Как улучшить параметры и уменьшить габариты антенны Волновой канал? Применить П-образные э

главная\р.л. конструкции\антенны\...

Как улучшить параметры и уменьшить габариты антенны Волновой канал?
Применить П-образные элементы вместо стандартных линейных

C момента изобретения в двадцатых годах прошлого столетия направленной антенны UDA-YAGI (она же Волновой Канал - ВК ) активный и пассивные элементы применялись почти исключительно линейной формы. С появлением компьютерных антенных моделировщиков началась эра применения антенных элементов «ломаной формы», таких как V-образных, П-образных, W- образных и других. По сумме достоинств (электрических и механических) наиболее перспективными являются элементы П-образной формы. Простые двухэлементные антенны из П-элементов под названием «прямоугольник Моксона –Себика» подробно рассмотрены в литературе, в том числе в новой книге [1], схемы и параметры трехэлементных были приведены в [2].

Как показывают расчеты, преимущества П-элементов в наибольшей мере проявляются в длинных многоэлементных антеннах. Покажем это на примере двух 4-х элементных антенн одинаковой длины, но с элементами разной формы.. В антенне А (рис.1) использованы три пассивных П-элемента и Т-образный активный, в антенне Б (рис.3) все элементы линейные. Применительно к диапазону 20 м расчетная длина антенны (длина бума) принята равной 8,3 м - это есть длина, при которой удается в полной мере использовать преимущества заданного количества П-элементов. Расчет антенн производился с помощью программы MMANA [3] применительно к свободному пространству на получение максимального коэффициента усиления Gh с учетом исходных требований – в полосе частот 14.0…14.3 МГц показатель F/B для каждой из антенн не должен опускаться ниже значения 20 дБ и КСВ быть не хуже значения 1,6 Антенна А рассчитывалась как практическая конструкция, средняя часть элементов длиной ℓср составлена из трубок диаметрами 30, 26 и 22 мм и боковые части длиной ℓбок из алюминиевого провода диаметром 4,4 мм (подробности в файле антенны UT1MA-4Пx20_8.3m ) Для фиксации боковых частей можно использовать диэлектрический леер, натянутый между концами трубочной части элементов (на рисунке показан пунктиром). На рис.2 показан вариант антенны Арог, отличающийся тем, что боковые части выполнены из трубки диаметром 18 мм – такая конструкция получается достаточно жесткой и не нуждается в применении леера. Размеры Арог несколько отличаются от исходного варианта, но параметры сохранились.

 

 

В антенне Б, поскольку она не представляет практического интереса, для упрощения приняты элементы диаметром 30 мм по всей длине.

Расчетные значения основных параметров обеих антенн на частотах 14.00, 14.15 и 14.30 МГц показаны в таблице 1. Коэффициент усиления антенны А на средней частоте диапазона по сравнению с антенной Б больше на 0,75 дБ (!), при том что ни по одному из остальных показателей А также не уступает. Анализ ДН антенн показал, что антенне А соответствует более узкий вертикальный лепесток с θha = 80° против θhb = 96° у антенны Б, при одинаковой ширине горизонтального лепестка θе = 61° .

А какой должна быть длина антенны В, также состоящей из 4-х линейных элементов, чтобы сравняться по усилению с антенной А ? После оптимизации получаем, что длина бума такой антенны должна вырасти на 3 м (!) и составить 11,3 м. Геометрические размеры антенны В показаны на рис.5, расчетные параметры помещены в таблицу 1 (питание через четвертьволновый трансформатор 37,5 Ом).

