UR5NAN Владимир Андриевский "Рамочные УКВ антенна формата "конверт" Часть первая. Теория.
Начало статьи полностью -
"УКВ антенна на рамках типа "конверт"
УКВ антенны с рамочными элементами не пользуются большой популярностью у радиолюбителей. Связано это, очевидно, с усложнением конструкции антенны и с тем, что прибавка усиления в многоэлементной антенне, при этом, не столь уж значительна. Кроме того в «классических» квадратах так и не найден простой способ смены поляризации. Для крепления рамочных элементов к траверсе нужен хороший, электрически и механически прочный изолятор и т.д. Между тем существует техническое решение позволяющее обойти все эти недостатки. Это решение известно уже много лет, и, насколько я знаю, почему-то не удостоилось внимания ни любителей, ни профессионалов. Хотя, справедливости ради, стоит вспомнить публикации в [1], [2] и [3] где шла речь об антеннах построенных на базе рамочного элемента, который стал прототипом элемента вынесенного в заголовок статьи. Я взял на себя смелость назвать такой элемент «конверт» поскольку его внешний вид напоминает обратную сторону заклеенного почтового конверта. Автор упомянутых публикаций попытался объяснить работу антенн на базе такого элемента, и это ему в значительной степени удалось, однако, на мой взгляд, не довёл дело до конца. К тому же он забыл дать ссылку на первоисточник – как говорится новое - это хорошо забытое старое…А это были две публикации в [4] и [5] появившиеся одна за другой в далёком 1977 году, почти 40 лет назад! С тех пор они не давали мне покоя и я всё время думал о том, как воплотить это на УКВ и ждал, что кто то предложит такую УКВ антенну, однако этого так и не произошло, и мне пришлось взяться за это самому.
Сначала в [4] в небольшой заметке со ссылкой на английский журнал было рассказано об этом элементе, затем два месяца спустя в [5] уже шла речь о реально построенной КВ антенне на 7 и 14 мГц. Там же отмечалось, что усиление двухэлементного «конверта» превосходило усиление трёхэлементного «квадрата» обычной конструкции на 2-3 дБ. Попутно замечу, что 3 дБ это в 2 раза больше по мощности. Далее привожу цитату из [5]: «Известно, что добавление второго этажа антенны является эффективным способом увеличения её усиления. Квадрат, выполненный из двухэтажных синфазных рамок (рис 1а) путём несложных преобразований (рис 1 б, в) можно превратить в двухэтажную антенну с треугольными рамками (при сохранении периметра каждого треугольника близким к длине волны) Конструктивно такая рамка имеет преимущество: она может быть выполнена всего на двух металлических распорках. Эти распорки не нужно разрывать электрически с помощью изолирующих вставок, как это делается в обычных «квадратах», так как вертикальная распорка электрически развязана с рамкой, имеющей горизонтальную поляризацию, а горизонтальная распорка сама служит проводящим элементом.»
От себя добавлю: и наоборот – при вертикальной поляризации вертикальная распорка служит проводящим элементом, а горизонтальная, при этом, электрически развязана с рамкой. Это проиллюстрировано на рис 2, где буквой «а» показана рамка, имеющая горизонтальную поляризацию, а буквой «б» - вертикальную. Пунктиром здесь обозначены электрически развязанные распорки, которые, по сути, тоже металлические, как и проводящий элемент. Для упрощения понимания эти распорки в совокупности названы крестовиной, а проволочная часть, которая крепится на концах этой крестовины и имеет с ней электрический контакт, названа рамкой. Что бы сохранить распорки целыми питать такой элемент можно через гамма согласующее устройство рис 3а - для горизонтальной поляризации, и рис 3б – для вертикальной, или иметь два гамма согласования одновременно, для каждой из поляризаций своё.
