Трехдиапазонная направленная антенна с многочастотным директором
Предлагается компьютерная MMANA модель направленной антенны на диапазоны 20, 15 и 10 метров. Питание антенны – одним кабелем 50 Ом. Диаметры трубок основного трехдиапазонного активного излучателя ориентированы на набор для антенны CZ-56. Прообраз антенны в (1,2,3). MMANA файлы прилагаются, их названия – NN-3 7.0, например. Здесь NN означает Нижний Новгород, тройка означает число диапазонов, последнее число указывает на длину директора, так как рассматриваются три варианта, с разными длинами директоров. Также прилагаются настроечные файлы, с пометкой tune, и файлы отдельных двухполюсников, с пометкой network.
В файлах с tune реактивные сопротивления по диапазонам вынесены для удобства в заголовок файла. Чтобы посмотреть настройку на любом из диапазонов, нужно перебить рабочую частоту, а также перебить значение нагрузки 7 под данный диапазон. По умолчанию антенны находятся на 20м.
В трехрезонансном непереключаемом директоре антенны используется реактивный двухполюсник, включенный в серединный разрыв директора, как у антенны VK2AOU, (4,5). Далее в статье в основном идет речь о том, как рассчитать такой двухполюсник.
Исчерпывающую методику расчета дал Виталий Чучко, RZ3TJ, в своей статье (6), однако мной был использован физически для меня более наглядный графический способ расчета, с привлечением программы MMANA для подбора.
Рассмотрена только одна каноническая схема двухполюсника, это несколько параллельных контуров, включенных последовательно (рис.1а). График зависимости реактивного сопротивления такого двухполюсника от частоты (рис.1б) представляет собой разрывную кривую с точками разрыва в местах резонанса контуров. Между точками разрыва сопротивление пробегает все значения от минус до плюс бесконечности. Это значит, что, двигая резонансные частоты, а также перераспределяя в контурах соотношение емкость/индуктивность без изменения резонансной частоты, можно получить любое желаемое реактивное сопротивление на любой частоте, количество таких точек определяется количеством контуров в цепи.
Теперь надо выбрать геометрические размеры директора (выберем 8м), вставить в его середину реактивное сопротивление и подобрать его величину и знак для каждого диапазона по наилучшим параметрам антенны. Для этого послужила модель NN-3 8.0 tune. Величины получились такие: 20м – +144; 15м – -444; 10м – +3240. Строится график рис.2а. На оси частот отмечаются частоты середин диапазонов, по вертикали откладываются значения сопротивлений, отметка сделана красной косой чертой, наклон напоминает, что сопротивление может только расти с ростом частоты. Выбираются положения резонансов. Ясно, что один из резонансов должен находиться между частотами 14,15 и 21,2, причем ближе к последней, так как там сопротивление по абсолютной величине больше. Пусть будет 20,0. Второй резонанс должен быть выше 28,3. Пусть будет 30,0. Все числа, относящиеся к частотам, в мегагерцах, к сопротивлениям – в омах. Красными точками намечается примерный ход кривой реактивного сопротивления.
Теперь надо сделать MMANA модель NN-3 8.0 network-1 из четырех коротких проводов, в них включить нагрузки в виде двух параллельных контуров и конденсатора (схема рис.2б, конденсатор нужен для того, чтобы при стремлении частоты к нулевому значению сопротивление стремилось к минус бесконечности, а не к нулю; вместо него можно использовать третий параллельный контур, это даже лучше, так как гальванически связываются половинки директора). Чтобы включить в файл нагрузки, нужно в таблице нагрузок впечатать емкости, достаточно произвольно (лучше из тех, что есть в наличии), пусть это будут 100, 68 и 33 пФ. Затем впечатать резонансные частоты, для 68 пФ – 20,0, для 33 пФ – 30,0. MMANA сама впечатает соответствующие индуктивности. Просчитав модель, смотрим в графе jx что получилось: для 14,15 – +159,35, для 21,2 – -750,15; для 28,3 – +1411. Не так далеко от того, что нужно. Варьируя величины элементов и резонансных частот в таблице нагрузок, методом последовательного приближения добиваемся искомых значений на всех трех частотах. Окончательный файл – NN-3 8.0 network.
