Двойной квадрат на 40 метровый диапазон

Неоднократно убеждался: если чего-то правильно хотеть, то рано или поздно это "чего-то" придет, хотя возможно и самой неожиданной стороны.

Давно мы в радиоклубе хотели вращающуюся антенну на 40 м. Во-первых, имелась хорошая 15-ти метровая мачта, во-вторых хотелось направленной антенны, в-третьих, наш участок окружен стеной могучих деревьев высотой 12. 15 м, отчего имеющиеся вертикалы работали не так хорошо, как могли бы (затенялись деревьями).

Беда с деревьями еще и в том, что они плотно обступают наш небольшой участок, а трогать их нельзя (ландшафтный заповедник и нечего думать даже веточку спилить). Поэтому полноразмерная антенна Уда-Яги физически не могла развернутся на имеющейся площади (мачта установлена не по центру , а на краю участка). Более-менее помещался двойной квадрат, но его нижняя половина получалась полностью затененной деревьями, да и длина распорок не радовала. Оставались плоские укороченные Уда-Яги. Но полоса даже полноразмерного 2-х элементного "волнового канала" едва перекрывает диапазон 40 м (его у нас недавно расширили до 7,2 МГц). А при укорочении (да еще существенном, как требовалось по местным условиям) от нее, по идее, и вовсе ничего не останется. Получался тупик, в котором всё и стояло.

В процессе работы над 5-й частью книги "Антенны КВ и УКВ" довелось мне изучать влияние разных способов укорочения на направленные антенны. Не укороченная вообще (там все понятно: чем короче, тем хуже), а именно в применении к направленным антеннам, сохраняющим хорошую форму ДН и приличное F/B. А получение высокого F/B требует правильного распределения тока по элементам. Такого, чтобы поля, излученные обоими элементами в направлении назад, оказались бы одинаковыми по амплитуде и точно противофазными.

Напомню (это из. п. 7.2.2.1 4-й части книги "Антенны КВ и УКВ"), что для обычной полноразмерной 2-х элементной Уда-Яги оптимальные по F/B параметры: пассивный элемент – директор, длина траверсы – 0,06 l (приемлемое F/B сохраняется при увеличении длины траверсы до 0,08 l а дальше идет резкое падение). Понятно, что при столь короткой траверсе антенна будет узкополосной. А увеличить длину траверсы в полноразмерной 2-х элементной Уда-Яги мы не можем. Вернее можем, но при этом сильно (до уровня ниже 10 Б) упадет F/B (см. рис. 7.2.4 из п. 7.2.2.1 4-й части книги "Антенны КВ и УКВ").

Причины этого рассмотрены в том же п. 7.2.2.1. Кратко повторю их здесь: в любой 2-х элементной антенне подавление излучения назад осуществляется балансной компенсацией: в направлении назад поля, излученные обоими элементами должны быть равны по амплитуде и точно противофазны. Для этого мы должны установить правильное распределение тока по элементам. В антенне с пассивным элементом это достигается расстоянием между элементами, частотой настройки пассивного элемента и взаимной формой (иными словами видом и величиной дополнительной связи между концами, подробности см. в п. 7.2.2.1) элементов.

Поэтому для каждой формы элементов существует единственная оптимальная длина траверсы и единственный тип включения пассивного элемента. Для полноразмерной Уда-Яги это (как мы уже упоминали) 0,06 l и директор, соответственно.

В процессе анализа способов укорочения направленных антенн, выяснилось, что для короткой 2-х элементной антенне для хорошего F/B пассивный элемент обязан быть рефлектором. А в случае укорочения концов элементов емкостными нагрузками (ЕН), оптимальная длина траверсы растёт. Не при любом укорочении, а в лишь в диапазоне коэффициентов укорочения (Ку) от 0,3 . до 0,5. Так, при Ку = 0,4 оптимальная траверса должна быть около 0,15 l, т.е. более, чем вдвое длиннее, чем для полноразмерной антенны. Естественно, столь существенное удлинение траверсы приводит к расширению полосы (п. 7.2.2.) и росту усиления. Настолько существенному, что падение полосы за счет сильного (а Ку = 0,4 это сильное) укорочения компенсируется полностью, а падение усиления – почти полностью: проигрыш по Ga полноразмерной антенне составляет всего лишь 0,8. 0,9 дБ.

