МОДИФИКАЦИЯ НАПРАВЛЕННОЙ
АНТЕННЫ НА 7 МГц
В двухэлементной антенне на 7 МГц [1] вибраторы питают через отрезки
соединительных линий (СЛ)
с высоким волновым сопротивлением и согласующий трансформатор. Это удобно
(особенно при перво-
начальной отработке антенны) тем, что позволяет получить хорошую диаграмму
направленности (ДН)
и согласовать входное сопротивление антенны с фидером при значительных
отклонениях длин вибрато-
ров от резонансных значений, т. е. избежать трудоемкой коррекции их
размеров. Вместе с тем следует
отметить, что в связи с работой СЛ в режиме стоячей волны с весьма высоким
значением КСВ в них
происходили ощутимые потери энергии, а применение трансформатора усложняло
узел согласования.
Чтобы улучшить параметры антенны и упростить конструкцию настроечного узла,
были разработаны и
осуществлены две различные модификации антенны, описание которых приводится
ниже.
ВАРИАНТ I
В антенне UB5CE была изменена система питания: симметричные двухпроводные СЛ
заменены коакси-
альными Лд и Лр из кабеля РК50 (рис. 1). В этом варианте симметрирующие
устройства (СУ) уста-
новлены на входе вибраторов. Антенну настраивают подбором конденсаторов Сд и
Ср, и согласуют
с 50-омным фидером подбором длин линий Лд и Лр, изменяя их трансформирующие
свойства. Катушкой
Lк компенсируют реактивную составляющую входного сопротивления антенны.
После переделки системы питания параметры антенны стали следующими.
Коэффициент усиления Ку увеличился на 15...20 % (изменение Rу оценивалось
сопоставлением напра-
вленной и рядом расположенной дипольной антенн при приеме сигналов местных
станций до и после
переделки).
Коэффициент защитного действия Кзд в диапазоне 7.0...7,1 МГц был в пределах
19...22 дБ, улучши-
лось отношение излучений вперед-вбок. Максимальное значение КСВ в пределах
диапазона снизилось
до 1,5(было 1,75). Ширина переднего лепестка ДН увеличилась до 76...78°
(подробнее об этом
параметре в конце статьи).
Рис. 1
Теперь о конструкции антенны. Длина каждой половины директора (размер 1/2 lд
на рис. 1) после
коррекции составляет 10,33 м. половины рефлектора-10,78 м. Габариты
элементов оставлены без из-
менений.
Входы вибраторов соединены с СУ отрезками проводов длиной 0,2 м.
Симметрирующие устройства WT1 и WT2 представляют собой длинную линию с
волновым сопротивлением
50 Ом,намотанную (10 витков) на магнитопровод из двух сложенных вместе колец
(типоразмер К39Х
25Х7) из феррита 100НН. Линия (ее длина 67 см) изготовлена из четырех
скрученных в жгут монтаж-
ных проводов МГТФ с диаметром по изоляции 1,8 мм и сечением проводника 0,5
мм2 (сделать СУ при-
емлемых габаритов непосредственно из примененного кабеля РК50 не удалось
из-за его жесткости).
Провода соединены крест-накрест между собой на входе и выходе СУ. Устройство
защищено от атмос-
ферных осадков пластмассовым футляром. СУ подавляет несимметричную волну на
входе вибратора не
хуже, чем на 20 дБ.
В СУ можно использовать ферритовые кольца с магнитной проницаемостью от 50
до 2000. Размеры
колец должны позволять разместить обмотку с числом витков 5—10. Волновое
сопротивление линии СУ
измеряют КСВ-метром, применяя 50-омную нагрузку до или после намотки ее на
кольцо. Если исклю-
чить СУ из цепи питания,то это приведет к несимметричности тыльной части ДН
и ухудшению Кзд на
5...7 дБ при приеме пологопадаюших радиоволн.
