Двухэлементная Delta Loop
Читать дальше
Простая, но довольно эффективная УКВ антенна имеет диаграмму направленности в форме «восьмерки» и представляет согнутый дипольный излучатель («рогатку»), длина каждой половинки которого составляет ЗАУ4. Размеры антенны, указанные на рисунке, — примерные. Точная длина излучателя зависит от материала и диаметра используемого провода (или труб) и подбирается при настройке. Для расширения рабочей полосы частот желательно применять излучатель диаметром 10 мм и более.
На рис.1 показана антенна, сконструированная WF1B в соответствии с вышеизложенной концепцией. Ее длина равна приблизительно Х/8. Однако настройка этой антенны осуществляется точно так же, как и настройка укороченной резонансной антенны в виде четвертьволнового вибратора, т.е. с помощью верхней «удлиняющей» катушки L1 и согласующей/«удлиняющей» катушки L2. Верхняя часть системы длиной приблизительно 1,8 м (секция А) имеет форму трехпроводной «шапочки» для L1. Верхняя катушка обеспечивает достаточную индуктивность для резонанса антенной системы на частоте приблизительно 2,5 МГц. Нижняя катушка L2 обеспечивает недостающую величину индуктивности для резонанса антенны во всем 160-метровом диапазоне. На катушке L2 имеется также отвод возле заземленного конца антенны, с помощью которого обеспечивается согласование антенной системы с 50-омной коаксиальной линией передачи. Чем больше площадь «шапочки» и диаметр провода для секции В антенны, тем шире диапазон рабочих частот антенны.
Когда секция В была изготовлена из провода 01,0 мм, рабочая полоса частот антенны по уровню КСВ=2 составила 145 кГц, а в другой антенне, в секции В которой использовался провод 01,6 мм, диапазон рабочих частот антенны расширился до 165 кГц. Вполне возможно, что добавление третьего (центрального) проводника в секцию В позволит еще больше расширить диапазон рабочих частот. Подобный конструктивный вариант ждет своих исследователей.
Вообще-то, принцип многопроводной проволочной антенны, изображенной на рисунке, сам по себе отнюдь не нов. Так, на заре радиосвязи симметричная антенна с вибраторами в виде системы тонких проводов использовалась сплошь и рядом и была скорее правилом, чем исключением из него. Ширина рабочего диапазона частот регулировалась установкой нескольких параллельных проводов.
На рис.2 приведена соответствующая электрическая схема рассматриваемой антенной системы. Cq — это распределенная емкость катушки L1. Чем больше емкость, тем меньшее число витков требуется для катушки и, следовательно, тем ниже потери в ней.
Работа четвертьволнового вибратора в немалой степени зависит от зеркального «образа» системы, который формируется в «земле». Иными словами, чем лучше система заземления, тем эффективнее функционирует сама ан+енна. В идеале, для четвертьволновой антенны требуется 120 противовесов, длина каждого — XIА. Чаще всего изготовить такую систему заземления невозможно, но настоятельно рекомендуется в целях получения оптимальных рабочих характеристик антенны использовать как можно больше противовесов. В частности, WF1B оставил 20 проводов на поверхности земли, а еще два заземляющих металлических прутка длиной приблизительно по 1,8 м были вкопаны в землю в непосредственной близости от точки подключения коаксиального кабеля.
Не стоит отчаиваться, если невозможно разместить полноценную систему заземления — один полноразмерный противовес и несколько закопанных металлических прутков могут обеспечить вполне удовлетворительные рабочие характеристики антенны. Кроме того, трубопровод холодной воды тоже можно задействовать в качестве одного из элементов системы заземления.
На рис.3 показана верхняя часть конструкции описываемой антенны. Изоляционные распорки должны быть прочными и легкими. В первой антенне WF1В использовал распорки из ПВХ-труб диаметром 25 мм. Катушки L1 и L2 (рис.1) мотались на ПВХ-трубках диаметром 50 мм. Правда, диэлектрические параметры ПВХ-труб при работе с высоким ВЧ напряжением могут оказаться посредственными, да и общий вес антенной системы с такими трубами получается довольно внушительным. Тем не менее, WF1B утверждал, что антенна работала без всяких замечаний даже при выходной мощности передатчика 600 Вт.
