Занятие Основные радиолюбительские антенны Инвертед Ви

Антенна представляет из себя диполь с наклоненными вниз лучами.

При увеличении общей электрической длины антенны в число раз кратное 1/2 длины волны, антенна сохраняет свой резонанс. Удлинение антенны на 1/2 λ приводит к прибавке в усилении.
В случае горизонтального расположения антенна приобретает более широкую диаграмму направленности, приближающуюся к круговой.
Увеличение длины плеч диполя на 1/2 λ пропорционально нечетному числу обеспечивает низкоомный импеданс в точке питания антенны. Это происходит потому, что длина каждой стороны антенны пропорциональна 1/4 λ в нечетное число раз.

Данная статья рассказывает как сделать антенну в форме традиционной Инвертед-Ви, имеющей размеры каждого плеча равными 3/4 длины волны. Такая конструкция обладает большим усилением (в книге не указывается насколько) по сравнению с обычным полуволновым диполем. Антенна имеет более прижатый лепесток диаграммы направленности в вертикальной плоскости, что дает преимущество на дальних трассах.

Размеры практической конструкции антенны для 20-метрового диапазона расположенной на мачте высотой 8-14 метров определяются по приведенным ниже формулам.

Длина каждого плеча в метрах = 225 деленное на частоту в Мгц

Длина фидера в метрах = 198 деленное на частоту в Мгц

Приведенные константы (225 и 198) получены методом проб и ошибок, что подробно описано в упоминавшейся книге Эда Нолла. В случае более длинных антенн ряд констант для удобства можно продолжить. При каждом увеличении плеч антенны в нечетное число раз кратно с 1/4 λ прибавляйте к исходной константе число 150.  

Соответственно, для длины фидера (в метрах) действительны следующие константы:

Обратите внимание, что с каждым шагом константа увеличивается на 99 и на 122 для фидеров с коэффициентом укорочения 0,66 и 0,81 соответственно. (Для кабелей с другими коэффициентами укорочения данные о константах отсутствуют. Тем не менее, легко подсчитать длину кабеля для

1/2длины волны по следующей формуле: L фидера (для 1/2 λ в метрах) = 150 x К укорочения / F (Мгц).

Антенна слопер

Антенна типа "sloper" (наклонный диполь) - одна из наиболее распространенных. Особенно часто радиолюбители используют ее в диапазонах 80 и 40 м, где для проведения DX связей очень важно иметь прижатое к земле излучение в вертикальной плоскости.

Существует несколько вариантов конструкций антенны "sloper". На рис.1 показан "sloper" длиной 1/2L, Rвх = 75 Ом.

 
Puc.1

При использовании металлической мачты максимум излучения будет в направлении снижения полотна антенны. Если в качестве мачты применяется диэлектическая опора или дерево, диаграмма будет двунаправленная. На рис.2 показан "sloper" 1/4L. Rвх = 50 Ом. Металлическая мачта должна иметь достаточно хорошее заземление. так как от этого зависит эффективность работы антенны.

На базе такой антенны можно изготовить "sloper" на 160. 80, 40 метров. Она очень хорошо работает на Н Ч диапазонах, а при использовании антенного согласующего устройства ее можно использовать и на 20. 15, 10 метрах.

Антенна показана на рис.3. Удлиняющая катушка 160-метрового диапазона выполняется на диэлектрическом каркасе диаметром 41 мм, 68 витков (виток к витку), провод ПЭВ-2 диаметром 1 мм. Ее индуктивность должна быть около 87,2 мкГн. Так как заземленная мачта здесь является составной частью антенны, металлические оттяжки должны быть "разбиты" изоляторами. Настраивается антенна с помощью КСВ метра в местах, показанных на рис.3.

 
Puc.3

При использовании согласующего устройства настройка не требуется, достаточно лишь правильно выполнить длины плеч антенны. При использовании при многодиапазонном варианте плечо "А" должно иметь размеры, расчитанные на 3500 кГц. Но наиболее эффективным является "sloper" длиной 1L (рис.4). Такая антенна требует несколько большую площадь для ее установки, но это оправдывается ее работой. Rвх=75 Ом. Общая длина антенного полотна определяется по формуле:

Lm=(936*0,305)/fМГц

Сторона Am=(702*0,305)/fМГц

Сторона Вm=(234*0,305)/fМГц

Если установить на одной мачте 3-4 таких антенны, то с помощью антенного коммутатора можно выбирать различные направления излучения. Антенны не участвующие в работе, должны автоматически заземляться.

Антенна Ground Plane (GP)

На КВ-диапазонах (да и не только) наибольшее распространение получили антенны с вертикальной поляризацией. Часто выбираются антенны с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, одинаково хорошо работающие в любом направлении.

Наиболее широкое применение в этой группе получили антенны типа "Ground Plane" или сокращенно - "GP", показанные на рис. 10.2.

