У VHF радіоаматорів популярні антени K1FO,VE7BQH, DL6WU, K2RIW, M2, Сushcraft. RA3LE, за допомогою программыYA-354, проаналізував всі існуючі УКВ антени і прийшов до наступного висновку: антени перерахованих авторів, опубліковані в різних журналах і Internet розраховані з активним елементом у вигляді лінійного напівхвильового вібратора. Повний вхідний опір (Zа) цих антен складає 6 - 52 ом.
Використовувати такі антени можна, якщо вони мають Za= 50 або 25, 33.3, 37.5 ом. За допомогою трансформаторів 50 і 75 ом можна підвищити Za до 100, 75 і 150 ом відповідно. Проте хороші антен з такими Za мало, а при живленні системи виникають серйозні проблеми. Za більш нізкоомних антен аналогічним способом підвищувати не можна, трансформатор працюватиме з великим
(3-5) КСВ і серйозні втрати неминучі.
Надалі різні співавтори, для отримання стандартного Zа = 200 ом, проводили заміну лінійного активного вібратора (АВ) на петлевій або T-match з розмірами, рівними розміру лінійного вібратора антени, без додаткового перерахунку антени. Як зміняться параметри антени, якщо для збільшення Zа застосувати петлевий вібратор і чи можна це робити, не змінюючи конструктивні розміри інших елементів? Відповідь одна - цього робити не слід.
Спочатку не багато теорії. Будь-який реальний вібратор завжди коротше ідеального
(нескінченно тонкого). Коефіцієнт укорочення (До. ук.) петлевого вібратора ~ у 1.5 разу більше, ніж лінійного. Розрахункові довжини напівхвильових вібраторів D = 8 мм у вільному просторі, отримані за допомогою YA-354, наступні:
ІДЕАЛЬНИЙ - 144 мгц - 1040 мм, Z = ~ 72.9 ом. До. ук. = 1.0.
ЛІНІЙНИЙ - 144 мгц - 979.00 мм, Z = 71.39 ом. До. ук. = 0.941.
ПЕТЛЕВОЮ - 144 мгц - 938.40 мм, Z = 285.64 ом (Н = 50 мм). До. ук. = 0.902
тобто довжина петлевого вібратора складає 0.958 довжини лінійного.
ІДЕАЛЬНИЙ - 432 мгц - 347.00 мм, Z = ~ 72.9 ом. До. ук. = 1.0.
ЛІНІЙНИЙ - 432 мгц - 318.50 мм, Z = 73.11 ом. До. ук. = 0.917.
ПЕТЛЕВОЮ - 432 мгц - 292.42 мм, Z = 292.36 ом (Н = 15 мм). До. ук. = 0.841
тобто довжина петлевого вібратора складає 0.918 довжини лінійного.
Дані розрахунків повністю співпадають з даними експериментів.
Деякі радіоаматори вважають, якщо замінити лінійний вібратор на петле-вой, то Zа збільшиться ~ у 4 рази, залишиться чисто активним, а антена повністю збереже всі заявлені параметри. Проте це не так. У антенах АВ працює не на своїй резонансній частоті, а на вищою, де його власне Z більше і має яскраво виражений індуктивний характер. По цьому після заміни Zа збільшиться в 6-8 разів і може стати не прийнятним для типового узгодження.
Означає потрібна настройка атенни? Але всі елементи антени зв'язані дуже критичними фазовий-амплітудними співвідношеннями і якщо змінити на 1мм розміру будь-якого елементу або відстань між ними, її параметри значно зміняться. Не маючи кваліфікації і необхідних приладів за це краще не братися. Перш за все це стосується розмірів активного вібратора, рефлектора і перших 5-8 директорів. Особливо слід зазначити
небезпека “самовільної” зміни діаметру елементів. У слід за зміною діаметру елементів на 0.2 мм потрібне індивідуальне коректування довжини різних директорів і А.У від 2 до 4 мм для настроювання на робочу частоту.
Що буде з антеною, якщо розрахунковий лінійний вібратор замінити на петлевій розглянемо на прикладі DJ9OPTO2 (кращої антени при довжині 8.3 м.) і закону Ома.
