Заметки о диаграмме направленности прямоугольника Moxon

L. B. Cebik, W4RNL

Существуют интересные различия в диаграммах направленности (ДН) в азимутальной (горизонтальной) плоскости между прямоугольником Moxon и Yagi. Здесь, имеется в виду, 2 - элементная версия Yagi, содержащая вибратор и рефлектор, которая является сравнимой со структурой вибратор - рефлектор прямоугольника Moxon.

Для сравнения структур двух антенн, на рисунке Fig. 1 показаны их размеры и относительные габариты, причём антенны изготовлены из медного провода #14 AWG и рассчитаны на частоту 14,175 МГц. Частота взята произвольно, но пойдёт, чего не скажешь о проволочной конструкции антенн. Многое из того, что изложено дальше, больше подойдёт для антенн более низкочастотных диапазонов, где проволочная конструкция является типичной.

В простоте, выигрывает Yagi, поскольку требует только поддержки концов элементов, расположенных на необходимом расстоянии. Антенна Moxon структурно более сложна, поскольку содержит критичный зазор между “хвостиками” вибратора и рефлектора. Отсюда, следует отнестись с должным вниманием и к длине этих “хвостиков” и к величине расстояния между ними.

В габаритах, преимущество, бесспорно, за Moxon’ом, поскольку эта антенна умещается в 70% от размеров Yagi. Отсюда, Moxon, рассчитанный на любую разумную частоту, больше подходит для условий, где имеется недостаток места, например, для маленьких двориков. Для примера, версия Moxon’а для диапазона 40 метров будет иметь ширину примерно 50 футов, а Yagi, для сравнения, - 67 футов.

Большинство 2-элементных антенн Yagi, имеющих вибратор и рефлектор, находящихся на расстоянии 1/8 длины волны друг от друга, имеют импеданс в точке питания между 30 и 35 Ом. Несмотря на то, что в узком диапазоне частот можно запитать антенны 50-омным кабелем, чтобы работать во всём диапазоне, необходимо применить гамма или бета-согласование.. Чтобы достигнуть величины входного импеданса 50 Ом, расстояние между элементами Yagi следует увеличить до 0,15 длины волны. Но этот сдвиг элементов относительно друг друга несколько уменьшит усиление антенны и соотношение излучений вперёд-назад. Напротив, прямоугольник Moxon может быть сразу рассчитан под входное сопротивление 50 Ом, при хорошей полосе пропускаемых, при этом, частот. Даже, будучи изготовленным из проволоки, Moxon, диапазона 20 метров, например, способен “перекрыть” весь диапазон.

Разница присутствует также в ДН для горизонтальной плоскости двух антенн. “Хвостики” Moxon’а дают боковое излучение, поскольку величина тока в этих частях антенны довольно значительна. Концевая связь, в комбинации с общей связью параллельных частей элементов (ёмкостная связь между торцами “хвостиков” с индуктивной связью между, собственно, элементами, хотя ёмкостная связь присутствует на протяжении всей длины элементов, но из-за более низкого импеданса и большего расстояние её влияние здесь меньше – UA9LAQ), обеспечивают достаточную амплитуду и фазу, наведённому в рефлекторе току, чтобы получить почти идеальное соотношение излучений вперёд-назад. Если мы смоделируем антенны в свободном пространстве, то получим сравнительные ДН, как на рисунке Fig. 2.

Moxon всегда будет немного проигрывать в усилении 2-элементной Yagi, взятой для сравнения. (Здесь, для сравнения с антеннами, следует взять два обычных резонансных контура (известно, что элементы антенн, тоже являются контурами, только раскрытыми, с распределённой ёмкостью вдоль вытянутой индуктивности), настроенных на одну частоту. Один из них, более высокодобротный, эквивалентен Yagi, естественно, у него узкая полоса, но выше уровень сигнала, снимаемого с него, второй контур менее добротный – эквивалент прямоугольника Moxon. У него меньше индуктивность, но, зато, больше ёмкость, отсюда, - шире полоса пропускания и меньший уровень сигнала, который можно с контура снять – UA9LAQ).. Соотношение излучений вперёд-назад у Moxon’а, наоборот, больше, причём разница на расчётной (резонансной) частоте достигает 20 дБ и более. Дополнительно, ДН прямоугольника Moxon кардиоидна, что означает: точки максимального соотношения излучений вперёд-вбок находятся не под углом 90 градусов к направлению основного излучения. Они находятся (сдвинуты) на 15…20 градусов дальше к тылу. Вот Вам и потенциальная возможность работы антенны в боковых направлениях (меньше крутить нужно). Сравнение углов излучений двух антенн в горизонтальной плоскости по уровню – 3 дБ показывает, что этот угол у Moxon’а, примерно, на 10 градусов шире, чем у Yagi.