Антенна имеет штыревую конструкцию, удобную для размещения как на крыше здания, так и на автомобиле. Она проста и, в то же время, достаточно эффективна. Длина штырей (/4) для работы в диапазоне 27 МГц зависит от диаметра трубок и указана в табл.1

Таблица 1. Длина элементов антенны GP

Для нормальной работы антенны она снабжается тремя противовесами, которые можно выполнить из трубки или антенного канатика. Длина противовесов выбирается равной, или на 2,5% больше 2/4. Для Си-Би диапазона можно принять ее равной 275 см. Входное сопротивление антенны зависит от угла между противовесами и мачтой: чем меньше этот угол (противовесы прижаты к мачте), тем больше сопротивление. Для получения входного сопротивления 50 Ом угол выбирается равным 30-45 градусов. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости имеет максимум под углом 30 градусов к горизонту. Усиление антенны примерно равно усилению вертикального полуволнового диполя. Наилучшая работа обеспечивается при высоте мачты около 6 м.

Эта антенна наиболее широкополосна из всех вариантов GP. Если после установки минимум КСВ антенны оказывается несколько выше или ниже частоты 20 канала сетки С, длину штыря необходимо соответственно увеличить или уменьшить. После настройки антенны в резонанс минимума КСВ на средней частоте добиваются изменением угла установки противовесов.

Недостатком данной конструкции является отсутствие соединения штыря с мачтой, что требует дополнительных мер по грозозащите и защите от статического электричества. Наиболее простым способом защиты является использование короткозамкнутого шлейфа из кабеля длиной /4, подключенного к фидеру с помощью тройника. Шлейф обеспечивает соединение центральной жилы фидера с заземленной оплеткой по постоянному току и не влияет на согласование антенны. Схема подключения шлейфа приведена на рис.3

Длина шлейфа рассчитывается с учетом коэффициента укорочения используемого кабеля и составляет около 2 м.

GP с длиной /2

На рис. 10.4 приведена конструкция полуволновой антенны GP длиной /2. По сравнению с вышеописанной антенной она имеет вдвое большую длину штыря, что предъявляет повышенные требования к обеспечению ветровой прочности конструкции. Антенна не нуждается в противовесах, роль которых выполняет мачта, а ее диаграмма направленности в вертикальной плоскости сильнее прижата к горизонту, что улучшает условия радиообмена с удаленными корреспондентами. Поскольку антенна имеет высокое входное сопротивление, кабель подключается к ней через согласующий высокочастотный трансформатор. Основание штыря соединяется с заземленной мачтой через согласующий трансформатор, что автоматически решает проблемы грозозащиты и статики. Усиление антенны по сравнению с полуволновым диполем составляет около 4 дБ.

Типовые данные согласующего трансформатора:

Диаметр каркаса - 30мм

Диаметр провода - (ПЭВ-2) 1мм

Число витков - 6

Отвод от 1.5 – витка считая от (холодного) заземленного вывода катушки

Кабель подключается центральной жилой к отводу.

Полотно антенны подключается к "горячему" выводу катушки.
GP с длиной 5/8

Наиболее эффективной для дальних связей является GP длиной 5/8. Ее конструкция показана на рис. 10.5. Она несколько длиннее полуволновой антенны, а кабель фидера подключается к согласующей индуктивности, расположенной в основании вибратора. Этот тип антенны требует использования не менее трех противовесов длиной (0,1-0,2), расположенных в горизонтальной плоскости. Антенны этого типа узкополоснее полуволновых, в связи с чем они требуют более тщательной настройки. Настройку на средней частоте обеспечивают как изменением длины штыря, так и регулировкой величины согласующей индуктивности. Нужное входное сопротивление достигается выбором точки подключения кабеля к согласующей катушке. Усиление этой антенны составляет 5-6 дБ, максимум диаграммы направленности расположен под углом 15 градусов к горизонту. Штырь этой конструкции также заземлен на мачту через согласующую катушку. Примерные данные согласующей катушки для волнового сопротивления кабеля 50 Ом:

диаметр провода - 1,5 мм,

число витков - 22,

шаг намотки -2,5 мм,

отвод - от 9-го витка,

считая от заземленного конца катушки.

Установка антенны на крыше может сильно влиять на ее характеристики. Общими рекомендациями являются следующие:

• 
  основание антенны желательно располагать не ниже 3 м от плоскости крыши;
  
• 
  вблизи от антенны не должно быть металлических предметов и конструкций (например телевизионных антенн, проводов и т. п.);
  
• 
  устанавливать антенну желательно как можно выше;
  
• 
  для нормальной работы станции ближайшая базовая Си-Би антенна не должна быть расположена ближе 200 м.
  

При необходимости расширения полосы частот диаметр трубок увеличивают, или используют трубки с ребристой наружной поверхностью. Поскольку ток, протекающий по штырю антенны, уменьшается к ее верхнему концу, диаметр верхней части штыря можно уменьшить без ухудшения ее параметров. Одним из наиболее простых средств расширения полосы частот длинных штыревых антенн является применение втулки с четырьмя усами длиной около 100 мм и диаметром 4-5 мм, закрепляемой в верхней части штыря (рис. 10.6). При этом резонансная частота антенны понижается и длину штыря придется несколько уменьшить. При работе антенны на передачу по ней протекают довольно большие токи, поэтому необходимо обеспечить очень хорошее соединение всех элементов между собой и позаботиться об их защите от коррозии.

