40 + 30 = 50 (А не 70). Начальные принципы идеи разработки

L.B. Cebik, W4RNL

В течение последних лет в этом направлении поступило множество просьб: а не могли бы Вы разработать комбинацию из направленных антенн 40 и 30-метровых диапазонов на одной траверсе, которые бы обладали усилением полноразмерных, однако, были бы достаточно компактны?

А просьба – как приказ. Сказано – сделано. Длина элементов полноразмерной Yagi на диапазон 40 метров превышает 70 футов. Во многих антеннах типа Yagi промышленного изготовления, применяются различные способы укорочения размеров элементов, чтобы снизить расход сырья на их изготовление (да и ветровые нагрузки). Линейные и индуктивные нагрузки - два их типа, которые являются наиболее часто применяемыми для этой цели. Несмотря на это, существует много 3-х и 4-х элементных полноразмерных Yagi, которые трудятся и верой и правдой служат своим создателям. (Очень часто, четвёртый элемент в Yagi добавляется не столько из-за получения дополнительного выигрыша в усилении, сколько для получения большей рабочей полосы частот).

Элементы антенны 30-метрового диапазона более скромны по длине, которая составляет 45…50 футов. Диапазон достаточно узок, всего 50 кГц, что позволяет использовать узкополосную комбинацию Yagi, имеющую активный вибратор и директор, обладающую достаточно большим коэффициентом усиления. Для соотнесения низкоомного импеданса в точках питания с обычным волновым сопротивлением большинства кабелей применяется бета-согласование. (Конечно, мы не будем касаться довольно компактной фазированной антенной системы, разработанной N7CL).

Было бы совсем неплохо, если в комбинированной антенной системе на 40 и 30 метров были бы элементы, длина которых не превышала бы +/- 25 футов от размеров, необходимых для антенны 30-метрового диапазона. Вот путь к достижению цели, но он не из лёгких на практике. Потребуются настройки, которые нужно проводить вдали от окружающих предметов (и, конечно же, с приборами и “текническим” подходом). Как бы то ни было, разработка конструкции антенны на оба диапазона, заслуживающая внимания, будет иметь размеры (от стороны до стороны) 50 футов.

Эти строки – лишь только основа проекта и их нельзя рассматривать как описание практической конструкции. Поскольку у меня нет возможностей практически создать антенную систему, настроить и проверить её, нет мачты, я и не даю окончательных физических размеров отдельных частей, от которых зависят электрические параметры антенны. Я только даю опорные точки, с которых заинтересованный читатель-конструктор сможет стартовать в указанном направлении и улучшить параметры проекта в заданном направлении, применительно к конкретной антенной системе.

Стартовый проект состоит из прямоугольника Moxon на диапазон 40 метров и 2-элементной Yagi (система из активного вибратора и директора) на диапазон 30 метров. Вибратор на диапазон 30 метров является ведомым с помощью физически питаемого элемента Moxon диапазона 40 метров. На рисунке Fig. 1 показан эскиз раскладки антенной системы.

Эскиз раскладки антенной системы на диапазоны 40 и 30 метров с одной парой точек питания для обоих диапазонов.

Максимальное расстояние от стороны до стороны системы составляет 50 футов. Длина траверсы составляет 26 футов (плюс известный конструктивный припуск для обеспечения крепления растяжками). В общей сложности получается 4 элемента, “хвостики” элементов прямоугольника Moxon направлены друг к другу. Своеобразная форма антенны Moxon создаст некоторые проблемы при физическом их размещении и креплении, о которых будет упомянуто ниже.

На рисунке Fig. 1 обозначен каждый размер, который дан в цифрах для конкретного случая в нижеследующей таблице. Размеры основаны на модели (компьютерной) NEC-4 с использованием диаметров алюминиевых элементов 1 дюйм, как общепринятых в большинстве антенных систем на диапазон 40 метров, помещённых в файл, хотя, такие антенные системы обычно имеют телескопические элементы, начинающиеся с толстых (в центре) до 3 дюймов и уменьшающихся к концам ступенчато до 0,5 и даже 0,375 дюйма. Но о тонкостях – позже, сейчас же остановимся лишь на азах, вначале о некоторых размерах:

               40-30-Meter Moxon-Yagi Combination Dimensions

 

Note: all dimensions are in feet and correspond to designations shown in Fig. 1.