                                                Табл.1    Параметр                 Gh, дБд                            F/B, дБ                      КСВ    Частота, МГц       14,00    14,15    14,30         14,00   14,15   14,30       14,00   14,15   14,30    Ант.    А           6,8     6,95     7,1           21,6    25,3    22,6         1,4     1,11   1,54    Ант.    Б           6,12    6,2      6,12          20,3    21,9    20,8         1,05    1,07   1,3    Ант.    Бпр         6,21    6,31     6,40          22,1    26,2    23,4         1,02    1,01   1,09    Ант.    В           6,75    6,97     7,22          19,7    20,3    20,6         1,52    1,14   1,77   

Дадим задание MMANA настроить антенны А. Б и В на максимальное усиление. Получается: Gmax А = 7,24 дБд при F/B = 12,8дБ , Gmax Б = 7,45 дБд при F/B = 9дБ и Gmax В = 7,84 дБд при F/B = 11,5 дБ. Усиление одиночного П-элемента меньше, чем у одиночного линейного на ~ 0,13 дБ, поэтому антенна А по величине Gmax и уступает двум другим ( зато имеет лучшую «предрасположенность» по параметру F/B).

Понятно, что параметры антенны определяются величинами и фазами токов в пассивных элементах, т.е. их настройкой (длиной) и положением на буме.. Хорошо известно также, что настройка на получение максимального значения F/B, как правило, не совпадает с настройкой на максимальное усиление. Это положение в полной мере проявляется в антенне Б – её расчетное усиление на 1,25 дБ меньше GmaxБ. В антенне В эти настройки сблизились и усиление ощутимо выросло (меньше максимального на 0,87 дБ), но за это пришлось «заплатить» значительным удлинением антенны. А вот в антенне А настройка на высокий F/B = 25,3 дБ позволяет также получить и близкое к Gmax А усиление G = 6,95 дБ (разница всего 0,29 дБ).

Вывод – применение П-элементов позволило максимально реализовать потенциальные возможности 4-х элементной антенны.

Приведенные расчетные сравнительные данные, возможно, вызовут удивление у читателей, также как вначале приятно удивили автора этих расчетов. Насколько правильны эти результаты? Поиски в Интернете не выявили работ, касающихся рассматриваемой темы. Настоящую проверку можно произвести, сравнив работу антенн А, Б и В на полигоне или хотя бы в эфире, но для этого их нужно будет изготовить.

И все же можно сказать, что практическая проверка П-элементов состоялась и прошла она на антеннах контестовой станции UP5G. Сергей UN9GC «со товарищи» ещё в 2004 г. сначала изготовили две трехэлементные антенны на диапазон 40 м. Результаты были хорошие и команда приступила к новому грандиозному проекту - рассчитали, сконструировали и изготовили 4-х элементную антенну на 80 м - MAGiC-480. За основу первоначально была взята электрическая схема антенны А ( рис.1),пересчитанная на частоту 3,75 МГц, затем расчет был уточнен под конкретные местные условия. Получилась антенна с рабочей длиной около 32 м, элементами размахом ℓср =29…34 м из труб диаметрами 120 мм в центре и 40 мм на краях и боковых частей из проволоки диаметром 4,5 мм. По оценкам пользователей, антенна работала очень хорошо, о чем свидетельствуют и спортивные успехи – первые места в мировых контестах. Здесь самый раз добавить, что если бы антенна была построена на линейных элементах (длиной по 39…43 м), для сохранения параметров как у MAGiC-480 бум пришлось бы удлинить метров ещё на 10…12 (!).

Попробуем разобраться, почему антенна А превосходит по усилению антенну Б.

Начнем с рефлектора – заменим в антенне Б линейный рефлектор на П-образный. Чертеж антенны Бп-р после небольшой подстройки приведен на рис.4, параметры в таблице 1. Можно отметить улучшение всех показателей, в том числе по F/B на 1,8..4,3 дБ. Для понимания этого эффекта рассмотрим очень кратко простую антенну, состоящую из П-рефлектора и линейного активного элемента (АЭ). При некотором расстоянии между элементами можно получить хорошее подавление в заднем секторе ДН ( F/B › 20дБ). Если применить вместо П-рефлектора линейный, максимальное подавление не превысит 11,5 дБ (в свободном пространстве). Причина в том, что при П-рефлекторе входное сопротивление АЭ на (20..30)% выше, чем при линейном, соответственно, ток АЭ будет меньше и сравняется с током в рефлекторе. Остается установить нужную фазу тока в рефлекторе…Можно применить вместо линейного АЭ П-образный (получится антенна Моксона) – эффект сохранится. При добавлении дополнительных элементов – директоров повышенное входное сопротивление АЭ сохраняется. Убедиться в этом можно, посмотрев на рисунки антенн. Рис.3 (ант. Б - линейная) – для получения Ra ≈ 50 Ом пришлось приблизить директор к АЭ на 1,2 м. Рис.4 (ант. Бпр) – директор отстоит на 1,45 м. И, наконец, рис.1 ( ант.А ) – директор отстоит от АЭ на 2,15 м, т.е. не создает искусственного повышения Ra и его местоположение оптимизировано на получение высоких параметров.

