Модификация трёхдиапазонной антенны типа С-3, введением прямоугольника Moxon

L. B. Cebik, W4RNL

Трёхдиапазонная антенна Yagi Force 12 C3 - очень популярная компактная направленная антенна, предназначенная для общего пользования. Несмотря на это её “крылья”, распростёртые на 35 футов, останавливают потенциальных покупателей от приобретения антенны, поскольку свободное место, которым они располагают, оказывается часто недостаточным для полноразмерных элементов на диапазон 20 метров. За прошедшие годы я получил много известий о том, как можно укоротить элементы на 20 метровый диапазон, применяя различные типы нагрузок.

В общем, но не абсолютно, мой ответ – отрицательный. Большинство форм нагрузки, кроме нагрузки на концах элементов, нарушают фазовое соотношение между токами питаемого физически вибратора и ведомых вибраторов, разрушая фидерную систему.

А ведь двухэлементную часть антенной системы на 20 метров можно с успехом заменить прямоугольником Moxon, не воздействуя отрицательно на остальные элементы системы. В результате получилась направленная антенна с максимальной протяжённостью элементов от стороны до стороны 25 футов, и траверса - почти в два раза короче, чем у оригинала.

Следующие строки написаны с целью исследования замены в принципе. Начал я это дело в конце 1999 года, но возможности воплотить на практике идею, с тех пор, не представилось. Я могу предоставить только информацию экстенсивного моделирования, полученную в компьютерной программе NEC-4. Но, как будет ясно к концу статьи, теория не расходится с практикой.

Сначала нужно ознакомиться с принципами конструкции антенной системы Force 12 C3. Для этой цели, я не буду давать детальное её описание, чтобы достать авторизированную компьютерную модель антенны нужно обратиться в компанию напрямую (не иначе, за баксы?). В моей модели используются элементы с постоянным диаметром и поэтому, она только заменяет антенну типа С3, а не её коммерческую (покупную) версию.

Также многие узлы реальной антенной системы С3 защищены патентами, как и, например, система питания с помощью открытого (незамкнутого) шлейфа. А эти записки, конечно же, не имеют ничего общего с коммерцией, они предназначены для индивидуального ознакомления с конструкцией и не предназначены для коммерческого (приносящего прибыль) использования.

ТрёхдиапазоннаяантеннатипаС3

Трёхдиапазонная антенная система типа С3 состоит из трёх антенн: двухэлементной Yagi (вибратор-рефлектор) на диапазон 20 метров, двухэлементной Yagi (вибратор - рефлектор) на диапазон 15 метров и трёхэлементной Yagi (вибратор - директоры) на диапазон 10 метров. Эскиз общего расположения элементов антенны приведён на рисунке Fig. 1.

Последующее описание модели из программы EZNEC даёт деталировку длин элементов и расстояний между ними:

C-3-Type 20-10-m tribander                   Frequency = 14  MHz.

 

Wire Loss: Aluminum -- Resistivity = 4E-08 ohm-m, Rel. Perm. = 1

 

              --------------- WIRES ---------------

 

Wire Conn. --- End 1 (x,y,z : in)  Conn. --- End 2 (x,y,z : in)   Dia(in) Segs

 

1          -138.50, 34.000,  0.000       138.500, 34.000,  0.000 7.50E-01  43

2          -132.35,119.000,  0.000       132.350,119.000,  0.000 7.50E-01  43

3          -101.00,134.500,  0.000       101.000,134.500,  0.000 5.00E-01  33

4          -97.000,146.500,  0.000        97.000,146.500,  0.000 5.00E-01  33

5          -89.000,212.500,  0.000        89.000,212.500,  0.000 5.00E-01  33

6          -195.00,130.250,  0.000       195.000,130.250,  0.000 1.00E+00  61

7          -209.00,  0.000,  0.000       209.000,  0.000,  0.000 1.00E+00  61

 

              -------------- SOURCES --------------

 

Source    Wire      Wire #/Pct From End 1    Ampl.(V, A)  Phase(Deg.)  Type

          Seg.     Actual      (Specified)

 

1          31     6 / 50.00   (  6 / 50.00)      1.000       0.000       I

Элементы расположены в следующем порядке: 15 метров, 10 метров, 20 метров. Установка элементов диапазона 20 метров мной в конце списка исходит из факта, что мы предполагаем заменить их прямоугольником Moxon. Отметьте также, что я использовал для диапазона 20 метров диаметр элементов 1 дюйм, для 15 метров – 0,75 и для 10 метров - 0,5 дюйма.