Выбор нужной для проведения радиосвязи поляризации можно осуществить, переключая кабель при помощи реле. Можно применить и другой вид питания такого элемента, как это показано в [4]. То есть каждую из распорок разбить посередине на две равные части и подавать питание в точки разрыва. (рис 4). В этом случае длинных труб для распорок не потребуется и они будут в два раза короче, но зато их будет уже не две, а четыре. Если вам интересна лишь одна поляризация, то одну из распорок оставляют целой, без разрыва или меняют её, например, на деревянную или даже совсем удаляют. Это показано на рис 6 а, б где оба элемента имеют горизонтальную поляризацию, и вертикальная распорка «конверта» нужна лишь для удержания провода рамки, а вертикальный провод двойного прямоугольника можно просто не устанавливать. В [4] активный элемент антенны имеет вид, показанный на рис 4а, однако такой элемент технологически неудобен из-за того, что углы рамки остаются не закреплёнными и могут поддаваться деформации, например от ветра, и, что бы устранить этот недостаток, пришлось бы применить дополнительные распорки из изолятора, поддерживающие рамку в её углах. Но это усложняет и удорожает антенну. Поэтому было решено использовать в антенне технологически более совершенный элемент «конверт» рис 4б, хотя, как показывает компьютерное моделирование в программе MMANA [12], он немного уступает в усилении. В [4] где описан элемент рис 4а, предлагается использовать его как широкополосный для работы в нескольких КВ диапазонах, при этом авторы отмечают, что «на расчётной «резонансной» (f0) частоте активное сопротивление 320 Ом, а реактивное – 200 Ом». Слово «резонансной» в этой публикации взято в кавычки, и не спроста, поскольку на резонансе реактивность должна отсутствовать. Какую частоту авторы имели в виду. назвав её «расчётной «резонансной» сказать трудно поскольку её, как и размеры антенны, надо выбирать в пределах от 0,8 до 2,5 f0. А f0 это и есть «расчётная резонансная» - тут круг замкнулся…
Всё это можно проверить только в наши дни при помощи компьютерного моделирования, однако тогда, почти 40 лет назад, эти слова, очевидно, сбили с толку не одного антенностроителя, как, наверное, и идея многодиапазонности, ведь в те времена персональный компьютер ещё не был изобретён, да и приборы для антенных измерений были не столь совершенны и доступны как сейчас. Так, например, в [6] где эта антенна названа «шунтовая рамка» утверждается, что такой элемент ведёт себя почти как диполь, имеет примерно такой же коэффициент усиления, что заземлять его ни в какой точке нельзя и что он не является резонансным и поэтому его нельзя использовать в качестве пассивного элемента. Все эти утверждения, мягко говоря, не соответствуют действительности. Особенно вызывает удивление утверждение о том, что двойная рамка не является резонансной. Видимо автор тоже неправильно понял фразу «расчётная «резонансная» данную в кавычках в публикации [4], иначе не переименовал бы её в «квазирезонансную», или быть может пытался заставить работать «шунтовую рамку» как пассивный элемент в том виде, в каком она дана в [4] точно так же, как это видно на рисунках из [7] и [8] , где крестовины рефлекторных элементов разомкнуты. Для использования рамочного элемента из [4], [7], [8] в качестве пассивного необходимо замкнуть КЗ перемычками вертикальные и горизонтальные пары проводов в центре элемента, чтобы обеспечить такой же путь току, как и в активном элементе. ( Рис 7 а, б пунктиром в центре ) Такой элемент имеет резонанс, причём даже не один, и его можно использовать в качестве пассивного, и в таком качестве он и задействован в многоэлементной антенне «конверт».
Теперь о названии «шунтовая рамка». Считаю такой термин для данной рамки неточным. Такую рамку можно назвать иначе, например, двойная рамка, поскольку она состоит из двух одинаковых проводовых геометрических фигур, питаемых в середину общей, для этих фигур, перемычки. Тут следует согласиться с автором [1] правильно понимающего работу этой антенны и назвавшего подобную рамку двойным прямоугольником, но, думаю, что название двойная рамка более общее. Под этим названием можно понимать и двойной прямоугольник, и двойной треугольник, и вообще двойной многоугольник, и двойной полукруг. В [13] стр.108 имеется раздел под названием «Сложные рамки», где такие рамки автор называет сложными и составными, и оба эти названия ещё более общие.
Внимательный читатель заметит, что распределение токов по амплитуде и фазе в верхнем и нижнем проводниках обеих рамок, где расположены пучности тока, идентичны, потому середины этих проводников, то есть точки с максимальным током, можно соединить между собой вертикальной проволочной перемычкой. ток по которой не потечёт, ввиду отсутствия разности потенциалов, и потому на работу антенны это не повлияет. Впрочем, об этом уже упоминалось выше в цитате из [5]. Мало того. Как показала практика и компьютерное моделирование в MMANA, амплитуда токов в верхнем и нижнем проводниках рассматриваемых элементов мало отличается от тока в центральной перемычке. Очевидно, это происходит оттого, что кроме основного тока равного половине тока центральной перемычки, в этих проводниках течет и наведенный ток от этой же перемычки, поскольку эти части рамки находятся непосредственно в её ближнем поле. Поэтому вертикальную перемычку можно соединить электрически в точке 0 с горизонтальной (рис 5).