Комбинация факторов, приведённых здесь, относительно обеих антенн, поможет пользователю сделать правильный выбор. Какую антенну можно посчитать лучшей зависит и от назначения радиостанции, подключенной к ней. Например, можно проводить связи на фиксированную в одном направлении антенну, совершенно в другом направлении – противоположном. 2-элементная Yagi позволяет проводить такие связи с потерей мощности сигнала в 2…3 балла по шкале S.

Напротив, в других случаях, необходимо максимально подавить сигналы, приходящие со стороны, противоположной основному направлению, с максимальной достижимой шириной переднего лепестка ДН. В этом случае, из приведённых здесь двух антенн, следует выбирать прямоугольник Moxon. Антенна может быть разработана под переключения направлений излучения. Смотрите статью"Two-Element 40-Meter Switched Beam" (2-элементный переключаемый “бим” на диапазон 40 метров) Carrol’а Allen’а, AA2NN, в The ARRL Antenna Compendium, том. 6, стр. 23-25, в качестве примера того, как это сделать.

Окончательное решение о том, какую антенну выбрать, требует от разработчика иметь набор технических характеристик антенн для сравнения. Только постановка технических характеристик в ряд со словесными или визуальными достоинствами поможет понять: какая антенна является лучшей. Окончательное решение о выборе может быть и компромиссным.

Характеристики проволочной антенны на высоте

Вряд ли нам удастся когда-нибудь поработать на антенну в свободном пространстве, особенно, это касается конструкций антенн на НЧ диапазоны. Поэтому ДН в свободном пространстве является стартовой к разработке реальных ДН. Выше сравнивались Yagi и прямоугольник Moxon на одном из диапазонов от 80 до 20 метров и высота подвеса их ниже 3/8 длины волны представлялась как нежелательная. Мы знаем, в общих чертах, что, если уменьшить высоту подвеса антенны с большей, чем длина волны до, какого-либо, более низкого уровня над землёй, то сменится форма ДН, поэтому не следует ограничиваться сравнением Yagi и прямоугольника Moxon только в свободном пространстве.

Хотя модели NEC не позволяют получать характеристики антенн над изменяющейся подстилающей поверхностью, они дают сравнительный анализ характеристик при размещении антенн на разных высотах ниже высоты в одну длину волны.

Я буду давать информацию для каждой высоты двумя способами. Вначале, сравнительные ДН в горизонтальной плоскости продемонстрируют пространственные характеристики антенны. Затем, табличные данные позволят сделать выводы о похожести или различии характеристик антенны. Данные включают в себя: максимальное усиление, выраженное в dBi (по отношению к изотропному (всенаправленному) излучателю), соотношение излучений вперёд-назад, усиление антенны назад (обозначенное как усиление на 180 градусов), также как и прямое, выраженное в dBi, усиление антенны под прямыми углами к направлению прямого излучения (обозначенное как усиление +/- 90 градусов), также, в dBi. (Чаще мы сталкиваемся с понятием: подавление). Табличные данные также включают угол излучения максимальной мощности в вертикальной плоскости (TO angle), в градусах и ширину основного (переднего) лепестка диаграммы направленности в горизонтальной плоскости по уровню -3 дБ, в градусах. При анализе ДН, мы можем опустить такие данные как импеданс в точке питания, особенно, когда он не сильно отличается от значения в свободном пространстве. Разностная строка в таблицах позволит всегда “изобличить” различие антенн Yagi и Moxon. Отметьте, что угол излучения к горизонту обеих антенн практически одинаков.

1. 0.375 длины волны. Начнём с высоты подвеса антенн в 3/8 длины волны, поскольку большинство антенн на низкочастотные диапазоны выступает в этой категории. Тем более, как видно из рисунка Fig. 3, при этом, исчезает высокое соотношение излучений вперёд - вбок у Yagi.

Для Yagi и Moxon’а на высоте подвеса в 3/8 длины волны, табличные значения величин выглядят следующим образом.

Antenna   TO Angle  Max. Gain F-B       +/-90 Gain     180 Gain  Hor. B/W

Yagi      33        9.9       13.0      -4.7           - 3.1     75

Moxon     33        9.5       28.3      -2.8           -19.8     85

Mox-Yag             -.4       15.3       1.9           -16.7     10

На высоте в 3/8 длины волны усиление Yagi, примерно на полдецибелла больше. Однако, соотношение излучений вперёд-назад оказывается более чем на 2 единицы шкалы S(-метра) ниже. Ширина главного лепестка диаграммы направленности прямоугольника Moxon, примерно, на 10 градусов шире, но, на точках, отличающихся от направления основного излучения на 90 градусов, эта разность составляет менее 2 дБ.

2. 0.5 длины волны. Если мы поднимем антенны ещё на одну восьмую длины волны, то обе ДН изменятся в сторону конфигурации для свободного пространства, показанной на рисунке Fig. 2. Склонность к этому можно обнаружить на рисунке Fig. 4.