В другой антенне WF1В использовал прочные тонкостенные трубки из полистирена наружным диаметром около 20 мм, а для изготовления катушек L1 и L2 воспользовался прочной полистиреновой трубкой наружным диаметром 50 мм.
Словом, проблем с выбором материала быть не должно. Зато перед радиолюбителем может встать другая проблема. Как прикрепить провода к изоляционным распоркам максимально прочно и надежно? Наиболее простой способ — воспользоваться пружинящими алюминиевыми наконечниками на каждом проводе, которые закрепляются в верхней и нижней части распорок, как показано на рис.3. Вместо наконечников также можно применить отрезки медных трубочек.
На рисунке видно, что три провода соединяются между собой только в верхней части.(на конце изолятора). В секции В два провода соединяются между собой непосредственно под распоркой и подключаются к выводу катушки L1, которая удерживается на месте с помощью центрального провода, подключенного к «шапочке».
Индуктивность катушки L1 составляет 80 мкГн, ненагруженная добротность — 110. Длина обмотки — 100 мм (намотка — виток к витку) эмалированного провода 01,6 мм, намотанного на каркасе с внешним диаметром 50 мм. Для защиты катушки от грязи и влаги она покрывается сверху двумя слоями поли-уретанового лака.
На рис.4 показана нижняя часть антенны. Катушка L2 может быть закреплена на нижней изоляционной распорке с помощью двух длинных винтов. Каждый винт следует согнуть под углом 90° непосредственно у самой головки. Разумеется, есть и другие способы крепления и установки катушки — все зависит от конкретной конструкции антенны.
Максимальная индуктивность катушки L2 — 30 мкГн, ненагруженная добротность—150. Обмотка состоит из 42 витков эмалированного провода 01,6 мм на каркасе с внешним диаметром 50 мм, намотка — виток к витку.
Отвод для подключения 50-омно-го кабеля делается от 5-го витка (считая от нижнего вывода катушки). Для защиты от атмосферных осадков вся катушка покрывается двумя слоями полиуретанового лака.
Коаксиальный 50-омный кабель подключается к нижнему выводу катушки L2 и к отводу. Открытый конец кабеля следует загерметизировать, чтобы внутрь него не попадала грязь и влага. Для этой цели можно воспользоваться эпоксидной смолой или ВЧ герметиком.
На рис.5 показаны некоторые подробности изготовления отвода катушки L2. Катушка намотана эмалированным проводом 01,6 мм, намотка — виток к витку. В том месте, где делается отвод, с проволоки снимается слой эмали. Потом к зачищенной поверхности проволоки припаивается контактный лепесток, который предварительно плотно обжимается вокруг проволоки, а затем закрывается изоляционным материалом (например, кусочком пергаментной бумаги, предварительно пропитанной минеральным маслом, трансформаторной бумагой или кусочком фторопластовой ленты). Это предотвращает от возможного замыкания обмотки в данной точке катушки.
При настройке антенны придется подбирать индуктивность катушки L2, и лучше всего использовать на этом этапе катушку переменной индуктивности (вариометр). Двухдиапазонный вариант конструкции антенны
У каждого изобретателя есть свои задумки, однако все как-то «не доходят руки», чтобы воплотить их в жизнь. Вот и у WF1B была такая задумка — двухдиапазонная антенна на диапазоны 160 и.80 м (рис.6). Конструкция и размеры антенны остаются практически без изменений — только добавляется наружная пара проводов, которая образует излучатель диапазона 80 м. Каждый провод имеет длину приблизительно 15,5 м. Провода подключаются к удлиняющей/согласующей катушке L3. Для того чтобы обеспечить дистанционный переход из 160-метрового диапазона на 80-метровый, потребуются два реле — К1 и К2. Желательно, чтобы контакты реле были рассчитаны на ток не менее 10 А.