Интересно проделать эксперимент – в антеннах Б, Бпр и А рассчитать F/B при отключенных директорах ( в MMANA поставить этим элементам нулевой радиус). Получаются соответственно значения 10,3, 12,5 и 15 дБ. Потенциальная возможность П-рефлектора «самостоятельно выдать» F/B около 20 дб, как видим, не используется, но и дополнительные 3..5 дБ оказываются очень кстати. Хотя бы потому, что «позволяют» в большей степени ориентировать настройку директоров на получение высокого усиления.

Таким образом можно считать, что повышенное ( за счет использования П-рефлектора) входное сопротивление АЭ способствует получению высоких значений параметра F/B. Вместе с тем, если в четырехэлементной антенне оставить П-образными только оба директора (АЭ и рефлектор линейные) выигрыш над линейной антенной все равно сохранится, хотя и в меньшей степени.

Сравнительный расчет большого количества антенн показал, что выигрыш от применения П-элементов сохраняется и в 6-7 элементных антеннах (хотя бы по параметру F/B). В качестве примера посмотрим как изменятся параметры известной шестиэлементной антенны - файл 6el20(nw3z_owa), если её линейный рефлектор заменить на П-образный – файл 6el20ПR(nw3z_owa). Расчет показывает, что после небольшой коррекции размеров двух ближайших к П- рефлектору элементов показатель F/B улучшился в пределах диапазона на 1,3…4,5 дБ, усиление выросло на 0,1 дБ, кривая изменения КСВ осталась практически без изменений. Хотя изменения невелики (учтем, что 3 дальних директора не подстраивались), но тенденция очевидна.

Расчеты показали, что на диапазоне 20 м оптимальный размер средней части П-элемента около 7,7 м или ℓср опт ≈ 0,36λ, а на диапазонах 40 и 80 м приемлемым можно считать ℓср≥ 0,33 λ. В 4-х элементной антенне для диапазона 40 м в соответствии с принципом подобия ( и расчеты это подтверждают) замена линейных элементов на П-образные позволит уменьшить её длину на 5,5..6 м.

Рассмотрим возможность создания многодиапазонной антенны на базе антенны А.

Если использовать принцип, предложенный в [4], т.е. многодиапазонное использование каждого пассивного элемента за счет включения в его центре соответствующих катушки или конденсатора, можно получить антенну с отличными параметрами на диапазонах 20, 17, 15, 12 и 10м ( Ga = 7…8 дБд, F/B ≥ 20 дБ ). Но для этого потребуются 20…25 высокочастотных реле, поэтому на сегодняшний день такой вариант представляется сложным и неэкономичным. А вот двухдиапазонный вариант с применением всего одного реле в каждом пассивном элементе и 1..2 реле в активном представляется вполне реальным. В качестве примера рассмотрим 4-х элементный ВК на диапазоны 40 и 20 м. За основу взята антенна А в масштабе 2:1.Это большая антенна с элементами длиной 15,4 м и расстоянием между крайними элементами !6,6 м. В центре каждого пассивного элемента включен коммутатор, состоящий из одного реле типа В1В-1В и двух катушек. Катушка диапазона 20 м включена между половинами элемента постоянно, а на диапазоне 40 м реле включает параллельно вторую катушку. Схема коммутатора активного элемента дана на рис.6.