Вот и получается такая, на первый взгляд странная вещь: 2-х элементная антенна с емкостным укорочением при Ку = 0,4 не проигрывает по полосе полноразмерной. Но происходит это из-за существенного (до 0,15 l ) удлинения траверсы. А последнее становится возможным (и даже необходимым для получения высокого F/B) из-за особенностей формы элементов с ЕН и связи между их концами. И из-за той же причины потеря Ga составляет очень небольшую величину 0,8. 0,9 дБ.

Поэтому можно сделать двухэлементную антенну диапазона 7 МГц с размерами даже меньшими, чем обычная Уда-Яги на 20 м и параметрами почти такими же как у полноразмерной. И это не голословно рекламное заявление, а данные реальной конструкции, которой мы сейчас и займемся.

Конструкция

Антенна и ее основные параметры при высоте траверсы 15 м показаны на рис. 1 и в файле модели (модель открывается программой GAL-ANA, включая демо-версию).

Рис. 1.

Пассивный элемент включен рефлектором, расстояние между элементами 6 м, т.е. 0,14 l . Все 4 емкостные нагрузки выполнены одинаково: на крестовине закреплены по четыре двухметровых трубки диаметром 15 мм, дальние концы которых замкнуты в квадрат перемкнуты проволокой диаметром 1,5 мм. Сами элементы телескопические, набраны из труб диаметрами от 36 до 24 мм. Конкретную разбивку разных диаметров по элементу посмотрите в файле модели, неохота мне тут переписывать эту табличку. Питание осуществляется через гамма-согласование, длиной около 2 м (прочие подробности в файле модели).

Настройка

Вначале по минимуму излучения назад подстраивается размер рефлектора (телескопически выдвигая-вдвигая в центральную трубу следующие за ней отрезки). Впрочем, если у вас та же высота, что и в модели, а земля средняя, то можно этого и не делать. Затем обычным порядком настраивается гамма-согласование.

Результаты

Ощущения от работы антенны самые положительные. На межконтинентальных QSO ее выигрыш у 27-ми метрового вертикал составляет 1. 3 балла (который в свою очередь выигрывает 1. 2 балла у Inverted V на мачте 15 м). Диаграмма направленности в зенитной плоскости показана на рис.2..

Рис. 2.

Объемная ДН показана на рис. 3.

Рис. 3.

Полоса по уровню КСВ 4 ).

Рис. 4 .

Однако компенсация jX (расширяющая полосу по КСВ) никак не влияет на полосу по F/B. Если принять границами полосы по F/B частоты, где F/B снижается до 12 дБ (2 балла по шкале S),то полоса антенны составит 200 кГц (рис. 5 ). Поэтому действительно хорошие характеристики антенна имеет лишь в первых 200 кГц диапазона.

Рис. 5 .

Модификации

Простым масштабирование можно сделать такую же антенну на диапазон 14 MHz с габаритами элементов меньше 5 м и радиусом поворота меньше 3,5 м, т.е. с габаритами меньше, чем полноразмерная Уда-Яги на 28 MHz.

Вопрос о возможности размещения на той же траверсе антенн более высокочастотных диапазонов пока не исследовался.

Антенна квадрат

Одним из видов антенн является антенна в форме квадрата. В некоторых странах она пользуется популярностью. В России, такая антенна в один элемент не очень распространен. То ли из-за нехватки информации, в журналах наших радио и радиолюбительских источниках, то ли по другим причинам.

Давайте рассмотрим его применение на радиолюбительские диапазоны, на 80-ку к примеру.

Для 80 метрового диапазона возьмем провод полевой длиной 84 метра. Разместим все четыре угла на высоте 16 метров от земли. На резонансной частоте будет примерно 120 ом активного волнового сопротивления. Полоса пропускания по уровню ксв=2, примерно составит 230 килогерц. Диаграмма круговая в азимутальной плоскости, по углу места в зенит. Усиление примерно будет 8,3 dbi. Для согласования с 50-омным кабелем потребуется четвертьволновый трансформатор из коаксила 75 ом. Точка подключения в середине из одной стороны. При подключении в одном из углов, характеристики почти не меняются.