Если пойти дальше, то можно сделать антенну, которая будет работать и в диапазоне 40 м. Для этого необходимо подключить третий провод, закрепив его прямо по центру системы. Фактически, многопроводная система позволит перекрыть все любительские KB диапазоны. Правда, в этом случае усложняется система коммутации удлиняющих/ согласующих катушек, подключаемых к дополнительным излучателям. Для их коммутации можно воспользоваться галетным переключателем, установленном в герметичном корпусе. Единственное неудобство состоит в том, что всякий раз, когда требуется переключить антенну с одного диапазона на другой, придется добираться до точки подключения коаксиального фидера, где должен быть установлен переключатель.
По-видимому, проще всего установить «коротышку» в виде слопера (рис.7). Правда, при такой установке вертикальная составляющая излучения под малым углом выражена менее явно, чем при строго вертикальной установке.
Опорной мачтой для антенны может стать дерево или любой другой непроводящий объект.
Для того чтобы антенна не скручивалась, ее надо стабилизировать (закрепить), развернув веером нижние оттяжки. WF1B использовал два отрезка провода, закрепив их в земле на расстоянии приблизительно 1,5 м друг от друга. Такое крепление достаточно прочное и позволяет удерживать антенну туго натянутой. Даже сильные ветры не повредили конструкцию. Полистире-новые распорки и катушки перенесли летнюю жару и зимние стужу без видимых следов коррозии и деформации.
Приступая к настройке антенны, индуктивность катушки L2 следует сделать несколько больше, чем требуется. Это обеспечивает определенный запас по индуктивности в процессе настройки на необходимую резонансную частоту.
Определить резонансную частоту системы можно с помощью ГИРа, поднесенного к нижнему выводу катушки L2. Обратите внимание на то, что в этом случае коаксиальный кабель не должен быть подключен к отводу катушки L2, иначе резонансная частота системы, скорее всего, будет определена неверно.
Самый простой способ настройки антенной системы — установить КСВ-метр рядом с катушкой L2, подать сигнал с трансивера и, изменяя индуктивность катушки L2, добиться в коаксиальном фидере КСВ=1 на требуемой частоте. Расположение отвода в данной конструкции антенны обеспечивает входное сопротивление антенны, близкое к 50 Ом, но, возможно, в отдельных случаях потребуется подобрать положение отвода. Ведь оно зависит как от конструкции катушки L2, так и от многих других факторов (сопротивления системы противовесов, проводимости земли, влияния окружающих предметов и т.д.).
Антенна работает достаточно эффективно как с DX, так и при проведении радиосвязей с местными радиолюбителями. Сравнение ее с Г-образной антенной длиной ЗА./8 (вертикальная часть имеет длину приблизительно 15 м) показало, что обе антенны работают практически одинаково. Правда, в отдельные моменты времени и на отдельных дистанциях «коротышка» уступала Г-образной антенне, но это вполне ожидаемый результат.
Можно ли расширить рабочую полосу частот «коротышки»? Да, для этого достаточно с помощью реле менять индуктивность катушки L2, в верхней части которой потребуется подобрать место расположения отвода при настройке антенной системы для работы в высокочастотном участке диапазона 160 м. В частности, резонансные частоты можно выбрать равными 1850 и 1950 кГц. При этом положение отвода в нижней части катушки L2 (для согласования с коаксиальным кабелем) не изменяется.
«Коротышка» может быть вдвое меньше, если требуется вертикальная антенна для работы в диапазонах 80, 40 или 30 м. Такая сравнительно небольшая антенна на очень популярные диапазоны особенно удобна для радиолюбителей, проживающих в городских «многоэтажках», или для любителей проведения радиосвязей «на природе», да и вообще для всех, у кого возникают проблемы, где и как установить полноразмерную антенну.