 

            Dimension         Length in Feet

                  A           50.00'

                  B            7.21'

                  C            1.73'

                  D            9.47'

                  E           18.41'

                  F            0.64'

                  G            6.95'

                  H           26.00'

Прежде чем мы вникнем в суть размеров и их влияние на характеристики антенн, обратимся к самим характеристикам антенн и посмотрим, стоит ли их делать вообще. Характеристика антенны на диапазон 40 метров – стандартная для (прямоугольника) антенны Moxon. Одной из причин применения более толстых элементов (а не проволочных) является желание обеспечить большую полосу пропускания и не только по КСВ, а также в плане распределения усиления и соотношения излучений “вперёд-назад”.

На рисунке Fig. 2 приведены диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях для антенной системы 40 метрового диапазона на краях диапазона и в его центре. Высота подвеса антенны составляет 70 футов или около ½ длины волны на диапазоне 40 метров. Я не порекомендую подвешивать антенну ниже 70 футов, так как, в этом случае, Вам потребуется перенастроить антенну, с целью получения минимального КСВ в центре диапазона. Также как и в случае с любым прямоугольником Moxon, ширина главного лепестка диаграммы направленности антенны стремится быть больше чем у большинства антенн Yagi.

На рисунке Fig. 3 даются диаграммы направленности для краёв и центра диапазона 30 метров, которые, как правило, являются функциями впереди стоящих двух элементов антенной системы. Тем не менее, и элементы антенны 40-метрового диапазона, действуя немного в качестве рефлектора, увеличивают усиление антенны. (Мы замечаем это, частично, по уровню токов в элементах Moxon, также и по увеличению усиления, по отношению к отдельно взятой Yagi, состоящей из двух элементов (активный вибратор - директор) с тем же расстоянием между элементами). Двухэлементная антенна Yagi (активный вибратор - директор) с малым расстоянием между элементами (меньше 0,08 длины волны) обладает достаточно большим усилением и имеет хорошее соотношение излучений “вперёд - назад”, но всё это только в узком диапазоне частот. Будучи ведомой у прямоугольника Moxon или ещё у какой другой антенны, имеет тенденцию к дальнейшему сужению полосы пропускания. И только самый узкий диапазон, 30-метровый, обеспечивает хорошее усиление антенной системы этого типа на протяжении всего диапазона.

Чтобы перевести только что упомянутое в конкретные (обличённые в цифры) формы, приведена нижеследующая таблица:

                  40-30-MHz Array Operating Potential at 70'

 

Freq.       Gain        180-Deg/Worst-Case      Feedpoint Z       50-Ohm

 MHz        dBi         Front-to-Back dB        R +/- jX Ohms     SWR

40 Meters:  TO/Elevation Angle of Maximum Radiation:  26 degrees

 7.0        11.29       13.32--13.32            41.3 - j22.1      1.68

 7.1        11.14       20.37--20.37            67.3 - j12.9      1.49

 7.2        10.90       15.99--15.73            85.3 - j16.8      1.80

 7.3        10.66       12.17--12.17            91.7 - j21.2      1.97

30 Meters:  TO/Elevation Angle of Maximum Radiation:  19 degrees

10.0        11.50       16.35--14.25            84.0 + j10.4      1.72

10.125      12.05       24.76--18.18            42.9 + j 3.1      1.18

10.15       12.17       22.47--19.43            32.3 + j 8.7      1.63

Чтобы как-то сгладить противоречия, возникающие, при размещении двухдиапазонной системы на одной траверсе, отметим, что по отношению к длине волны, антенна на диапазон 30 метров расположена выше, чем антенна на 40 метров. Так что часть усиления антенны на 30 метров обеспечивается и за счёт увеличенной (опять же к длине волны) высоты её подвеса. Большее его количество, однако, проистекает из факта, что антенна Yagi (вибратор-директор) с близким расположением элементов, в действительности, даёт больше усиления, чем прямоугольник Moxon или антенна Yagi (вибратор-рефлектор) со сравнимым расстоянием между элементами.

