Эффективные рамки типа "конверт"

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