# Антенна U A 6 A G W v.20/30/40.54

Александр Васильевич Грачёв

Статья о направленной антенне на три диапазона.

Грачёв Александр Васильевич

Антенна UA6AGW v. 20/30/40.54


Эта антенна была разработана и изготовлена для того чтобы проверить, как могут измениться параметры антенны при уменьшении вдвое размеров и величин основных элементов антенны. В роли "подопытного кролика" я использовал антенну на 20-ти метровый диапазон, версии 20.04. Поскольку антенна версии 20.04. разработана методом масштабирования из антенны на 40-ка метровый диапазон, версии 40.04, то и сравнивать её будем, с этой антенной.

Для того что бы перестроить антенну на частоту 7 мГц, вдвое более низкую чем та на которую антенна была рассчитана, без изменения размеров излучающей рамки и длинны лучей, нужно увеличить емкость конденсаторов подключенных к рамке. Величина комплексного сопротивления антенны при этом конечно изменится. Параллельный контур образованный внутренней жилой коаксиального кабеля, из которого изготовлена излучающая рамка, и конденсатором подключенным к ней, а так же параллельный контур, образованный наружной оплеткой этого кабеля и конденсатором, подключенным к ней, сильно связаны между собой и образуют систему связанных контуров. Изменяя емкость одного из конденсаторов, мы изменяем частоту настройки всей системы. Для упрощения схемы коммутации и уменьшения количества деталей, было принято решение увеличивать емкость только конденсатора подключенного к внутренней жиле коаксиального кабеля, из которого изготовлена излучающая рамка, а подключенный к наружной оплетке конденсатор применить с переменной емкостью. Дело в том, что внутренняя жила коаксиального кабеля, из которого изготовлена излучающая рамка, электрически полностью экранирована наружной оплеткой. Увеличение емкости конденсатора подключенного внутренней жиле, конечно, вызовет увеличение тока протекающего в ней. В свою очередь, это увеличение тока, вызовет увеличение напряженности магнитной составляющей сформированной внутренней жилой. Есть основания полагать, что увеличение напряженности магнитной составляющей скажется на основных параметрах антенны. Кроме того, было бы не разумно не попытаться использовать эту антенну в диапазоне 30 метров.


В результате получилась следующая электрическая схема.


Детали.


Поскольку антенна эта построена на базе антенны версии 20.04. то имеет смысл, описание основных элементов конструкции, с некоторыми сокращениями, взять из статьи об этой антенне.


Рамка.


Излучающая рамка выполнена из коаксиального кабеля 7/8", применяемого для устройства фидерных линий при строительстве сотовых станций. Он имеет очень небольшой вес, вместо внешней оплётки сплошную гофрированную трубу из меди, диаметром около 23 мм, в роли центрального проводника медная трубка диаметром около 9 мм. Черная пластиковая изоляция с него снята.


Лучи.


Лучи телескопические, выполненные из двух алюминиевых трубок диаметром 25 мм и двух алюминиевых трубок диаметром 22 мм., каждая длинной по 2 метра. Более тонкие трубки вставлены в более толстые трубки. Вначале каждой более толстой трубки, для снижения переходного сопротивления приклепаны четыре контактных лепестка, а к ним припаяны соединительные проводники. На концах этих же трубок сделаны продольные надрезы длинной 4-5 см. На этих надрезах установлены хомуты, с помощью которых можно надежно фиксировать перемещение внутренней трубки.


Этого вполне достаточно для обеспечения хорошего контакта. Такая конструкция позволяет изменять длину лучей от 205 см. до 385 см. Для обеспечения механической прочности, лучи сверху расчалены капроновым шнуром. Лучи крепятся к пластмассовому кронштейну изготовленному из винипласта.


