В данной статье рассматриваются практические вопросы настройки и конструктивного исполнения антенны «квадрат».
НАСТРОЙКА
На самом первом этапе настройки необходимо симметрировать и согласовать фидер и вибратор «квадрата».
Для 2-хэлементных антенн с расстоянием между элементами 0.2L при питании 75-омным коаксиальным кабелем наиболее популярным является применение высокочастотного трансформатора на ферритовом кольце. Схемы и конструкции таких трансформаторов неоднократно публиковались в литературе. Следует лишь напомнить, что трансформаторы должны иметь достаточный зазор между витками провода (2-3 мм), изолированного от сердечника, и быть защищены от влаги.
Для 3-х- и 4-хэлементных антенн с входным сопротивлением менее 50 Ом (то есть, когда сопротивление фидера превышает входное сопротивление) наиболее эффективно симметрирование и согласование с применением настраивающейся линии — гамма-согласующего устройства. Примерные исходные данные таких устройств приведены в табл. 1. Диаметр провода линии может быть взят таким же, как и для рамки излучателя (1,5-2,5 мм), расстояние между проводами рамки и линии — в районе 5-10 см.
Диапазон, МГц
Длина
линин, см
Емкость
конденсатора, пф
14
90
100
21
70
75
28
45
50
Для каждого диапазона желательно иметь отдельный питающий кабель со своим согласующим устройством, потому что различные комбинации, затрудняя настройку, не позволяют получить хорошего согласования на всех диапазонах.
Для настройки антенн радиолюбителю необходимо иметь следующие приборы: измеритель КСВ, генератор, полуволновой диполь, коротковолновый приемник с линейным индикато- ром силы принимаемого сигнала, аттенюатор с общим затуханием до 50 дБ и переключением ступенями через 3 дБ.
Настройку антенны надо начинать с определения рабочей частоты системы в целом. Для этого в разрыв питающего фидера включают измеритель и измеряют КСВ по диапазону через каждые 50 кГц. По данным измерения строят график и по минимальному значению определяют частоту настройки. Изменением длины вибратора перемещают минимум КСВ на заданную частоту. Для антенн, имеющих гамма-согласующие устройства, можно изменять частоту в районе ±30 кГц изменением длины согласуюшей линии и емкости конденсатора. Настройку на заданную частоту можно выполнять на небольшой высоте (1-2 м) от земли (крыши), взяв поправку по частоте (минус 75 кГц для 14 МГц и пропорционально-для других диапазонов). После этого, подняв антенну на рабочую высоту, необходимо ещё раз проверить КСВ по каждому диапазону. При правильной настройке КСВ должен быть около единицы на заданной средней частоте каждого диапазона. На краях диапазона он будет повышаться, причем тем больше, чем больше элементов имеет антенна: 2-хэлементного «квадрата» в диапазоне 14 МГц- до 1,2-1,3, 3-хэлементного-до 1,5-1,6, 4-хэлементного — до 1,8-2. Это объясняется тем, что по мере увеличения числа элементов система становится более узкополосной. Потому же, кстати, оптимальные характеристики, полученные на рабочей частоте, будут ухудшаться при расстройке по диапазону. Последнее обстоятельство более существенно, чем увеличение КСВ, которое приводит лишь к росту потерь мощности в фидере, имеющих небольшие величины.
После настройки антенны на заданную частоту можно приступить ко второму этапу — настройке пассивных элементов, то есть к получению диаграммы направленности. Следует отметить, что от этой работы зависит качество антенной системы. Потому радиолюбитель не должен останавливаться на первых удовлетворительных результатах и довести настройку до получения наивысших характеристик.
Этот этап начинают с настройки рефлектора по максимальному подавлению излучения назад. Для этого на расстоянии не менее 2L на высоте, равной высоте центра антенны, устанавливают горизонтальный полуволновый вибратор (при горизонтальной поляризации «квадрата»), к которому подключают генератор, настроенный на рабочую частоту. К вибратору «квадрата» подключают приемник. Направив «квадрат» рефлектором на генератор, перемещают перемычку короткозамкнутого шлейфа рефлектора, добиваясь наименьшего значения сигнала в приемнике.
При настройке 2-хэлементных антенн после этого проверяют изменение КСВ по диапазону. Аналогичным образом настраивают антенну на других диапазонах, после чего проверяют настройку рефлектора и изменение КСВ, начиная с первого диапазона. Такую серию последовательных подстроек надо выполнять, пока изменения параметров при каждой подстройке превышают точность измерений.
В заключение снимают диаграмму направленности и определяют отношение излучений вперед/назад на рабочих частотах каждого диапазона. Окончательно диаграмму лучше всего снять по сигналам радиостанций, находящихся в 2-х зонах: ближней (до 10-15 км) и дальней (800- 2000км).
Таким же путем настраивают 3-х-и 4-хэлементные антенны. Директор (директоры) настраивают по максимальному сигналу на индикаторе выхода приемника, развернув «квадрат» на генератор. Следует иметь в виду, что настройка директора (директоров) не так резко выражена, как настройка рефлектора, поэтому требует большего времени и внимания.
