значения 20 дБ и КСВ быть не хуже значения 1,6 Антенна А рассчитывалась какпрактическая конструкция, средняя часть элементов длиной ℓср составлена из трубок диаметрами 30, 26 и 22 мм и боковые части длиной ℓбок из алюминиевого провода диаметром 4,4 мм (подробности в файле антенны UT1MA-4Пx20_8.3m ) Для фиксации боковых частей можно использовать диэлектрический леер, натянутый между концами трубочной части элементов (на рисунке показан пунктиром).На рис.2 показан вариант антенны А рог, отличающийся тем, что боковые части выполнены из трубки диаметром 18 мм – такая конструкция получается достаточно жесткой и не нуждается в применении леера. Размеры А рог несколько отличаются от исходного варианта, но параметры сохранились.
В антенне Б, поскольку она не представляетпрактического интереса, для упрощения приняты элементы диаметром 30 мм по всей длине. Расчетные значения основных параметров обеих антенн на частотах 14.00, 14.15 и 14.30 МГц показаны в таблице 1. Коэффициент усиления антенны А на средней частоте диапазона по сравнению с антенной Б больше на 0,75 дБ (!), при том что ни по одному из остальных показателей А также не уступает. Анализ ДН антенн показал, что антенне А соответствует более узкий вертикальный лепесток с θha = 80° против θhb = 96° у антенны Б, при одинаковой ширине горизонтального лепестка θе = 61° . А какой должна быть длина антенны В , также состоящей из 4-х линейных элементов, чтобы сравняться по усилению с антенной А ? После оптимизации получаем, что длина бума такой антенны должна вырасти на 3 м (!) и составить 11,3 м. Геометрические размеры антенны В показаны на рис.5, расчетные параметры помещены в таблицу 1 (питание через четвертьволновый трансформатор 37,5 Ом). Табл.1 Параметр Gh , дБд F /B , дБ КСВ Частота, МГц 14,00 14,15 14,30 14,00 14,15 14,30 14,00 14,15 14,30 Ант. А 6,8 6,95 7,1 21,6 25,3 22,6 1,4 1,11 1,54 Ант. Б 6,12 6,2 6,12 20,3 21,9 20,8 1,05 1,07 1,3 Ант. Бпр 6,21 6,31 6,40 22,1 26,2 23,4 1,02 1,01 1,09 Ант. В 6,75 6,97 7,22 19,7 20,3 20,6 1,52 1,14 1,77Дадим задание MMANA настроить антенны А. Б и В на максимальное усиление. Получается: Gmax А = 7,24 дБд при F/B = 12,8дБ , Gmax Б = 7,45 дБд при F/B = 9дБ и Gmax В = 7,84 дБд при F/B = 11,5 дБ. Усиление одиночного П-элемента меньше, чем у одиночного линейного на ~ 0,13 дБ, поэтому антенна А по величине Gmax и уступает двум другим ( зато имеет лучшую «предрасположенность» по параметру F/B). Понятно, что параметры антенны определяются величинами и фазами токов в пассивных элементах, т.е. их настройкой (длиной) и положением на буме.. Хорошо известно также, что настройка на получение максимального значения F/B, как правило, не совпадает с настройкой на максимальное усиление. Это положение в полной мере проявляется в антенне Б – её расчетное усиление на 1,25 дБ меньше GmaxБ. В антенне В эти настройки сблизились и усиление ощутимо выросло (меньше максимального на 0,87 дБ), но за это пришлось «заплатить» значительным удлинением антенны. А вот в антенне А настройка на высокий F/B = 25,3 дБ позволяет также получить и близкое к Gmax А усиление G = 6,95 дБ (разница всего 0,29 дБ). Вывод – применение П-элементов позволило максимально реализовать потенциальные возможности 4-х элементной антенны. Приведенные расчетные сравнительные данные, возможно, вызовут удивление у читателей, также как вначале приятно удивили автора этих расчетов. Насколько правильны эти результаты? Поиски в Интернете не выявили работ, касающихся рассматриваемой темы. Настоящую проверку можно произвести, сравнив работу антенн А , Б и В на полигоне или хотя бы в эфире, но для этого их нужно будет изготовить. И