7.3.1. П-образные элементы

 

Все модели, упоминаемые в п.7.3.1 находятся в папке …ANT\HF beams\ Nonclassic Uda-Yagi\, а если упоминается файл из другой папки, то к нему указан полный путь.

В двухэлементной антенне продольного излучения (пп. 7.1.1 и 7.2.1.) подавление излучения назад достигается балансной компенсацией: складываются в противофазе волны от обоих элементов. Для глубокого подавления амплитуды обеих волн должны быть равны, а разность фаз составлять 1800 (это называется балансом фаз и амплитуд). При этом достигается высокое (несколько десятков дБ) отношение F/B (в направлении точно назад, установки тыла в MMANA-GAL Азимут 0 град., Элевация 0 град., в этом параграфе мы имеем в в иду только такие установки).

В антенне с активным питанием (п.7.1.1) баланс фаз и амплитуд возможен при любом разумном расстоянии между элементами. Он достигается установкой соответствующих параметров второго источника. Поиграйте с моделью …ANT\HF beams\2el_pop.gaa. Оптимизация по критерию F/B изменением фазы и амплитуды второго источника при любом заданном расстоянии между элементами позволяет получить F/B выше 40 дБ, что и говорит о достижении баланса.

Но в двухэлементной антенне Уда-Яги источник один. И, как описано в п. 7.1.3 баланс фаз и амплитуд достигается только изменением размера пассивного элемента и расстояния до него (длины траверсы). Точный баланс возможен лишь при включении пассивного элемента директором и расстоянии около 0,06l (см. рис. 7.2.4). Но столь малое расстояние плохо как с точки зрения широкополосности, так и согласования. Длину траверсы надо бы увеличить. Но в 2-х элементной Уда-Яги это невозможно без нарушения баланса, иными словами - без падения F/B. Рис. 7.2.4 именно это и показывает.

Чтобы получить высокое F/В (т.е. точный баланс) при большей длине траверсы (т.е. хорошей полосе и высоком Ra) нам необходимо, чтобы амплитудно-фазовое распределение регулировалось бы не двумя параметрами (длина траверсы и ширина пассивного элемента), а тремя.

Поскольку при l/2 диполе в качестве элемента это невозможно, нам ничего не остается, как изменить форму элемента.

На рис 7.3.1 показана антенна VK2ABQ (файл …\VK2ABQ.gaa). Её автор Fred Caton , опубликовал её 1973 г. Собственно, его целью не было получить еще одну степень свободы в регулировке распределения токов. VK2ABQ решал более скромную задачу: сделать антенну с уменьшенными размерами и радиусом поворота.


Рис. 7.3.1.

Задача была успешно решена: с изломанными диполями в качестве элементов антенна имеет габарит всего l/4 (против l/2 у Уда-Яги), и усиление около 4,5 dBi (в свободном пространстве). Причем хорошее F/B получается лишь при включении пассивного элемента рефлектором (а не директором, как в Уда-Яги).

Исследователи этой антенны (в частности, Les Moxon, G6XN) при её модификациях обнаружили, что F/B этой антенны зависит не только от расстояния между серединами элементов и суммарной длины рефлектора, но и от расстояния между концами рефлектора и вибратора. И что при определенном расстоянии можно получить очень высокое F/B, превышающее 50 дБ (файл …VK2ABQ_FB.gaa).

В антенне, с загнутыми навстречу друг другу концами элементов на распределение токов влияют три параметра:

В такой антенне связь между элементами комплексная: в дополнение к обычной связи по полю (как в антенне Уда-Яги) имеется емкостная связь между концами элементов (из-за высоких напряжений на концах даже небольшая емкость приводит к заметной связи, изменяющей распределение токов). Знак этой связи таков, что позволяет достичь баланса только при включении пассивного элемента рефлектором, а её величина зависит от радиуса элементов и расстояния между концами.

Хотя конечно все три параметра регулировки взаимосвязаны, но все же появляется возможность менять дистанцию между элементами, подстраивая точный баланс расстоянием между их концами.

Вернемся к антенне VK2ABQ. Она имеет не очень удобное Ra = 100…110 Ом, а её усиление 4,5 dBi (в свободном пространстве) маловато для двухэлементной антенны.