Наиболее характерной чертой многодиапазонной антенной системы С3 (Yagi) является система питания. Она использует связь с помощью открытых шлейфов, так что, только вибратор диапазона 20 метров является физически питаемым на любом диапазоне. Активный вибратор диапазона 15 метров является ведомым для вибратора диапазона 20 метров и расположен со стороны питаемого вибратора ближе к соответствующему рефлектору. Подобным же образом, ведомый активный вибратор диапазона 10 метров находится со стороны питаемого вибратора ближе к директорам диапазона 10 метров.

Хотел бы заметить, что расстояния до и длины ведомых вибраторов относительно питаемого активного вибратора могут отличаться от действующих в С3 (Как видно, нужно антенны проектировать и изготавливать не только в программах, а и на самом деле – UA9LAQ).

В обеих программах NEC-2 и NEC-4 есть некоторые ограничения, в случаях, когда проводники различных диаметров и длин располагаются в непосредственной близости. Даже при большой тщательности уравнивания сегментных соединений между элементами, чем меньше расстояние между элементами, тем больше будет потенциальная ошибка в модели. Поэтому-то, рекомендуемые диаметры и расстояния между элементами в реальной конструкции отличаются от моделируемой с помощью компьютерной программы. Несмотря на это, точность построения модели является достаточной для уяснения принципов построения и эксплуатации антенны типа С3.

Активный вибратор и рефлектор диапазона 20 метров образуют двухэлементную направленную антенну с довольно обычной стандартной характеристикой. На рисунке Fig. 2 показана диаграмма направленности в горизонтальной плоскости, выполненная для свободного пространства для краёв и центра диапазона 20 метров в программе NEC-4. Смоделированные характеристики антенны для диапазона 20 метров сведены в нижеследующую таблицу:

Freq.       F-S Gain    F-B Ratio   Beamwidth   Feed Impedance    50-Ohm

MHz         dBi         dB          Degrees     R +/- jX Ohms     SWR

14.0        6.44        10.48       68.8        44.7 - j 4.4      1.16

14.175      6.13        10.90       69.6        55.4 + j 6.8      1.18

14.35       5.84        10.51       70.2        65.9 + j16.6      1.49

Как ясно из таблицы, характеристики являются везде нормальными для двухэлементной антенны Yagi. Усиление антенны падает с ростом частоты. Достижение необходимого расстояния между элементами для получения 50-омного импеданса в точках питания, немного снижает соотношение излучений вперёд-назад, относительно частично достижимого с помощью сближения элементов и получения более низкого импеданса в точках питания. Тем не менее, кривая КСВ для непосредственно питаемой системы - отменная.

Расположение вибратора и рефлектора 15-метрового диапазона между соответствующими элементами двадцатиметрового, выражается в близкой к оптимальной связи, что более сложно было бы получить, размести мы ведомый вибратор диапазона 15 метров впереди питаемого физически вибратора...Ведомый вибратор, обычно имеет меньшую полосу пропускания по отношению к импедансу, чем напрямую питаемый элемент. Сужение полосы не проявляется на форме диаграммы направленности, как видно из рисунка Fig. 3. Тем не менее, полоса пропускания по КСВ менее, чем 2 : 1 на диапазоне 15 метров составляет примерно 360 кГц, чуть меньше, чем занимает весь диапазон. Максимальный КСВ 2,8 : 1, допустим, при использовании антенных тюнеров, встроенных в современные трансиверы. Также кривая изменения КСВ будет заметно “мельче” со стороны конца питающего кабеля, входящего в радиолюбительский “шэк”., если длина кабеля превышает длину волны. В последующей таблице изложены смоделированные характеристики, касающиеся антенны на диапазон 15 метров.