Для сокращения времени полезно использовать устройство для дистанционного перемещения перемычек короткозамкнутых шлейфов, предложенное В. Бегуновым (UW3HY). см. «Радио», 1975. № 7, с. 11.
Следует предостеречь малоопытных коротковолновиков, занимающихся настройкой направленных антенн впервые, от определения характеристик по оценкам сигнала другими радиолюбителями. Дело в том, что при такой оценке трудно учесть влияние ряда объективных и субъективных факторов, которые в конечном итоге могут привести к ошибочным выводам. Если же принято решение провести эксперимент, надо убедиться, что: прохождение радиоволи не отличается какими-либо аномальными явлениями и в обоих пунктах одно и то же время суток (исключая сумерки); поляризация антенн одинакова; корреспондент имеет возможность измерять сигнал на линейном участке своего приемника и индикатора выхода, а методика измерений не отличается от общепринятой; получены повторяемые результаты.
Чтобы исключить хотя бы часть субъективных причин, лучше всего параллельно проверять характеристики антенны в режиме приема.
Подобная методика все же может быть использована для настройки простейшей антенны — 2-хэлементного «квадрата». При такой настройке набирают статистические данные по измерению отношения излучений вперед/назад в режиме приема различных станций, работающих вблизи рабочей частоты, при различных длинах короткозамкнутого шлейфа рефлектора и определяют его оптимальную длину. На радиостанции UA3CT этот метод был проверен и дал хорошие результаты. Но для получения достоверных результатов пришлось выполнить большое «количество измерений при расстоянии до корреспондентов от 800 до 2000 км. Каждая точка наносилась на график после усреднения. Измерения выполнялись через каждые 10 см длины шлейфа рефлектора, а вблизи от максимального значения отношения излучений вперед/назад — через 3-5 см.
Для антенн, имеющих более 2-х элементов, этот метод непригоден, потому что уловить изменения сигнала по случайным станциям при настройке директора невозможно.
ВАРИАНТЫ «КВАДРАТОВ»
Приведем несколько практических схем антенн с короткими комментариями, предоставив решение конструктивных вопросов самим радиолюбителям а зависимости от их возможностей.
Поскольку 2-хэлементный «квадрат» широко распространен и по нему имеется много публикаций (как в СССР, так и за рубежом), мы считаем нецелесообразным приводить уже известные варианты антенны. Ограничимся рассмотрением 2-хэлементной антенны на 14 МГц с активным питанием рефлектора, которая была впервые создана авторами, испытана в 1968 году на радиостанции UA3CT и вызвала интерес у многих радиолюбителей. Принцип работы этой антенны состоит в том, что ток питания рефлектора сдвинут по фазе относительно тока питания вибратора на угол, при котором получается нан. большее излучение энергии в сторону главного направления и наименьшее — в противоположном направлении.
Антенна схематически изображена на рисунке. Расстояние между элементами равно 0,2L. Рефлектор и вибратор соединены отрезком коаксиального кабеля, длина которого и про-тивофазное включение в рамки обеспечивают требуемый сдвиг фаз. (О расчете фазосдвигающей линии для антенны с активным питанием рефлектора рассказано в статье «Антенна с активным рефлектором» в журнале «Радио». 1968, № 9. с. 17.) К коаксиальному кабелю в строго рассчитанной точке подключен питающий фидер.
Для согласования с входными сопротивлениями рамок использованы гамма-согласующие устройства, установленные в их нижних углах. Эти устройства имеют несколько необычный вид. С обоих сторон к рамкам подключены по два короткозамкнутых шлейфа шириной 12-15 см. К середине перемычки одного из шлейфов рефлектора присоединен провод, который, проходя через изоляционные распорки параллельно проводам шлейфа, через конденсатор С1 соединяет перемычку с центральной жилой коаксиальной линии. Точно таким образом, но противофазно, подключен вибратор.
На рабочую частоту антенну настраивают подбором длины шлейфов вибратора, минимального КСВ добиваются с помощью 2-х гамма-согласующих устройств, а максимального подавления излучения назад — подбором длины шлейфов рефлектора и длины коаксиальной линии. Надо отметить, что настройка такой антенны требует больших навыков, терпения и времени.
После настройки антенны были получены следующие характеристики: усиление-12 дБ, отношение излучений вперед/назад-30 дБ, отношений излучений вперед/вбок -больше 30 дБ, подавление задних лепестков — на 20 дБ ниже основного, КСВ на рабочей частоте (14150 кГц) — 1,02.
Среди 3-хэлементных квадратов наиболее удачна конструкция, созданная советским радиолюбителем А. Ф. Камалягиным (UA4IF). Антенна рассчитана для работы на диапазонах 14 и 21 МГц. Конструктивные данные антенны приведены в табл. 2. Ее входное сопротивление- около 50 Ом на каждом диапазоне, поэтому в качестве фидера можно применить 50-омный кабель, подключив его к рамке непосредственно или (лучше) через симметрирующий трансформатор. Можно применять и 75-омный кабель, но с гамма-согласующим устройством. Фидер для каждого диапазона отдельный.