С целью повышения усиления G6XN вытянул квадрат VK2ABQ в прямоугольник: вытянул середины элементов до 0,327l и уменьшил расстояние между ними до 0,17l (файл …\G6XN.gaa). Это повысило усиление почти на 1 дБ (до 5,4 dBi) и снизило Ra до 80…90 Ом. Дальнейшую модификацию формы этой антенны сделал L.B. Cebik, W4RNL. В отличие от VK2ABQ и G6XN он пользовался компьютерным моделировщиком и сумел найти оптимальные размеры. Они таковы: расстояние между центральными частями элементов 0,12…0,14l, их длина около 0,363l. При этом усиление повышается до 5,9..6,00 dBi, Ra = 50 Ом, а F/B может превышать 40 дБ (файлы …\Moxon.gaa и …\Moxon_wire.gaa). Эта антенна показана на рис. 7.3.2. W4RNL назвал её "прямоугольник Моксона". Но не забудьте, что L. Moxon, G6XN разработал антенну с иной геометрией, а оптимальные размеры придал ей L.B. Cebik.


Рис. 7.3.2.

Сравнение прямоугольника Моксона с классической 2-х элементной антенной Уда-Яги показывает его преимущество практически по всем параметрам:

До сих пор мы говорили о прямоугольнике в свободном пространстве. Над землей же, кроме обычного колебательного изменения Ra с высотой, прибавляется еще одна проблема. Для обеспечения высокого F/B мало добиться точной взаимной компенсации волн от обоих элементов - надо еще скомпенсировать (в направлении назад) отраженную от земли волну. А параметры последней зависят как от высоты антенны, так и от свойств земли.

В принципе, эта проблема относится не только к прямоугольнику, но и к любой направленной антенне, например, Уда-Яги. Любую однонаправленную антенну над реальной землей надо подстраивать для компенсации еще и отраженной от земли волны.

Но в 2-х элементной антенне Уда-Яги это делается относительно несложно: изменением размеров пассивного элемента. Поскольку на расстояние между элементами такая подстройка не влияет, то делается она несложно как на модели, так и на реальной антенне.

В прямоугольнике же при попытке изменить общую длину элемента меняется еще и расстояние между концами вибратора и рефлектора. А это расстояние - важнейший параметр, обеспечивающий правильный баланс (т.е. высокое F/B). То есть одной регулировкой мы влияем на два разных параметра. То же самое происходит, когда мы пытаемся подстроить вибратор для получения нулевой реактивности. Более того, чтобы получить Ra = 50 Ом, мы должны немного менять расстояние между серединами элементов и их длину. А при этом также меняется расстояние между концами вибратора и рефлектора.

То есть простая настройка прямоугольника невозможна, слишком уж всё со всем связано. Трогая один из параметров, мы неизбежно влияем минимум на две разные вещи (например, электрическую длину элемента и величину связи между концами). Поэтому простая настройка прямоугольника (чего-то покрутить и всё) принципиально невозможна. Методом "тыка" и последовательных приближений можно получить низкий КСВ и хорошее усиление (Ga у прямоугольника вообще сложно заметно ухудшить), но одновременно с этим получить и высокое F/B скорее всего не удастся.

Для точной индивидуальной (под данную высоту, землю, радиус провода) настройки-расчета прямоугольника Моксона необходимы свои, оптимальные для данного случая (и поэтому отличающиеся от приведенных на рис. 7.3.2) размеры. То есть для вашего конкретного случая требуется примерно то же самое, что сделал W4RNL с антенной G6XN: поиск оптимального сочетания всех размеров.

Тут читатель и присвистнет: "Однако! Мне предлагают сделать ту же работу, на которую L.B. Cebik`у по его словам потребовалось немало времени и труда. И еще маленькая такая разница: W4RNL профессионал, а я нет. Мне практические размеры для своего случая нужны, а не исследования". Соглашусь, да - вы не L.B. Cebik. Но есть и другая разница: W4RNL в своих исследованиях пользовался моделировщиком EZNEC3, который ни графическим интерфейсом, ни оптимизацией не отягощен (и поэтому поиск оптимума проводился подбором вручную). А у нас в руках GAL-ANA с хорошей оптимизацией. Мы можем приказать машине: "Меняй ширину антенны, расстояние между центральными частями, длины загнутых частей элементов до тех пор пока не получится хорошая антенна".

Перевод этого приказа на понятный GAL-ANA язык записей в таблице "Изменяемые параметры" окна "Оптимизация" показан на рис. 7.3.3. Он относится к базовым файлам …\Moxon.gaa и …\Moxon_wire.gaa.


Рис. 7.3.3

Первые 8 строк таблицы это совместное изменение ширины средних частей вибратора и рефлектора. Описано как одновременное изменение всех координат Y всех четырех загнутых частей.

Строки с 9-й по 12-ю задают изменение расстояния между средними частями элементов (вибратор и рефлектор двигаются симметрично в разные стороны вдоль оси X).
13-я и 14-я строки - совместное изменение длины загнутых частей рефлектора, две последние - вибратора.