Працює YA-354 - надійна програма для проектування YAGI - антен:
Za= Ra+/-Jx повний (комплексне) вхідний опір антени.
Ra - активна складова Za - опір випромінювання антени.
+Jx - це додаткова індуктивність між Ra і фідером.
- Jx - це додаткова місткість між Ra і фідером.
У будь-якому випадку Jx - перешкоджає передачі енергії з фідера в антену (закон Ома для повного ланцюга), зменшуючи коефіцієнт випромінювання (Кизлуч.).
Варіанти: (F= 144.1 мгц).
1. Zа = 44.49 + J0.08 ом - лінійний, L = 981мм (розрахунковий). К.излуч.= 1. КСВ = 1.12.
Встановимо на антену петлевою АВ з розмірами - 981 х 50 мм D= 8 мм:
2. Zа = 218.68 + J117 ом - петлевою, L = 981 мм х 50 мм. До. ізлуч. = 0.652. КСВ = 1.09.
Укоротимо АВ на 17мм:
3. Zа = 200.56 + J68.2 ом - петлевою, L = 964 мм х 50 мм. До. ізлуч. = 0.746. КСВ = 1.
З укороченим АВ фідер все одно буде підключений до Ra через 0.08 мкг, а це шматок 2мм дроту завдовжки 11.8 див. А якщо буде -J68.2 - те через 16пф. Подальше зменшення довжини АВ для зведення +Jx до нуля, зробить АВ сумірним за розмірами з одним з директорів. Вібратор вступить з ним в прямий резонанс. Тепер Za визначатиметься законами цього зв'язку, а не всією конструкцією. Параметри такої антени не передбачені, а узгодження з фідером не можливо. Цей чинник, спільно з іншими, не дозволяє застосовувати петлевий вібратор в антенах на 1296 мгц. Простіше кажучи, АВ повинен бути довше за першого директора хоч би на 2 мм (144мгц).
За таких умов на 1296 мгц у будь-якої антени Ra= 400-600 і +Jx= 350-550!
У першому варіанті антену можна живити РК-50 з симметрірующим мостом
у другому і в третьому варіантах антена живиться через U-петлю і фідер РК-50.
DJ9OPTO2 має розрахункове значення G = 14.22 dbd на F = 144.1 мгц з лінійним АВ. Реалізувати його можна тільки, коли на робочій частоті Zа чисто активне.
У третьому варіанті втрати реального посилення антени у розмірі 0.254 або 1db гарантовані. Плюс втрати після заміни АВ= 0.02db - разом реальне посилення складе 13.2dbd. Аналогічні втрати матиме будь-яка антена при установці на ній петлевого АВ, замість розрахункового лінійного. На 432 і 1296 мгц - багато більше.
В другому варіанті втрати - 0.354 або 1.5 db. Ще не багато додаткових втрат, а вони завжди знайдуться (побачимо далі), і четвірка з петлевими працюватиме як двійка з розрахунковими лінійними активними вібраторами. Велика ціна, у тому числі і матеріальна, за не точність копіювання чужої або виготовлення своєї конструкції, за зайву довірливість або брак знань.
Інформація до роздуму:
В журналах DUBUS 4-91 і 4-95 приведені дані про робочі параметри системи
8 х 7.5м BV 70см, в експедиціях T70A і CN2EME : G, Ta, G/T, SN, Echo при
Bp= 2.4 кгц /1.5kw, Noise Cassiopeia, VSWR=1.25:1. Система фазувалася відкритими лініями. Порівнявши дані, отримані в експлуатації, з даними інших систем видимий:
1.Все параметри системи не кращі, ніж у старої 16 х 4м F9FT з фазіровкой кабелем (DUBUS 1-78).
2.Все параметри гірші, ніж у старої (вже) моделі 8 х 6.9м RA3LE.(у експлуатації).
Однією з причин є велика величина +Jx у антен при установці на них петлевого вібратора замість розрахункового лінійного і як результат - зниження реального посилення антени. Є претензії і до самої антени. А КСВ = 1.25!? Всі прилади точкового вимірювання (рефлектометри) не можуть визначити наявність реактивності у антени.
