Ежедневный радиожурнал со звуком. Иногда с юмором. Всегда с картинками

17.04.2019

UR5NAN Антенна типа конверт

Продолжение. Начало смотри тут
Для подключения к активному элементу антенны кабеля (для одной поляризации) или двух кабелей (для двух поляризаций) нужно чтобы трубки крестовины в центре имели зазор (разрыв), куда и подключаются коаксиальный кабель.
Узел питания антенны «конверт» можно выполнить по-разному рис 10 а, б. Проще всего концы трубок крестовины в центре активного элемента прикрепить к изолированной пластине (п), изготовленной из фторопласта, оргстекла или стеклотекстолита, винтами, а саму пластину крепить к траверсе (т) при помощи металлических уголков (у), притянутых к ней автомобильными хомутами (х). Ещё три таких же уголка расположены на противоположной стороне пластины (п) зеркально по отношению к показанным на рис 10(а) и крепятся попарно к ней теми же винтами с гайками рис 10(б). На первом рисунке буквами (а) обозначено отверстие сквозь которое проходит траверса, (б) - отверстие для подключения кабеля вертикальной поляризации, (в) - трубки вертикальной поляризации, (г) - трубки горизонтальной поляризации. Горизонтальные трубки крестовины крепятся с одной, а вертикальные с другой стороны пластины (п). Их диаметр 8 мм. Расстояние между концами трубок крестовины в центре активного элемента выбрано около 30мм, с учётом удобства распайки концов коаксиального кабеля. Но лучше сделать это расстояние меньше, не более 5-8 мм как рекомендует Юрий, хотя при применении толстого кабеля его придётся увеличить, чего нужно избегать, а при излишней длине этих концов придётся скорректировать размеры активного элемента, поскольку длина присоединённых концов этого кабеля входит в электрическую длину крестовины. 
    Присоединение кабеля к концам крестовины можно выполнить пайкой при помощи лепестков, закреплённых на трубках винтами. Мы рекомендуем использовать лепестки из нержавейки, при этом окисление контактов во времени будет минимальным. Если трубки крестовины хорошо поддаются пайке, то кабель можно припаять прямо к трубкам, без лепестков. Кабель, в месте его разделки, необходимо защитить от атмосферных воздействий нанесением слоя герметика, лучше силиконового. Если антенна будет иметь только одну поляризацию, то узел питания можно выполнить по-другому, установив в точке питания коаксиальный разъём. В случае применения двух поляризаций второй разъём установить не удаётся из-за нехватки для этого места на пластине. Возможно читатели предложат свой вариант установки этих разъёмов. 
 Антенна «конверт» позволяет применять несколько вариантов её питания. Если антенна будет работать только в одной поляризации, то нужен один кабель питания, подключенный к активному элементу в центре горизонтальной или вертикальной части крестовины (рис 11а,б), что будет соответствовать такому же виду поляризации. Кабеля на рис 11, 12 выделены тёмным тоном. 
При этом, как это не покажется странным, та трубка крестовины, к которой кабель не подключен, тоже должна иметь в центре разрыв. Как показывает компьютерное моделирование, только в этом случае обеспечивается самосимметрирование активного элемента, хотя, на практике, если не требуется получения высоких параметров антенны, этим можно и пренебречь. Если будут использованы два вида поляризации, то нужны два кабеля – один из которых подключенный к горизонтальной, а другой к вертикальной части активного элемента (рис 12). В принципе при подключении кабелей к активному элементу их центральная жила и оплётка могут подключаются к нему произвольно и их можно менять между собой местами. Но, однако, для уменьшения влияния траверсы следует оплётку кабеля подключить к той части крестовины, которая расположена ближе к траверсе (1, 2) рис 10а, При этом следует помнить, что верхний конец мачты длиной хотя бы 1м, должен быть выполнен из изоляционного материала (дерева), если же будет использована только горизонтальная поляризацияё то это не обязательно. Кабель питания должен быть выведен вдоль бума в сторону рефлектора и в полуметре позади него может опускаться вниз и на расстоянии 1м от элементов антенны направляться к мачте. Юрий прокладывает кабель только внутри бума и через отверстие в нём, которое расположено вблизи точек питания, подводит кабель к активному элементу. 
     При работе антенны в обеих поляризациях возможны два варианта её питания. Один из вариантов это применение двух кабелей снижения – для каждой поляризации свой кабель, подключенный внизу к антенному коммутатору, которым и выбирают поляризацию антенны. Второй вариант питания намного дешевле, поскольку требует применения одного кабеля снижения. Переключение поляризации, при этом, производится коаксиальным реле типа РЭВ-14, расположенным возле антенны позади рефлектора (а) рис 12б. Это реле подключено к антенне двумя полуволновыми отрезками кабеля, длина которых, для кабеля в сплошной полиэтиленовой изоляцией для частоты 145 мГц, составляет около 660 мм, а для кабеля с полувоздушной изоляцией около 820 мм. (рис 12б). Можно применить вариант питания антенны для работы с круговой поляризацией, когда сигнал будет излучаться и приниматься в обеих поляризациях одновременно также, как это делается в антеннах ВК. Но при этом следует не забывать,, что падение усиления антенны для каждой из поляризаций, при этом, составит 3 дБ, поскольку половина мощности передатчика будет расходоваться на излучение в другой поляризации, а 3 дБ в антенной технике это немало. Достаточно напомнить, что для получения прибавки усиления на 3 дБ длину траверсы антенны необходимо увеличить не менее чем в два раза, а количество антенн в антенной решётке нужно также удвоить, то есть вместо одной антенны использовать две таких же, вместо двух – четыре и так далее. И то, эти 3 дБ чисто теоретические, практически удаётся получить около 2,5 дБ из-за потерь в системе согласования. Поэтому мы считаем, наиболее рациональным использование варианта питания антенны с переключением поляризации при помощи реле. Это позволяет использовать антенну почти на 100%, хотя следует заметить, что падение усиления у антенны с круговой поляризацией не будет, если ваш корреспондент также применяет антенну с круговой поляризацией. 