Если этот квадрат опустить до высоты 9 метров от земли. Активное сопротивление на резонансной частоте составит около 50 ом, и можно будет напрямую запитывать 50-омным кабелем. При этом немного вырастет усиление, и будет около 9 dbi. Полоса пропускания заметно сузится, и будет всего 90 кгц. Что не есть хорошо.

Использовать такую конструкцию антенны на радиостанции имеет смысл при проведении только местных радио связей – до 800 километров, причем запитка полотна в углу возможно будет предпочтительнее.

Давайте теперь полотно антенны разместим не параллельно , а вертикально относительно земли. Периметр увеличим до 85 метров, чтобы резонансная частота была в середине диапазона 3 650 килогерц. Нижняя сторона квадрата на высоте примерно 2 метра от земли. Поляризация горизонтальная – точка подключения в середине нижней стороны.

Что будет в таком варианте – полоса пропускания 140 килогерц. Мало, а весь 80-метровый диапазон перекрывает очень мало, всего несколько антенн по полосе пропускания.

Усиление меньше 7 dbi. Диаграмма круговая, да и все антенны из одного элемента на малой высоте подвеса имеют круговую диаграмму, как ни крути, и не наклоняй.

Зато угол излучения максимальный стал 65 градусов. При таком угле связи можно проводить как в ближней зоне, так и до 3-5 тысяч километров с одинаковым успехом. Здесь можно даже картинку показать.

Антенна квадрат на 80 метров

Мы рассматривали горизонтальную поляризацию, давайте попробуем вертикальную. Для этого точку питания перенесем в одну из середин вертикальной стороны. О! Чудо. Полоса пропускания составила 330 килогерц, что очень хорошо, при периметре 83,4 метра. Угол излучения максимальный 16 градусов. При таком угле все DXы на 80ке наши будут. То есть можно будет хорошо и просто проводить связи от 5 тысяч километров до антипода (16 т.км). Супер!

Антенна квадрат на 80 метров вертикальной поляризации

Сопротивление в этом случае будет 200 ом, и мы можем применить трансформатор ¼ по сопротивлению, и все будет хорошо.

Рассматривая, пробуя, анализируя, любой радиолюбитель сможет выбрать, подобрать себе антенну квадрат. Она хорошая.

Направленная антенна «двойной квадрат» впервые была описана в литературе в 1948 г. и с тех пор продолжает привлекать к себе внимание со стороны радиолюбителей.

Антенна «двойной квадрат» (рис. 2-56), имеющая оптимальные размеры, обеспечивает коэффициент усиления по отношению к обычному вибратору 8 дб , что соответствует усилению, даваемому трехэлементной антенной «волновой канал». С практической точки зрения антенна «двойной квадрат» даже превосходит трехэлементную антенну «волновой канал», так как имеет большую направленность в вертикальной плоскости и пологий угол вертикального излучения, что особенно важно при установлении дальних связей. Антенна «двойной квадрат» обычно изготовляется из тонкого медного провода или, лучше, из антенного канатика и не требует дорогостоящих металлических трубчатых конструкций. Несколько сложнее изготовление несущей конструкции антенны.

На рис. 2-56 изображена схема антенны «двойной квадрат» в двух видах, в которых она обычно выполняется. Основным элементом является вибратор в виде проволочного квадрата с длиной стороны λ/4 и общей длиной 1λ. На расстоянии А от 0,1λ до 0,2λ помещается второй такой же квадрат, снабженный дополнительным четвертьволновым шлейфом, благодаря которому этот элемент антенны действует как рефлектор. Элементы антенны располагаются или вертикально (рис. 2-56, а ), или же на одной из сторон квадрата (рис. 2-56, б ). Не изменяя конструкции антенны, перенося точку питания, можно добиваться вертикальной или горизонтальной поляризации поля. Обе антенны (рис. 2-56) имеют горизонтальную поляризацию поля.