Як взаємозв'язані основні параметри антени і що вони характеризують?
Кругова діаграма спрямованості характеризує рівень випромінювання (прийому)
у площинах Е - горизонтальна і Н - вертикальна (для YA-354), від 0 до 360 градусів. Це сума всіх фазових і амплітудних співвідношень в антені залежно від напряму.
G (dbd) - коефіцієнт посилення по відношенню до диполя у напрямі головної пелюстки випромінювання. G залежить не тільки від його ширини, але і від рівня зв'язків між елементами. Тобто, при ширшій головній пелюстці однієї антени можна мати більше посилення, чим при вузькому у іншої. (Різні концепції проектування антен). Ефективніші антени з сильним зв'язком перших директорів з активним вібратором.
F/B (db) - відношення рівня випромінювання у напрямі головної пелюстки до рівня
випромінювання в діаметрально протилежному напрямі. F/B не несе повної
інформації про придушення випромінювання в задній сфері антени. Наприклад, це можуть бути широка пелюстка з рівнем - 25db, що має вузький розріз до рівня, - 50 db (WU37) або варіант, коли вся задня півсфера має рівень -34db (23LE). При певній довжині антени сформувати чисту діаграму можна тільки з складним рефлектором. Краще працюють рефлектори з 2х або 4х елементів. Одиночні рефлектори є (в основному) резонансними, а їх розміри дуже критичні.
Tа (К) - шумова температура в градусах Кельвіна - тим нижче, чим краще (чистіше)
кругова діаграма антени і якісний вживані матеріали (Al,Cu,Ag)
а вибраний діаметр елементів і технологія забезпечать їх найвищу добротність.Дуже сильно впливають на цей параметр розмір і положення останнього директора При прийомі він перший і від його якості залежить багато що. Застосування Cu або Ag?
G/Tа (db) - рівень якості антени. Важливий параметр, особливо для прийому слабких сигналів в земних умовах (Т Землі ~ 1000K). У міських умовах перевагу слід віддати антені, у якої G/T на 0.5db вище, навіть якщо G на 0.1 dbd нижче, ніж у іншої. Втрату в 0.1db легко компенсувати передавачем, а умови прийому покращають. Особливо це актуально для ЕМЕ.
Па (мгц) - смуга пропускання антени, визначається шириною ділянки, в якому Zа не сильно відрізняється від Rфидера, а зростаюча реактивність (Jx) не досягає величини, при якій Кизлуч. гірше 0.8. До цього параметра у радіоаматорів різні вимоги. Параметри широкосмугових антен не так сильно залежать від кліматичних умов експлуатації, як параметри узкополосних антен. При вузькій смузі можна досягти більшого посилення, але легко промахнутися в розмірах і погіршає частина інших параметрів.
Za (ом) = Ra+/-Jx - повний вхідний опір антени. Воно повинне дорівнювати опору фідера і бути активним на головній робочій частоті. Антена повинна розраховуватися з тим типом активного вібратора, який дозволяє отримати необхідний вхідний опір. Далі йде симметрірующєє пристрій, і якщо необхідно, то з дільником. Все це вносить 0.05 - 0.1db додаткових втрат.
Враховуючи, що більшість радіоаматорів вважають за краще використовувати як активний елемент антен петлевий вібратор, автор розробив 50 антен для діапазонів 144, 432, і 1296 мгц довжиною от3 до11 м, з діаметром елементів 2.25, 4, 5, 6 мм і типовими вхідними опорами 33.3, 37.5, 50, 75,150, 200 і 300 ом. Антени LE, в основному мають G більше, ніж у інших антен такої ж довжини
і вища якість G/T. Розрахунок антени відповідає її роботі у вільному просторі.
Всі антени об'єднані в загальний каталог.
Вибір антени:
Існують три концепції проектування YAGI антен: з малим, середнім і
великою кількістю елементів при однаковій довжині антени.
Перша - характерна великими відстанями між останніми директорами і в результаті антени мають підвищене посилення (зростання Q), але дуже вузьку смугу і не високе придушення в задній півсфері. Za з петлевим АВ - до150 ом.
