Б. Степанов

ПРИЕМНО-ПЕРЕДАЮЩИЕ КВ АНТЕННЫ
(по страницам зарубежных радиолюбительских журналов)

О высоте установки антенны

   При выборе конструкции приемно-передающей антенны для своей любительской радиостанции коротковолновику приходится принимать во внимание множество факторов, искать компромисс­ные решения для многих технических вопросов. Один из них — высота установки антенны. Возможности радиолюбителя в этой области (независимо от того, где он проживет — в городе или на селе) весьма и весьма ограничены. Есть ли здесь какие-либо оп­тимальные решения? В какой-то мере ответ на этот вопрос дают эксперименты, проведенные DJ2NN [1].
   Следует подчеркнуть, что измерить зависимость эффективно­сти антенны от высоты ее установки на коротких волнах непросто. Наибольший интерес, естественно, представляют эти данные для больших по протяженности трасс (т. е. для DX связей), а это означает, что на результаты измерений в значительной сте­пени влияет распространение радиоволн в ионосфере (особенно быстрые флуктуации прохождения). Более того, в общем случае эти зависимости могут иметь разный характер для трасс с раз­личной протяженностью и азимутальной направленностью. Повы­сить достоверность результатов можно лишь многократными по­вторными измерениями, набором статистических данных.


Рис. 1. Зависимости эффективности направленной KB антенны от высоты ее установки
(1 — DX станции, 2 — «ближняя» зона) а — диапазон 14 МГц; б — диапазон 28 МГц
   DJ2NN проводил измерения зависимостей эффективности антенны от высоты ее установки на любительских диапазонах 14. 21 и 28 МГц в режиме приема сигналов DX станций (протяженность трассы не менее 5000 км). Кроме того, измерялись и аналогичные зависимости по сигналам станций, находящихся в «ближней» зоне, где связь обусловлена поверхностной волной В этих экспериментах DJ2NN использовал антенны «волновой канал», высоту установки которых можно было очень быстро из­менять в пределах 2,5 ... 25 м. Им были приняты специальные меры, которые исключали бы ошибки измерений, обусловленные расстройкой антенны при малых высотах ее установки (из-за вли­яния «земли»). Результаты этих экспериментов для диапазонов 14 и 28 МГц приведены на рис. 1, а и 1, б. Общий ход ана­логичных зависимостей для диапазона 21 МГц весьма близок к данным, приведенным на рис. 1, а. Кривые, обозначенные циф­рой 1, относятся к измерениям по сигналам DX станций, а циф­рой 2 — по сигналам станций, находящихся в «ближней» зоне Анализ этих кривых позволяет сделать несколько выводов Во-первых, измерение параметров коротковолновой антенны и отработка ее диаграммы направленности по напряженности поля в «ближней» зоне далеко не всегда может дать объектив­ную информацию о ее эффективности при проведении DX связей. Иными словами, измерения в «ближней» зоне — это необходи­мый, но иногда недостаточный этап в налаживании направленной KB антенны.
   Во-вторых, в интервале высот 2,5 ... 15 м эффективность та­кой антенны на диапазонах 14 и 21 МГц изменяется очень силь­но. Может возникнуть такая ситуация, когда более простая и легкая двухэлементная антенна, поднятая на высоту 10... 12 м, окажется более эффективной, чем, скажем, трехэлементная ан­тенна, которую радиолюбитель не может поднять выше 5 .. 7 м (из-за большей массы, более громоздкого и тяжелого вращающе­го устройства и т. д).
   И, в-третьих, увеличение высоты установки антенны свыше примерно 17 м неоправдано. Эффективность возрастает незначи­тельно, а затраты на изготовление и технические сложности, свя­занные с установкой и эксплуатацией антенны, увеличиваются во много раз.
   Рис. 2 иллюстрирует влияние высоты установки УКВ антен­ны на ее эффективность для диапазонов 144 (кривая 2) и 432 (кривая 1) МГц. Эти измерения проводились DJ2NN для источ­ника сигнала, удаленного на 20 км. Интересно отметить, что в этом случае зависимости практически не имеют тенденции к на­сыщению при больших высотах.