Закончив заполнение таблицы Изменяемые параметры, движками устанавливаете свою цель. У меня это примерно так: движок F/B в максимум, движки Ga и КСВ на 1..2 деления. Но вы можете поставить их по иному, в соответствии со своими требованиями. Запускайте оптимизацию, и ощущайте себя L.B. Cebik`ом. Недолго, примерно с минуту. Через это время вы будете иметь оптимальные размеры прямоугольника именно для ваших условий. Если какая-то из получившихся характеристик антенны вас не порадует, просто увеличьте её значимость в целях оптимизации (соответствующим движком), несколько снизьте остальные движки и повторите оптимизацию.

Если неохота заниматься оптимизацией, то готовые размеры проволочного (диаметр 1,6 мм) прямоугольника Моксона на диапазон 14 МГц для высот подвеса от 7 до 18 м на средней землей приведены в файлах …Moxon_w7.gaa, …Moxon_w8.gaa, …Moxon_w9.gaa, …Moxon_w10.gaa, ..Moxon_w12.gaa, ..Moxon_w15.gaa, ..Moxon_w18.gaa. Цифра в имени файла в данном случае означает высоту над землей в метрах.

Но все же советовал бы делать оптимизацию для каждого конкретного случая. Смотрите, в вышеупомянутой группе файлов: в одной и той же антенне при изменении высоты от 0,32 до 0,82l (от 7 до 18 м) размеры широкой стороны прямоугольника меняются от 0,344 до 0,375l (от 7,5 до 8,2 м), а расстояние между средними частям элементов - от 0,117 до 0,128l (от 2,55 до 2,8 м). К тому же, изменение этих размеров идет не линейно с высотой, а колебательно, в соответствии с обычными графиками влияния земли. Прикиньте, насколько вероятно при таком разбросе получить хорошие характеристики для вашего случая без проведения оптимизации (особенно если вы пользуетесь данными какого-либо примитивного online-калькулятора, вообще не учитывающего высоту подвеса).

Конструкция проволочного прямоугольника Моксона выполняется на изоляционных распорках. Например, для диапазона 14 МГц можно использовать телескопические 5-ти метровые удочки с удаленными двумя последними секциями. Распорки крепятся хомутами на крестовине, к которой дополнительно крепятся две небольшие трубки: одна вертикально - для крепления растяжек концов распорок, другая горизонтально в направлении середины вибратора - для механического крепления к ней питающего кабеля.

Обратите особое внимание на боковые изоляторы, механически соединяющие концы элементов. Даже небольшая дополнительная ёмкость и\или проводимость в этих точках изменит величину связи между элементами и смажет ваши усилия по расчету и оптимизации. Лучшее решение - гирлянда из нескольких орешковых изоляторов, связанных монолитным пластиковым шнуром (очень толстой леской, например). Терпимое - просто стянуть концы толстой леской. Но в этом случае возможно ощутимое изменение F/B при дожде, изморози, снеге. Плохое - толстые гигроскопичные (плетеные) веревки и\или проволока, разбитая изоляторами.

Конструкция прямоугольника Моксона из трубчатых элементов на траверсе радиолюбителями практически не применяется (она тяжелее, дороже, да и проволочный вариант имеет удовлетворительную широкополосность). Но некоторые фирмы выпускают такие антенны. В них загнутые концы вибратора и рефлектора механически связываются пластиковой трубой. Имейте в виду, что даже несколько десятых пикофарад, вносимые этой трубой ощутимо влияют на антенну.

Есть разновидность конструкции прямоугольника, в которой в качестве загнутых частей используются отрезки растяжек, поддерживающие концы распорок (файлы …\Moxon_L10w.gaa, …\G3LDO.gaa).

В антеннах с П-образными элементами редко используется более двух элементов. Причина: растут конструктивные сложности по поддержанию загнутых краев элементов. А основное преимущество П-образных элементов (дополнительная степень свободы в регулировке баланса и достижения высокого F/B) в трех- и более элементных антеннах не имеет решающего значения. Дело в том, что в простой трехэлементной антенне (например, Уда-Яги) еще одна степень свободы и так есть: регулировка размеров второго пассивного элемента (это, кстати, говоря, является причиной того, что в 3-х и более элементных антеннах Уда-Яги можно достичь большего F/B, чем в двухэлементных).

Тем не менее, 3-х элементные антенны с П-образными элементами существуют. Удачный пример показан в файле …\3Moxon_wire.gaa. Эта проволочная антенна диапазона 20 м выполнена на крестовине из изолированных распорок размерами 7,6 х 7,6 м. Её параметры типичны для 3-х элементной антенны с таким расстоянием между директором и рефлектором: Ga = 7,85 dBi, F/B = 30 dB (свободное пространство), Ra =20 Ом (питание через l/4 трансформатор 37,5 Ом из двух кабелей по 75 Ом).


На главную - Main page