J-антенна, резонирующая одновременно в двух УКВ диапазонах с хорошей зенитной диаграммой направленности

J-антенна 145\435 МГц

Постановка задачи и анализ существующих решений

J-антенна распространена на УКВ в качестве внешней антенны для местной связи (в пределах нескольких десятков км).

Она представляет собой вертикальный полуволновой диполь, с четвертьволновым противовесом, согласованный отрезком высокоомной воздушной λ/4 линии. Фокус в том, что этот отрезок одновременно выполняет функции противовеса (точнее за это отвечает ток асимметрии этого отрезка линии). В результате конструкция получается очень простой: кусок провода или трубки длиной λ соответствующим образом изогнутый.

Но в простейшем варианте J-антенна однодиапазонна. А, в связи с широким распространением двухдиапазонных 145\435 МГц УКВ трансиверов от внешней антенны требуются два диапазона. В принципе, несложно сделать и две отдельные однодиапазонные антенны. Но вот протянуть два отдельных кабеля с крыши совсем плохая идея. Ведь коаксиальные кабели с малым затуханием на УКВ стоят дорого.

Поэтому радиолюбителями неоднократно предпринимались попытки скрестить достоинства J-антенны (простая конструкция, хорошие параметры, замкнутость по постоянному току, возможность крепления к заземленной мачте без изолятора) с двухдиапазонностью. Ниже мы рассмотрим эти решения, разберем их плюсы и и минусы, а затем попробуем продвинуться дальше.

1. Простейшее решение - использовать J-антенну 145 МГц как есть и на 435 МГц. Высота излучающей вертикальной части в диапазоне 435 МГц получается 3/2 λ, а длина согласующей двухпроводной линии - 3/4 λ. На первый взгляд идея кажется логичной. Ведь импеданс излучателя 3/2 λ почти такой же, как и у полуволнового, а трансформирующие свойства линии 3/4 λ почти такие же, как и у четвертьволновой (в линии все процессы повторяются через 1/2 λ, поэтому в случае линии с малыми потерями полволны можно просто выбросить из рассмотрения). Измерения КСВ это подтверждают: J-антенна 145 МГц имеет терпимое(хотя далеко не идеальное) согласование и на 435 МГц.

Но антенна нам нужна не только для того, чтобы отобрать мощность от передатчика, но и излучать ее в нужном направлении. А с этим в данной конструкции беда. Зенитная ДН вертикального 3/2 λ излучателя никуда не годится: максимум излучения направлен вверх под 450, а под низкими углами к горизонту (откуда идут и местные, и DX станции) почти ничего не излучается.

Вывод: такая антенна на 435 МГц непригодна.

2. Не меняет ситуацию с зенитной ДН на 435 МГц и пристраивание сверху второго λ/2 излучателя на 145 МГц (естественно, через четвертьволновую для 145 МГц фазирующую линию, чтобы обеспечить на 145 МГц синфазность с нижним излучателем).

Такая конструкция называется Super J и действительно очень хороша на 145 МГц. Но на 435 МГц ее зенитная ДН "светит" вверх и антенной это можно назвать лишь условно.

Поэтому применяются антенны, где излучатель на 435 МГц сделан как отдельная J-антенна данного диапазона и, следовательно, имеет хорошую зенитную ДН: излучает вдоль поверхности земли.

3. Очевидный вариант совмещения двух отдельных J-антенн 145 и 435 МГц описан KG0ZP в антенне, названной им "медный кактус". На верхней части трубки излучателя 145 МГц размещается J-антенна 435 МГц со своей отдельной линией согласования и кабелем питания (конструктивно он идет внутри трубки излучателя 145 МГц и входит наружу через отверстие около линии 435 МГц).

Плюс "медного кактуса": хорошая зенитная ДН в обоих диапазонах. Минус: два отдельных кабеля питания. Это было хорошо и разумно раньше, когда трансиверы имели отдельные выходы 145 и 435 Мгц. Но в современных аппаратах с одним антенны гнездом две точки питания антенны требуют фильтра сплиттера. А это лишняя сложность, расходы и потери.