По материалам статьи «How to Build a 160-Meter „Shortie“», опубликованной в журнале QST, ноябрь 1986 г.
В конце 2009 г. Валдек, SP7GXP, сконструировал укороченную вертикальную антенну на популярный диапазон 80 м. Конструкция состоит из вертикального штыревого излучателя, установленного на опорном изоляторе и в верхней части разделенного вторым изолятором. К излучателю подключена дельтообразная рамка, а ниже опорного изолятора в качестве противовеса располагается полуволновой диполь.
Размеры перечисленных элементов конструкции антенны составляют:
Рамка должна быть отведена в сторону от вертикального излучателя. Кроме того, она служит двумя оттяжками верхней части излучателя. Длина коаксиального кабеля RG-58U — не менее 26,5 м.
Этапы настройки антенны с помощью трансивера и КСВ-метра:
Чтобы антенна перекрывала весь диапазон (CW- и SSB-участки, т.е. от 3,5 до 3,8 МГц), можно использовать 3 катушки с переключателями для получения соответствующих резонансных частот антенны. Катушки устанавливаются у опорного изолятора и к двум из них подключаются плечи диполя (противовеса), а к третьей — вертикальный излучатель. Число витков катушки подбираем экспериментально — в зависимости от участка диапазона.
Во время монтажа антенны следует придерживаться следующих правил. Если крыша или поверхность, на которой устанавливается антенна, не позволяют растянуть полноразмерный диполь по прямой линии, можно попробовать загнуть его концы («скрутить»), обязательно придерживаясь требования соблюдения необходимой высоты установки (не менее 2 м).
Для соблюдения правил безопасной эксплуатации антенны следует концы диполя, заканчивающиеся изоляторами, удалять от металлических предметов (например, ограждения, металлической стены и т.д.). Нельзя применять никакие «земляные» противовесы либо лежащие на земле! При монтаже антенны на земле нижняя часть, ниже опорного изолятора, должна иметь контакт с землей, а при монтаже на крыше необходимо соединить эту часть антенны (ниже изолятора) с молниеотводом.
По материалам статьи «Vertical 80 т SP7GXP», опубликованной в журнале «Swiat Radio», №3/2010.
Подготовил А.Артюшин, EU10A.
Легко повторяемая, простая вертикальная УКВ антенна с круговой диаграммой направленности, работающая в популярных диапазонах, требуется многим радиолюбителям. Особенно такая антенна актуальна в условиях, когда штатная спиральная антенна «хэндика» не позволяет устанавливать радиосвязи с требуемыми корреспондентами.
В описываемой антенне отсутствуют сложные механические узлы, поэтому изготовить ее могут даже начинающие радиолюбители.
Рассмотрение принципа работы двухдиапазонной антенны лучше всего начать с вертикального полуволнового диполя. В этой антенне концы открыты, в них протекает минимальный антенный ток, а максимальный ток течет в центре излучателя (рис.1). Когда дипольная антенна находится в резонансе, ее полное входное сопротивление является чисто активным (омическим) и составляет приблизительно Z = (75 + jO) Ом. Диаграмма направленности диполя 2-метрового диапазона, размещенного на высоте 10 м над землей, показана на рис.2.
Для дальнейших рассуждений имеют значение два фактора. Во-первых, размеры излучателя можно изменять различными способами. Укорочение диполя уменьшает его активное сопротивление и создает дополнительно емкостную компоненту (реактивное сопротивление) полного входного сопротивления антенны. Так, при укорочении диполя на 10% компьютерная модель антенны, рассчитанная для 2-метрового диапазона, показывает полное входное сопротивление Z = (50 — j90) Ом. Компенсируем емкостную компоненту последовательным включением индуктивности 98 нГн в цепь питания диполя, и этот укороченный излучатель будет довольно хорошо согласован с 50-омным коаксиальным кабелем.