В качестве линий Лд и Лр использованы отрезки кабеля PK50-7-11 длиной 5,46
м. С одной стороны
кабели (экран и внутренняя жила) присоединены к плечам директора и
рефлектора (через СУ) проти-
воположным образом.
Их вторые концы заведены в коробку блока настройки (БН), где размещают
конденсаторы Сд и Ср
(К15У1,К15У2, КТ2, КТЗ или КСО7—КСО13 желательно с малым ТКЕ) соответственно
емкостью 330 и
340 пФ.
При подводимой к антенне мощности 200 Вт амплитуда напряжений на
конденсаторах не превышает 150 В,
необходимая реактивная мощность около 100 вар.
Катушка Lк намотана на каркасе диаметром 12 мм. Она содержит 31 виток
провода ПЭВ 0,67
(длина намотки 28 мм). Индуктивность катушки 4.5 мкГн, добротность — 170.
Содержимое БН размещено в пластмассовой коробке размерами 100Х X150X50 мм со
съемной крышкой.
Конденсаторы и коаксиальные кабели монтируют (без пайки) на шинах из латуни
сечением 6X10 мм,
в которых сделаны отверстия с резьбой под винты М4. Кабели фиксируют, и их
оплетки соединяют
с общей («земляной»)шиной посредством хомутов. Эскиз БН показан на рис. 2.
Блок крепится в сред-
ней части траверсы и доступен для обслуживания и настройки.
Антенну настраивают (ДН, согласование по входу) на рабочей высоте. Сначала
определяют резонан-
сные частоты каждого из вибраторов. Для проверки директора в БН вместо
конденсатора Сд следует
установить короткую перемычку, конденсатор Ср удалить, а конец кабеля Лр
замкнуть накоротко
(чтобы расстроить рефлектор и уменьшить его влияние на директор). КСВ-метром
определяют частоту,
на которой КСВ минимален, т. е. резонансную частоту директора. Аналогично
определяют резонанс-
ную частоту рефлектора. Эти частоты должны равняться 7140± 10 кГц для
директора и 6900±10 кГц
для рефлектора (во время совместной работы вибраторов как двухэлементной
системы, в силу взаим-
ных влияний частоты настройки вибраторов приблизятся к 7.05 МГц). При
необходимости корректиру-
ют длину вибратора (укорочение на 15 мм с обеих сторон повышает резонансную
частоту вибратора
на 10 кГц).
КСВ вибраторов на резонансных частотах при вращении антенны менялся в
пределах 1,08...1,2, что
говорит об ощутимом влиянии окружающих предметов.
Следует отметить, что возможна настройка антенны и при резонансных частотах
вибраторов, отлича-
ющихся от приведенных, но при этом потребуются изменить величины Лд, Лр, Сд
и Ср.
Общая электрическая длина СЛ от БН до входа вибратора с учетом коэффициентов
укорочения K1=l,52
для коаксиального кабеля и К2~1,1 для линии в СУ составляет lэ—
5,46х1.52+0.67х1,1=9,04 м. Если
СУ не будут применены,для сохранения коэффициента трансформации линии длину
каждого кабеля сле-
дует увеличить до значения lэ/К1=9,04/1.52== 5,94 м. По этой же причине при
применении в СУ ли-
нии с длиной, отличной от 67 см, длину кабелей следует соответственно
скорректировать.
Методика настройки ДН приведена в [1]. Настройку ведут по сигналу местной
станции-датчика на час-
тотах 7,04... 7,05 МГц, расположив антенну рефлектором в сторону датчика под
углом Р=20...25°
между траверсой и направлением на датчик. В БН вместо Сд и Ср временно
устанавливают переменные
конденсаторы с максимальной емкостью 500..1000 пФ. Вращением осей
конденсаторов (через диэлект-
рические ручки) добиваются минимальной слышимости сигнала (влияние
конденсатора Сд при настрой-
ке намного сильнее, чем Ср). Если все заданные размеры выдержаны,на этом
собственно настройка
заканчивается. Остается измерить емкость переменных конденсаторов и
подобрать на их место посто-
янные. Точность подбора — около±5 пФ для Сд и ±25 пФ для Ср.