Рис. 2. Зависимости эффектив­ности направленной УКВ ан­тенны от высоты ее установки:
1 — диапазон 432 МГц; 2 — диапа­зон 144 МГц

Ненаправленные антенны

   Большая часть коротковолновиков вынуждена ограничивать­ся установкой только одной антенны, которую, конечно, стара­ются сделать многодиапазонной и ненаправленной. Существует множество конструкций подобных антенн, в которых эти требова­ния выполняются в большей или меньшей степени. Одна из та­ких антенн — «G5RV» (по позывному радиолюбителя, предло­жившего ее [2]) — предназначена для работы на любительских диапазонах 3,5 ... 28 МГц.
   Размеры антенны и двухпроводной согласующей линии пока­заны на рис. 3, а, питание антенны подается коаксиальным ка­белем с волновым сопротивлением 75 Ом. Рекомендуемая высота установки антенны над землей или над крышей — около 10 м. Если пролет, в котором устанавливают антенну, меньше 32 м, то концевые отрезки полотна антенны длиной до 3 м можно оставить висящими вниз (т. е. для установки антенны в этом случае подойдет пролет примерно в 26 м) Антенна «G5RV» в принципе допускает установку с использованием только одной мачты в виде «INVERTED V», но для того чтобы ее характе­ристики заметно не ухудшались, угол при вершине должен быть не менее 120°.

Рис. 3. Многодиапазонная KB антенна «G5RV».
a — упрощенная конструкция антенны,
б — изолятор,
в — устройство двухпроводной линии,
г — высокочастотный дроссель



Рис. 4. Вариант исполнения многодиапазонной антенны на основе «G5RV»
а — конструкция антенны, б — центральный изолятор и под ключение фидера

   Самодельная двухпроводная согласующая линия образована двумя проводами, расстояние между которыми поддерживается постоянным изоляторами (рис. 3,6), выполненными из хороше­го, негигроскопического диэлектрика (оргстекло, текстолит и т. д.) После соответствующей пропитки можно использовать также дерево или фанеру. Провода линии укладывают в V-образные вырезы на торцах изоляторов и фиксируют небольшими отрез­ками проводов (рис. 3, в), пропущенных через отверстия в изо­ляторах. Согласующая линия должна идти перпендикулярно по­лотну антенны по крайней мере на длине 6 м.
   Для эффективной работы антенны «G5RV» на всех диапа­зонах ее фидер необходимо подключать к передатчику через согласующее устройство. Поскольку у этой антенны в фидере практически всегда есть в той или иной степени стоячая волна, то применять симметрирующее устройство (BALUN) для пере­хода от согласующей линии к коаксиальному кабелю нет смысла. Однако для уменьшения излучения с внешней оплетки кабеля (это, в частности, может быть причиной помех телевидению) це­лесообразно [3] из верхней части фидера сделать высокочастот­ный дроссель (рис. 3, г). Число витков 8... 10, диаметр намотки около 180 мм, витки скреплены в трех местах липкой лентой
   Еще один вариант многодиапазонной KB антенны, в основу которой положена «G5RV» [4], приведен на рис. 4, а. На центральной мачте 1 высотой около 12 м под углом примерно 30° друг к другу подвешены два полотна антенны «G5RV». Концы этих полотен через изоляторы 4 крепятся к четырем вспомога­тельным мачтам 3 высотой около 6 м. В центре, антенны полот­на попарно подключены к общей двухпроводной линии 5 (см. рис. 4, б), которая так же, как и в обычной «G5RV», выполнена воздушной на изоляторах 6. Для крепления концов полотен на мачте 1 служит центральный изолятор 2. Следует отметить, что приведенные размеры не являются критичными. Их можно варьи­ровать в достаточно широких пределах, ориентируясь на воз­можности радиолюбителя и место, имеющееся в его распоряже­нии для установки антенны.
   В радиолюбительской литературе нередко встречаются опи­сания многодиапазонных горизонтальных антенн, представляющих собой включенные параллельно излучатели (например, полу­волновые диполи) на отдельные KB диапазоны. Данный прин­цип можно применить и для создания антенн с вертикальной поляризацией. Конструкция такой трехдиапазонной KB антенны [5] показана на рис. 5. Металлическая мачта 3, служащая излу­чателем на диапазоне 14 МГц, установлена на опорном изоля­торе 2. В ее верхней части на расстоянии около 350 см от опор­ного изолятора укреплена диэлектрическая распорка 9. К осно­ванию мачты крепятся (и подлючаются к ней электрически) проволочные излучатели 4 на диапазоны 21 и 28 МГц. Натяжение излучателей обеспечивают нейлоновые растяжки 5, которые при­соединяют к ним через изоляторы 6. Питается антенна коакси­альным кабелем 8 с волновым сопротивлением 50 Ом, централь­ную жилу которого подключают к мачте 3, а оплетку к системе противовесов 7. Длины всех излучателей отличаются от значения л/4 для соответствующего диапазона, что обусловлено взаимным влиянием излучателей. Приведенные на рис. 5 размеры излуча­телей были подобраны экспериментально по минимальным зна­чениям КСВ на рабочих диапазонах.
   Вариант широкополосной антенны [6], работающей на всех KB диапазонах, включая и 160 м, показан на рис. 6. Антенна представляет собой проволочный излучатель длиной 22,6 м, на расстоянии одной трети от конца которого включена LR-цепь, расширяющая полосу рабочих частот.
   Эта цепь (рис. 6, б) образована резистором R сопротивле­нием 370 Ом (6 резисторов сопротивлением 2,2 кОм и макси­мальной мощностью рассеивания 1 Вт) и катушкой L (55 витков провода диаметром 1 мм, намотка рядовая сплошная на каркасе диаметром примерно 50 мм).