Таблица 1.
| Параметр | Диполь | Треугольник | Квадрат | Конверт | Двойной прямоугольник |
Rа(Ом)
| 70,6 | 176,4 | 131 | 384 | 371 |
Gh(dB)
| -0.05 | 0.51 | 1.2 | 1.19 | 1.28 |
Полоса по
КСВ 1,5 (мГц)
| 9 | 9.6 | 8.66 | 29.3 | 40.1 |
В сравнительной таблице 1 приводятся основные параметры рамочных антенн в сравнении с диполем, рассчитанных программой MMANA для частоты 145 МГц в свободном пространстве. Как видно из таблицы ожидаемой значительной прибавки усиления в двойных рамках получить не удаётся из-за пересечения площадей раскрыва элементов из которых они состоят. Обращают на себя внимание высокое Ra и большая широкополосность двойных рамок (кнопка 10 мГц в MMANA). Следует заметить, что эта программа довольно строга ко всему, что касается усиления антенн и есть подозрение, что она его занижает в случае наличия в антенне проводников, имеющих угол около 45* по отношению к плоскости поляризации. Это имеет место в элементах типа «конверт», где все четыре провода, образующие рамку, имеют такой угол для каждой из двух поляризаций. Тем не менее, по мнению автора и как показывает практика, применение этих элементов в однодиапазонной многоэлементной антенне даёт прибавку усиления, по сравнению с элементами обычной конфигурации.
Так как же работает элемент «двойная рамка» на своей резонансной частоте, то есть на частоте, где реактивная составляющая входного сопротивления равна нулю? Для этого рассмотрим распределение тока в проводах такой рамки для случая горизонтальной поляризации. На рис 6 а, б показаны рамочные элементы и распределение токов в них, где а – это элемент из [4] и б – «конверт» для случая, когда периметр верхней и нижней половин антенны близок к длине волны. При этом характер распределения токов одинаков в обеих рамках (пунктирная линия – амплитуда, стрелка – направление). Как видно из того же рис. 6а токи в левом и правом вертикальных проводниках рамки одинаковы по амплитуде, но противоположны по знаку, поэтому эти проводники в излучении рамки участия не принимают. Зато имеются три горизонтальных, фазированных, разнесенных в пространстве проводника с током максимальной амплитуды. Такое распределение токов увеличивает апертуру, повышает усиление и снижает угол излучения в вертикальной плоскости. Для сравнения на том же рис 6-в, в том же масштабе показан классический квадрат и распределение тока в нём. ([9] стр.85-86; [10] стр.347) где наглядно видно отличие рассматриваемых здесь элементов в формировании апертуры, хотя оно и не столь значительно из-за взаимного перекрытия апертур элементов составляющих сложную рамку. Следует заметить, что размер стороны рамки типа «конверт» всего лишь в 1,25 больше чем у классического квадрата (рис 6).
На работу пассивного элемента такое соединение существенного влияния не оказывает точно также как и на работу элемента активного. Это подтверждается компьютерным моделированием. И все это реализуется в одном элементе для обеих поляризаций одновременно. При этом в большинстве случаев симметрирование активного элемента не понадобиться ([13] стр. 91-92) и коаксиальный кабель можно подключать к активному элементу напрямую. Таким образом, получен пассивный элемент антенны, в котором все проводники в точках пересечения имеют между собой электрический контакт. Такой элемент не нуждается в диэлектрических деталях в своей конструкции и может быть выполненным цельнометаллическим.
В этом и состоит новизна. Особенно это актуально для частот выше 2000 МГц, пассивные элементы для которых в промышленности могут быть изготовлены из листового металла методом штамповки или плазменной резки. Ещё лучше должен работать подобный элемент, если его выполнить в форме круга. В точке пересечения вертикального и горизонтального проводников крестовины (точка 0) пассивный элемент может иметь электрический контакт с траверсой , на которой он установлен, а траверса, в свою очередь, может быть установлена на заземлённой мачте. Таким образом точка 0 есть точкой, где элемент может быть заземлён. Также как и в антеннах Уда-Яги, рассматриваемые здесь пассивные рамочные элементы могут иметь электрический контакт с траверсой, а могут быть и изолированными от неё. Многоэлементные антенны на таких пассивных элементах, как и антенны Уда-Яги, можно проектировать на максимальное усиление, максимальное подавление назад или получить какой то промежуточный результат. Интересно, что в одной из антенн реализована идея получить два минимума КСВ - для каждой из поляризаций своё. То есть для горизонтальной поляризации КСВ 1.02 получено на частоте 144.3 (для режима SSB), а для вертикальной - КСВ 1.05 получено на частоте 145.5 (для режима ЧМ).
Итак, антенна на элементах «конверт» имеет преимущества перед антеннами Уда-Яги и квадрат, что выражается в следующем:
1. Большее усиление;
2. Меньше шумит;
3. Более помехоустойчива;
4. БОльшая стабильность параметров;
5. Меньше угол излучения в вертикальной плоскости.
6. Работает на малой высоте подвеса.
7. Может иметь горизонтальную, вертикальную или круговую поляризацию;
8. Имеет возможность настройки на малой высоте.