Рис. 2
При неточных размерах вибраторов при настройке может потребоваться
применение конденсатора Ср ем-
костью в несколько тысяч пикофарад или включение последовательно с ним
катушки индуктивностью
1...1.5 мкГи, а также подбор длин кабелей Лд, Лр для достижения хорошего
согласования. В этом
случае можно рекомендовать следующий порядок действий. Сначала измеряют КСВ
в фидере в интерва-
ле 7,0... 7,1 МГц через 25 кГц. Если график изменения КСВ
неудовлетворителен, следует выяснить
характер рассогласования. Для этого изготавливают нагрузку сопротивлением
500...750 Ом (из трех
включенных параллельно резисторов МЛТ-2) и катушку индуктивностью б...8 мкГн
и припаивают к их
концам зажимы «крокодил». Затем их по очереди присоединяют к входным точкам
антенны (к разъему
XS1) и измеряют КСВ на тех же частотах. Если оба подключения улучшают КСВ,
особенно на средней
частоте диапазона,значит, активная составляющая входного сопротивления
антенны Rвх больше 50 Ом,
а реактивная составляющая Хвх имеет емкостный характер. Следует иметь в
виду, что в данном вари-
анте питания Rвх меняется по диапазону в значительных пределах, например, на
частоте 7 МГц оно
может быть равно 40 Ом, на 7.05 МГц 55 Ом и на 7,1 МГц 70 Ом.
В этом случае подключение параллельно разъему XS1 дополнительного резистора
Рд будет улучшать
КСВ в фидере на высших частотах диапазона и ухудшать на низших. Если влияние
Rд имеет такой
характер, значит, внутри интервала 7.0... 7,1 МГц есть частота, где
сопротивление Rвх равно 50 Ом
и подбором катушки Lк можно добиться полного согласования.
Для уменьшения Rвх кабели Лд и Лр нужно укорачивать, для увеличения
удлинять. Естественно, первая
ситуация предпочтительнее, поэтому первоначально следует взять кабели на
20...30 см длиннее рекомен-
дованных. После каждого изменения длин кабелей производят подстройку
конденсаторами Сд и Ср.
На рис. 3 приведены характерные графики изменения КСВ. Кривая 1 отражает
случай, когда в БН вклю-
чена катушка Lк,
кривая 2 — когда ее нет. Кривые 3 и 4 иллюстрируют случаи, когда длина линий
Лд, Лр соответст-
венно меньше и больше оптимальной.
Можно достичь согласования антенны и другими путями. Если изменять
коэффициенты трансформации
кабелей по-разному (Лд удлинять, Лр укорачивать), можно найти положение, при
котором входное сопро-
тивление антенны будет чисто активным, и надобность в катушке Lк отпадет.
Однако при этом может
потребоваться применение катушки индуктивности вместо конденсатора Ср (или
последовательно с ним),
что неудобно конструктивно. Принятый вариант с кабелями равной длины
представляется более простым
в настройке, дополнительные потери из-за Lк не превышают 0,5% от подводимой
мощности.
Рис. 3
Входное сопротивление антенны можно также регулировать, изменяя размеры
вибраторов. Если, к примеру,
их укоротить на 0,5% (около 5 см на каждую половину вибратора), Rвх антенны
уменьшится в 1,3..
.1,5 раза. При удлинении вибраторов Rвх соответственно увеличивается.
В системе питания можно применить и 75-омный кабель. При этом ориентировочно
длина Лд и Лр должна
быть по 5,82 м (вариант без СУ), емкость конденсатора Сд — около 200 пФ и Ср
— 400...800 пФ.
Описанная система питания может быть применена и в двухэлементной антенне с
полноразмерными
линейными вибраторами. В этом случае усиление будет примерно на 1 дБ выше
из-за более узкого
лепестка ДН (20,7=66...70°).