Антенна «двойной квадрат» излучает в одном направлении, т. е. обратное излучение сильно ослаблено. Направление основного излучения перпендикулярно плоскости антенны и направлено в сторону от рефлектора к вибратору. Максимальное усиление антенны, как указывают многие авторы, при расположении рефлектора на расстоянии 0,2λ от вибратора лежит в пределах от 10 до 11 дб (измерения, проведенные радиолюбителем G 4 ZU , при указанных размерах дали величину коэффициента усиления, равную 8 дб ).

Входное сопротивление собственно вибратора лежит в пределах от 110 до 120 ом . При подключении пассивных элементов (рефлекторов или директоров) входное сопротивление в зависимости от расстояния до пассивного элемента уменьшается до 45—75 ом . Таблица 2-12 содержит значения входных сопротивлений и коэффициентов усиления различных видов антенн «двойной квадрат». Приведенные данные получены радиолюбителем W 5 DQV.

Получаемые входные сопротивления антенны позволяют использовать для ее питания обычный коаксиальный кабель, что, как правило, и делается. Следует помнить, что при отсутствии симметрирующего устройства диаграмма направленности антенны несколько косит. На этот недостаток, однако, не обращают внимания, так как величина коэффициента усиления от этого не меняется, а только несколько ухудшается диаграмма направленности. Для того чтобы понять, как действует антенна «двойной квадрат», необходимо рассмотреть распределение тока по длине вибратора. На рис. 2-57 показано четыре примера распределения тока по длине элемента антенны «двойной квадрат»; направление тока обозначено стрелками. В точках питания А действуют те же соотношения, что и в случае полуволнового вибратора; вибратор питается в пучности тока, и обе половины его возбуждаются синфазно (стрелки, указывающие направление тока, имеют одинаковое направление). Во внешних точках В и D расположены узлы тока, и в них происходит изменение направления тока (см. указатели тока). При рассмотрении квадрата, изображенного на рис. 2-57, а и б , видно, что стороны А и С возбуждаются синфазно, а стороны В и D — в противофазе. Таким образом, поляризация электрического поля в направлении перпендикуляра к плоскости антенны горизонтальная, так как горизонтальные стороны квадрата возбуждаются синфазно. На рис. 2-57, б питание производится со стороны вертикального элемента квадрата и обе вертикальные стороны квадрата возбуждаются синфазно, а горизонтальные стороны — в противофазе; следовательно, в данном случае поляризация поля вертикальная. При питании антенны «двойной квадрат» в отношении поляризации поля справедливо следующее правило: если питание антенны производится со стороны горизонтального элемента, то поляризация поля горизонтальная, если питание антенны производится со стороны вертикального элемента, то поляризация поля вертикальная.

Рассуждения о поляризации поля становятся несколько менее наглядными при рассмотрении квадрата, стоящего на одной из своих вершин (рис. 2-57, в и г). Если обозначить направления токов, как показано на рис. 2-58, то становится ясным, что и в этом случае поляризация поля квадрата, стоящего на одной из его вершин, определяется вполне однозначно. Из рис. 2-58 видно, что поля от горизонтальных составляющих тока от всех четырех сторон складываются в фазе, а от вертикальных составляющих находятся в противофазе. Отсюда следует, что поле излучения квадрата в этом случае имеет горизонтальную поляризацию. При питании в точках В или D поляризация поля вертикальная. В середине стороны квадрата, находящейся против точки питания, имеется узел напряжения, и поэтому эта точка может быть заземлена. На рис. 2-59 показано несколько вариантов питания квадрата с заземлением узла напряжения в случае горизонтальной и вертикальной поляризации. С теоретической точки зрения совершенно безразлично, в какой точке подключать линию питания — к точке А или С в случае горизонтальной поляризации или к точке В или D в случае вертикальной поляризации. Место подключения линии питания на практике определяется из конструктивных соображений. В диапазоне УКВ обычно используют полностью металлические конструкции, для чего точки A и С заземляют (рис. 2-60, а и б ).

