Если антенна прототип (1) (антенна UA6AGW v.40.00) появилась на свет, как бы, сама собой, и я лишь немного помог ей, то описываемая в этой статье антенна «рождалась» долго и мучительно. Продвижение вперед происходило методом проб и ошибок в течении трех лет. Патент № 125777 (RU)
Для формирования направленного излучения, в наиболее популярных радиолюбительских антеннах, таких как, двух-трех элементный волновой канал или двух-трех элементный квадрат, используют один и тот же метод. Метод этот, по словам «Википедии», заключается в следующем: «Излучение антенны можно рассматривать как сумму излучений всех составляющих её вибраторов. Ток, наведённый излучением активного вибратора в рефлекторе, наводит в нём напряжение. Для рефлектора, сопротивление которого носит индуктивный характер за счёт длины, большей 0,5 λ, напряжение отстает по фазе от напряжения в активном вибраторе на 270¬°. В результате излучение активного вибратора и рефлектора в направлении рефлектора складывается в противофазе, а в направлении активного вибратора — в фазе, что приводит к усилению излучения в направлении активного вибратора приблизительно вдвое. Аналогично рефлектору работают директоры, однако из-за емкостного характера их сопротивления (что определяется их меньшей длиной) излучение усиливается в направлении директоров».
Формирования направленного излучения, в описываемой антенне, основано на эффекте, обнаруженном автором этих строк, при разработке антенны прототипа (1) Эффект этот описан, в статье посвященной антенне прототипу, следующими словами: «При переключении лучей в этой схеме, к противоположной стороне витка рамки, прием полностью прекращается. Отсюда можно сделать вывод, что необходимые фазовые соотношения образуются у лучей только со “своей частью рамки”. Другими словами, рамка активно участвует в формировании диаграммы направленности».
Как это работает.
В известной книге З. Беньковского и Э.. Липинского «Любительские антенны коротких и ультракоротких волн» процесс и условия возникновения электромагнитной волны описаны следующими словами: «Вокруг проводника по которому протекает ток I, вызванный напряжением U, создается магнитное поле с напряженностью H и электрическое поле с напряженностью E. Линии магнитного поля H образуют концентрические окружности вокруг проводника и лежат в плоскости, перпендикулярной оси проводника. Линии электрического поля E перпендикулярны линиям магнитного поля H и лежат в плоскости проходящей через ось проводника. Изменение во времени тока приводит к изменению во времени электрического и магнитного полей» Таким образом, необходимым условием для формирования электромагнитной волны является наличие синфазных магнитного и электрического полей сформированных под прямым углом, относительно друг друга.
В описываемой антенне, максимальный ток протекает в геометрическом центре рамочной части. Поскольку рамка расположена вертикально, то и силовые линии магнитного поля, имеющие максимальное значение, будут расположены тоже вертикально. В геометрическом центре рамки происходит смена фаз напряжения, Участки с максимальным напряжением приходятся на концы лучей антенны. Лучи расположены горизонтально, соответственно силовые линии электрического поля тоже имеют горизонтальную поляризацию. Следует заметить, что поскольку рамка выполнена в виде окружности, в случае наклона лучей и соответственно изменения формы электрического поля, всегда найдутся участки магнитного поля расположенные перпендикулярно электрическому полю.
Необходимый фазовый сдвиг обеспечивает контур образованный внутренним проводником рамки и конденсатором С-1. Таким образом, выполняются условия возникновения электромагнитной волны непосредственно на элементах антенны, либо в непосредственной близости от них.
Другими словами, для работы антенны вообще, необходимо сформировать синфазные и перпендикулярные друг другу электрическое и магнитное поле, а для организации направленной работы, эти поля в одном направлении должны быть синфазными, а в противоположном направлении противофазными. Теперь если вспомнить, что в антенне прототипе, лучи формирующие электрическую составляющую, работают только «со своей половиной рамки» и полностью теряют способность что-либо принимать (излучать) при подключении к другому выводу рамки. То для организации направленного приема (излучения) остается только найти наиболее удачную конфигурацию элементов антенны.
Поиск этой конфигурации потребовал проведения множества опытов.
На рисунке № 1 показана принципиальная схема антенны и расположение её элементов в пространстве.
В этом месте появляется возможность объяснить способность антенн этого семейства эффективно работать с малых высот.