ВАРИАНТ 2
При повторении описанной в [1] антенны на радиостанции RB5MC вместо
разрезных вибраторов на 7 МГц
были применены шлейф-вибраторы с теми же самыми формой и размерами. Из-за
этого входное сопротив-
ление антенны повысилось примерно до 50 Ом,что позволило отказаться от
согласующего трансформа-
тора. Помимо упрощения входного узла, в этом варианте значительно расширился
рабочий диапазон
антенны, уменьшились КСВ в соединительных линиях и напряжение на
конденсаторах Сд, Ср в БН,
повысился КПД антенны.
На рис. 4 схематически показан один из шлейф-вибраторов антенны. Полная
длина директора — 21,7 м,
рефлектора — 22 м.
Шлейф-вибраторы выполнены из расположенных на расстоянии 200 мм друг от
друга проводов диаметром
1,62 мм. Распорки 1 и концевые изоляторы 2 изготовлены из стеклотекстолита.
Рис. 4
Схема узла питания приведена на рис. 5. Симметрирование осуществляется за
счет дросселя, пред-
ставляющего собой четыре витка гибкого кабеля РК50 на магнитопроводе из двух
сложенных вместе
колец 2000НН типоразмером К45Х 35X10.
Диаграмму направленности «выставляют» по методике, описанной в [1].
Первоначально использова-
лись подстро-ечные конденсаторы КПВ-140. При настройке на максимальное
подавление излучения назад
(угол равен нулю) наилучший КСВ получился на частоте iK 7110 кГц. Настройка
под другими углами
показала, что с увеличением р частота fK уменьшалась. При оптимальном
значении =30° наилучший
КСВ, равный 1,2, получился на средней частоте диапазона 7050 кГц; на краях
диапазона КСВ
Рис. 5
не превосходил 1,5, а на частоте 7200 кГц был около 2. Емкость конденсаторов
при этом оказались
Сд1= Сд2=95 пФ и Ср1=Ср2=119 пФ. В дальнейшем такую емкость обеспечили
конденсаторы К15У1. В пле-
чах, где применялись подстроечные конденсаторы,суммарная емкость постоянных
конденсаторов была
меньше указанных значений на 7...10 пФ.Приведенные выше рекомендации по
улучшению КСВ применимы
и при симметричных СЛ.
Измерения ДН антенны показали, что ширина переднего лепестка непревысила
64°.Наихудшие
точки в тыльной части ДН имеют уровень-22дБ.
В процессе изготовления антенны были опробованы несимметричные варианты
питания: без симметри-
рующего дросселя и когда фазирующие конденсаторы оставлены только в одном из
плеч (например, вместо
конденсаторов Сд2 и Ср2 установлены перемычки).
В обоих случаях ДН изменялась примерно одинаково: уровень одного из задних
лепестков ухудшался
до -15 дБ. Во втором варианте настройка антенны удавалась при вдвое меньших
значениях емкости конден-
саторов Сд1 и Ср1.
ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ
1. При настройке направленной поворотной антенны по сигналам местных станций
на диапазоне 7 МГц
необходимо учитывать одну особенность, которая не проявляется на частотах 14
МГц и выше. Дело,
в том, что сигналы в точку приема могут приходить двумя путями в виде прямой
поверхностной вол-
ны и волны «сверху»,возвратившейся на землю после отражения от ионосферы.
Сила отраженной волны
зависит от состояния ионосферы и может изменяться от нуля до значений,
соизмеримых с прямой вол-
ной 12]. Наличие «верхней» волны проявляется в виде периодических колебаний
силы сигнала и субъ-
ективного ухудшения ДН антенны, особенно ее тыльной части. Чем ближе
находится источник сигнала,
тем сильнее поверхностная волна и слабее проявляется отмеченный эффект.