Freq.       F-S Gain    F-B Ratio   Beamwidth   Feed Impedance    50-Ohm

MHz         dBi         dB          Degrees     R +/- jX Ohms     SWR

21.0        6.55        10.78       67.2        52.9 - j36.0      1.99

21.225      6.20        11.19       68.6        44.1 + j 4.9      1.18

21.36       5.99        10.92       69.6        39.3 + j28.5      1.96

21.45       5.84        10.59       70.4        36.2 + j44.2      2.83

Диаграммы направленности краёв диапазона 20 метров и диапазона 15 метров, практически похожи в плане соотношения излучений вперёд-назад. Только кривая изменения КСВ обнаруживает присутствие с помощью открытого шлейфа связанной системы, тем не менее – это набор значений, применимый на практике.

Часть системы, представляющая собой антенну 10-метрового диапазона, значительно отличается от частей, предназначенных для работы на 20 и 15 метрах. Начнём, хотя бы, с ведомого активного вибратора, установленного перед ведущим, и двух директоров. Хоть здесь и нет, как такового, настраиваемого рефлектора 10 метрового диапазона, элементы диапазона 15 метров частично выполняют его функцию, по причине так называемого эффекта выноса вперёд (forward-stagger).

Заметьте, что первый директор расположен близко от ведомого активного вибратора. Хотя этот директор и сохраняет все функции элемента, увеличивающего усиление антенны, он, в основном, предназначен здесь для установки импеданса в физических точках питания и определяет полосу пропускания антенной системы на диапазоне 10 метров. Результирующая полоса пропускания по КСВ составляет 900 кГц с приемлемой диаграммой направленности на частотах выше 29 МГц. На рисунке Fig. 4 показаны диаграммы направленности в горизонтальной плоскости для свободного пространства смоделированной системы на частотах 28, 28,5 и 29 МГц.

В последующей таблице показаны заявленные характеристики части системы, рассчитанной на диапазон 10 метров на протяжении первого мегагерца диапазона 10 метров.

Freq.       F-S Gain    F-B Ratio   Beamwidth   Feed Impedance    50-Ohm

MHz         dBi         dB          Degrees     R +/- jX Ohms     SWR

28.0        6.34        15.12       66.8        55.7 - j35.1      1.94

28.5        6.55        16.65       68.8        45.0 + j 0.2      1.09

28.9        6.80        17.68       70.4        36.0 + j26.6      2.00

29.0        6.87        17.86       70.8        32.7 + j33.0      2.44

Еще раз напоминаю, что кривая КСВ, снимаемая на конце кабеля фидерной линии, подключаемом к трансиверу, скорее будет более пологой, чем, при снятии её непосредственно на зажимах антенны (в точке питания) и любой КСВ в пределах до 2 : 1 легко компенсируется с помощью тюнеров, встраиваемых в трансиверы. Ещё более примечательно, характеристика антенны отражает работу типичной антенны Yagi с директорами, так как усиление её возрастает с ростом частоты. Применение двух директоров обеспечивает антенне большее усиление в рабочем диапазоне частот, чем у комбинаций “активный вибратор - рефлектор”, применяемых на диапазонах 20 и 15 метров.

Замена части на 20 метровый диапазон антенной системы прямоугольником Moxon

Если мы заменим антенну на 20 метров (Yagi) в системе прямоугольником Moxon, то получим систему, занимающую в проекции на поверхность Земли меньшую площадь: на 10 футов уже и на 2 фута короче. На рисунке Fig. 5 показан эскиз такой системы.

Последующее описание модели позволяет произвести прямое сравнение длин элементов и расстояний между ними в версии с прямоугольником Moxon и без него (в только что рассмотренной С3 базовой модели).

Moxon-C3-type tribander                      Frequency = 14  MHz.