Такая конструкция позволяет надежно крепить лучи и регулировать наклон лучей относительно рамки. Кронштейн крепится к мачте тремя саморезами. Верхний саморез вкручивается через большое отверстие вверху кронштейна (отверстие хорошо видно на фотографии). Этот саморез является "осью" в том случае если нужно наклонить лучи. Для этого выкручиваем два нижних самореза, а верхний саморез слегка отпускаем, затем нужно наклонить на необходимый угол лучи вместе с кронштейном, нижние саморезы закрутить в боковые отверстия кронштейна.


Конденсаторы. Реле.


Конденсаторы здесь применены воздушные и вакуумные постоянной ёмкости. Конденсатор С2 самодельный, дистанционно управляемый, воздушный, типа "бабочка", изготовлен из оцинкованного железа.


Расстояние между статорными пластинами 11 мм. Для поворота роторных пластин применена цифровая рулевая машинка типоразмера "стандарт", марки MG 996R. Емкость конденсатора 9-70 пФ. В остальном конструкция конденсатора проста, понятна из фотографий и дополнительного описания не требует.


Конденсатор собран на пластине из винипласта, к которой так же крепятся концы коаксиального кабеля, из которого изготовлена излучающая рамка. Пластина находится внутри стандартной пластиковой электромонтажной, так называемой "распаячной", коробки подходящего размера. Для дистанционного управления этим конденсатором из сервотестера изготовлен пульт управления.


Провод в цепи управления можно применить любой подходящий, у меня используется компьютерный сетевой провод UTP. Длина проводов управления, в моем случае, достигает 35 метров. Для снижения потерь каждый из трех проводников управления состоит из двух жил, кроме того, напряжение питания сервотестера должно быть порядка 7,5 В.

В некоторых случаях, при подаче ВЧ напряжения в антенну, рулевые машинки, применяемые для управления конденсатором, начинают совершать хаотические движения. Чтобы избежать этого, достаточно отключить от рулевой машинки питающие напряжения. Для этой цели на пульте управления установлена кнопка (зеленая) на два направления с нормально разомкнутыми контактами. Иногда, наводимые на провода рулевой машинки напряжения, вызывают повреждения цепей управления рулевой машинки. Что бы исключить подобные повреждения я применяю три промежуточных переключающих реле (обмотки на напряжение 5В.). Реле установлены в пластиковой коробке, на снимке с общим видом антенны, она нижняя.

В режиме антенны "работа", нормально замкнутые контакты реле соединяют друг с другом все три провода (плюс, минус, управляющий сигнал) рулевой машинки. В режиме настройки антенны, при нажатии на кнопку пульта управления подается напряжение на параллельно включенные обмотки трех реле, переключающие контакты реле подключают рулевую машинку к проводам управления и с помощью поворота ручки сервотестера происходит изменение положения ротора конденсатора. Поскольку роторные пластины конденсатора закреплены непосредственно на выходном валу рулевой машинки, то механические люфты сведены к минимуму. Точность установки ёмкости высокая.

Ёмкость конденсатора С1 (9 пФ) реализуется ёмкостью монтажа.

Конденсаторы С1-1, С1-2 (вакуумные) и реле К1 и К2 (вакуумные выключатели В1В) монтируются на ещё одной пластине из винипласта.


На фотографии приведен один из ранних вариантов монтажа. Здесь, исходя из соображений, что с увеличением ёмкости конденсаторов (понижением частоты), напряжение на них будет расти, я реализовывал емкости С1-1 и С1-2 последовательно включенными конденсаторами (все конденсаторы на 10 кВ.) Пластины дополнительного конденсатора с помощью которого на диапазоне 40 метров выставляется рабочий диапазон, выполнены из оцинкованного железа.

