Описываемая конструкция была сделана в 1996 году. За прошедшие годы многое изменилось, но мне кажется, эта антенна и до настоящего времени является одной из лучших переключаемых антенн.

2 el. Quad 14/18 MHz с переключаемой ДН

Антенны с переключаемой ДН популярны у HAM, не имеющих возможности вращать антенну. Одна из удачных конструкций, описанная в [1] и перепечатанная в [2], представляет собой двойной квадрат (cubic quad) G4ZU с коммутацией ДН на четыре направления.

Ниже приведены (полученные в моделирующей программе GAL-ANA, которой, кстати, сделаны первые два рисунка в этой статье)  ДН такой антенны (высота нижнего пролета 5 м над реальной средней землей) и ее основные параметры и распределение токов. Модель антенны (для просмотра и вычисления этого файла достаточно демо-версии GAL-ANA).

3-2-1.gif (9223 bytes)

Достоинства и недостатки

  1. Симметрия относительно мачты, легко обеспечивается коммутацию ДН на четыре направления.

  2. Высокое усиление, почти не уступающее обычному двойному квадрату.

  3. Ослабление заднего лепестка ДН (F/В) для этих антенн составляет 16...20 dB.
  4. Помещается, включая точки крепления растяжек, на крыше типового многоэтажного дома.
  5. Уровень боковых лепестков очень высок, всего -5 dB относительно главного лепестка. Это общее свойство антенн с Х-образно изогнутыми элементами. На мой взгляд, это основная причина, по которой двойной квадрат G4ZU абсолютно перестал использоваться как вращающаяся антенна. Однако в переключаемой конструкции с этим приходится мириться, поскольку по сравнению с другими переключаемыми системами с хорошим подавлением заднего и боковых лепестков (например системы наклонных диполей или вертикалов), данная антенна имеет большее усиление, почти не уступающее полноценному двойному квадрату. Но в общем, объемная ДН выглядит не лучшим образом из-за больших боковых лепестков.

    3-2-5.gif (10917 bytes)
    Рис. 2
    Плохое подавление вбок для данной конструкции - расплата за большое усиление. А в переключаемой конструкции главное именно возможность реализовать высокое усиление в нужном направлении.
  6. Другой недостаток–  несколько более узкий лепесток. По уровню – 3 dB он составляет 600, что для переключаемой антенны маловато. При переключениях на четыре направления будут перекрыты с хорошим усилением только 4 * 60 = 2400 (2/3 круга). В оставшейся 1/3 придется довольствоваться усилением лишь немногим больше, чем у диполя. Поэтому при установке надо хорошо подумать об ориентации антенны на наиболее интересующие вас направления. Например, в моём случае в Минске эта антенна стояла со следующими направлениями: 3400 – NA, OC, 700 – Far East, 1600 – AF, 2500 – Caribbean, SA.

Практическая конструкция

Конструкция двухдиапазонной (14/18 MHz) антенны показана на рис. 3 и представляет собой обычный двухдиапазонный двойной квадрат G4ZU с параллельно включенными рамками обоих диапазонов.

3-2-3.gif (23515 bytes)
Рис. 3

Обратите внимание на размеры рамок, указанные на рис.3. Это не ошибка, коэффициент удлинения для изогнутых рамок заметно больше, чем для прямых, и составляет 1,04...1,05l.

Вместо обычных горизонтальных трубок использован "полуёж". Стальная мачта высотой 9,1м собрана из двух частей: нижней — диаметром 55 мм и длиной 8 м (пять секций труб от мачт коллективных телевизионных антенн) и верхней—диаметром 25 мм и длиной 1,3 м (20 см — на сочленение с нижней секцией). В точке С на высоте 8 м U-образными шпильками закреплены два уголка, концы которых(по 20,..30 см) загнуты под соответствующим углом и проварены. В уголки вставлены деревянные распорки, пропитанные олифой. Механически верхняя часть аналогична верхней части обычного двойного квадрата, выполненного на "еже".

Поскольку вибраторы на 14 МГц одновременно служат растяжками концов распорок они должны быть выполнены из провода не тоньше 2,5 мм. В точке А все лучи соединены между собой и через изолятор (кусок винипласта, плотно вбитый в верхнюю трубу) надежно прикреплены к мачте. В точке В вибраторы диапазона 18 МГц (из провода диаметром 1,5мм — некритичный размер) соединены между собой и изолированы от мачты, для чего к мачте болтами прикручены четыре роликовых изолятора от открытой электропроводки. Необходимая жесткость конструкции, а также форма рамок 18 МГц придается полиамидным шнуром, показанным на рис.6 пунктиром.

Мачта удерживается двумя ярусами растяжек (на рис.6 условно не показаны) на высоте 3.5 и 8 м. Растяжки из стальной проволоки диаметром 4 мм разбиты изоляторами через 1,5 м.