 

Wire Loss: Aluminum -- Resistivity = 4E-08 ohm-m, Rel. Perm. = 1

 

              --------------- WIRES ---------------

 

Wire Conn. --- End 1 (x,y,z : in)  Conn. --- End 2 (x,y,z : in)   Dia(in) Segs

 

1          -138.50, 34.000,  0.000       138.500, 34.000,  0.000 7.50E-01  43

2          -131.90,119.000,  0.000       131.900,119.000,  0.000 7.50E-01  43

3          -101.00,134.500,  0.000       101.000,134.500,  0.000 5.00E-01  33

4          -97.000,146.500,  0.000        97.000,146.500,  0.000 5.00E-01  33

5          -89.000,212.500,  0.000        89.000,212.500,  0.000 5.00E-01  33

6          -150.00, 88.250,  0.000  W7E1 -150.00,130.250,  0.000 1.00E+00   7

7     W6E2 -150.00,130.250,  0.000  W8E1 150.000,130.250,  0.000 1.00E+00  51

8     W7E2 150.000,130.250,  0.000       150.000, 88.250,  0.000 1.00E+00   7

9          -150.00, 78.650,  0.000 W10E1 -150.00, 22.250,  0.000 1.00E+00  10

10    W9E2 -150.00, 22.250,  0.000 W11E1 150.000, 22.250,  0.000 1.00E+00  51

11   W10E2 150.000, 22.250,  0.000       150.000, 78.650,  0.000 1.00E+00  10

 

              -------------- SOURCES --------------

 

Source    Wire      Wire #/Pct From End 1    Ampl.(V, A)  Phase(Deg.)  Type

          Seg.     Actual      (Specified)

 

1          26     7 / 50.00   (  7 / 50.00)      1.000       0.000       I

Если Вы исследуете проводники 1-5, то заметите, что изменению подверглась лишь длина активного вибратора диапазона 15 метров – маленькая плата за приведение КСВ в нужное русло. Я оставил все обозначения неизменными, чтобы упростить их сравнение. Как бы там ни было, а рефлектор прямоугольника Moxon продвинулся вперёд на 22, 25 дюйма от первоначального положения рефлектора Yagi.

Пожалуй, самые значительные изменения характеристик антенной системы произойдут на диапазоне 20 метров, когда диаграмма направленности прямоугольника Moxon заменит таковую от двухэлементного (вибратор - рефлектор) варианта Yagi исходной конструкции. На рисунке Fig. 6 показана увеличившаяся ширина направленного излучения, возросшее соотношение излучений вперёд – назад и немного уменьшившееся усиление. Цифры, сопровождающие диаграммы направленности сведены в нижеследующую таблицу:

Freq.       F-S Gain    F-B Ratio   Beamwidth   Feed Impedance    50-Ohm

MHz         dBi         dB          Degrees     R +/- jX Ohms     SWR

14.0        6.40        16.56       77.2        43.0 - j11.4      1.33

14.175      6.03        31.51       77.8        60.9 - j 3.3      1.23

14.35       5.67        19.94       78.4        75.6 - j 1.1      1.51

Разницу в усилении антенны при работе можно и не почувствовать, а изменение отношения вперёд – назад ощущается сразу. Расширение главного лепестка диаграммы направленности на 10 градусов может быть и полезным и вредным, - как посмотреть, зависит от вида работы. В соревнованиях, например, это сокращает время, необходимое на довороты антенны, которую не нужно будет часто крутить.

Конечно же, основным достоинством применения прямоугольника Moxon является сокращение размеров антенны. За удобства нужно платить. Вот и здесь, трудность заключается в исполнении загибов элементов и удержании на одном уровне концов элементов прямоугольника. Также в реальной конструкции наблюдается различная реакция фронтальной и тыльной части антенной системы на ветровые нагрузки. Короче говоря, прямоугольник Moxon требует более пристального внимания к себе на стадии разработки новой антенной системы, чем обычная двухэлементная Yagi.

Главное, что следует уяснить на диапазоне 15 метров, что здесь практически нет изменений от первоначальных характеристик (исходной антенной системы). Это подтверждают эскизы диаграмм направленности на рисунке Fig. 7 и данные компьютерной модели, сведённые в нижеследующую таблицу.