Для Yagi и Moxon’а на высоте в ½ длины волны табличные данные:

Antenna   TO Angle  Max. Gain F-B       +/-90 Gain     180 Gain  Hor. B/W

Yagi      26        10.9      13.5      -6.0           - 2.7     73

Moxon     26        10.5      20.0      -3.8           - 9.4     82

Mox-Yag             - .4       6.5       2.2            -6.7      9

На высоте в ½ длины волны у Yagi – то же преимущество перед Moxon’ом, что и ранее на меньшей высоте: в усилении. Соотношение излучений вперёд-назад увеличилось, тогда как у Moxon’а, наоборот, уменьшилось, составив разницу в 1 единицу шкалы S. Соотношение излучений вперёд - вбок немного увеличивается у Yagi, таким образом, Moxon, в точках +/- 90 градусов от направления основного лепестка ДН, “лучит” сильнее. Разность в ширине основного лепестка, в основном, не изменилась.

3. 0.75 длины волны.: На высоте в ¾ длины волны обе антенны продолжают выходить на свои характеристики (для свободного пространства) – Yagi ясно обнаруживает провалы с боков ДН, а Moxon, наоборот, улучшает соотношение излучений вперёд-назад как показано на рисунке Fig. 5.

Табличные данные для Yagi и Moxon’а, расположенных на высоте в ¾ длины волны, приведены ниже:

Antenna   TO Angle  Max. Gain F-B       +/-90 Gain     180 Gain  Hor. B/W

Yagi      18        11.3       9.7      -11.0            1.6     70

Moxon     18        10.9      22.2      - 6.2          -11.3     79

Mox-Yag             - .4      12.5        4.8          -12.9      9

Преимущество в усилении у Yagi остаётся постоянным и составляет 0,4 дБ, тогда как преимущество Moxon’а в соотношении излучений вперёд-назад выросло до более чем 11 дБ (около 2 единиц S). Отметьте разницу между значениями соотношений излучений вперёд - назад, что даёт возможность сравнения относительной силы сигнала, приходящего с фронта и тыла антенн, усиления с тыла (180 градусов), которые сравнивают “абсолютные” уровни сигналов, приходящих с тыльного направления. Эти значения будут различными при разнице в усилениях антенн (вперёд). Разница значениё усиления вбок (+/- 90 градусов) выросла до, примерно, 5 дБ, приблизившись в разнице к 1 единице шкалы S(-метра).

4. 1.0 длина волны. На высоте в длину волны, ДН антенн в горизонтальной плоскости, всё более и более, приближаются к соответствующим идеальным (снятым для свободного пространства), хотя ещё и отличаются от них. Как видно из рисунка Fig. 6, Moxon ещё не достиг соотношения вперёд-назад, а Yagi соотношения излучений вперёд - вбок, снятых для свободного пространства.

Для Yagi и Moxon’а, расположенных на высоте в 1,0 длину волны, табличные данные:

Antenna   TO Angle  Max. Gain F-B       +/-90 Gain     180 Gain  Hor. B/W

Yagi      14        11.6      12.1      -13.9           -0.5     68

Moxon     14        11.2      27.6      - 6.9          -16.4     78

Mox-Yag             - .4      15.5        5.0          -15.9     10

У Yagi - то же преимущество в усилении 0.4 дБ, а соотношение излучений вперёд-назад у Moxon’а возросло до более, чем 15 дБ, приближаясь к 3 единицам шкалы S. Возможность Moxon’а “слышать” под углами в 90 градусов к направлению основного излучения сейчас на 5 дБ лучше отметки, характерной для Yagi, что приближается к единице по шкале S и даёт ощутимую разницу при приёме слабых сигналов.

Во всех случаях, кроме высоты подвеса в ½ длины волны, Moxon далёко оставляет соперницу позади по соотношению излучений вперёд-назад, тогда как Yagi мало изменяет усиление. Moxon демонстрирует возможность использования его широкого основного лепестка при работе в фиксированном положении, особенно на увеличенных высотах подвеса, что больше проявляется на высокочастотных диапазонах, чем на низкочастотных в разумной реальности. Разности в углах излучения к горизонту (в вертикальной плоскости) у двух антенн нет.

В конце концов, любой может найти данные для размещения антенн на любой желаемой высоте. Имея эти данные перед глазами, можно грамотно выбрать ту антенну, которая больше удовлетворяет Вашим запросам. Приведённые примеры просты, но наглядно показывают, на что предварительно человеку нужно обратить внимание, выбирая ту или иную антенну. Конечно, при этом, нельзя не учитывать условия структурного конструктивного и финансового характера. Тем не менее, хотя, от сравнения ДН в горизонтальной плоскости на выбранной рабочей высоте до воплощения в жизнь абстрактной модели, выполненной для свободного пространства далеко, но нужно к этому стремиться.

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