Длина рамки
м
Расстояние,
м
Автор конструкции
Частота
настройки,
МГц
Вибратора
Рефлектора
Директора
Вибратор-
рефлектор
Вибратор-
директор
14.2
21.48
22,2
20.72
4
UA4IP
21,2
14,32
15.2
13.84
3
2.6
14.2
21.62
22,56
20.48
WA7NFH
21.2
14.4
15,12
13,68
3.05
1.83
28,3
10,76
11,28
10,24
14.2
21,48
21.84
20,68
VE7DG
21.2
14.2
14,6
13,8
2.4
3,6
Антенна имеет следующие расчетные характеристики: усиление относительно изотропного излучателя — 11,5 дБ на 14 МГц и 12 дБ на 21 МГц; отношение излучений вперед/ назад-около 30 дБ на обоих диапазонах; отношение излучений вперед/вбок — более 35 дБ на обоих диапазонах; КСВ на рабочих частотах — около 1.
Следующая антенна, которая, на наш взгляд, заслуживает внимания, — 3-хэлементный «квадрат» на три диапазона, построенный американским радиолюбителем WA7NFH. Ее данные также приведены в табл. 2.
Входное сопротивление такой антенны на всех диапазонах менее 50 Ом, поэтому целесообразно применение гамма-согласующего устройства. Автор применял специальный трансформатор на ферритовом кольце, обеспечивающий согласование рамок всех диапазонов (КСВ=1) с одним 50-омным коаксиальным кабелем. Антенна имеет достаточно хорошие характеристики на диапазонах 21 и 28 МГц, удовлетворительные — на диапазоне 14 МГц и очень компактные размеры (длина траверсы — всего 4,88 м).
Параметры антенны WA7NFH, определенные расчетным путем, соответственно на 14, 21 и 28 МГц таковы: усиление относительно изотропного излучателя-10, 11,5 и 12 дБ, отношение излучений вперед/назад — 27, 30 и 28 дБ.
Последняя 3-хэлементная антенна «квадрат», которую, мы считаем, следует показать (в качестве отрицательного примера),-это 3-хэлементный «квадрат» на 14 и 21 МГц, построенный канадским радиолюбителем VE7DG (см. табл. 2).
Автор антенны перепутал местами рефлекторы и директоры, поэтому на диапазоне 14 МГц отношение излучений вперед/назад составляет всего 15 дБ. на 21 МГц-25 дБ.
Из 4-хэлементных антенных систем типа «квадрат» наибольшей популярностью пользуется антенна WOAIW с одинаковым расстоянием между элементами (3,05 м), рассчитанная для работы на 14, 21 и 28 МГц (см. табл. 3). Ее входное сопротивление на диапазонах 14 и 21 МГц — около 50, на диапазоне 28 МГц — около 40 Ом. Автор предлагает непосредственное включение 50-омного кабеля на 14 и 21 МГц, а на 28 МГц-через отрезок длиною 175 см 75-омного коаксиального кабеля.
Длина
рамки
, м
Частота
настройки
Вибратора
Рефлектора
Директоров
14,25
21,4
22
21,08
21,2
14.44
14,84
14,16
2 8,6
10,64
10.96
10,24
Антенна имеет оптимальные характеристики на 21, хорошие-на 28 и удовлетворительные-на 14 МГц. Но эти «удовлетворительные» характеристики сравнимы с оптимальными характеристиками 3-хэлементного «квадрата». Это, а также очень простая симметричная конструкция,- вот, очевидно, причины большой популярности антенны W0AIW среди радиолюбителей. Следует отметить ещё потенциальную возможность этой антенны: на ней можно разместить 2-хэлементный «квадрат» на 7 МГц с расстоянием между элементами 0,2L.
Перечень вариантов «квадратов» можно было бы продолжать (разработаны конструкции пяти- и шестиэлементных антенн), но, нам кажется, в этом нет необходимости, потому что основные выводы и рекомендации, к которым пришли авторы в результате экспериментов и расчетов, достаточно хорошо проиллюстрированы.
ЛИТЕРАТУРА
К. Ротхаммель. Антенны. М.. «Энергия», 1969.
I. Ikrenуi. Amaterske kratkovol-nove antenny. Bratislava, 1972. W. 0 r r. All about qublcal quad antennas. Radio publications Inc.. Wilton, 1959.
R. Fitz. Yagi vs quad. «QST», 1966. № 11.
J. Lindsay, Jr. Quads and yagls. «QST». 1968, № 5.
J. Parгоtt, Jr. Quad vs triband yagi. «QST». 1972, № 2.
В. Бекетов, К. Харченко. Измерения и испытания при конструировании м регулировке радиолюбительских антенн. М.. «Связь», 1971.
А. А. Пислишьрс. Антенны. М., Связьиздат. 1947.
Г. 3. Айзенберг. Коротковолновые антенны. М.. Связьиздат, 1962.
С. И. Надененко. Антенны. М.. Связьиэдат, 1969.
А. Снесарев. Антенна с активным рефлектором. «Радио», 1968. № 9, с. 17.
В. Бегунов. Шлейф для дистанционной настройки антенны. «Радио», 1975. № 7. с. 11.
РАДИО N 7, 1976 г.