ФАЗИРОВАНИЕ МНОГОДИАПАЗОННЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ АНТЕНН

 

Власов В.П. (RJ3A ex RX3AJ), к.т.н.

 

            Антенны с электрически управляемой диаграммой направленности давно занимают важное место как в профессиональной, так и радиолюбительской практике. Яркий пример таких антенн – разнообразные фазированные антенные решётки (ФАР), которые, оставаясь неподвижными относительно земли, самолёта, ракеты позволяют сканировать пространство в радиолокации. У радиолюбителей это - антенны с переключаемой диаграммой, чаще всего – двухэлементные  с переключением «вперёд – назад». На наиболее длинноволновых любительских КВ диапазонах им, по-видимому, вообще нет альтернативы, так как построение вращающихся монстров суперзатратно. Кроме того, по отношению к поворотным антеннам, антенны с управляемой  диаграммой обладают замечательным свойством - диаграмму можно изменять мгновенно и в любом желаемом отношении – например, изменяя угол наклона главного лепестка.

            В своё время 9 - элементную КВ  ФАР разработал и успешно применял  замечательный спортсмен и конструктор Г. Румянцев, который, к сожалению, не оставил общедоступного описания своей легендарной антенны. Однако известные детали этой конструкции хорошо поясняют общие  проблемы построения таких антенн. Так, выбор типа и количества элементов антенны диктуется  желаемым усилением, а в ФАР еще и соображениями симметрии. Вертикальные элементы обладают осевой симметрией диаграммы направленности, что облегчает получение одинакового усиления во всех направлениях. Георгием был сделан, по-видимому, трудный выбор в пользу четвертьволновой электрической длины элементов,  что заставило изготовить  громоздкую и конструктивно непростую сетку из проводов над крышей, моделирующую необходимую для таких элементов проводящую поверхность. Ну и, насколько мне известно, значительной проблемой оказалось обеспечение многодиапазонности. В результате был создан элемент, обеспечивший работу  антенны в полосе 10 – 30 МГц. Антенна в целом отвечала самым высоким требованиям Г. Румянцева – спортсмена мирового уровня. Интересно, что фазирующая система позволяла ему управлять диаграммой как по азимуту, так и по возвышению главного лепестка, что позволяет оптимизировать работу антенны для различных трасс.

            Исходя из известных общих положений теории антенн и собственных условий и требований я изготовил двухэлементную фазируемую антенну для дачной «позиции». Исходил, прежде всего, из наличия на садовом домике кровли из гофрированного алюминия. Сравнительно небольшие её размеры меня не смущали – имеются работы, доказывающие, что качество заземления вблизи основания чертвертьволнового излучателя важнее его размеров. Это предопределило выбор четвертьволновых элементов.  Длина конька крыши – 5 м - продиктовала расстояние между ними, которое, кстати, является хотя и компромиссным, но вполне приемлемым для диапазонов 40 - 10 м. В этом смысле антенна Румянцева тоже, конечно, компромиссная.

 Тем, кто совсем не знаком с антеннами  данного типа, достаточно будет взглянуть  в любое издание книги К. Ротхаммеля. Тем, кто хочет не просто повторить, но творчески переработать антенну, особенно рекомендую замечательную книгу И. В. Гончаренко «Антенны КВ и УКВ», ч.2, где раздел 3.2 целиком посвящен особенностям реальных вертикальных антенн.

 Теоретический предел усиления двух четвертьволновых излучателей над идеально проводящей поверхностью – 8,14 dBi, что примерно соответствует усилению трехэлементной Яги или двойного квадрата. Но как к нему приблизиться (что, впрочем, непросто и в случае  любых других антенн)?

Формулы для расчета длины дополнительной фазирующей линии для получения максимального усиления или ослабления в идеальном случае малополезны, так как они не учитывают потери в элементах и кровле, влияние собственно земли, взаимное влияние, а так же неизбежные комплексность, разброс и частотную зависимость параметров элементов. Моделирование в ММАNА снимает эти вопросы только отчасти, хотя подтверждает возможность получения самых различных диаграмм – от кардиоиды до классического главного лепестка с вариантами подавленного заднего (задних). Тем не менее, очень рекомендую «поиграть» в этой программе. Два одинаковых четвертьволновых излучателя над идеальной землёй  создаются в ней элементарно, а предусмотренные в программе возможности регулировки фаз и амплитуд питающих токов позволят вам многое проверить.