В принципе, вверху можно использовать более короткие распорки, чем это указано на рис. 3, соответственно укоротив верхние и удлинив нижние горизонтальные провода. Форма рамок станет трапецеидальной, но это не приводит к заметному ухудшению параметров антенны. При совсем коротких распорках антенна станет похожа на двойной треугольник. В общем, форма антенны выбирается исходя из длины имеющихся распорок и наличия места для крепления растяжек.

Коммутатор направлений

В точке D на высоте 3 м на мачту надет хомут с четырьмя изоляторами, на которых сходятся концы вибраторов. Чуть ниже прикреплен коммутатор диапазонов и направлений излучения, схема которого показана на рис. 4.

3-2-4.gif (12416 bytes)

Реле K1, K2 переключают направления, K3 — диапазон. Пассивный элемент включен директором (укорачивающие конденсаторы C1, C2 на клеммах 7...9 коммутатора).  Включать его рефлектором (как у G4ZU) нельзя, не удастся достичь хорошего подавления назад.

Для исключения кабеля управления все коммутации производятся постоянным управляющим напряжением Uупр, подаваемым на центральную жилу коаксиального кабеля (см. таблицу). При положительном Uупр VD1 закрыт, и реле K3 разомкнуто. К директору подключен только C1 (около 130 pF) — это диапазон 18 MHz. Через диодный мост VDЗ ... VD6 Uупр поступает на схему управления реле K1 и K2, выполненную на VТ1...VТ3.

Если Uупр меньше 15 V, все ключи VТ1... VТЗ закрыты, K1, K2 обесточены, излучение антенны идет в направлении между вибраторами 2-1. При подаче Uупр = 16...17 В, через стабилитрон VD11 открывается VT1, срабатывает K1. Направление излучения — 1-4.

При Uупр = 19...20 V ключ на VT1 продолжает оставаться открытым, дополнительно открывается VTЗ, и срабатывает К2. Направление излучения — 4-3.

При Uупр больше 23 V транзистор VТЗ остается открытым, дополнительно открывается ключ на \/Т2 и закрывает VT1. Остается включенным только K2. Направление излучения — 3-2.

При подаче Uупр отрицательной полярности (диапазон 14 MHz) срабатывает k3 и подключает дополнительную емкость директора на 14 MHz — C2. Переключение направлений осуществляется точно так же, поскольку мост VDЗ...VD6 устраняет влияние полярности Uупр на схему управления K1, K2. Состояния реле в зависимости от Uупр приведены в таблице.

Uупр, (V)
Диап. (MHz)
K1
K2
Направление излучения между вибраторами
0...+14
18
0
0
2-1
+16...17
18
Вкл
0
1-4
+19,,.20
18
Вкл.
Вкл.
4-3
+23...24
18
0
Вкл.
3-2
-14
14
0
0
2-1
-16...17
14
Вкл.
0
1-4
-19...20
14
Вкл.
Вкл.
4-3
-23...24
14
0
Вкл.
3-2

Все диоды любые выпрямительные. Реле K1 ...K3 высокочастотные на соответствующую мощность с напряжением срабатывания 12....14 V (я использовал от радиостанции “Микрон”). При ином напряжении срабатывания надо соответственно изменить пороги срабатывания ключей на VТ1..VТЗ, установив другие стабилитроны вместо VD8, VD9, VD11.

Дроссель L1 — любой на рабочий частотный диапазон. У меня 11 содержит 150 витков провода ПЭВ 0.5 на фторопластовом стержне диаметром 12мм. Конденсатор C3 — типа KCO, C4 — КМ5.

Коммутатор размещен в герметичной толстостенной полиэтиленовой коробке с крышкой, и подключен на клеммах, в качестве которых использованы хромированные болты М6. К клеммам на верхней стороне коммутатора прикручиваются хромированными гайками концы полурамок. К паре клемм сбоку – коаксиал, а к трём клемма с другого боку – конденсаторы директора C1 и C2.

Управляющий блок снизу представляет собой обычный источник питания с переключаемым входным напряжением и полярностью. Это напряжение через дроссель, аналогичный L1 подавалось на центральный жилу коаксиального кабеля (к трансиверу – через разделительный конденсатор 0,01 uF). На выходе источника питания был установлен обычный стрелочный амперметр – по потреблению тока оказалось очень удобно контролировать переключение реле (нюанс – в холодную погоду потребление тока реле заметно выше, чем в жаркую).

Конечно, можно использовать и обычное управление K1...K3 по отдельному трехжильному кабелю, но за четыре года работы описанного коммутатора он показал себя очень надежным устройством, и каких-либо проблем с ним не возникало (мощность ТХ — 500...900 W).