все же можно сказать, что практическая проверка П-элементов состоялась и прошла она на антеннах контестовой станции UP5G. Сергей UN9GC «со товарищи» ещё в 2004 г. сначала изготовили две трехэлементные антенны на диапазон 40 м. Результаты были хорошие и команда приступила к новому грандиозному проекту - рассчитали, сконструировали и изготовили 4-х элементную антенну на 80 м - MAGiC-480. За основу первоначально была взята электрическая схема антенны А ( рис.1),пересчитанная на частоту 3,75 МГц, затем расчет был уточнен под конкретные местные условия. Получилась антенна с рабочей длиной около 32 м, элементами размахом ℓср =29…34 м из труб диаметрами 120 мм в центре и 40 мм на краях и боковых частей из проволоки диаметром 4,5 мм. По оценкам пользователей, антенна работала очень хорошо, о чем свидетельствуют и спортивные успехи – первые места в мировых контестах. Здесь самый раз добавить, что если бы антенна была построена на линейных элементах (длиной по 39…43 м), для сохранения параметров как у MAGiC-480 бум пришлось бы удлинить метров ещё на 10…12 (!). Попробуем разобраться, почему антенна А превосходит по усилению антенну Б. Начнем с рефлектора – заменим в антенне Б линейный рефлектор на П-образный. Чертеж антенны Б п-р после небольшой подстройки приведен на рис.4, параметры в таблице 1. Можно отметить улучшение всех показателей, в том числе по F/B на 1,8..4,3 дБ. Для понимания этого эффекта рассмотрим очень кратко простую антенну, состоящую из П-рефлектора и линейного активного элемента (АЭ). При некотором расстоянии между элементами можно получить хорошее подавление в заднем секторе ДН ( F/B › 20дБ). Если применить вместо П-рефлектора линейный, максимальное подавление не превысит 11,5 дБ (в свободном пространстве). Причина в том, что при П-рефлекторе входное сопротивление АЭ на (20..30)% выше, чем при линейном, соответственно, ток АЭ будет меньше и сравняется с током в рефлекторе. Остается установить нужную фазу тока в рефлекторе…Можно применить вместо линейного АЭ П-образный (получится антенна Моксона) – эффект сохранится. При добавлении дополнительных элементов – директоров повышенное входное сопротивление АЭ сохраняется. Убедиться в этом можно, посмотрев на рисунки антенн. Рис.3 (ант. Б - линейная) – для получения Ra ≈ 50 Ом пришлось приблизить директор к АЭ на 1,2 м. Рис.4 (ант. Б пр) – директор отстоит на 1,45 м. И, наконец, рис.1 ( ант. А ) – директор отстоит от АЭ на 2,15 м, т.е. не создает искусственного повышения Ra и его местоположение оптимизировано на получение высоких параметров. Интересно проделать эксперимент – в антеннах Б , Б пр и А рассчитать F/B при отключенных директорах ( в MMANA поставить этим элементам нулевой радиус). Получаются соответственно значения 10,3, 12,5 и 15 дБ. Потенциальная возможность П-рефлектора «самостоятельно выдать» F/B около 20 дб, как видим, не используется, но и дополнительные 3..5 дБ оказываются очень кстати. Хотя бы потому, что «позволяют» в большей степени ориентировать настройку директоров на получение высокого усиления. Таким образом можно считать, что повышенное ( за счет использования П-рефлектора) входное сопротивление АЭ способствует получению высоких значений параметра F/B. Вместе с тем, если в четырехэлементной антенне оставить П-образными только оба директора (АЭ и рефлектор линейные) выигрыш над линейной антенной все равно сохранится, хотя и в меньшей степени. Сравнительный расчет большого количества антенн показал, что выигрыш от применения П-элементов сохраняется и в 6-7 элементных антеннах (хотя бы по параметру F/B). В качестве примера посмотрим как изменятся параметры известной шестиэлементной