Предосторожности по последовательному включению конденсаторов оказались излишними. В финальной версии этого узла используются один конденсатор 50 пФ (С1-1), один конденсатор 100 пФ и параллельно ему один конденсатор 12 пФ (С1-2), все конденсаторы на 10 кВ.. Конденсаторы на пластине расположены, так что конденсатор емкостью 100 пФ и конденсатор емкостью 12 пФ находятся вблизи нижних отверстий коробки, в которой они расположены. По одному выводу всех трех конденсаторов, соединены между собой. Причем к конденсатору С1-1 присоединен гибкий провод без изоляции сечением около 3,5 мм. А к двум другим ( С1-2) (включенным между собой параллельно) такой же провод сложенный втрое. Этим же проводом конденсаторы подключены к внутренней жиле излучающей рамки. Вакуумные выключатели В1В установлены на противоположной стороне пластины из винипласта. С1-1 подключается к К1 одиночным проводом, а С1-2 подключается к К2 сложенным вдвое проводом. Вакуумные выключатели соединены межу собой и с излучающей рамкой сложенным втрое проводом. Все это делается для снижения потерь, в цепи подключения этих конденсаторов к излучающей рамке. Пластина из винипласта с конденсаторами и реле, установлена внутри стандартной пластиковой электромонтажной коробки подходящего размера.

Переключение диапазонов осуществляется следующим образом.

В положении "диапазон 20 метров", напряжение на обмотки К1 и К2 (В1В) не подается. Емкость конденсатора С1 образована ёмкостью монтажа и равна 9 пФ, конденсатор С2 дистанционно настраивается. Критерий настройки - максимальный уровень сигналов.

В положении "диапазон 30 метров", напряжение 24 В. подается на вакуумный выключатель К1. Параллельно С1 подключается конденсатор С1-1 (50 пФ). Антенна настраивается на рабочую частоту с помощью конденсатора С2. Критерий настройки - максимальный уровень сигналов.

В положении "диапазон 40 метров", напряжение подается на вакуумные выключатели К1 и К2. Параллельно С1 подключается конденсатор С1-1 и С1-2 (всего 162 пФ). Антенна настраивается на рабочую частоту с помощью конденсатора С2. Критерий настройки такой же.

Схему пульта управления, я не привожу, ввиду её простоты. Блок питания на 24 Вольта желательно применить трансформаторный. Применение в этом месте импульсного блока может повысить уровень шума.


Петля связи.


Петля связи здесь изготовлена из кабеля для сотовой связи. Маркируется он как "½ дюйма".


Способ изготовления петли связи такой же, как у антенны "донора". Ниже приведено описание конструкции петли связи из соответствующей статьи.

"Питание антенны осуществляется с помощью петли связи, изготовленной из кабеля с таким волновым сопротивлением, на который рассчитан выход трансивера или передатчика. Способ изготовления показан на рисунке ниже.


Монтаж петли связи производится по определенным правилам. Точка симметрии петли связи и точка на излучающей рамке, равноудаленная от концов кабеля, из которого изготовлена рамка, совпадают с вершиной мачты выполненной из непроводящего материала (пластик, дерево и т.д.). Конструкция петли связи и такой способ её монтажа обеспечивают высокую электрическую симметричность всей конструкции, исключают паразитные токи в оплетке питающего кабеля и позволяют не использовать заземление, если его применение не требуется из соображений электробезопасности."

Фидер подключается к петле связи с помощью стандартного разъема.


Материал этот я применил, потому что для проведения опытов с петлей связи, мне была нужна жесткая конструкция. Ничего не мешает здесь использовать петлю связи изготовленную из любого другого кабеля. При изготовлении этой антенны, я не ставил цели добиться минимального КСВ в широкой полосе частот. Для минимизации КСВ здесь вполне уместно петлю связи выполнить приведенным выше способом, но применить широко известное из опыта эксплуатации магнитных рамок, соотношение диаметра петли связи и диаметра излучающей рамки "один к пяти". Т.е. диаметр (периметр) петли связи сделать в пять раз меньше диаметра (периметра) излучающей рамки. Антенна перестраивается дистанционно и понятие "рабочий диапазон" здесь весьма условное, не имеет никакого значения.


Мачта. Оттяжки.