Далее в модели NN-3 8.0 tune впечатываем в провода нагрузки, взятые из NN-3 8.0 network, получаем модель NN-3 8.0 и считаем ее на всех трех диапазонах. То, что результат в серединах диапазонов совпадает с полученным для директора с отдельно настроенными нагрузками, означает, что двухполюсник сосчитан верно. Затем в каждом диапазоне смотрим, как ведет себя ДН и КСВ во всей полосе диапазона. Затем в таблице нагрузок модели, где катушки пока идеальные, впечатываем реальные добротности, 200, и пересчитываем модель. Разница в усилении антенны с идеальными и реальными катушками покажет, какие будут потери в контурах. Это поможет оценить их нагрев.
Данная модель, как ни странно, работает неплохо почти при любой геометрической длине директора. Пробовал от 6,0 метров до 9,6 метра. Шесть метров слишком “круто”, поэтому файлы не прилагаю. При удлинении директора растет усиление на 20м, но при директоре 9,66м задний лепесток на 10м не столь красивый, как при других. Директор 7,0 метров привлекает тем, что там в двухполюснике два контура, можно катушки заменить шлейфами. При этом контур на более высокую частоту разбивается на два, расположенные по обе стороны низкочастотного контура. Получается симметричная конструкция, где середину перемычки низкочастотного шлейфа можно заземлить, обеспечив гальваническую связь директора с остальной частью антенны. На эту тему прилагаются два файла, NN-3 7.0 stub и NN-3 7.0 stub FB. Файлы отличаются настройкой на 15м, у первой модели усиление на 15м на 0,5 дБ больше, у второй лучше задний лепесток.
Приведу параметры модели, например, NN-3 7.0 stub FB в виде таблицы (параметры других моделей не сильно отличаются).
- Усиление, дБд F/B,180/60, дБ КСВ
- 14,0 5,11 20,2 1,4
- 14,15 5,33 22,4 1,24
- 14,3 5,76 23,85 1,93
- 21,0 5,63 19,54 1,17
- 21,2 5,87 19,76 1,05
- 21,4 6,21 19,02 1,31
- 28,0 6,48 21,77 1,19
- 28,3 6,89 22,67 1,39
- 28,6 7,36 23.3 1,41
Почему именно эта антенна хорошо восприняла такой директор, не берусь судить. Может, потому, что сама активная часть уже представляет собой полноценную антенну с хорошо сформированной диаграммой, ей только не хватает усиления по причине того, что энергия сильно размазана по вертикальному углу (файл антенны без директора есть в (3)).
Не везде многочастотные элементы с реактивными двухполюсниками в центре ведут себя так же хорошо. Обычная проблема – сужение полосы как по ДН, так и по КСВ, а также очень заметное снижение КПД из-за потерь в двухполюсниках, при этом недопустимый нагрев катушек. Пробовал “примерить” такой подход к антенне UT1MA, BMA-5, при пяти частотах получилось плохо (файл bma5 dir 5B), при трех, 14, 21 и 28, лучше, но все равно, много хуже, чем в оригинале (файл bma5 dir 3B & WARC). Файлы для любопытствующих прилагаю. Там, где директор для трех частот, диапазоны 17м и 12м оставлены, на них работают по два элемента, их длины “подчепурены” на минимум КСВ.
Выражаю благодарность Анатолию Ивановичу Гречихину, UA3TZ, а также его студентам, Кулюлину Ю.А. и Бодулину С.Ю. Они помогли в работе как специалисты по теории цепей.
Хочу посвятить свою статью памяти Юрия Селевко, UA9AA. Его статья (7), а также беседы в эфире были одним из побудительных мотивов этой работы.
Литература:
- http://www.cqham.ru/ant74_52.htm
- http://www.cqham.ru/ant74_56.htm
- http://www.cqham.ru/ant74_57.htm
- К.Ротхаммель. Антенны. Из-во “Энергия”, Москва, 1969, 7-5, стр.158.
- З.Беньковский, Э.Липинский. Любительские антенны коротких и ультракоротких волн. Из-во “Радио и связь”, Москва, 1983, стр.338.
- http://www.cqham.ru/ant49_52.htm
- Ю.Селевко. Пятиэлементная направленная антенна на 20, 15 и 10 метров. Журнал “Радиолюбитель”, 7/93, стр.45.
Н.Смирнов, UA3TW
E-mail: ua3tw@rambler.ru
