Qubical Quad 14 – 28 MHz

Многодиапазонный двойной квадрат 14 – 28 MHz

Постановка задачи

О многодиапазонных двойных квадратах уже столько писано, что возвращение к этой теме выглядит странным. Тем не менее, иногда полезно всмотреться в давно известное и подумать как его можно сделать лучше.

Данная статья не описание готовой антенны. Это пока (на декабрь 2020 г) только проект. Так еще никто (включая меня) не делал. Сезон неподходящий. Но, полагаю, в теплое время года попробовать стоит.

К теме. Недостатки традиционных многодиапазонных двойных квадратов, вынудившие взяться за новое проектирование:

  1. Очень много проволоки из-за отдельных рамок на каждый диапазон. Что кроме денег (медный провод нынче дорог) тянет за собой еще и вес. А, следовательно, еще и повышенную нагрузку на несущую конструкцию, вынуждая делать ее более прочной и дорогой.

  2. Трудности настройки. И до рефлекторов и до вибраторов приходится акробатически тянуться вбок от конца мачты. Что не прибавляет ни безопасности, ни удобства.

  3. Нерациональное расходование объема антенны. Например, т.к. на 28 MHz работают только рамки этого диапазона, то на этом диапазоне используемся лишь 1/8 объема антенны. Все остальное не только не используется, но даже мешает, ухудшая F/B и полосу.

Ниже описана сделать антенна, лишенная этих недостатков (конечно, там есть другие, но в каких-то ситуация они могут оказаться более терпимыми).

 

Антенна

Попробуем использовать одну рамку на всех диапазонах (так, чтобы вся антенна состояла бы только из двух амок: рефлектор и вибратор).

Обычная волновая рамка представляет собой синфазную решетку из двух полуволновых диполей даже при единственной точке питания в центре одного из этих диполей. Но если мы заметно изменим длину волны (т.е. попробуем использовать рамку на другом диапазоне, где ее периметр уже не равен λ) то она перестает быть синфазной решеткой, т.к. половинки нерезонансной рамки уже не будут возбуждаться одинаково. Это приведет к искажению зенитной ДН и потере выигрыша в усилении от синфазности токов в половинках рамки.

Чтобы избежать этого и грамотно использовать одну рамку от 14 до 28 MHz мы должны питать ее в двух точках сразу. Т.е. в середины верхней и нижней сторон многодиапазонной рамки должны идти свои линии питания одинаковой длины. Соединив эти линии параллельно, мы получим точку, куда можно включать реактивности для перестройки рамки по частоте. При этом токи в верхней и нижней части рамки останутся синфазными, зенитная ДН не только не пострадает, а напротив, будет сужаться с ростом частоты и прижиматься к земле.

Поставив две такие рамки рядом и настроив одну из них рефлектором, мы получим многодиапазонный двойной квадрат.

Выше изложена общая идея. Для инженерной реализации надо было найти периметр рамок, расстояние между ними, тип и длину питающих линий так, во всех диапазонах получились бы приличные ДН и удобные для переключения импедансы.

Получившиеся в результате этих поисков (ну и оптимизации, конечно) размеры показаны на следующем рисунке:

По размерам антенна очень близка к обычному двойному квадрату на 14 MHz с расстоянием между рамками 0,11λ. Видимое отличие только в том, что от середин каждой из полурамок в геометрический центр антенны приведены двухпроводные линии длиной по ~3,7м, которые соединены попарно для каждой из рамок.

Но это отличие позволяет получить хорошую, направленную ДН во всех диапазонах от 14 до 28 MHz и удобный для согласования и переключения импеданс в диапазона 14, 21 и 28 MHz.

 

Диаграммы направленности

На следующих шести рисунках приведены ДН по диапазонам. Поскольку это еще проект, то ДН даны в свободном пространстве и для провода без потерь, для корректного сравнения с другими антеннами.

В правом нижнем углу каждого рисунка синим цветом указано, что включено в рефлектор (R) и вибратор (W).

Что мы видим? Переключая и\или перестраивая реактивности, подключенные к шлейфам рефлектора(R) и вибратора (W):

  1. Можно получить направленную ДН с пристойным F/B на любой частоте от 14 до 29 MHz.

  2. На 14 MHZ усиление 7 dBi соответствует обычному QQ с расстоянием между рамками 0,11λ, т.е. тому, чем наша антенна и является.

  3. На 21 MHZ усиление 8,2 dBi соответствует тройному квадрату с длиной траверсы 0,22λ, что на этом диапазоне составит 3,3 м. Но у нас рамок две и расстояние всего 2,3 м. Откуда такое усиление? От большей апертуры рамок и большего расстояния по вертикали (последнее видно по зенитной ДН, которая больше прижата к оси Х, чем на 14 MHz).

  4. На 28 MHZ усиление 9,2 dBi соответствует тройному квадрату с весьма длинной траверсой 0,3λ (на этом диапазоне это 3 м). Причины роста усиления и сужения зенитной ДН те же самые, что и на 21 MHz.