Излучатель антенны «двойной квадрат» можно рассматривать как параллельное включение двух полуволновых вибраторов, расположенных на расстоянии λ/4. Отсюда следует, что «двойной квадрат» имеет ярко выраженную направленность в вертикальной плоскости (пологий вертикальный угол излучения).

На практике стремятся так выбрать общую Длину питаемого элемента антенны, чтобы он без дополнительных корректировок был бы настроен на рабочую частоту. В первых публикациях конструкции антенны «двойной квадрат» общая длина проводников питаемого элемента составляла 0,97λ, т. е. учитывался коэффициент укорочения. В последнее время ряд авторов указывает, что резонанс антенны наступает при общей длине излучателя 1,00λ — 1,02λ. Этот факт объясняется тем, что в случае излучателя в виде квадрата не проявляется укорачивающее действие емкостного краевого эффекта, который имеет место на открытых концах прямого вибратора. Для вычисления резонансной длины излучателя антенны «двойной квадрат» в коротковолновом диапазоне справедлива следующая приближенная формула: $$l[м]=frac<302>.$$

Для дополнительных корректировок длины излучателя можно воспользоваться следующим приемом: общая длина проводника выбирается несколько меньше требуемой и по обе стороны от точек питания включаются изоляторы, которые перекрываются короткозамкнутыми шлейфами, как показано на рис. 2-61, а . Уменьшая или удлиняя шлейфы, добиваются точной настройки излучателя. На рис. 2-60, б изображен этот же способ настройки излучателя, но использующий только один изолятор и один шлейф. Сказанное выше, разумеется, справедливо и по отношению к квадрату, расположенному на одной из своих вершин.

На расстоянии 0,2λ, располагается рефлектор. Это расстояние выбрано в результате практических экспериментов; отклонение от него в обе стороны приводит к уменьшению коэффициента усиления антенны и изменению входного сопротивления. Настройка рефлектора может производиться или по максимальному излучению в прямом направлении, или по минимальному излучению в обратном направлении. Следует отметить, что эти настройки не совпадают. Обычно радиолюбители настраивают рефлектор на наибольший коэффициент усиления в прямом направлении. По сравнению с настройкой на максимальный коэффициент усиления в прямом направлении настройка на максимальное обратное ослабление значительно более критична и более резко выражена, поэтому ее следует проводить очень осмотрительно. При некотором уменьшении коэффициента усиления может быть получено обратное ослабление порядка 30 дб . В качестве элемента настройки почти всегда используется двухпроводная линия с подвижным короткозамыкающим мостиком (рис. 2-56) Часто длина рефлектора выбирается равной длине излучателя; в этом случае линию выбирают такой длины, чтобы пассивный элемент работал в качестве рефлектора, а с помощью короткозамыкающей перемычки проводят точную настройку. Однако с электрической точки зрения лучше, если рефлектор имеет размеры, несколько превосходящие размеры излучателя; при этом регулировочная линия может быть выбрана очень короткой или может совсем отсутствовать, если размеры рефлектора выбраны такими, что он представляет собой замкнутый квадрат, настроенный на работу в качестве рефлектора. Для того чтобы определить оптимальные размеры рефлектора, в каждом отдельном случае требуется провести много экспериментов, поэтому при описании конструкций антенн «двойной квадрат» будут даваться уже проверенные экспериментально размеры их элементов, не требующие дополнительных корректировок.

В диапазоне коротких волн почти все антенны «двойной квадрат» состоят из двух элементов — излучателя (вибратора) и рефлектора. Антенны этого типа, использующие, кроме рефлектора, еще и директор, не получили распространения, так как незначительное увеличение коэффициента усиления антенны не идет ни в какое сравнение с усложнением конструкции и увеличением расхода материалов, необходимых для построения трехэлементной антенны.