Рис. 5. Трехдиапазонная антенна «GROUNDPLANE»




Рис. 6. KB антенна для диапазонов 10...160 м.
а — общий вид; б — LR-цепь, в — согла­сующий трансформатор

   Антенну подключают к фидеру (волновое сопротивление 50 Ом) через согласующий трансформатор (рис. 6, в). Он вы­полнен на кольцевом магнитопроводе из феррита диаметром примерно 50 мм с начальной магнитной проницаемостью около 20. Каждая из обмоток имеет по 24 витка провода диаметром 1 мм. Антенну подключают к отводу от 18-го витка вторичной обмотки. Точку подключения подбирают экспериментально при налаживании антенны.
   Настраивают антенну подбором в первую очередь индуктив­ности катушки L и точки подключения антенны к согласующему трансформатору. Критерий — минимум КСВ в пределах люби­тельских диапазонов. Хотя в статье отмечается возможность ра­боты антенны даже на диапазоне 160 м, реально, по-видимому, получить удовлетворительные характеристики можно только на частотах 7 МГц и выше.

Влияние «земли»
   Описанная выше антенна, так же как и многие другие «про­волочные» и штыревые антенны, для своей нормальной (эффек­тивной) работы требует наличия хорошей «радиотехнической земли». В городских (да и не только в городских) условиях ее обычно обеспечивают подключением эквивалента — противо­весов. Сколько же противовесов и какой длины могут создать хорошую «радиотехническую землю»? Измерения показывают [7], что их число должно превышать 20... 30. При нескольких противовесах (случай очень типичный в радиолюбительской прак­тике) сопротивление потерь составляет примерно 30 Ом. Это означает, что около 50 % мощности передатчика теряется. Иными словами, стоит задуматься: что проще — конфликтовать с Госу­дарственной инспекцией электросвязи, повышая сверх дозволен­ных пределов мощность передатчика, или добавить несколько десятков противовесов к антенне и получить ту же самую эффек­тивность радиостанции в целом.



Рис. 7. Зависимости входного сопротивления штыря от числа противовесов
   Типичные зависимости входного сопротивления четвертьвол­нового штыря (теоретическое значение 37 Ом) от числа четверть­волновых противовесов для различных условий (1 — сухая почва, 2 — мокрая, 3 — теоретическое значение) приведены на рис. 7. Не следует, принимая во внимание эти зависимости, удив­ляться, что GP с тремя противовесами обеспечивает КСВ ~ 1 при питании коаксиальным кабелем 75 Ом (теоретическое зна­чение КСВ ~2). Становится понятной и эффективная работа некоторых вертикальных антенн в широкой полосе частот — по­тери в «земле» заметно ее расширяют.

Режекторные контуры для KB антенн
   Антенны с режекторными контурами («W3DZZ» и ей подоб­ные) получили широкое распространение в радиолюбительской практике. Они имеют вполне приемлемые характеристики, но с конструктивной точки зрения не совсем удобны. Особые трудно­сти (в изготовлении или приобретении) вызывает конденсатор, входящий в режекторный LC-контур. Он должен иметь вполне определенный номинал и очень высокие электрические парамет­ры, работая в условиях воздействия на него атмосферой влаги.