  5. В диапазонах 14, 21 и 28 MHz хорошее согласование достигается последовательной реактивностью, включенной в вибратор. Диапазоны 18, 24 и 27 MHz потребуют более сложного СУ, что усложнит коммутацию.

  6. Полосы пропускания антенны по уровням КСВ<2 и F/B>12 dB больше отведенных диапазонов везде, кроме 14 MHz. На 14 MHz полоса составляет около 200 kHz (следствие узкополосной трансформации импеданса конденсаторов двухпроводными линиями), что потребует либо переключения конденсаторов вибратора и рефлектора между CW и SSB участками, либо их механической подстройке (если применяются КПЕ).

  7. Реальные цифры усиления будут на 0,2 ... 0,3 dB ниже за счет потерь в проводах рамок (как и у всех рамочных антенн) и в конденсаторах и катушках шлейфов (а это свойство данной антенны).

Модели антенны по диапазонам: 14,05 MHz, 14,17 MHz, 18,12 MHz, 21,2 MHz, 24,94 MHz, 27,2 MHz, 28,2 MHz, 28,5 MHz.

 

Возможные способы переключения и питания

Вариант 14, 21 и 28 MHz

Для этого в шлейф рефлектора включается такая схема:

В показанном на схеме положении (все реле выключены) через К1 подключена катушка диапазона 21 MHz. При срабатывании K1 подключается основной постоянный конденсатор C1 диапазонов 14 и 28 MHZ. Маленькие подстроечные конденсаторы С2 – С4 (из кусочков коаксиала, видимо удобно будет), переключаемые K2 и K3, обеспечивают подстройку подавления назад в диапазоне 28 MHz и в поддиаазонах 14,05 MHZ (CW) и 14,18 MHz (SSB).

В вибратор (т.к. он симметричный) придется включить две таких схемы (в каждой катушки вдвое меньше, конденсаторы вдвое больше) и затем через симметрирующий балун к коаксиалу.

При мощности 250 W расчетные токи через контакты реле К1 достигают 4 А (через К2 и K3 в два...четыре раза меньше). Те же 4 А пойдут через катушку и почти столько же через С1. Это относится и к рефлектору и к вибратору.

А вот требования по напряжению отличаются. В рефлекторе все контакты реле и конденсаторы должны выдерживать до 1 кВ, а вибраторе вдвое меньше 500 В (потому что в вибраторе две таких схемы и по сигналу они включены последовательно).

Таким образом, при мощности 250 W во всех местах справятся недорогие реле RT314012. А при киловатте RT314012 подойдут только в вибратор, а в рефлектор придется включать высоковольтные вакуумные реле (4 шт и изменив схему, т.к. у вакуумных контакты только на замыкание).

Может показаться, что 9 реле многовато для трех диапазонов. Но учтем, что для обычного трехдиапазонного QQ:

  1. Все равно потребовалось бы реле для подключения диапазонных рамок к кабелю. Как минимум три (а лучше 6). Объединение рамок разных диапазонов на один общий кабель - проблема весьма сложная и ухудшающая параметры ВЧ антенн.

  2. Усиление было бы меньше. Чтобы его дотянуть до уровня нашей антенны пришлось увеличивать длину антенны до 3,3 м и ставить дополнительные (третьи элементы) на 21 и 28 MHz.

Расходы на увеличение размеров антенны и на несколько десятков метров хорошего медного провода (на рамки 21 и 28 MHz) будут примерно такими же, как на несколько дополнительных реле и схему управления (сигналы переключения диапазонов можно подать по питающему коаксиалу). В общем, мне кажется, что описываемая антенна имеет право на существование.

Вариант на диапазоны 14, 18, 21, 24, 27 и 28 MHz

Антенна останется той же самой, а вот система коммутации существенно усложнится.

В рефлекторе придется добавить еще 3 реле (или два, если без 27 MHz) и соответствующие реактивности для новых диапазонов.

В вибраторе придется добавлять по 4 реле на каждый новый диапазон, т.к. согласующие устройства там будут уже Г-образными (из-за Ra отличающегося от 50 Ом) и их нельзя коммутировать в симметричной линии только одной парой реле. Питание можно сильно упростить, если прямо на антенне применить автотюнер.

Схему коммутации не привожу, т.к. она зависит от типа контактов применяемых реле (замыкание и переключение) и нужных диапазонов. Предполагается, что замахиваясь на конструкцию такой сложности вы в силах самостоятельно разработать схему коммутации под свои условия (если это не так, пожалуй, стоит воздержаться от изготовления этой антенны).

Расходы на коммутацию будут большими. Но зато мы получаем полноценную 5-ти (или 6-ти) диапазонную антенну без всяких компромиссов. Нет паразитного взаимного влияния разных диапазонов (т.к. рамок только две и они всегда работают целиком). На каждом диапазоне антенна ведет себя как хорошая однодиапазонная. Думается, в ряде случаев эти преимущества перевесят сложности коммутации.


10.12.2020

На главную - Main page