Третя - дозволяє отримувати відмінні характеристики при певних довжинах
але тільки при дуже (до25 ом) низьких вхідних опорах. Невеликі відстані між рефлектором, активним вібратором і першими директорами позбавляють маневру при регулюванні .Za. Антени мають низьке КСВ в широкій смузі. Використання в них петлевого вібратора не можливо.
Другий варіант, з ухилами до першого або третього - найпоширеніший і дозволяє створювати антени з високими параметрами і різним Za і типом АВ.
Вибір антени на декілька років визначить і успіхи радіоаматора і удовле-творіння від роботи в ефірі. Правильно вибрати антену можна знаючи всі її характеристики, а не тільки один коефіцієнт посилення і довжину. Краще, якщо є можливість проаналізувати її кругову діаграму або знати значення G/T, що характеризує чистоту цієї діаграми . Антени з чистою діаграмою і високим значенням G/T можна розташовувати ближче один до одного, чим антени з поганою діаграм-мой і низьким G/T. Деякі автори опублікували антени, у яких G на 0. 2-0. 3 db вище, ніж у кращих, робочих антен при тій же довжині.
Обережно! Всі вони мають занапащені решта характеристик: низьке Za, смугу <200 кгц, F/B <20 db, КСВ на Fрабочая + 0. 5 мгц > 3-5, високу Ta і погане качество-G/T. Це скоріше рекламні публікації, чим робочі антени. Не економте на 30 см Буму. З урахуванням російських метеоумов КСВ антени повинен бути не гірше 1. 2 на частоті Fрабочая +/- 0. 5 мгц. Зручні для побудови систем антени з Za= 150ом. З'єднання їх по парно забезпечить мінімум втрат при побудові системи. 150+150= 75 ом.
.
Іноді доводиться вибирати антену виходячи з наявності матеріалів для її
повторення. Будь-яка, сама незначна зміна розрахункових розмірів антени не допустима. У каталозі є багато різних варіантів виконання антен.
Для роботи всіма видами, окрім ЕМЕ, досить мати по одній антені, максимальної довжини, з високим значенням G/T, на кожен діапазон, на одній щоглі. Для такої роботи +/- 1db в посиленні антени ні чого не вирішують. Якщо є тропо, то можна працювати і на одну стрілу. Якщо його немає - не допоможуть і 16 стріл. Перевага, якщо не для кросс-варіанта, краще віддати антенам з складним рефлектором. Вони стійкіші в роботі і мають вищу якість G/T. Хороша діаграма допоможе відбудовуватися від перешкод. Прості системи узгодження і фазіровки підвищать ефективність їх роботи. Якщо QRN обстановка сприятлива, то можна вибрати антену з лінійним АВ.
і Za=50-75ом (особливо для FM) з хорошими даними.
.
Антени на 432 мгц і 1296 мгц можуть багато втратити, якщо їх кріпити з боку
щогли. Потрібно виготовити і прикріпити до щогли П-образну конструкцію (1м-2м-1м, добре б з дерев'яного бруска) і на її консолях підвісити ці антени за допомогою Т-образних кронштейнів.
ЕМЕ-144МГЦ - справа смаку і можливостей. Вважаю, що система 4 х 9м хороших антен більш ніж достатня для успішної самостійної роботи в ефірі.
Фазувати антени краще кабелем, що підвищить метеоустойчивость.
ЕМЕ-432МГЦ - тут справа складніша. Необхідно мати або 4 х 9м, або 8 х 5/7м.
Йдеться про антени з реально високими параметрами. З такою системою працювати буде одне задоволення. Менше, ніж 4 х 7м робити не варто. Четвірки ефективно фазуються кабелем. Для вісімки краще підходять повітряні лінії і комбінація.
Для QRO потрібні антени з великими діаметрами директорів і АВ:~100w/1.5mm D
для АВ и~100w/1мм D - для директорів (матеріал - Al). Для 144 ~ в1.5раза більше.
Виготовлення антени.
При виготовленні антени до неї слід відноситися, як до ювелірного виробу. Помилка в одному розмірі на 1мм - і антена втратить 1-3% головних параметрів. Погано, якщо такі помилок буде декілька. Всі втрати накопичуються, результат росте в прогресії. Зміна діаметру елементів просто не допустимо.