Не забывая о теории, я полностью доверился практике. В качестве элементов применил два мультибендовых траповых вертикала BTV4 (40, 20, 15 и 10 м). Очень прилично сделано, производство Hustler, USA. Отменная электрическая и механическая прочность, без оттяжек легко выдерживает любые ветры на московских многоэтажках. При этом среди подобных видимо, самые недорогие. Легко настраиваются перемещением трапов. Требуют небольшого удлинения вверху, так как рассчитаны на американский диапазон 7000 – 7400 кГц. Некоторая настройка, прежде всего, по критерию одинаковости, а так же  минимуму  КСВ, все же потребовалась. Взаимное влияние элементов очень сильное, и я настраивал каждый из них в присутствии второго, нагруженного на 50 Ом.

Сразу заложил возможность оперативного управления длиной фазирующей линии. Ориентиром служила её теоретическая длина  для диапазона 20 м и расстояния между элементами 5 м. С кабелем со сплошной полиэтиленовой изоляцией, имеющим коэффициент укорочения 0.66 она составляет 3,3 м. Предусмотрел возможность переключения длины через каждые 0,5 м начиная с нуля. Наиболее просто коммутация осуществляется обычными галетными переключателями на 11 положений.  Первый из них подключает одну из линий с длинами 0; 0,5; 1; ... 5 м. Второй подключает, последовательно к первой линии, вторую с длинами 0;  5;  10;  15 м.        Впоследствии выяснилось, что вторая секция нужна только для диапазона 40 м, на котором оптимальная длина линии составляет около 7 м. Такая секция, однако, будет необходима для диапазонов 80 и 160 м, если вы осуществляете фазирование на этих диапазонах.

Кабеля нужно много. Я остановился на недорогом RG-58 со сплошным полиэтиленом. По сравнению с RG-58 со вспененным полиэтиленом он имеет меньший коэффициент укорочения и, поэтому, меньшую физическую длину. Он достаточно тонок, чтобы все перечисленные выше отрезки поместились в небольшом настольном блочке размером 30*20*20 см. Электрически прочен, чтобы легко держать в линии половину моих 500 – 700 Вт. При выборе кабеля и переключателей не забывайте, что элементы, фидеры, линия и переключатели работают в 50 – омной цепи при половинной мощности в двухэлементной антенне, при четверти мощности в четырёхэлементной и т. д.

В 50 – омной цепи галетный переключатель, при характерном  для близкого к  единице КСВ в фидерах и фазирующей линии  описываемой антенны, вполне обеспечивает хорошую надёжность при половине от разрешённой мощности 1 кВт. Я все же везде запараллелил две галеты на точку коммутации. Любителям QRO, конечно, надо подумать о выборе более мощных элементов и кабеля. При этом, скорее всего, придётся пожертвовать возможностью произвольно изменять длину линии в широких пределах.

Теоретически, в узкой полосе частот,  возможна эквивалентная замена любого отрезка кабеля двухэлементной LC-цепью. При синтезе такой цепи можно учесть комплексность входного сопротивления элементов, необходимость обеспечения не только необходимого соотношения фаз, но и амплитуд. Техническая реализация «в точке» при этом очень проста - катушка индуктивности и конденсатор. Однако функция оптимизации диаграммы в диапазоне частот  всё равно потребует набора LC-цепей, как и набора  отрезков кабеля. Переменные L и C позволяют определить при настройке оптимальные параметры и заменить их затем постоянными элементами. Фазирующая цепь вместо линии привлекательна тем, что в ней, одновременно с обеспечением необходимой фазы можно получить и практически произвольный коэффициент передачи, что должно улучшать эффект сложения (вычитания полей).

Помня, что  практика - критерий истинности, я поместил вдоль линии элементов, на удалении около 20 м (на заборе участка) индикатор поля. На всех диапазонах 40 – 10 м наблюдалась замечательная картина переключения «вперёд-назад», с отчётливыми максимумами усиления и подавления. Точные значения F/B едва  ли представляют интерес, так как при угле возвышения 0 градусов (поле на высоте забора) мы имеем отнюдь не достоверную картину усиления, так как главный лепесток на самом деле приподнят. Было хорошо видно, что максимум усиления и подавления  совпадают только для диапазона 20 м. Именно поэтому полезно иметь возможность изменения фазы, позволяющую выбрать максимум усиления, подавления или что-то компромиссное.  Так, если вы зовёте уверенно слышного DX, вы предпочтёте максимум усиления. Если вы боретесь за приём - приоритет за подавлением  мешающих станций или за максимальным сигнал/шум. То и другое вы можете получить изменением длины фазирующей линии.