Рис. 8. Конструкция режекторного контура на основе коаксиального кабеля

   Режекторный контур для антенн типа «W3DZZ» можно из­готовить из отрезка коаксиального кабеля, оплетка которого будет формировать необходимую индуктивность, а «центральная жила — оплетка» создадут необходимую емкость [8].
   Конструкция такого режекторного контура приведена на рис. 8. На диэлектрический каркас 1 наматывают коаксиальный кабель 2. Концы кабеля 3 пропускают в отверстия каркаса и распаивают (5) в соответствии с рисунком. Скобы 4 служат для подключения полотен антенны 6.
   Емкость такой катушки С в пикофарадах можно рассчитать по формуле


C= C0[пn(d + t) + l]/4

где Со — погонная емкость кабеля в пФ/см; n — число витков катушки; d — диаметр катушки, см; t — внешний диаметр кабе­ля, см; I — суммарная длина выводов, см.
   Индуктивность катушки L в микрогенри определяют по фор­муле

   Для простых антенн с режекторными контурами выбор па­раметров катушки достаточно произволен (надо лишь обеспе­чить требуемую частоту режекции). В антенне «W3DZZ», кроме того, необходимо иметь и вполне определенное отношение индук­тивности катушки L и емкости конденсатора С — без этого нель­зя реализовать многодиапазонные свойства антенны.

Направленные антенны

   Вращающаяся направленная KB антенна — мечта всех ко­ротковолновиков. Однако изготовить полноразмерную антенну («волновой канал», «двойной квадрат» и т. д.) многим радиолю­бителям не под силу. Одна из причин этого — весьма ограни­ченная площадь на крыше жилого дома, которую коротковолновик может использовать для установки антенны (особенно в до­мах-башнях). Вот почему в радиолюбительских журналах так часто встречаются описания различных вариантов малогабарит­ных одно- или многодиапазонных KB антенн.



Рис. 9. Направленная антенна «DOUBLE-D»

   Антенна, эскиз которой приведен на рис. 9, получила назва­ние «DOUBLE-D» («двойная дельта») [9]. Небольшая по габа­ритам, легкая, она вполне может быть первой конструкцией ко­ротковолновика, желающего повысить эффективность своей лю­бительской радиостанции установкой вращающейся направленной антенны.
   На мачте 1 на расстоянии D от ее вершины установлены четыре распорки 2 из бамбука или дерева, пропитанного влаго­защитными составами. К концам этих распорок и через растяж­ки 5 крепятся полотна активного элемента 3 и рефлектора 4. Оба полотна выполнены из медного провода или антенного ка­натика, а растяжки — из нейлонового шнура. Конфигурация активного элемента и рефлектора напоминает латинскую букву Д, откуда и пошло название антенны. Питают антенну по коак­сиальному кабелю 6 с волновым сопротивлением 50 Ом.
   Длину проволочных элементов антенны в метрах рассчиты­вают по следующим формулам (f — рабочая частота в МГц):

А = В = 85,1/f

С = 60,2/f

D = 17,8/f

Е = 34/f.

   Значение частоты f выбирают либо в середине соответству­ющего любительского диапазона, либо в середине его участка, наиболее интересующего коротковолновика (например, в середи­не телеграфного участка).
   Исходя из данных [9], антенна «DOUBLE-D» практически не уступает двухэлементной антенне «волновой канал» по коэф­фициенту направленного действия и отношению излучения назад-вперед. Однако она имеет меньшую полосу пропускания, что ил­люстрирует рис. 10, на котором приведены зависимости КСВ от частоты (диапазона 28 МГц) для антенны «DOUBLE-D» (кри­вая I) и полноразмерного «волнового канала» (кривая 2).
   Настраивают эту антенну подбором длины активного элемента и рефлектора. На резонансной частоте ее входное сопротив­ление носит чисто активный характер и составляет примерно 40 Ом.