Ключ к пониманию влияния антенн друг на друга можно найти, наблюдая за импедансом антенны при моделировании и настройке. Ведомый активный вибратор антенны 30-метрового диапазона поддерживает в точках питания прямоугольника Moxon ёмкостную реактивность, тогда как, отдельная антенна Moxon более склонна проявлять сдвиг от ёмкостного к индуктивному характеру реактивности при перестройке по диапазону. Ведомый активный вибратор диапазона 30 метров также влияет и на импеданс в точках питания элемента 40-метрового диапазона, во время работы на 10 МГц, что создаёт провал индуктивной реактивности в середине диапазона, но не заходящий в область ёмкостной реактивности. Ожидаемые кривые импеданса в реальной антенне могут отличаться от приводимых, в зависимости от выбранных размеров в антенной системе.

На рисунке Fig. 4 приведены кривые изменения КСВ, по отношению к импедансу в 50 Ом. Не похоже, чтобы можно было сильно изменить кривую для диапазона 30 метров, кроме как сдвигать её по неширокому диапазону вниз - вверх. Кривая КСВ антенны Moxon на диапазон 40 метров, - хороший индикатор всех Ваших достижений по тщательной подгонке размеров антенны.

Нельзя просто купить связку алюминиевых дюймовых труб и соорудить антенную систему. Первая задача, которую предстоит решить конструктору, заключается в подборе диаметров труб, телескопически вдвигающихся друг в друга (без люфта).. Для четырёх элементов, первые части, до 25 футов от центра, все могут быть одинаковыми, их диаметр должен быть таким, чтобы обеспечивать достаточную механическую прочность при удерживании частей элементов, размещаемых с концов.

Коль скоро, Вы выбрали “mechanically sound element taper schedule” (по-видимому, речь идёт о компьютерной процедуре пересчёта конических проводников в эквивалентные с постоянным диаметром в компьютерной NEC программе по расчёту антенн), лучшим тогда будет сделать преобразование длины элемента с единым диаметром 1 дюйм в длину элемента с пошагово-переменным диаметром. Вполне вероятно, что Вам придётся увеличить длину элементов антенной системы с реально имеющимися у Вас трубами. Элементы, конически суживающиеся от центра к концам элементов, обычно, требуют большей длины, чем элементы с постоянным диаметром. Разница может составлять всего несколько дюймов, но, если их не учитывать, то это приведёт к полной расстройке антенной системы.

В справочниках даются формулы для пересчёта длин элементов. Однако, наиболее удобным методом является создание компьютерной модели антенны в программе NEC и подстраивать длину концов элементов до тех пор, пока в реальной модели (с переменным диаметром) будет достигнута эквивалентная длина элемента с постоянным диаметром. Если эквивалентный постоянный диаметр элементов находится между 0,8 и 1,2 дюйма, то исходные размеры не претерпят больших изменений. Так что, приспосабливайте программы к своим нуждам, и пересчитывайте размеры, если посчитаете необходимым это сделать. В обеих программах, - EZNEC и NEC-Win Plus, предусмотрена возможность создания эквивалентных заменителей элементов с одинаковым диаметром для ненагруженных симметричных элементов с использованием процедуры пересчёта конических структур.

В части собственно антенны Moxon комбинированной системы (да и в отдельности - тоже) самым критичным размером является зазор между концами (загнутых) элементов. В антенне Moxon используется две формы связи элементов друг с другом для формирования диаграммы направленности и входного импеданса: общая связь между частями элементов, параллельных друг другу и связь между окончаниями элементов – “хвостиками”. Степень связи зависит от двух факторов: расстояния между торцами “хвостиков” и диаметров элементов в этой точке (эквивалентно: от этих же факторов зависит и ёмкость конденсатора: от площади пластин и расстояния между ними - UA9LAQ). В исходной разработке диаметры торцов “хвостиков” равнялись 1 дюйму, но в компьютерной процедуре моделирования можно использовать и меньшие диаметры. Так что, для достижения той же степени связи с меньшим диаметром труб (“хвостиков”), их концы (торцы) нужно сводить ближе, причём без существенного изменения конечной длины рефлектора (включая параллельную и “хвостиковую” части). Заметим, что нельзя, в данном случае, использовать возможности программы NEC-2 для пересчёта конических структур, так как элементы антенны Moxon не являются линейными. Тем не менее, можно воспользоваться последовательным приближением, чтобы выйти на верный путь к реальной конструкции (включая и возможности программы NEC-4).