Мачта, применяемая для установки антенны, обязательно должна быть неметаллическая. В крайнем случае, можно применить составную мачту (металл-диэлектрик). Но рамка обязательно должна располагаться на неметаллической части. В моем случае применяется 4-х метровая пластиковая труба диаметром 42 мм. Вместе с деревянным брусом они обеспечивают установку антенны на высоте приблизительно 5,5 метров.

Оттяжки (если они применяются) тоже должны быть неметаллические. В наше время найти подходящие шнуры для этого не проблема. У меня оттяжки не применяются.


Конструкция:


Антенна собрана на тщательно прокрашенном деревянном бруске длинной 1,5м. Внизу грани на бруске слегка закруглены, с тем, чтобы он достаточно плотно вставлялся в пластиковую трубу с наружным диаметром 42 мм. В верхней части бруска просверлены, перпендикулярно друг другу, два сквозных отверстия диаметром 9 мм. Через одно из этих отверстий пропущен шнур, с помощью которого расчалены лучи. А через второе проходит кабельная стяжка, удерживающая излучающую рамку. Пластиковые коробки, в которых расположены конденсаторы, пластмассовый кронштейн к которому крепятся лучи и любые другие детали антенны удобно крепить к бруску с помощью саморезов.


Настройка.


Так же как у антенны донора, настройка этой антенны в резонанс и настройка её по минимальному КСВ, это разные процедуры. У классических антенн, КСВ стремящийся к единице на какой либо частоте, означает наличие резонанса на этой частоте. При этом реактивная составляющая комплексного сопротивления антенны стремится к нулю. Эта антенна, в любом случае, сначала настраивается на рабочую частоту с помощью конденсатора, а затем, если это нужно, она настраивается по минимальному КСВ. Настройку КСВ, удобно проводить изменением положения петли связи, относительно излучающей рамки, либо изменением формы петли связи, если такая возможность имеется.

Поскольку антенна эта экспериментальная, то тщательной настройки я не проводил. Настройка в моем случае была проста. Перемещая петлю связи ближе к излучающей рамке, или наоборот, удаляя её от рамки, при этом изменяя коэффициент связи между ними, мне удалось вполне удовлетворительно согласовать собственно антенну и фидер. На рисунках ниже графики, полученные с помощью АА.


Диапазон 20 м.


Диапазон 30 м.


Диапазон 40 м.


Результаты.


Испытывалась эта антенна на всех трех диапазонах, в двух режимах. С горизонтальным положением лучей и с наклоном их приблизительно на 30 градусов. Поскольку основной интерес представляла диаграмма направленности этой антенны в горизонтальной плоскости, то для оценки уровня сигнала, возникла необходимость поворачивать антенну относительно источника сигнала. Использование источника сигнала расположенного недалеко от антенны, имеет свои ограничения. В реальном эфире падающая волна приходит к приемной антенне под некоторым вертикальным углом. Для имитации этого угла, источник сигнала нужно не только расположит подальше от антенны, но и поднять его намного выше антенны, что технически затруднительно. Поэтому было принято решение оценивать диаграмму, с помощью реальных эфирных сигналов методом усреднения полученных значений. Для того что бы исключить влияние замираний сигнала, я организовал возможность быстро поворачивать антенну вручную. Антенна легкая, маховые моменты небольшие, поэтому поворот антенны на 180 градусов занимал не более 2-х секунд, и QSB не успевали сказаться на результатах замера.

В режиме с горизонтальным положением лучей, на 20-метровом диапазоне, диаграмма направленности в горизонтальной плоскости, вполне соответствую диаграмме антенны версии 20.04. Что вполне ожидаемо, поскольку размеры основных элементов этих антенн совпадают. Диаграмма направленности имеет вид эллипса вытянутого вдоль лучей. Отношение "вперед(назад)-вбок" порядка 6-9 дБ.

В режиме с горизонтальным положением лучей, на 30-метровом диапазоне, диаграмма направленности в горизонтальной плоскости тоже имеет вид эллипса вытянутого вдоль лучей. Отношение "вперед(назад)-вбок" порядка 3-6 дБ.