Рис. 10. Зависимости коэффициента стоячей волны от частоты в диапа­зоне 10 м для антенн «DOUBLE» и двухэлементного «волнового ка­нала»
   Используя такой принцип построения антенны, можно изго­товить и многодиапазонную конструкцию. В этом случае каждый из активных элементов желательно запитать отдельным коакси­альным кабелем. Эксперименты с двухдиапазонной антенной (14 и 21 МГц) показали, что установка на ту же конструкцию эле­ментов на второй диапазон не изменяет диаграммы направлен­ности антенн. При запитке обоих активных элементов даже по одному коаксиальному кабелю КСВ в пределах обоих любитель­ских диапазонов не превышал 2.
   Компактный трехдиапазонный (14, 21 и 28 МГц) «двойной квадрат» (рис. 11) был предложен. 9H1GL [10]. По габаритам он не превышает двухдиапазонный «двойной квадрат» на 21 и 28 МГц. Эта антенна по существу состоит из двух полноразмер­ных «двойных квадратов» на диапазоны 21 и 28 МГц, а третий диапазон — 14 МГц получается подключением к элементам диа­пазона 21 МГц нагрузочных емкостей.
   На мачте 1 закреплена короткая несущая траверса 2, к ко­торой в свою очередь крепятся скобы 3 «ежа». Применение ком­бинации «несущая траверса» — «ежи» (каждая из них в отдель­ности широко используется в «двойных квадратах») позволило получить весьма высокую точку крепления растяжек 6. Антенна вращается вместе с мачтой 1 (двигатель с редуктором установ­лены у ее основания), поэтому оттяжки крепятся к промежу­точному подшипнику 5. Высота мачты примерно 5,5 м, подшип­ник установлен на 0,8... 1 м ниже точки крепления несущей траверсы. В этом случае при максимальном допустимом угле между мачтой и оттяжками 30° точки крепления оттяжек к крыше будут отстоять от основания мачты примерно на 2,7 м.
   Конфигурация элементов «ежей» 3 (их выполняют из сталь­ного уголка) показана на рис. 11, в. В отогнутые части этих элементов крепят U-образными болтами или зажимами распор­ки 4 из бамбука. Длина распорок — около 2,4 м.



Рис. 11. Малогабаритный трехдиапазонный «двойной квадрат» а — вид спереди, б — вид сбоку, в — конфигурация элементов антенны
   Длина каждой стороны рамки для диапазона 21 МГц со­ставляет 3,6 м, а для диапазона 28 МГц — 2,75 м.
   Нагрузочные емкостные элементы, обеспечивающие работу антенны на диапазоне 14 МГц, расположены внутри рамок диа­пазона 21 МГц (несколько ближе к мачте, чем эти рамки). Они «отключаются» четырьмя режекторными контурами — по два на каждую рамку. Резонансная частота режекторных контуров (до подключения к антенне) — 20,2 МГц. Конструктивно они выпол­нены из коаксиального кабеля так же, как описано в предыду­щем разделе обзора. Контуры подключают между рамкой и ем­костными нагрузками в точках, обозначенных на рис. 11 как х — х и х' — х'.
   Методика настройки элементов антенны на диапазонах 28 и 21,МГц не отличается от стандартной. На диапазоне 14 МГц антенну настраивают подбором длины элементов — емкостных нагрузок.
   Если изменение длины этих элементов существенным обра­зом влияет на параметры антенны на диапазоне 21 МГц, то это свидетельствует о том, что режекторные контуры настроены не­точно (т. е. не «отключают» полностью емкостную нагрузку при работе на диапазоне 21 МГц).
   При питании антенны 50-омным коаксиальным кабелем КСВ не превышало 2 на всех трех диапазонах.

Литература
1. Hawker P. Technica 1 Topics. — Radio Communication, 1985, № 4, p. 274 — 275.
2. Varney L. G5RV multiband antenna . . . up-to-date. — Radio Communication, 1984, № 6, p. 572 — 575.
3. Hawker P. Technical Topics. — Radio Communication, 1982, № 2, p. 142 — 143.
4. Dobbs R. G. QRP. — Radio Communication, 1985, № 3, p. 206.
5. Doncel D. Antena «sisargas» vertical para 10, 15 у 20 m. — URE, 1984, № 10,
6. Johansson F. VK 6 — antennen — en multibandantennen. — QTC, 1984, № 12,
7. Servik J. Short ground radial sistems for short verticals. — QST, 1978, № 4,
8. Somrner R. Optimizing coaxial-cable traps. — QST, 1984, № 12, p. 37 — 42
9. DOdd P. Wire beam antennas and the evolution of the «Double-D». — QST, 1984, № 10, p. 21 — 23. . . . ,
10. Hawkes J. M. A two element quad 14, 21 and 28 MHZ antenna for restricted space. — Radio Communication, 19S4, № 4, p. 300 — 303.

По материалам журнала "РАДИОЕЖЕГОДНИК" №86