Чтобы обеспечить крепление концов “хвостиков” и неподвижность их относительно друг друга, очень подходит отрезок трубки из непроводящего материала (к слову сказать: качественного диэлектрика, поскольку он размещается в точке с большим напряжением РЧ – UA9LAQ), соответствующего диаметра диаметру “хвостиков”. Поскольку более важным является возможность настройки, чем механическое крепление, то трубка должна быть относительно лёгкой. К механической части мы ещё вернёмся.

Ведомый активный вибратор на 30-метровый диапазон должен быть расположен очень близко к вибратору антенны Moxon на диапазон 40 метров (в модели - 0,64 фута), чтобы получить в точке питания необходимый импеданс. Много факторов также говорит за то, что расстояния между элементами будут отличаться от начальной модели, предлагаемой здесь. Во-первых, используя процедуру для конических структур, можно получить изменённые данные по связи элементов на протяжении всей их длины. Во-вторых, в модели достигается конечная точность расчёта для близко расположенных элементов различных длин, из-за округлений по всей программе. Это – ограничение программы NEC. Так что, ожидайте подстроек, относительно расчётных данных, как расстояний до ведомого активного вибратора, так и его длины. На 30 метрах,. ради настройки, можно изменять длину директора в пределах нескольких дюймов при сохранении расстояния до него от активного вибратора неизменным (исходным, расчётным из программы). Очевидно, что нахождение нужной комбинации между расстоянием между элементами и их длиной для достижения приемлемого КСВ на 50 Омах на основном (главном, физически питаемом) активном вибраторе в диапазоне частот 10,0…10,015 МГц – процесс трудоёмкий. Настройки делать хорошо, когда начальные установки (размеров) близки к идеальным. Если элементы расположены слишком далеко друг от друга, то кажется, что антенна не настраивается, при последовательных малых подстройках, а скорее, наоборот, - расстраивается. Так можно потратить часы, следуя в противоположном направлении. Если Вы почувствуете, что пошло ухудшение, возвратитесь в исходную точку и начните снова, но теперь двигайтесь в противоположном предыдущему направлении.

Элементы таких размеров, как используемые в упоминаемых антенных системах, имеют обыкновение входить в состояние резонанса на ветру (начинают генерировать механические колебания - флаттер-эффект). Поскольку концы элементов антенны Moxon скреплены диэлектрическими трубками (вставками), ветровые характеристики антенны на 40-метровый диапазон будут отличаться от таковых у антенны на диапазон 30 метров, где концы элементов не имеют крепления. Противоречия между активными вибраторами антенн 40-метрового и 30 метрового диапазона неизбежны. Так что, некоторые поддерживающие средства, позволяющие удерживать их на одном уровне, желательны и необходимы.

Кроме удержания на одном уровне (и расстоянии друг от друга) активных вибраторов, нам необходимы также средства удержания “хвостиков” прямоугольника Moxon на диапазон 40 метров. узлы крепления “хвостиков” создают заметное натяжение двух элементов, поддерживающее их. Одним из методов поддержки является использование труб элементов, имеющих достаточный диаметр, чтобы вес “хвостиков” не создавал проблем. Можно также разработать альтернативную систему крепления, например, путём системы растяжек, которая бы обеспечила сохранение ровного и стабильного расположения элементов относительно друг друга, несмотря на ветровые воздействия.

На рисунке Fig. 5 показана схема одной из таких систем. Где-нибудь,. в зависимости от механической прочностной необходимости, над основной траверсой, установите небольшую укороченную (на мачте). Эта траверса будет использоваться для поддержки одного конца пучка оттяжек, выполненных из непроводящего материала (верёвки, рыболовная леса, теннисные струны).

В механически нестабильных точках по обе стороны от центра, установите поддерживающие штанги из непроводящего материала, так, чтобы они находились снизу каждого элемента. Несколькими оттяжками каждый элемент растянут на соответствующей штанге. Поскольку, всё-равно, реакция на ветровые нагрузки у разных элементов остаётся разной, система должна быть настроена на сохранение расстояний между элементами, с небольшим люфтом отдельных элементов. Растягивайте оттяжки со штанг в обе стороны равномерно, так, чтобы штанги не заворачивались внутрь полотна антенны.