антенны - файл 6el20(nw3z_owa), если её линейный рефлектор заменить на П-образный – файл 6el20ПR(nw3z_owa). Расчет показывает, что после небольшой коррекции размеров двух ближайших к П- рефлектору элементов показатель F/B улучшился в пределах диапазона на 1,3…4,5 дБ, усиление выросло на 0,1 дБ, кривая изменения КСВ осталась практически без изменений. Хотя изменения невелики (учтем, что 3 дальних директора не подстраивались), но тенденция очевидна. Расчеты показали, что на диапазоне 20 м оптимальный размер средней части П-элемента около 7,7 м или ℓср опт ≈ 0,36λ, а на диапазонах 40 и 80 м приемлемым можно считать ℓср≥ 0,33 λ. В 4-х элементной антенне для диапазона 40 м в соответствии с принципом подобия ( и расчеты это подтверждают) замена линейных элементов на П-образные позволит уменьшить её длину на 5,5..6 м. Рассмотрим возможность создания многодиапазонной антенны на базе антенны А. Если использовать принцип, предложенный в [4], т.е. многодиапазонное использование каждого пассивного элемента за счет включения в его центре соответствующих катушки или конденсатора, можно получить антенну с отличными параметрами на диапазонах 20, 17, 15, 12 и 10м ( Ga = 7…8 дБд, F/B ≥ 20 дБ ). Но для этого потребуются 20…25 высокочастотных реле, поэтому на сегодняшний день такой вариант представляется сложным и неэкономичным. А вот двухдиапазонный вариант с применением всего одного реле в каждом пассивном элементе и 1..2 реле в активном представляется вполне реальным. В качестве примера рассмотрим 4-х элементный ВК на диапазоны 40 и 20 м. За основу взята антенна А в масштабе 2:1.Это большая антенна с элементами длиной 15,4 м и расстоянием между крайними элементами !6,6 м. В центре каждого пассивного элемента включен коммутатор, состоящий из одного реле типа В1В-1В и двух катушек. Катушка диапазона 20 м включена между половинами элемента постоянно, а на диапазоне 40 м реле включает параллельно вторую катушку. Схема коммутатора активного элемента дана на рис.6. Здесь можно использовать (в зависимости от мощности) или одно реле с двумя перекидными контактами (РЭН32, РЭН34) или два таких реле или три типа В1В. На диапазоне 40 м Rвх ≈ 50 Ом и питающий кабель соединен с АЭ напрямую (контакты К1 и К2 замкнуты, К3 – разомкнут). На 20 м АЭ соединяется с кабелем через трансформирующий двухполюсник из L20а, L20b и С20 (положение контактов – обратное). Все размеры антенны и её электрические характеристики можно получить из файла UT1MA-4П(40+20)_16m . Положение контактов реле имитируется нагрузками (перечень по кнопке «комментарии»), разомкнутому состоянию соответствует проходная емкость реле 0,8 пФ, замкнутому – 100000 пФ (устанавливается в зависимости от диапазона вручную). Основные параметры (высота над землей 41 м): 1 Диапазон 7,0..7,2 МГц Ga = 14,0..14,4 дБд, F/B = 28.2..23,4..20,8 дБ, КСВ 1,5..1,2..1,95 2 Диапазон 14,0..14,3 Ga = 14,9..15,6 дБд, F/B = 20,9..22,5..17,8 дБ, КСВ 1,35..1,02..1,6Вершиной такого двухдиапазонного построения , дающего максимальную экономию, может быть антенна на 80 и 40 м. Здесь этот вариант не рассматривается, как недоступный подавляющему большинству читателей. Цель этой статьи – обратить внимание радиолюбителей и специалистов на перспективы применения элементов «ломаной формы» в многоэлементных антеннах ВК. Литература Гончаренко И. Антенны КВ и УКВ ч. 4 Направленные антенны Москва 2007 Гуткин Э. Волновой канал для НЧ диапазонов http://www.cqham.ru/ut1ma_8.htm Гончаренко И. Антенны КВ и УКВ ч.1 Компьютерное моделирование MMANA Гуткин Э. Трехдиапазонный директорный элемент новой конфигурации http://www.cqham.ru/ant29_42.htmЭ. Гуткин UT1MA |