Устанавливая рамочные элементы «конверт» на траверсу необходимо соблюдать определённую закономерность, ориентируясь на то, как расположен на этой траверсе активный элемент. Если, например, вертикальная трубка этого элемента расположена на траверсе слева от неё, а горизонтальная над ней, то и все другие пассивные элементы антенны должны крепиться так же. От того, как будут установлены все элементы антенны на траверсе – слева или справа, сверху или снизу от неё - не имеет значения. Важно лишь то, что бы они все были расположены одинаково и единообразно. 

И так вы собрали антенну и теперь можно приступить к её настройке., которую, как всегда, начинают с проверки КСВ. Антенну для этого достаточно установить на высоте 1-2 м от земли. Кабель (кабеля) питания проложите вдоль траверсы в сторону рефлектора внутри неё, что лучше, или снаружи, плотно закрепив их на ней изолентой или стяжками. Расположения этого кабеля (кабелей) очень влияет на резонанс и уровень КСВ поэтому кабеля, проложенные снаружи траверсы можно заэкранировать пластиной из алюминия или оцинкованной жести, согнув её как уголок или в виде буквы «П» и закрепив её на траверсе поверх кабелей автомобильными хомутами. 

Если КСВ в норме, а эта норма у всех конструкторов разная – от 1.00 и до величины, разумный предел которой на УКВ обычно не превышает 1.5, то на этом можно и ограничиться, а можно приступить к следующему этапу настройки – проверке К усиления Gh (dBd) и подавления заднего лепестка F/B (dB). Но сначала хочется обратить внимание читателей на те условия, которые нужны при таких антенных измерениях.

В первую очередь нужно выбрать площадку размером приблизительно со стадион где должны отсутствовать отражения от внешних предметов, измерительная и испытуемая антенны должны быть разнесены на большое расстояние, приборы должны иметь необходимую точность, в месте таких измерений не должны двигаться не только автомобили, но и люди. При точных измерениях рекомендуется закопать в землю ВЧ кабели и электропровода. Отсюда видно, что радиолюбителям выполнение всех этих требований не только в городских, но и в сельских условиях не под силу. Особенно это касается металлических внешних предметов, отражающих сигналы, от которых в черте населённых пунктов практически избавится невозможно. Это крыши, желоба, водосточные трубы, ограды, газо и водопроводы, электро, радио и телефонные линии, жалюзи, карнизы и так далее, список можно продолжать ещё долго. Выходом может быть только проведение таких измерений в чистом поле или на плоских. «чистых» в антенном смысле, крышах многоэтажных домов, что не всем и не всегда возможно, однако в настоящее время у радиолюбителей есть прекрасная альтернатива - зто радиолюбительские ретрансляторы – репитеры. 