4. Довольно удачная идея совмещения двух J-антенн состоит в том, чтобы на 435 МГц в качестве излучателя использовать согласующую линию J-антенны диапазона 145 МГц. Называется такая антенна Open Stub J-Poles, её файл модели этой антенны в программе GAL-ANA.

Внешний вид Open Stub J-Poles , распределение тока и зенитные ДН в свободном пространстве по диапазонам приведены на следующих двух скриншотах.

Для того, чтобы в одной точке питания получить согласование двух разных диапазонов в Open Stub J-Poles применены линии с разными волновыми сопротивлениями, т.е. с разным расстоянием между их проводниками. Поэтому пришлось отказаться от классической для J-антенны схемы питания с короткозамкнутым нижним отрезком линии и делать согласование только расстоянием между проводниками верхней линии. Из-за этого оно получилось слишком большим. Влияние тока по длинному горизонтальному участку линии искажает и азимутальную, и зенитную ДН (посмотрите на приведенные выше скриншоты).

Другим недостатком Open Stub J-Poles является разомкнутость точки питания по постоянному току и вообще слабая частотная избирательность. При сильной расстройке от рабочих диапазонов эта антенна фактически эквивалентна штыревой антенне высотой полметра, т.е. она вполне способна принимать мощные внеполосные передатчики (ТВ, радиовещание, и т.п.).

Решение и проектирование

Проанализировав все известные вышеприведенные конструкции, пришел к выводу, что для моего случая они не подходят. Хотелось иметь внешнюю двухдиапазонную 145\435 МГц антенну с пристойной зенитной ДН, усилением на 435 МГц (сигналы в этом диапазоне слабее, чем на 145 МГц), с хорошей частотной избирательностью (чтобы не перегружать приемник внеполосными сигналами) и замкнутую по постоянному току (чтобы можно было оставлять антенну надолго подключенной к трансиверу, не опасаясь пробоя входа последнего статикой или наведенными токами от молний). Иначе говоря, нужна была внешняя антенна для мобильного УКВ трансивера UV-5R.

Лишу интриги и сразу покажу, что получилось (фото справа, кликабельно, по линку фото в лучшем разрешении). Но расскажу как эта антенна получилась.

Известно, что вертикальный полуволновый диполь 145 МГц имеет плохую зенитную ДН на 435 Мгц. Причина этого -- участок с противофазным током в середине. Чтобы исключить влияние этого участка на излучение его сворачивают в отрезок короткозамкнутой двухпроводной линии. Так, чтобы в диапазоне 435 МГц получилась бы синфазная система из двух 5/8 λ излучателей. А в диапазоне 145 МГц эта линия эквивалентна небольшой индуктивности, немного укорачивающей λ/2 диполь. Это стандартное решение, широко используемое в двухдиапазонных коллинеарных антеннах. Но используемое при питании в середине вибратора.

А здесь мы пойдем дальше, и попробуем такую конструкцию запитать с конца. В принципе, известны и такие решения. Но в них используются довольно сложные, как в настройке, так и в изготовлении LC согласующие устройства в точке питания. А нам и этого не хочется. Попробуем использовать обычную для J-антенны схему питания с четвертьволновой линией вверху и короткозамкнутым шлейфом внизу.

Но как? Ведь на разных диапазонах и импеданс антенны и электрическая длина линий системы питания и их трансформирующие свойства разные. И очевидно, что ни при каком фиксированном сочетании размеров излучателя, длин и волновых сопротивлений согласующего устройства на линиях попасть в согласование на двух разных диапазонах не получится.

Ладно, посмотрим, что мы можем сделать не фиксированным, а разным для двух диапазонов.