Freq.       F-S Gain    F-B Ratio   Beamwidth   Feed Impedance    50-Ohm

MHz         dBi         dB          Degrees     R +/- jX Ohms     SWR

21.0        6.63        11.08       67.0        61.9 - j37.3      1.99

21.225      6.22        11.75       67.8        50.1 + j 8.4      1.18

21.36       5.99        11.25       68.2        44.0 + j33.2      2.01

21.45       5.84        10.74       68.4        40.3 + j49.4      2.91

Значения усиления, если они и различаются, то совсем на небольшую, практически, ничего не значащую величину. Что касается других параметров, так они – копия таковых исходной конструкции. Короче, сочетание элементов антенны на 15 метров с прямоугольником Moxon, практически не влияет на её исходные характеристики.

Похожим образом, характеристики антенны на 10 метровый диапазон, как это показано на рисунке Fig. 8 для свободного пространства, близко повторяют характеристики этой же антенны до переделки. Данные в нижеследующей таблице, будучи сравнёнными с соответствующими в таблице к исходной антенной системе, дают понять как они близки.

Freq.       F-S Gain    F-B Ratio   Beamwidth   Feed Impedance    50-Ohm

MHz         dBi         dB          Degrees     R +/- jX Ohms     SWR

28.0        6.32        15.14       67.0        57.4 - j34.7      1.92

28.5        6.61        16.51       67.4        46.8 + j 0.7      1.07

28.9        6.90        17.38       68.0        36.5 + j26.8      1.99

29.0        6.99        17.51       68.2        33.0 + j33.2      2.43

В принципе, тогда возможно заменить элементы диапазона 20 метров в антенной системе типа С3 элементами прямоугольника Moxon без ухудшения характеристик, и только изменение диаграммы направленности на диапазоне 20 метров будет свидетельствовать о разнице между исходной и переделанной антенными системами. Получается и принципиально другая по размерам система, которая теперь может вписаться в ту площадь, в которую систему С3, при всём желании не впишешь.

Разность между теорией и практикой

Упражнения с разработкой антенной системы дали принципы её построения, теорию, но при переходе от теории к практике может возникнуть целый ряд проблем. Хотя я коснулся лишь немногих из них, посмотрим, сколько же их может быть.

1.Ограничения при моделировании: Привлеку Ваше внимание к факту, что программы NEC-2 и NEC-4 имеют ограничения, связанные с данными для близко расположенных проводников, имеющих различные длины и диаметры, даже в том случае, когда у них выравнены узлы соединений (переходы в диаметрах) с большой точностью. Изолированность ведомых вибраторов от физически питаемого, особенно на диапазоне 10 метров, говорит о том, что размеры элементов и расстояния между ними будут в расчёте лишь приблизительными. На практике здесь потребуется значительная подстройка. Для ведомого вибратора диапазона 10 метров можно воспользоваться следующими принципами:

A. Увеличение длины элемента уменьшает активное сопротивление в точках питания и увеличивает индуктивный характер реактивности (или уменьшает ёмкостный). Уменьшение длины элемента приводит к противоположному результату.

Б. Уменьшение расстояния понижает активное сопротивление в точках питания и увеличивает ёмкостный характер реактивности (или уменьшает индуктивный). Увеличение расстояния приводит к противоположному указанному результату.

Если эта антенна со связью с помощью открытых шлейфов у Вас - первая, будьте особенно терпеливыми и предельно внимательными. Очень легко забыть о принципах настройки антенны и настраивать не то, что нужно. Если это произойдёт, и значения импеданса в точке питания уедут неведомо куда, вернитесь к прежней исходной длине элемента и расстоянию и повторите процедуру вновь (Принцип: начни сначала!). Не делайте сразу слишком больших изменений при настройке и последующем измерении импеданса в точках питания, пока не почувствуете куда и насколько каждое Ваше “телодвижение” изменяет входной импеданс.

(Следует отметить, что более правильный теоретический термин был бы “точка питания”, на практике, однако, имеется две физических точки, которым подключается фидер, поэтому здесь применяется выражение “точки питания” – UA9LAQ).