2. Ранее уже отмечалось, что при питании вибраторов антенны через
коаксиальные
линии передний лепесток ДН имеет ширину ~77°. Это соответствует расчетному
значению для
антенны с «согнутыми» вибраторами с максимальным горизонтальным размером
около 14 м
при условии равенства токов в вибраторах но значению и оптимальной разности
их фаз. Однако
при вариантах питания, использующих СЛ с высоким волновым сопротивлением
(около 600 Ом),
измеренные значения составили 62...66°, что значительно меньше расчетных.
Для проверки отмечен-
ного эффекта был опробован макет антенны с СЛ, волновое сопротивление
которых можно было изме-
нять в пределах от 500 до 100 Ом путем сближения проводов линий.
Измерения на макете подтвердили зависимость параметра от волнового
сопротивления
линий.' К сожалению, полезный эффект увеличение К> из-за сужения лепестка ДН
может быть
сведен на нет уменьшением КПД антенны из-за роста КСВ в линиях. Как показали
измере-
ния (в варианте 1), после перехода на коаксиальную систему питания
вибраторов несмотря на
расширение лепестка ДН Ку антенны несколько возрос.
Описанные антенны сравнивались во время связей с антенной радиостанции
UB4MZA, представляющей
полноразмерный тройной «квадрат» с длинойтраверсы14м(КСВ=1,1).
В среднем на UB4MZA получали оценки корреспондентов на 3 дБ выше, в
отдельных случаях разница в
оценках достигала ±10 дБ. Сигналы станций UB5CE и RB5MC оценивались, как
правило, одинаково,
выигрыш по отношению к диполю в среднем составлял 9 дБ.
3. Настройка двухвибраторной антенны (применительно к режиму передачи)
заключается в созда-
нии в обоих вибраторах токов, одинаковых по значению и определенным образом
отличающихся по фазе.
Полный ток каждого вибратора состоит из двух составляющих — поступившей по
питающей (соединитель-
ной) линии и наведенной полем другого вибратора. Наведенные составляющие в
обоих вибраторах бу-
дут равны только при расстоянии между вибраторами (d=0,125L. В этом случае в
настроенной антен-
не будут также равны между собой токи питания и соответственно входные
сопротивления обоих виб-
раторов. При d. отличном от 0,125L, условия настройки будут выполняться при
неодинаковых вход-
ных сопротивлениях вибраторов.
Описанные выше узлы позволяют оперативно регулировать как соотношения
значений токов в директор-
ной и рефлекторной цепях, так и фазовые соотношения этих токов. (К примеру,
подбором конденса-
торов Сд и Ср можно обеспечить одинаковый фазовый сдвиг в линиях фд-фр =50°
как при Фд=-25° и
Фр= -25 , так и при Фд= +50° и фр =0°, но соотношение значений токов в этих
случаях будет отли-
чаться из-за разного входного сопротивления линий). Поэтому их можно
рекомендовать, в первую оче-
редь, для многодиапазонных систем, когда расстояние между вибраторами уже
задано конструктив-
но и отличается от оптимального на 0,125L, а также, если применяются
вибраторы нестандартной
формы, что не позволяет использовать приведенные в литературе данные по
популярным антеннам типа
HB9CV и ZL-special.
В заключение авторы благодарят коллег радиолюбителей В. Копоненко (UB5MBG),
В. Сафтыка (UB5MHP)
и В. Павлкжова (RB5MA) за оказанную при моделировании и настройке
антенн'существенную помощь.
Э. ГУТКИН (UB5CE), Ю. ТЕСТЕШНИКОВ (RB5MC)
г. Ворошиловград
ЛИТЕРАТУРА
*»
1. Гуткин Э. Многодиапазонная направленная KB антенна.- Радио, 1985, № 3.
2. Чернышев В. П., Шенман Д. И. Распространение радиоволн п АФУ.- М.: Связь,
1973, с. 87—90.
РАДИО № 8, 1987
г.