Погрішність розмітки і виготовлення повинна бути < 0.1мм. Спочатку необхідно перевірити розмічальний інструмент - рулетки, лінійки. БУМ слід розмічати тільки по наростаючій довжині від рефлектора. Розтяжки і підпори Буму, якщо не можливо зробити діелектричними, робіть з металу з поганою провідністю (ніхром, ПТВ і т.д.). Буде менший паразитне перєїзлученіє.
Краща траверсу (БУМ) - діелектрична (пластик, дерево). Металевий БУМ
технологичнєє і міцніше, але вносить додаткові втрати, спотворює діаграму і зменшує загальне посилення антени, особливо щогла і рама.
БУМ не повинен мати прогинання більше 0. 2 Е або Н, інакше попливуть фази перєїзлученій останніх елементів. У будь-якому варіанті живлення антени фідер, після підключення до АВ і закріплення під (над) ним, повинен спочатку йти вниз (у верх), а вже потім до Буму (як у F9FT), особливо якщо є U-петля. Це зменшить вплив пристрою живлення антени на перші директори. При використанні діелектричного Буму фідер, закріплений під ним, зрушить резонансну F антени вгору і сильно її розладнає. Кабель повинен йти подалі від елементів. Торцеве кріплення антен забезпечує якнайкращі умови їх роботи.
При звичайному кріпленні добре, якщо стійка, до якої кріпиться антена або її кінець, будуть діелектричними (дерево = UFB). Кращий БУМ для 1296 мгц вудка “Каскад-6”(Білорусь) або рем. комплект для неї (дешевше).
.
Вибір способу кріплення елементів - важлива стадія почала виготовлення антени. Кращий - крізь діелектричну траверсу або монтаж елементів на діелектричних стійках на висоті 0.5 діаметру металевою траверси над (під) нею. Решту всіх способів кріплення вносять додаткові втрати, а розрахунок подовження елементів при кріпленні крізь БУМ не достатньо точний. Для стійок підходить будь-який матеріал:
дерево, текстоліт, вініпласт, полістирол ., лише б не коловся на морозі і не
ламався від ворон.
При модному зараз способі кріплення елементів з ізоліруюшей втулкою через БУМ подовження елементів розраховується по формулі G3SEK:
Kмм ={12.5975 х B - 114.5 х BхB}х 25.4. B = Dмм / довжину хвилі в мм. D-діаметр Буму. Подовження АВ залежить від відстані між його трубками і Бумом і від D. Застереження: 1.формула радіоаматорство. 2. при такому способі кріплення все одно частина елементу екранована Бумом. На 1296 мгц втрати будуть великими.
Кращий матеріал для елементів мідь або чистий електротехнічний алюміній
з силових кабелів. Решта всіх сплавів: АМГ, АМЦ, Д16, В-95 мають істотні втрати. Якщо на 144 мгц Д16Т ще можна використовувати, то для 1296 він не годиться. Кращий матеріал для 1296 мгц - ПЕВ 2-3 мм. Допустиме застосування алюмінію.
Система живлення антени складається з симметрірующего і погоджує пристроїв і фідера. Якщо антен декілька, ще і центральний дільник потужності. Мінімальні втрати має симметрірующєє пристрій - класичний 1/4 хвильовий місток з хвильовим опором Rм = Rа антени. Місток - це дві паралельні трубки з d ~ 8 -12 мм, у верху підключені до А. У., у низу закорочені перемичкою. Фідер проходить усередині першої трубки, його оплетка(и) з'єднується з верхнім кінцем цієї трубки і А. В. Через додатковий отвір в самому верху першої трубки центральний провідник фідера підключається до верхньої частини другої трубки і А. У.
Відстань між центрами трубок (D) визначається з формули: Rм = 276lg 2D/d мм. Втрати ~ 0. 05db 432 мгц.
.