Второй способ изменения полного сопротивления диполя состоит в перемещении точки питания от центра к одному из концов излучателя. При этом омическое сопротивление увеличивается, а излучатель по-прежнему остается в резонансе. Если точку питания переместить таким образом, чтобы полное сопротивление получилось Z =(100 — j0) Ом, то антенна может быть подключена к 50-омному кабелю посредством Х/4 коаксиального резонатора, выполненного из 75-омного коаксиального кабеля. В табл.1 обобщены рассмотренные выше случаи для диполя диапазона 2 м, выполненного из трубки 010 мм и размещенного на высоте 10 м над землей.
Однако чтобы сконструировать излучатель, пригодный для работы в диапазонах 2 м и 70 см, необходимо рассмотреть и другие варианты антенн. Так, вертикальный излучатель длиной 5AY8 имеет максимум излучения под низкими углами к горизонту. Кроме того, активная (омическая) составляющая полного входного сопротивления этой антенны близка к 50 Ом. Пожалуй, все это, а также простота конструкции способствовало большой популярности антенны 5Х/8 среди радиолюбителей.
Естественно, такой вертикальный излучатель используется с некоторым числом горизонтальных противовесов. Компьютерное моделирование показывает, что эти противовесы можно заменить отдельным, вертикально установленным элементом длиной 5X18. В итоге, для такой антенны, работающей в диапазоне 70 см, компьютерное моделирование показывает, что при длине излучателя 2x397 мм, выполненного из трубки 010 мм, полное входное сопротивление составляет Z= (50 — j217) Ом при коэффициенте усиления 2,6 дБ относительно полуволнового диполя. На рис.3 показано распределение тока в таком излучателе, а на рис.4 — его диаграмма направленности.
Компенсация емкостной составляющей входного сопротивления легко достигается последовательным включением индуктивности в цепь питания антенны. В итоге, обеспечивается хорошее согласование с 50-омным коаксиальным кабелем.
Интересно отметить, что длина такого излучателя — 2x397 мм — не слишком далека от размеров описанного выше укороченного излучателя 2-метрового диапазона (2x440 мм), имеющего полное сопротивление Z = (50 — j90) Ом. Таким образом, имеется возможность сконструировать одну антенну, которая будет работать в диапазонах 2 м и 70 см.
При выборе ее размеров был найден компромисс между следующими требованиями:
— размеры элемента для диапазона 70 см должны быть как можно ближе к оптимальной длине — 2*5a/8;
— активная (омическая) составляющая полного входного сопротивления антенны для обоих диапазонов должна быть около 50 Ом;
— реактивная емкостная составляющая полного входного сопротивления антенны в диапазонах 2 м и 70 см должна находиться в соотношении 1:3 для ее компенсации с помощью только одной катушки индуктивности.
На рис.5 показана разработанная двухдиапазонная антенна, удовлетворяющая указанным выше требованиям, а в табл.2 приведены данные, характеризующие параметры антенны при различном конструктивном исполнении.
Катушка с начальной индуктивностью 172 нГн имеет 4 витка 2-миллиметровой медной или серебряной проволоки, намотанной с шагом на оправке 010 мм.
Как известно, индуктивность бескаркасной катушки, намотанной виток к витку, рассчитывается по формуле (формула верна при условии, что L > 0,33D):
При настройке антенны добиваются минимального КСВ в кабеле путем растягивания или сжатия витков катушки. Здесь необходимо отыскать компромисс между оптимальным КСВ для диапазонов 70 см и 2 м.
Улучшить согласование антенны с 50-омным коаксиальным кабелем позволяет изменение формы излучателя — небольшое отклонение верхнего и нижнего элементов излучателя примерно на 25° от вертикали (т.е. придание излучателю V-образной формы). Более того, в этом случае диаграмма направленности антенны имеет явно выраженный максимум излучения, что в некоторых случаях может быть весьма полезно. Такую антенну можно закрепить нё стене дома или на балконе.
По материалам статьи «EinfacherDuoband-Vertikalstrahler fur 2 т und 70 cm», опубликованной в журнале «Funkamateur, 2007, №1.