Всем известна необходимость размещать антенны на определенной высоте. Возникает эта потребность, из-за свойства земной поверхности, работать в качестве отражателя. Вот как это описано у Ротхамеля: «Волны, излученные антенной к земле вертикально или под малым углом к вертикали, отразятся от почвы и пройдут сквозь структуру антенны, наводя ток в её проводниках. Фазы и амплитуды наведенных токов зависят от расстояния между антенной и отражающим грунтом…». Очевидно, какая-то часть волн и в этой антенне будет излучаться в сторону земли. Но это только часть, причем малая часть. Основная часть энергии сосредоточена в пространстве между рамкой и лучами. Лучи как бы экранируют, эту энергию от земли.
Можно предположить, что изменение положения лучей, будет менять диаграмму направленности и в вертикальной плоскости. Это предположение, применительно к направленным антеннам, нашло свое экспериментальное подтверждение. Но об этом позже, в следующих статьях.
Конструкция.
На рис № 2 представлены электрическая схема антенны диапазона 40 метров, необходимые размеры элементов и расположение этих элементов в пространстве.
Рамочная часть антенны выполнена из «полудюймового» (по маркировке поставщика «½ дюйма») коаксиального кабеля, такого же, как в антенне UA6AGW v.40.02. Наружная пластиковая оболочка у него так же удалена. Для защиты внешней оплетки (выполненной в виде медной, гофрированной трубы), от атмосферного воздействия применяется подходящая по диаметру электромонтажная пластиковая гофрированная трубка.
Излучающие лучи выполнены 6-ти метровых пластиковых рыболовных удилищ. В моем случае, самое тонкое коленце удилища, заменено 8-ми миллиметровой алюминиевой трубкой, имеющую внутренний диаметр 5,5 мм. В трубку вставлены отрезки алюминиевого одножильного провода сечением 25 квадратных мм. Этот провод имеет наружный диаметр, позволяющий достаточно плотно вставить его в трубку. В результате получилась телескопическая пара позволяющая менять длину луча. У излучающих лучей, на это место приходится пучность напряжения и узел тока, поэтому необходимый электрический контакт, в этой телескопической паре, легко осуществляется.
К трубке, с помощью заклепки, прикреплен многожильный неизолированный провод, проходящий внутри удилища, образующий вместе с телескопической парой, собственно луч. Лучи расположены горизонтально.
Короткие, симметрирующие лучи выполнены из многожильного провода и прикреплены поверх поперечной распорки.
Провода соединяющие рамку с конденсаторами и лучами должны иметь минимальную длину. Излишняя их длина и общий не рациональный монтаж антенны заметно снижают подавление «фронт-тыл» и «фронт-бок».
Вся конструкция для обеспечения стойкости к ветровым нагрузкам растянута (см. рис. № 4) с помощью 5-ти миллиметрового шнура марки «Стройбат», белорусского производства, отлично выдерживающего все атмосферные воздействия.
Петля связи, изготовленная из питающего кабеля, в этой антенне применена такая же, как в антеннах версии 40.00 – 40.02 (1,3)
Ниже приведены основные размеры, правила изготовления и монтажа петли связи
1. При монтаже, верхушка мачты, точка симметрии петли связи и точка симметрии излучающей рамки, должны совпасть.
2. На одинаковом расстоянии влево и вправо от точек симметрии (ориентировочно 7-8 см), петля связи с помощью кабельных стяжек крепиться к излучающей рамке.
Симметрия в этом месте важна, она позволяет избежать появления токов на оплетке питающего кабеля и работать без заземления.
Настройка.
Настройка этой антенны, так же проста, как настройка всех предыдущих версий антенн. Суть её заключается, в настройке всей системы в резонанс, на рабочую частоту.
Настройка осуществляется, так же как в обычном контуре, изменением емкости конденсатора С-2, либо, если применяются конденсаторы постоянной емкости, изменением длины лучей. При расположении антенны на высоте пяти метров (до верхушки мачты), с помощью двухметровой стремянки, сделать это не сложно.
В моем случае, антенна настраивалась, в зависимости от ситуации, обоими способами. Во всех случаях, критерием настройки является, либо максимальный уровень сигнала на прием, либо максимальный уровень напряженности поля (напряжения на излучающем луче) на передачу.