U-петля симметріруєт і ділить Za на 4. Петлевий вібратор (Z ~ 280 ом) можна представити у вигляді двох послідовно сполучених 140 омних антен (є такі) “тромбонів”. Але якщо їх живити від одного фідера з фазіруюшим пристроєм, то результуюче Za буде 70ом. З погляду теорії обидва кінці оплетки U-петлі повинні бути сполучені із загальною точкою двох тромбонів, тобто з центром верхньої частини петлевого вібратора. На практиці із-за технічних незручностей цього не роблять.
Власні втрати U-петлі ~ 0.1db на 432мгц. Виготовляти її виходить з хорошого кабелю, оскільки по ній проходить половина потужності, що підводиться, і працює вона з КСВ= 2 (при Rп=Rф). Довжина кабелю U-петлі (по оплетке) ~0.98 півдовжини хвилі з урахуванням Е наповнювача. Вона дуже критична. Точний коефіцієнт укорочення вказаний в ТУ на кабель. Він може відрізнятися у різних кабелів навіть при однаковому наповнювачі. Особливо при різних діаметрах кабелю. Сума довжин висновків = зазору АВ. Зазвичай 15мм на 144 мгц и10 мм на 432 мгц, 1296мгц..
Стакан виготовляється з двох концентричних Cu (Al) полірованих в робочій
зоні трубок, закорочених кільцем внизу. Фідер проходить усередині трубки меншого діаметру. Оплетку (и) на кінці фідера сполучають з верхнім кінцем внутрішньої трубки стакана, а далі з половинкою АВ. Центральний провідник фідера йде на другу половинку АВ. Сумарна довжина висновків фідера повинна строго дорівнювати зазору між половинками АВ. Оплетка фідера не повинна мати контакту з нижньою частиною стакана.
Верх стакана герметизується кільцем з 3 - 4мм якісного діелектрика (F4). R стакана = Ra. R = 138lg х D2/D1 ом. Для 75ом: D2 = 28(35) мм, а D1 = 8(10) мм. Довжина стакана, як і містка ~ 0.96 х 1/4 довжини хвилі. Зовні стакан можна пофарбувати. При необхідності трансформувати Ra, відрізок фідера усередині стакана або містка повинен мати інше R. На приклад: Ra = 33.3ом
Rт = 50ом, далі йде основний фідер з R = 75ом. У симметрірующего пристрою з трансформацією втрати можуть бути більше, ніж у U-петлі. Живляча система не повинна впливати на директора антени (всі кабелі від АВ. і відразу вниз).
Хороші, зі вспененной ізоляцією кабелі, витісняють повітряні відкриті симетричні лінії з діапазону 144 мгц. На 432 мгц, якщо винести на штанзі передпідсилювач і основний фідер в площину активних вібраторів 4-ки антен, то довжина сполучних кабелів складе 1 - 1. 4м. При цьому втрати, навіть з середнім за якістю 9мм РК75-7х37 складуть 0. 1 - 0. 14db. По-перше, це порівнянно з втратами у відкритих лініях при зведенні їх до центру щогли, в других різко знизиться метеозавісимость АФУ. - 75 ом. Якщо антени вимагають U-петлі, то втрати збільшаться. Втрати ~0. 05db мають антенне реле і центрального дільника потужності, що розподіляє підведену енергію Tx по всіх антенах.
Лінії можуть дати виграш ~ 0. 1-0. 2db, але до першої негоди.
.
Дані про втрати приведені для діапазону 432 мгц. На 144 мгц вони трохи менше. Можна спробувати скласти всі можливі втрати і зробити все необхідне щоб їх уникнути.
Дізнатися чи є у антени реактивність і усунути її, якщо вона не дуже велика, можна таким чином:
1. підключаємо антену до рефлектометра через кабель завдовжки в 2 - 4 хвилі (у кабелі). Проводимо вимір рівня напруги (min або max).
2. підключаємо додатково ще півхвилі (у кабелі) перед рефлектометром (при цьому знак Jx в точці виміру зміниться на протівополож-ний). Проводимо другий вимір, не чіпаючи рефлектометр.
3. переміщаючи АВ на +/- Nмм вирівнюємо ці рівні
не чіпаючи рефлектометр.
4. Вироблюваний 2 і 3 дія кілька разів.
0 Відгуків на “Новий підхід до проектування антен”
Залишити відгук