Оценочные измерения можно провести, открывая репитер при разной мощности передатчика, поворачивая антенну на разные углы и сравнивая испытуемую антенну с какой либо другой. Для таких экспериментов следует выбрать время, когда активность на репитере минимальна, чтобы не мешать своим товарищам по хобби. Для более точных измерений в ближней зоне репитера можно воспользоваться генератором ВЧ имеющим на выходе калиброванный аттенюатор, проградуированный в децибелах. Очень хорошо подходит для этого генератор Г4-151, который имеет такой аттенюатор, цифровую шкалу и функцию стабилизации частоты. Для оценки К ус. антенны необходимо сравнить её с эталонной антенной в качестве которой обычно используют диполь. Диполь должен обязательно иметь симметрирующее устройство. Сначала к генератору ВЧ, настроенному на входную частоту репитера, подключают диполь, а выходную частоту репитера прослушивают приёмником. имеющим отдельную антенну. На близких расстояниях от репитера такой антенной может быть «резинка» или просто кусок провода. Аттенюатором генератора находят такой минимальный уровень сигнала, при котором репитер начинает «слышать» ваш сигнал и минимальный уровень, когда он уверенно открывается. Эти показатели аттенюатора записываются. Затем вместо диполя подключают испытуемую антенну и повторяют измерения. Разница между уровнями сигнала обеих антенн и есть коэффициент усиления в дБд. Затем антенну поворачивают к репитеру тылом и ещё раз повторяют измерения. Разница между вторым и третьим из них и есть F/B. Таким же образом можно проверить и уровни боковых лепестков, поворачивая антенну, например, через каждые 10 (15, 30 ) градусов. Обе антенны (испытываемая и эталонная ) должны быть расположены в одном и том же месте и на одной высоте. При этом следует учесть, что антенна «конверт» имеет очень малый угол излучения к горизонту, поэтому, в случае близкого расположения репитера, её передний край можно приподнять на несколько градусов. 

В дальней зоне репитера выходного сигнала генератора может не хватить для открывания репитера. В этом случае для измерений можно воспользоваться маломощной (портативной) радиостанцией с Р вых. 0,25 – 5 Вт. Для этого можно изготовить аттенюатор с ослабляющими выходной сигнал звеньями на 1, 2, 4, 8 дБ. Включая такие звенья в различных комбинациях, можно получить ослабление от 1 до 15 дБ с шагом 1 дБ. Добавив ещё одно звено на 8 или 16 дБ, поднимаем верхнюю границу ослабления до 23 или 31 дБ с тем же шагом, что вполне достаточно. Резисторы в аттенюаторе должны быть мощностью не менее 1, а лучше 2 Вт без навивки резистивного слоя. Их следует подобрать цифровым омметром. Конструкция подобного аттенюатора описана в [2]

Если КСВ настраиваемой антенны большой или резонанс расположен в стороне, то антенна требует настройки. Как обычно в таких случаях, если минимум КСВ расположен ниже по частоте, то элементы антенны необходимо укорачивать, если выше – надо удлинять. Я преднамеренно сделал размеры 11 ел. антенны на 2 мм больше чем те, которые рассчитал компьютер, чтобы не «промахнуться», хотя резонансы всех антенн, построенных Юрием UR5YBU были ниже диапазона 2 м и антенны ему пришлось настраивать, уменьшая размеры их элементов. То же произошло и с моей 11 эл. антенной. При первом включении минимум КСВ был на частоте 142,8 мГц. Поскольку было не совсем ясно на сколько нужно уменьшать её размеры то я попытался использовать для этого компьютер, пользуясь функцией «масштабирование» в программе MMANA. Оказалось, что размеры крестовин антенны для этой частоты на 6 мм больше чем для частоты 145 мГц. Таким образом предстояло уменьшить размеры трубок всех крестовин на эти 6 мм. Исходя из своего опыта 6 мм мне показались слишком большой величиной и я решил укорачивать только на 4 мм, тем более, что первоначально размер крестовин превышал расчётный на 2 мм. В итоге после укорачивания размер крестовин стал на 2 мм меньше от первоначальной компьютерной модели. Проверка КСВ показала минимумы на частотах 143,7 и 144 мГц для двух разных поляризаций. Далее используя ручную коррекцию и функцию «оптимизация» в программе MMANA в которой для оптимизации антенны я задал только размеры между элементами не меняя размеры самих элементов, я получил несколько моделей антенны с новыми размерами между элементами, которые почти не уступали не по усилению ни по подавлению заднего лепестка первоначальному варианту. 

Тут надо заметить, что с ростом частоты точность совпадения компьютерных расчётов с реальной антенной не растёт, а падает, поскольку компьютер считает «идеальную» антенну, а та, что воплощена нами в «железе», как бы мы не старались, всё же отличается от машинной модели и на частотах 2 м диапазона это уже ощущается. Погрешность всего в 1 % на частоте 145 мГц составляет почти 1.5 мГц. А это значит, что при такой небольшой погрешности резонанс антенны может быть ниже или выше границ диапазона на 0,5 мГц. Поэтому частоты настройки антенны в таблицах можно считать ориентировочными и такими. что зависят от точности изготовления антенны, но в антеннах «конверт» это не так критично, как, например, в антеннах Уда-Яги. 