Вначале настройка антенны велась переменным конденсатором типа «Бабочка» с зазором между пластинами около 4 мм. В последствии, когда необходимая емкость была уже известна, этот конденсатор я заменил на постоянные конденсаторы типа К15-1У (См. рис № 6)
Частота настройки антенны на высоте 5 метров, была выбрана 7050-7060 кГц. После установки антенны на высоту 8-ми метров частота настройки незначительно повысилась до значения 7090 кГц.
Эта антенна строже, чем прототип, относится к изменению размеров основных элементов. При указанных размерах элементов, график, снятый с помощью антенного анализатора АА-330М, имеет следующий вид. (См. рис №7)
Результаты.
С момента проведения первых опытов, с действующим образцом этой антенны, до настоящего момента, прошло около десяти месяцев. В течении этого времени уточнялись размеры элементов антенны, разрабатывались оптимальные конструктивные решения, была проведена серия опытов определившая направление дальнейшего развития этого проекта.
Результаты, показанные этой антенной, оказались вполне ожидаемыми. В роли антенны сравнения, использовалась «антенна UA6AGW v.40.02» (3). Расположены обе антенны на одинаковой высоте – 8 метров. Лучше всего характеризуют работу новой антенны снимки с экрана компьютера с изображением панорамы SDR трансивера. На левом снимке к трансиверу подключена антенна UA6AGW v.40.02, на правом описываемая в этой статье антенна.
Снимки делались, с минимально возможным разрывом во времени.
На снимках хорошо видно, что сигнал, находящийся в зоне основного лепестка диаграммы направленности и попадающий в полосу приема, имеет одинаковый уровень в обоих случаях. Сигналы, приходящие с других направлений заметно подавляются.
Основной лепесток диаграммы направленности в горизонтальной плоскости по уровню 3 дБ составляет не более 60 градусов. Среднестатистическое подавление «фронт-тыл» в этой антенне составляет не менее 20 дБ. Подавление «фронт-бок» около 15 дБ. Указанное подавление характерно для сигналов радиостанций находящихся на расстоянии от 350 до (приблизительно) 4000 км. Для сигналов станций находящихся дальше, подавление несколько снижается. Зато для станций находящихся ближе 350 км. подавление составляет как минимум 25-30 дБ, независимо от направления, а если повернуть антенну тылом, то даже очень громкие сигналы не слышны вовсе. Снижение подавления для дальних станций, конечно можно рассматривать как недостаток, но вместе с тем известно, что основные помехи создают именно ближние радиостанции.
Исходя из номограммы для определения коэффициента направленности на стр. № 61. первого тома книги «Антенны» Карла Ротхамеля (издание 11-ое дополненное), коэффициент направленности антенны составляет около 10 дБ.
Рабочая полоса по уровню КСВ=2,0, измеренная аппаратным КСВметром получилась около 170-180 кГц.
Новая антенна вполне сохранила, характерные для её прототипа миниатюрность, малошумность, устойчивость к помехам, высокий КПД и т.д..
Прямого сравнения с диапазонным диполем, при высоте установки 0,5 длинны волны, не проводилось, ввиду сложности размещения обоих антенн на такую высоту. Вместе с тем, накопленная за период испытаний статистика, позволяет сделать вывод о высокой эффективности новой антенны.
Выводы.
1. Разработана и реализована направленная CFA антенна.
2. Подтверждена, в очередной раз, возможность раздельного формирования электрической и магнитной составляющей фронта волны излучения.
3. Обозначена возможность создания миниатюрных, эффективных, направленных антенн для низкочастотных диапазонов.
4. Разработаная антенна, своего рода — «Терминатор» (от лат. Terminare — ограничивать, подавлять), не имеющая (по отношению к антенне сравнения) усиления в выбранном направлении, но способная активно подавлять сигналы с других направлений.
5. Подавление F-B и F-S не зависит от частоты и обеспечивается во всем рабочем диапазоне.
6. Антенна прототип, вернее, все предыдущие версии (1,2,3) могут быть легко переделаны в направленную антенну.
7. Антенна сохранила практически все, положительные качества прототипа.
8. Антенна получилась несложной конструктивно и простой в настройке.
Александр Грачёв, UA6AGW
г. Краснодар
Литература:
1. Грачёв А.В. Антенны UA6AGW v.40.-
Радиомир 2011 № 8 стр. 38-41
2. Грачёв А.В. Антенны UA6AGW v.40.-
Радиомир 2011 № 9 стр. 39-41
3. Грачёв А.В Антенна UA6AGW v.40.02
Радиомир 2012 № 6-7