Ширина полосы пропускания антенн «двойной квадрат» больше, чем у антенн «волновой канал», и перекрывает целиком любительские диапазоны 10, 15 и 20 м при условии, что антенна настроена на середину диапазона. Диаграмма направленности этой антенны, с точки зрения радиолюбителей, также обладает некоторыми преимуществами по сравнению с диаграммой направленности антенны «волновой канал». В горизонтальной плоскости диаграмма направленности имеет относительно широкий основной лепесток, излучение в стороны сильно ослаблено, а в обратном направлении имеются два небольших боковых лепестка, величина которых определяется качеством настройки рефлектора. Кроме этого, антенны «двойной квадрат» имеют узкую диаграмму направленности в вертикальной плоскости, что определяет преимущество этого типа антенны по сравнению с другими антенными системами. Антенну «двойной квадрат» также желательно подвешивать как можно выше над поверхностью земли, хотя влияние земли в этом случае сказывается меньше, чем в случае антенны другого типа. Желательно, чтобы точка питания была по крайней мере на высоте λ/2 от поверхности земли при общей высоте конструкции 1λ, при этом влияние земли практически не ухудшает диаграммы направленности.

Несущая конструкция антенны может быть выполнена в самых разнообразных вариантах. Однодиапазонная антенна «двойной квадрат» для диапазонов 10 и 15 м может иметь деревянную несущую конструкцию из планок и брусков, усиленных железными полосами. Антенна для диапазона 20 м обычно имеет несущую конструкцию, выполненную для уменьшения веса и улучшения ее механической прочности из бамбуковых трубок. Различные варианты выполнения несущих конструкций будут описаны в разделе, посвященном многодиапазонным антеннам «двойной квадрат».

На рис. 2-62 изображена простая конструкция «двойного квадрата», стоящего на одной из своих вершин. Такая же конструкция может быть использована и для антенны, расположенной на одной из своих сторон. Для увеличения механической прочности антенны используются растяжки из синтетических материалов. Если несущая конструкция изготовляется из бамбуковых или синтетических трубок, то антенный провод может укрепляться на них без изоляторов В таблице 2-13 приведены размеры «двойного квадрата».

Расстояние между проводниками линии настройки рефлектора некритично и может изменяться от 5 до 15 см . В графе «Длина стороны настроенного рефлектора» приведены размеры рефлектора, не требующего дополнительной настройки, т. е. в этом случае рефлектор представляет собой замкнутый квадрат. Диаметр медного одно- или многожильного проводника не имеет в данном случае никакого значения с точки зрения влияния на электрические характеристики антенны; из механических соображений он выбирается равным 1,5 мм .

Первые конструкции «двойного квадрата» имели элементы, выполненные в виде шлейфовых проводников. При этом входное сопротивление увеличивалось по сравнению с однопроводным элементом в 4 раза, незначительно увеличиваются коэффициент усиления и полоса пропускания антенны. Радиолюбителем W 8 RLT был описан такой «двойной квадрат» для диапазона 10 м (рис. 2-63). Общая длина проводника, расположенного в виде двух витков, равна 2λ , так что длина стороны равна λ/4 . Питание может осуществляться в режиме бегущей волны по линии, имеющей волновое сопротивление 280 ом (УКВ кабель). Однако W 8 RLT предлагает питать антенну по настроенной линии с волновым сопротивлением от 300 до 600 ом .Для рефлектора не имеет существенного значения, изготовлен ли он в виде простого квадрата или же в виде шлейфового квадрата, так как отражающее действие его при этом не изменяется. Поэтому более поздние конструкции используют шлейфовый излучатель и обычный рефлектор. В таблице 2-14 приведены все размеры антенны «двойной квадрат», изображенной на рис. 2-62.

Расстояние между проводниками линии настройки рефлектора может быть взято от 10 до 15 см .

При этом следует отметить, что размеры, приведенные W 8 RLT, в свете сегодняшних взглядов выбраны несколько короче требуемых, что, очевидно, объясняется питанием антенны по настроенной линии, с помощью которой, как известно, можно в некоторой степени компенсировать неточность, допущенную при выборе размеров излучателя. Поэтому размеры, приведенные в табл. 2-14, следует рассматривать только как приблизительные. Рефлектор конструируется в виде простого квадрата, а питание осуществляется с помощью согласованной линии с волновым сопротивлением, равным 300 ом .

Отличные результаты, получаемые при работе с антенной «двойной квадрат», естественно, привели бы к созданию целого ряда конструкций, которые в большей или меньшей мере являются развитием принципов, заложенных в основе действия «двойного квадрата».