Для своей антенны я определил следующие средние физические  длины фазирующей линии: диапазон 10 м – 1,5 м; 15 м – 2 м; 20 м – 3 м; 40 м – 7 м.            Особенности прохождения, «затачивание» антенны под DX`а или  под контест, борьба с помехами и прочее требуют изменения длины в пределах 15 – 30 %.

Конечно, захотелось попробовать заставить антенну работать и на диапазоне 80 м.

Для этого пришлось применить два «тьюнера» в основании элементов в виде удлиняющей индуктивности с отводом для подключения кабеля. Мои антенны настроились на 80 м при подключении катушки диаметром 100 мм, длиной намотки около 100 мм и числе витков – 15. Понимая, что в этом элементе протекают большие реактивные токи, я не экономил на проводе, намотав катушку проводом 4 кв. мм. От положения отвода,  от 1/8 до 1/4  от заземлённого конца, зависит значение КСВ и полоса частот. Остановился на значении КСВ<3 в полосе частот 3,5 – 3,8 МГц, хотя за счёт сужения полосы частот можно сделать КСВ сколь угодно  близким к единице. Направленность на этом диапазоне выражена слабо, так как мало расстояние между элементами. Поэтому на 80 м я включаю элементы параллельно (синфазное включение). При этом работает она просто прекрасно, как хорошая антенна с малым углом возвышения и круговой диаграммой. Ну а на основных диапазонах наблюдается классическая работа направленной антенны. На 20 м субъективно –  очень хорошо, только чуть хуже на 10 и 40 м. При диаграмме типа кардиоиды, т.е. с неподавленными боками, не испытываю особого дискомфорта из-за наличия только двух направлений. Мгновенное переключение позволяет быстро выбирать «бок», который в данный момент меньше страдает от замираний.

             Не забывайте, что в точке подключения TRX сопротивление антенны будет примерно вдвое меньше сопротивления каждого из элементов (в идеале 25 Ом). Любой PA c обычным П – контуром  обеспечит   необходимое согласование «на передачу». А вот рассогласование с неизменным стандартным входным сопротивлением TRX – 50 Ом искажает картину приёма – максимум громкости не обязательно означает максимум усиления.

            Связываю прекрасную работу антенны, прежде всего, с малыми потерями в  алюминиевой крыше, в добротно выполненных алюминиевых же элементах, а также фидерах и линии, работающих при малых к.с.в. Налицо хорошие условия для формирования в ближней зоне реактивного поля с малыми тепловыми потерями. Ну а согласно закону сохранения энергии, вся подведенная энергия, независимо от размеров антенны, если не теряется, то обязательно излучается. Отсюда всё разнообразие маленьких антенн, которые очень нередко показывают прекрасные результаты.

Нет никаких принципиальных препятствий для фазирования и электрически полуволновых мультибендов, например, GAP TITAN или UT1MA. Такие антенны, вполне уместные на наших железобетонных крышах, имеют, однако,  примерно вдвое большую высоту, а также требуют подъёма над поверхностью крыши (земли).

Хочу обратить внимание контестменов  на способность многодиапазонных ФАР осуществлять прием одновременно на нескольких диапазонах и направлениях. Перемещая точку подключения приёмника (приёмников) вдоль фазирующей линии, можно получить все разнообразие возможных диаграмм. Так как линия является частью 50 – омного кабеля, соединяющего элементы, весь этот кабель или любую его часть можно рассматривать, как фазирующую линию. Поэтому потенциально точек подключения много  и возможна одновременная многодиапазонная работа антенны. Разумеется, потребуется анализ влияния входного сопротивления приемников, которое можно ослабить применением развязывающих устройств, выполняющих одновременно функцию защиты приёмников в режиме передачи.

Убеждён, что именно ФАР являются альтернативой тупиковому при ограниченных ресурсах обычному подходу к оборудованию радиостанций как эконом-, так и самого высокого класса.           

            

Статья в формате DOC