Здесь можно использовать (в зависимости от мощности) или одно реле с двумя перекидными контактами (РЭН32, РЭН34) или два таких реле или три типа В1В. На диапазоне 40 м Rвх ≈ 50 Ом и питающий кабель соединен с АЭ напрямую (контакты К1 и К2 замкнуты, К3 – разомкнут). На 20 м АЭ соединяется с кабелем через трансформирующий двухполюсник из L20а, L20b и С20 (положение контактов – обратное). Все размеры антенны и её электрические характеристики можно получить из файла UT1MA-4П(40+20)_16m . Положение контактов реле имитируется нагрузками (перечень по кнопке «комментарии»), разомкнутому состоянию соответствует проходная емкость реле 0,8 пФ, замкнутому – 100000 пФ (устанавливается в зависимости от диапазона вручную).

Основные параметры (высота над землей 41 м):

1 Диапазон 7,0..7,2 МГц Ga = 14,0..14,4 дБд, F/B = 28.2..23,4..20,8 дБ, КСВ 1,5..1,2..1,95
2 Диапазон 14,0..14,3 Ga = 14,9..15,6 дБд, F/B = 20,9..22,5..17,8 дБ, КСВ 1,35..1,02..1,6

Вершиной такого двухдиапазонного построения , дающего максимальную экономию, может быть антенна на 80 и 40 м. Здесь этот вариант не рассматривается, как недоступный подавляющему большинству читателей.

Цель этой статьи – обратить внимание радиолюбителей и специалистов на перспективы применения элементов «ломаной формы» в многоэлементных антеннах ВК.

  • MMANA файлы

Литература

  • Гончаренко И. Антенны КВ и УКВ ч. 4 Направленные антенны Москва 2007
  • Гуткин Э. Волновой канал для НЧ диапазонов
  • Гончаренко И. Антенны КВ и УКВ ч.1 Компьютерное моделирование MMANA
  • Гуткин Э. Трехдиапазонный директорный элемент новой конфигурации
  • Э. Гуткин UT1MA

    Глас народа 27.02.2008 21:35 Небольшое инфо к размышлению. В механическом отношении (с учетом ...  --  Ал-др
    15.02.2008 20:45 Сергей, как всегда, излагает сочно и физично. Я тоже хочу высказа...  --  Nick, UA3TW...
    15.02.2008 02:01 Как раз-таки автор статьи наглядно продемонстрировал что яга с «р...  --  Сергей,ЕХ8А...
    14.02.2008 07:13 Опять же утверждение без доказательства....  --  Nick, UA3TW...
    14.02.2008 01:12 Сам по себе согнутый любым способом полуволновой вибратор никогда...  --  Николай ur0gt...
    13.02.2008 20:06 Нет друзья, это вовсе не «укороченные» элементы. Это элементы ДРУ...  --  Сергей, ЕХ8А....
    11.02.2008 20:16 Александр, Вы говорите, что полноразмерная всегда лучше. Утвержд...  --  Nick UA3TW
    11.02.2008 03:37 Мне это надо? Я знаю т.к. писал об этих антеннах еще в 2001 году....  --  VE3KF
    10.02.2008 20:18 VE3KF...А Вы попробуйте из полноразмерной 2-элементной яги выжать...  --  Константин
    10.02.2008 00:36 Зря Вы, Эрнест Ильич, приписали к прямоугольнику Моксона ещё и Се...  --  Николай ur0gt...
    09.02.2008 18:37 Принцип антенн Моксона давно известен. Правда не знал, что это ещ...  --  VE3KF
    09.02.2008 15:57 Это все давно известно и применяется благодаря г-н Максону ...  --  Александр ...
    09.02.2008 15:15 Кто бы графику рисунков помог улучшить,а так Эрнест Ильич удивляю...  --  Александр Москв...
    09.02.2008 14:26 Эрнест Ильич! Спасибо огромное за такую полезную статью. Такого э...  --  Борис UA9TC...
    09.02.2008 13:28 Ну наконец-то я дождался нормальных чертежей с пояснениями некото...  --  Николай-UA1ANP...






    Рекомендуемый контент




    Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.