На 40-метровом диапазоне, при горизонтальном положении лучей, диаграмма направленности в горизонтальной плоскости менее вытянута вдоль лучей. Отношение "вперед(назад)-вбок" порядка 3дБ.

В антенне "доноре" версии 20.04, в диапазоне 20 метров, если лучи наклонить градусов на 25-30, то величина вертикального угла излучения со стороны луча "смотрящего" вниз (переднего), будет заметно меньше соответствующей величины вертикального угла излучения со стороны луча "смотрящего" вверх (заднего). На достаточно протяженных трассах, со стороны переднего луча, потребуется меньшее количество "скачков" (переотражений) для покрытия одного и того же расстояния. На трассах более 2000 км, это дает выигрыш со стороны луча "смотрящего" вниз, порядка 10 дБ. На картинке ресурса "PSKReporter" это выглядит следующим образом.


Эффект образования направленного излучения, в этом случае я объяснял себе, смещением зоны формирования электрической составляющей ЭМВ, относительно зоны формирования магнитной составляющей электромагнитной волны сформированной антенной и имеющимся в этом случае фазовым набегом между этими составляющими. Каково же было моё удивление, когда и в диапазоне 30 метров и в диапазоне 40 метров антенна сохранила способность формировать направленное излучение.

Диапазон 30 метров.


Диапазон 40 метров.


Из полученных результатов можно сделать вывод, что фазовые взаимоотношения в этой антенне при формировании направленного излучения не имеют решающего значения. Так же, для формирования направленного излучения не имеют значения, размеров элементов по отношению к длине волны, Значение имеют только соотношение размеров элементов по отношению друг к другу и их взаимное положение по отношению друг к другу.

В реальном эфире диапазона 40 метров, для станций расположенных на расстоянии от 15 км до 1500 км и более, при развороте антенны тылом к корреспонденту, подавление было не менее 15 дБ, а во многих случаях значительно больше. Такие результаты даже меня удивили...

Впрочем, как водится, обнаружились и недостатки конструкции. Было обнаружено, что увеличение подводимой к антенне мощности вызывает, хоть и не сильный, но всё же, нагрев внутренней жилы коаксиального кабеля из которого изготовлена излучающая рамка. Ранее ни в одной конструкции такого явления не наблюдалось. Очевидно, что вызвано это увеличением тока протекающего во внутренней жиле. В случае использования для изготовления антенны, описанных выше материалов, имеет смысл ограничить подводимую к антенне мощность на уровне 100-150 Ватт.

Для определения общей эффективности на прием и на передачу этой антенны в диапазоне 40 метров, в качестве антенны сравнения использовалась антенна версии 40.04. Габаритные размеры этой антенны вдвое больше экспериментальной. На прием в диапазоне 40 метров, в направлении основного лепестка, по уровню сигнала эта антенна на трассах до 3000 км. не проигрывала, но в нескольких случаях на более протяженных трассах (7 тыс. км. и более) сигнал вполне разборчиво слышимый на антенну сравнения, на новую антенну не принимался. С "боку", на прием, на всех трассах уровень сигнала был меньше чем на антенну сравнения на 3-6 дБ.

На передачу, новая антенна в диапазоне 40 метров, в направлении основного лепестка на средних трассах (1000-2000 км.) в среднем проигрывала 3-6 дБ, на более протяженных трассах зачастую не проигрывала нисколько. С "боку", на передачу, уровень сигнала был меньше на 5-6 дБ.

Подводя итоги можно сказать следующее, что антенна при своих очень небольших размерах по отношению к рабочей длине волны оказалась весьма эффективной. Проведенные с этой антенной опыты позволили по-новому взглянуть на процесс формирования электромагнитной волны в подобных антеннах.

Вот собственно и всё что я хотел рассказать, об этой антенне.


Грачёв Александр \UA6AGW\

г. Краснодар