9. Имеет бОльшую широкополосность.
10. Имеет повышенную механическую прочность в плоскости элемента, поскольку состоит из треугольников, а треугольник фигура жёсткая;
11. Имеет пониженные требования к узлу крепления на основе предыдущего пункта;
12. Имеет возможность крепления к траверсе как через изолятор, так и непосредственно;
13. Не требует диэлектрических распорок;
14. Не требуется гнуть элементы при изготовлении (кроме провода рамки);
15. Габариты в горизонтальной и вертикальной плоскости не превышают габариты антенны Уда-Яги в кроссполяризации;
16. Имеется возможность применения материала для крестовины половинной длины но, при этом, удвоенного числа.
17. Имеет одну траверсу
16. Полностью соответствует требованиям к диаграмме направленности УКВ антенн изложенным в [12] стр.40.
Имеющиеся недостатки:
А. БОльшая сложность изготовления;
Б. Повышенный расход материалов;
В. Повышенный вес;
Г. Повышенная парусность;
С повышенными весом и парусностью можно бороться применив материалы меньшего сечения на основе пункта 10. Расход материалов увеличивается лишь за счёт добавления в конструкцию провода рамки, а размеры крестовины даже меньше чем размеры элементов антенн Уда-Яги, изготовленных для работы в обеих поляризациях. Ну а сложность изготовления - пункт компромиссный. Часто лучшие параметры требуют бОльших затрат. От простого к сложному – не в этом ли путь к прогрессу?
Продолжение следует: "Рамочные УКВ антенна формата "конверт" Часть вторая. Практика Практические конструкции, фото и MMANA файлы
Перевёл с украинского автор - UR5NAN, Владимир Андриевский
SFI move SN move K-i move
17 метров так же очень хорош. Будет открываться в 8 часов утра и закрываться после полуночи. Очень стабильный и очевидный пик от 17 часов и до наступления темноты.
Совершенно очевидны резонансы кабеля: первый 2,4 мгц, второй 4,8 и т.д. Собственно резонансных свойств самой антенны вообще не видно. Произошла эта беда потому что кабель во-первых длиной гораздо больше чем полволны, а во-вторых не вымерян как кратный полуволне для этих диапазонов. А вот на картинке ниже характеристика промерянного кабеля полволны на 80 метров (3520 кгц) с тем же разрешением и полосой обзора 1-8 мгц.. Без бинокля видно, что в данном случае резонансы на 3,5 и 7,0 мгц. В связи с тем что кабель на второй сторон разомкнут реактивная составляющая не стремится к нолю. Вот ссылка на описание лабораторной работы от UT0RM поясняющей где собака зарыта. А вот картинка при промеряном и кратном половине волны кабеле (на трёхэлементной Яги 20-15-10 метров) при полосе обзора 13-30 мгц. Резонансы антенны можно отследить по минимуму КСВ (красная кривая). Точно так же хорошо заметно что там где антенна не в резонансе пики активного и минимумы реактивного сопротивления идентичны ненагруженному кабелю. 
В связи с широкой полосой и невысоким разрешением прибора картинка неточная. Вот картинка с полосой обзора только 2 мегагерца - один диапазон (14 мгц). Ориентируясь на график легко настроить антенну как следует. 
Так как же работает элемент «двойная рамка» на своей резонансной частоте, то есть на частоте, где реактивная составляющая входного сопротивления равна нулю? Для этого рассмотрим распределение тока в проводах такой рамки для случая горизонтальной поляризации. На рис 6 а, б показаны рамочные элементы и распределение токов в них, где а – это элемент из [4] и б – «конверт» для случая, когда периметр верхней и нижней половин антенны близок к длине волны. При этом характер распределения токов одинаков в обеих рамках (пунктирная линия – амплитуда, стрелка – направление). Как видно из того же рис. 6а токи в левом и правом вертикальных проводниках рамки одинаковы по амплитуде, но противоположны по знаку, поэтому эти проводники в излучении рамки участия не принимают. Зато имеются три горизонтальных, фазированных, разнесенных в пространстве проводника с током максимальной амплитуды. Такое распределение токов увеличивает апертуру, повышает усиление и снижает угол излучения в вертикальной плоскости. Для сравнения на том же рис 6-в, в том же масштабе показан классический квадрат и распределение тока в нём. ([9] стр.85-86; [10] стр.347) где наглядно видно отличие рассматриваемых здесь элементов в формировании апертуры, хотя оно и не столь значительно из-за взаимного перекрытия апертур элементов составляющих сложную рамку. Следует заметить, что размер стороны рамки типа «конверт» всего лишь в 1,25 больше чем у классического квадрата (рис 6).
14. Не требуется гнуть элементы при изготовлении (кроме провода рамки);