В точках, близких к внешним концам штанг, крепите оттяжки. Если материал штанг слишком гибок, можно добавить третий набор оттяжек перпендикулярный мачте. Степень поддержки зависит, в этом случае, от силы натяжения оттяжек.

Без набора цифр, характеризующих механические нагрузки, взятых, например, из компьютерной программы, подобной YagiStress, относящихся к определённому диаметру материала элемента, выбранному для антенной системы, невозможно рекомендовать пакет размеров для поддерживающей системы штанг, распорок и растяжек. Действительно, первую встречную систему растяжек на антенную систему не поставишь, поскольку, в первом приближении, антенна, всё-таки, является совокупностью, ориентированных определённым образом в пространстве металлических труб, имеющих как собственную массу, так и ветровую нагрузку. Адекватную систему растяжек можно проверить при первом же бризе, при недостаточной её прочности или без неё, обычно, антенна превращается в “одуванчик” или “машет крыльями”, как ветряная мельница, что создаёт глубокие QSB и QRN, приводящие к невозможности проведения связей и последующему разрушению сооружения.

Как было отмечено в начале, эти записки, только начинают процесс разработки антенны, но, отнюдь не завершают его. Я попытался остановиться на многих аспектах, пристальное внимание которым необходимо уделить до того, как начать собирать материалы на действующую конструкцию.

Тем не менее, здравый смысл постройки таких антенных систем отнюдь не ограничивается лёгкими конструкциями верхних диапазонов КВ. Комбинация антенн на 40 и 30 метров вполне возможна и обеспечивает полнокровную работу системы с длиной траверсы 26 футов. Если бы у меня были возможности и место попробовать антенную систему в металле и на мачте… К несчастью, в настоящее время у меня нет свободного времени и возможностей для составления наборов размеров специально для конических (телескопических) элементов. Эту работу Вы можете выполнить и сами с любой программой NEC-2, с возможностью получения эквивалентных размеров для элементов, имеющих постоянный (один на всём протяжении) диаметр. Даже после окончания основательного проектирования, будьте готовы к обширным настроечным процессам. Предстоит поработать!

Для тех, кто хочет смоделировать антенную систему, - нижеследующее описание компьютерной модели EZNEC поможет сделать это в любой из ведущих программ.

40-30-M Moxon-Yagi Array                     Frequency = 7.1  MHz.

 

Wire Loss: Aluminum -- Resistivity = 4E-08 ohm-m, Rel. Perm. = 1

 

              --------------- WIRES ---------------

Wire Conn. --- End 1 (x,y,z : ft)  Conn. --- End 2 (x,y,z : ft)   Dia(in) Segs

(40-meter elements)

1          -25.000, 11.200, 70.000  W2E1 -25.000, 18.406, 70.000 1.00E+00   7

2     W1E2 -25.000, 18.406, 70.000  W3E1  25.000, 18.406, 70.000 1.00E+00  45

3     W2E2  25.000, 18.406, 70.000        25.000, 11.200, 70.000 1.00E+00   7

4          -25.000,  9.472, 70.000  W5E1 -25.000,  0.000, 70.000 1.00E+00   9

5     W4E2 -25.000,  0.000, 70.000  W6E1  25.000,  0.000, 70.000 1.00E+00  45

6     W5E2  25.000,  0.000, 70.000        25.000,  9.472, 70.000 1.00E+00   9

(30-meter elements)

7          -24.000, 19.050, 70.000        24.000, 19.050, 70.000 1.00E+00  43

8          -22.900, 26.000, 70.000        22.900, 26.000, 70.000 1.00E+00  41

 

              -------------- SOURCES --------------

Source    Wire      Wire #/Pct From End 1    Ampl.(V, A)  Phase(Deg.)  Type

          Seg.     Actual      (Specified)

1          23     2 / 50.00   (  2 / 50.00)      1.000       0.000       V

 

Ground type is Real, high-accuracy analysis

Conductivity = .005 S/m    Diel. Const. = 13

Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru
г. Тюмень март, 2004 г