После этого антенна была вновь опробована на стенде. Перемещая элементы антенны на траверсе ориентируясь на новые размеры, я получил неплохой КСВ в пределах диапазона 2 м с минимальным значением 1.05 в середине диапазона. Расчётные параметры трёх вариантов 11 эл. антенны представлены в таблице 1, а их размеры в таблицах 2, 3 и 4, где даны размеры крестовин (2), дистанция между элементами, начиная от рефлектора (3), и дистанция между соседними элементами (4). Для лучшего восприятия этих таблиц на рис 14 приведён эскиз 5-ти элементов антенны, где эти размеры обозначены. Чтобы не загромождать чертёж на нём показаны вертикальный (В) и горизонтальный (Г) размеры только одного элемента антенны - крестовины рефлектора.
Таблица 1
№ варианта F(mHz) R (Om) JX (Om) SWR (50) Gh (dBd) Ga (dBi) F/B (dB)
Вариант 1 146 45.98 -2.9 1.11 14.04 16.19 27.08
Вариант 2 145.8 50.18 0.09 1.0 14.03 16.18 26.02
Вариант 3 144.9 50.43 0.04 1.01 13.97 16.12 24.95

                                                       Таблица 2
R A D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9
930 888 855 826 815 806 791 790 785 744 724
                                                       
Таблица 3
№ варианта R A D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9
Вариант 1 0 326 783 1534 2364 3200 4018 4884 5738 6597 7456
Вариант 2 0 335 810 1550 2375 3200 4025 4880 5735 6590 7445
Вариант 3 0 270 773 1509 2319 3129 3979 4829 5629 6554 7440
                                                                                                                                       
Таблица 4

№ варианта R-A A-D1 D1-D2 D2-D3 D3-D4 D4-D5 D5-D6 D6-D7 D7-D8 D8-D9
Вариант 1 326 467 741 830 835 819 866 854 859 859
Вариант 2 335 475 740 825 825 825 855 855 855 855
Вариант 3 270 503 736 810 810 855 855 855 875 887

Проанализировав эти таблицы можно прийти к выводу, что в антеннах типа «конверт» в диапазоне 2м можно менять размеры между элементами в пределах 20-30мм, и даже 50мм, добиваясь лучшего согласования и КСВ не утратив, при этом, значительно усиления и подавления заднего лепестка. Очевидно, что это позволяет сделать широкополосность самих элементов «конверт» (см. таблицу 1 в первой части статьи). Подтверждение этого вывода имеется и в [1]. Таким образом в настройке антенны «конверт» не сложнее чем, например, Уда Яги. Это подтверждает и Юрий UR5YBU, имеющий большой опыт изготовления таких антенн на диапазон 2 м, а широкополосные антенны 70 см диапазона, по его мнению, немного проще как в изготовлении так и в настройке. Думаю, что это связано с тем, что элементы типа «конверт» имеют более широкую полосу в этом диапазоне. 

Описываемая 11 эл. антенна проверялась в условиях частного сектора в границах города на огороде с грядками по индикатору поля. в качестве которого использовался импортный цифровой миниатюрный прибор, проградуированный в децибелах. Вокруг этого «стенда» было много металла, достаточно лишь упомянуть ограду из сетки «рабица», поэтому измерения были не корректными. Выяснить удалось следующее. Первое - максимальное излучение антенна имеет, и это главное, на частотах 2-х метрового диапазона, то есть её размеры оптимальны для этих частот. Второе - подавление заднего лепестка оказалось не менее 21 дБ, что тоже вполне приемлемо. Попытка сравнить антенну с диполем оказалась неудачной, Думаю, что связано это с большими переотражениями сигнала из-за несовершенства «стенда» для измерений и отсутствием симметрируещего устройства у диполя. В будущем необходимо будет устранить выявленные недостатки, изготовить «правильный» диполь и провести измерения, используя местный репитер. В настоящее время автор проводит подготовительные работы для установки антенны на мачту с поворотным устройством. О полученных результатах планируется сообщить в следующей публикации. 
Литература: 
[1] И.В. Гончаренко. Антенны КВ и УКВ. Часть 6. Антенны УКВ.ИП.РадиоСофт. Журнал «Радио» М.;2013.
[2] В.А. Скрыпник. Приборы для контроля и налаживания радиолюбительской аппаратуры.- М.: Патриот, 1990. 
Владимир Андриевский (UR5NAN) 
г. Винница ur5nan@ukr.net
Юрий Банковский (UY1YU ex UR5YBU}
г. Новоднестровск ur5ybu@ukr.net
       Давайте дружить. Добавьте этот сайт в избранное                                         
© Copyright 2011-2019 UY2RA, UN7FGO   All rights reserved.    Все права защищены.    Пожалуйста уважайте их.
Использование материалов c этого сайта разрешается только с указанием АКТИВНОЙ ссылки на этот сайт.

FREE & OPEN UKRAINIAN HAM  RADIO  BANNERS NET