  1. Изменять размеры и форму излучателя по диапазонам в принципе можно (например, трапы, катушки, и т.п.). Но тут у нас свободы нет. Во-первых, распределение токов в вибраторе должно быть таким, чтобы обеспечить хорошую ДН в обоих диапазонах. Во-вторых, питание с конца, через двухпроводную линию предполагает высокий импеданс, т.е. резонансные размеры. Значит, менять размеры вибратора не получится.

  2. Изменять физические размеры линий по диапазонам тоже не получится. Еще нам механического переключения на УКВ не хватало.

  3. Остается единственный вариант: сделать разными по диапазонам волновое сопротивление и трансформирующие свойства линий фиксированных физических размеров. А вот тут есть с чем поработать.

    Сделать разное расстояние между проводами линии (т.е. проще говоря, изогнуть ее по-разному вдоль длины) мы вполне можем. Соответственно изгибам будет меняться волновое сопротивление линии вдоль длины. А, поскольку распределение тока вдоль линий отличается на разных диапазонах, то одно и то же локальное изменение волнового сопротивления по-разному скажется на разных диапазонах.

    То есть, изгибая согласующие линии, мы получаем дополнительную степень свободы для того, чтобы свести входное сопротивление к 50-ти омам одновременно в обоих диапазонах.

Вообще, изгибание линии в J-антенне идея не моя. Еще в 90-е годы прошлого века минские радиолюбители с успехом согласовывали однодиапазонные J-антенны 145 МГц из алюминиевого прутка не классическим способом передвижения перемычек, а отгибанием-пригибанием верхней части четвертьволновой линии согласования. При этом менялось волновое сопротивление линии и ее трансформирующие свойства.

Здесь же мы пойдем дальше и будем гнуть линию в нескольких местах до получения точного согласования в двух диапазонах.

Задача эта непростая, но при наличии оптимизации решаемая. Результат показан на фото справа и в файле модели этой антенны (в формате GAL-ANA). Небольшая индуктивность в точке питания имитирует индуктивность разделанного конца питающего коаксиального кабеля.

Расчетные ДН по диапазонам приведены на двух следующих скриншотах. На них, кроме параметров антенны и распределения токов в ней показаны основные размеры.

Конструкция настройка и измерения

Антенна выполнена из голого медного провода диаметром 1,7 мм (электрический 2,5 "квадрата", очищенный от изоляции). В качестве несущей основы использовался бамбуковый шест. Чтобы избежать его удлиняющего (как диэлектрика) влияния провод антенны притянут к шесту кабельными стяжками не прямо, а через небольшие проставки из пластика толщиной 5 мм. Размеры и форма провода соответствуют фото и приведенным на рисунке и в модели размерам за единственным отличием: длина двухпроводного шлейфа в модели чуть больше чем в реальности (140 мм против 120 мм) из-за разной формы закрутки этого шлейфа (квадрат в модели, круг реальности). Питание выполнено кабелем RG-316, непосредственно припаянном к антенне (при подстройке не двигается).

При точном выполнении КСВ в обоих диапазонах сразу получается не хуже 2. Но для точной подстройки потребуется измеритель КСВ или антенный анализатор. Настройка осуществляется изгибанием правого (по фото) провода согласующей линии (в разных местах по-разному, см. фото) и небольшим изменением формы нижнего короткозамкнутого отрезка.

При должном терпении получатся результаты, приведенные на скриншотах ниже (мне для их достижения потребовалось 15 минут на панорамном анализаторе).

Полоса по кровню КСВ < 2 составляет около 3,5 Мгц в диапазоне 145 МГц и около 9 МГц в диапазоне 435 МГц, т.е. антенна достаточно узкополосна, как нам и требовалось.

C описываемой антенной трансивер UV-5R на 145 МГц с балкона 9-го этажа уверенно открывал и хорошо слышал репитер с расстояния 67 км, который не открывался и был слабо слышен в шумах на штатную "резинку" от UV-5R. Забития приемника мощными передатчиками FM радиовещания (несколько киловатт в нескольких километрах) не наблюдалось.



03.11.2013

На главную - Main page