2. Коническое изменение диаметров элементов и другие конструктивные особенности: В расчётных моделях используется один постоянный диаметр проводников элементов на всём их протяжении, что обычно на КВ диапазонах является непрактичным (повышенный вес антенной системы, повышенное ветровое сопротивление, низкая прочность). Для практических целей, модель нужно реконструировать, воспользовавшись процедурой конических структур, которая подходит для конкретных практических целей. Длину линейных элементов можно преобразовать, используя процедуру коррекции Leeson’а. Но, заметьте, такая процедура применима лишь к линейным элементам. Так, элементы антенны Moxon можно рассчитать на компьютерной модели в программе NEC-4 или же подойти к оптимуму в результате длительного эксперимента.

Однако, не всё так хаотично, как может показаться на первый взгляд. Элементы прямоугольника Moxon могут быть построены и настроены независимо друг от друга. Стоит один раз настроить прямоугольник и всё: на него, практически уже не влияют различные дополнения, например, на Moxon 20-метрового диапазона не влияет дополнение системы антеннами диапазона 15 и 10 метров.

Существует много способов обустройства углов конструкции прямоугольника Moxon. Можно просто загнуть алюминиевую трубку вокруг подходящего предмета, предварительно заполнив её внутри песком от сминания и/или прогреть трубу перед гибкой и после, для снятия механических напряжений, приводящих к растрескиванию металла. Тот, кто желает строить Moxon’ы, днём и ночью думает об этом и замечает подобные конструкции на своём пути. Можно отметить и ряд оригинальных мест, откуда можно взять эти загнутые части антенных элементов, например, от ножек кресел, раскладушек…Тонкостенные стеклотекстолитовые трубки можно использовать для крепления и разделения концов антенны (а если в такой трубке или штыре нарезать резьбу, как и на концах элементов, на одном - левую а на другом - правую, то можно будет с большой точностью такими стяжками подстраивать расстояние между торцами “хвостиков” – UA9LAQ). Поликарбонатные трубы были бы лучше и в смысле РЧ и в смысле высокого пробивного напряжения, но пойдут и стеклотекстолитовые.

На заключение, хотелось бы отметить, что было бы мудро предусмотреть простой крепёж для питаемого и ведомых активных вибраторов, который бы позволял выровнять эти вибраторы и поддерживать их в таком состоянии, несмотря на ветра. Полосы акриловой пластмассы, плексигласа или поликарбоната, выдвинутые от траверсы на 6…7 футов будут поддерживать вибраторы и не позволят КСВ “плясать” при первом порыве ветра.

Упражнение в разработке, в конце концов, является хорошим подтверждением принципов, положенных в основу конструкции и приглашением желающих к дальнейшему эксперименту. Я не хочу умалять достоинств антенной системы С3 и воздействовать, таким образом, на её сбыт. Тем не менее, заявляю: у кого недостаточно места для размещения антенной системы С3, стройте, как альтернативу, её модифицированный вариант с прямоугольником Moxon на диапазон 20 метров.

Антенная система OptiBeamOB6-3M

Начав разработку моделей модифицированной антенной системы С-3, я встретил ещё одну похожую конструкцию. OptiBeam of Germany (фирма в Германии) производит ряд многодиапазонных антенн типа Yagi, которые различаются с рядом антенн Force 12 в двух аспектах: в OptiBeams используется прямое питание всех активных вибраторов, а сами антенны немного массивней конструктивно.

Я предложил конструкторам Moxon’изовать систему с целью уменьшения размеров и они это сделали. Ниже приводится фото антенной системы OB6-3M, 6 элементной, 3-диапазонной направленной антенной системы, использующей в качестве антенны на 20-метровый диапазон прямоугольник Moxon. Относительно системы С3, малогабаритная модель Opti-Beam использует только два элемента на диапазон 10 метров с расположением вибратора за элементом на 20 метров и всего с одним директором. Конструкторы отметили расширение полосы пропускания у этой конструкции.

Для тех, кто не хочет проводить эксперименты, а хочет получить законченную конструкцию антенны можно заказать напрямую ОВ6-3М и другие по линии OptiBeam через Array Solutions. Поскольку у меня нет под рукой ни одной из версий антенн, то я не могу поручиться за их параметры, но они близки к тем, что рассмотрены выше.

Практика порой совпадает с теорией и при моделировании антенн.

Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru
г. Тюмень март, 2004