Для симметрирования использован простейший коаксиальный дроссель из нескольких витков питающего кабеля.

Настройка

Необходимо использовать высокочастотный мост, иначе, особенно при отсутствии опыта, добиться хороших результатов очень трудно. Последовательность настройки.

  1. Сначала, отключив конденсаторы директора C1 и C2 (их клеммы оставить свободными) и подключив мост к клеммам 5 и 6, регулировкой длины рамок следует добиться резонансных частот 13,95...14,0 MHz и 17,85..17,9 MHz, причем одинаковых для всех четырех направлений (переключая K1, K2) при Rвх=80...90 Ом.

    Даже если все четыре полурамки были выполнены одинаковыми по размерам, из-за неодинакового влияния близко расположенных предметов (провода, лифтовые будки, и т.п.) может потребоваться по-разному изменить длины вибраторов для получения одинаковой резонансной частоты. Это самый долгий и нудный этап. Но не пожалейте времени – от этого зависит получение хороших характеристик во всех направлениях.

  2. Затем временно подключают в качестве C2 переменный конденсатор (ориентировочно 130 пФ). Резонансная частота в диапазоне 18 MHz поднимается до 18,1 MHz, Rвх падает до 50...60 Ом. Настраивая С1 добиваются максимального подавления заднего лепестка в середине диапазона 18 MHz.

    Вы сэкономите много времени и нервов, если используете для этой процедуры приемник (хотя бы простейший — прямого преобразования), подключенный непосредственно на крыше к клеммам 5,6 коммутатора. Можно пользоваться сигналом маячка, отнесенного больше чем на 40 м в нужную сторону, либо сигналами любительских станций.

    Эту операцию достаточно сделать для одного направления, если вы были аккуратны в выполнении п.1, антенна электрически симметрична.

  3. Высокочастотным мостом проверяют резонансную частоту антенны. Если она заметно отличается от средней частоты диапазона (этого не будет, если при выполнении п. 1 вы установили указанные в нем резонансные частоты), надо соответственно изменить длину всех четырех полурамок диапазона 18 MHz (всех одинаково) и повторить п. 2.

  4. Вместо переменного надо установить постоянный конденсатор (или набор) C2 такой же емкости. Он должен быть рассчитан на реактивную мощность, не меньшую чем треть выходной мощности ТХ (я использовал KCO2 на 500 V).

  5. Включают диапазон 14 MHz. При этом параллельно C2 подключается C1 (около 100 pF), резонансная частота становится равной 14,15 МГц, Rвх=35 ... 40 Ом.

  6. Точно также как и в п. 2, настройкой C1 (не трогая C2) добиваются максимального F/В на частоте 14,15 MHz.

  7. Повторяют п. 3 и п. 4 (разумеется, для диапазона 14 MHz). Следует иметь в виду, что в этом диапазоне полоса антенны не перекрывает весь участок и составляет 240...280 kHz по уровню КСВ < 2).

Результаты

На 14,0 MHz КСВ = 1,8, на 14,15MHz — 1,3, на 14,28 MHz — 2,0. На 18,1 MHz КСВ = 1,2, на краях диапазона КСВ < 1,5. F/В > 20 дБ (только в направлении точно назад, а вбок, увы…) в обоих диапазонах.

Если антенна расположена низко над крышей, а на крыше много крупногабаритных “железяк” (будки, провода трансляции, трубы вентиляции и т.п.) то КСВ может заметно изменяться в зависимости от направления излучения. Это нормально (разная земля для разных направлений – разное входное сопротивление), не надо ничего подстраивать, главное, чтобы резонансные частоты в п. 1 настройке были бы установлены одинаковыми.

Возможные модификации

Включать пассивный элемент рефлектором в данной конфигурации неразумно, т.к. сильно падает F/B. Применять активное питание рамок [3], на мой взгляд нецелесообразно – получаемый выигрыш усиления в 0,5 dB совершенно не стоит трудностей по созданию, настройке и коммутации двух диапазонной системы активного питания.  Кстати, отмечу, что приводимая в [3] ДН  построена в линейном масштабе, отчего зрительно выглядит лучше. Но при ARRL (полулогарифмическом) масштабе она такая же, как и на рис. 1 и 2 в этой статье.

Очевидно, можно создать подобную антенну на другие диапазоны. Вероятно получится и трех диапазонный вариант, но я этого экспериментально не опробовал.

Литература

1. Новиков А., Бабин А.—Радио. 1974, N7.С.29.

2. Ротхаммель К. Антенны — М.: Энергия, 1979.

3. Всеволжский Л. 'Двойной квадрат" с переключаемой диаграммой направленности. — Радио, 1978, N 6. С.18.



 

На главную - Main page