Антенна «волновой канал» была изобретена в 1926 году японцем Синтаро Удо в сотрудничестве с Хидэцугу Яги из Университета Тохоку, расположенного в городе Сэндай в Японии. Яги опубликовал первое описание антенны на английском языке, в связи с чем в западных странах она стала ассоциироваться с его именем. Яги, впрочем, всегда упоминал принципиально важную роль Уда в изобретении антенны, в связи с чем правильным названием должно быть «антенна Удо-Яги».

Антенна получила широкое распространение во время Второй мировой войны в качестве антенны радаров ПВО благодаря её простоте и хорошей направленности. Японские военные впервые узнали об антенне послебитвы при Сингапуре, когда к ним попали записки английского радиоинженера, упоминавшего «антенну яги». Японские офицеры разведки не поняли в этом контексте, что Яги — это фамилия создателя.

Несмотря на то, что антенна была изобретена в Японии, она оставалась неизвестной большинству японских разработчиков радаров в течение большой части военного периода, из-за противоречий между флотом и армией.

Антенну горизонтальной поляризации можно видеть под левым крылом самолётов, базирующихся на авианосцах, — Grumman F4F, F6F, TBF Avenger. Антенну вертикальной поляризации можно видеть на носовом обтекателе многих истребителей Второй мировой войны.

Антенна состоит из расположенных на траверсе (на рисунке — Т) активного (A) и ряда пассивных вибраторов — рефлекторов (R), расположенных относительно направления излучения за активным вибратором, а такжедиректоров (D), расположенных перед активным вибратором. Чаще всего применяется один рефлектор, число директоров меняется от нуля до десятков. Активный вибратор имеет длину около полуволны (0,5 λ), рефлектор длину немного большую 0,5 λ, директоры имеют длину, меньшую 0,5 λ. Расстояния от активного вибратора до рефлектора и до первого директора составляют около 0,25 λ.

Излучение Активного диполя (красного цвета), возбуждает ток в пассивном Директоре, который переизлучает волну (синего цвета), имеющую конкретный сдвиг фазы (см. пояснение в тексте). В результате, излучение Активного вибратора и Директора (зелёного цвета), в направлении рефлектора, складывается в противофазе, а в направлении директора — в фазе, что приводит к усилению излучения в направлении Директоров.

Излучение антенны можно рассматривать как сумму излучений всех составляющих её вибраторов. Ток, наведённый излучением активного вибратора в рефлекторе, наводит в нём напряжение. Для рефлектора, сопротивление которого носит индуктивный характер за счёт длины, большей 0,5 λ, напряжение отстает по фазе от напряжения в активном вибраторе на 270­°. В результате излучение активного вибратора и рефлектора в направлении рефлектора складывается в противофазе, а в направлении активного вибратора — в фазе, что приводит к усилению излучения в направлении активного вибратора приблизительно вдвое. Аналогично рефлектору работают директоры, однако из-за емкостного характера их сопротивления (что определяется их меньшей длиной) излучение усиливается в направлении директоров. Каждый дополнительный рефлектор или директор дают прибавку усиления, но меньшую, чем предыдущий рефлектор и директор, причём для рефлектора эффект ослабления действия дополнительных элементов намного более выражен, поэтому более одного рефлектора применяют достаточно редко.

Трёхэлементный волновой канал имеет усиление около 5-6 dBd, шестиэлементный — около 9 dBd, десятиэлементный — около 11 dB. Для длинных (более 15 элементов) антенн можно считать, что усиление увеличивается примерно на 2,2 dB на каждое удвоение длины антенны. Антенна обладает хорошим направленным действием. Антенна достаточно проста, имеет относительно небольшую массу, а отсутствие сплошных поверхностей обеспечивает малую парусность.

Двухэлементная антенна

Несмотря на простоту изготовления, она уже дает преимущества в работе с DX по сравнению с антеннами типа диполь или четвертьволновый штырь.

Теоретическое усиление двухэлементной антенны — 5,4 дБ по отношению к изотропному излучателю.

Это эквивалентно увеличению мощности передатчика со 100 Ватт до 350 Ватт

Чертеж двухэлементной антенны показан на рис. 47, где и даны формулы для расчета длин элементов и расстояние между ними.

Входное сопротивление разрезного полуволнового вибратора около 25 Ом, поэтому для запитки его коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 50 или 75 Ом необходимо применять различные способы согласования.

Размеры и способы конструктивного выполнения гамма согласования для различных диапазонов приведены в данном разделе.

 Способ согласования, позволяющий равномерно распределить энергию от питающего кабеля к вибратору, показан на 

Антенна ДВ 33 представляет собой два трехэлементных волновых канала оптимально расположенных на одной траверсе, рассчитанных для диапазонов 15 и 10 м

Размеры антенны ДВЗЗ показаны на рис. 52.

Характеристики антенны ДВЗЗ такие же, как и у обычного трехэлементного волнового канала.

Конструкция антенны ДВ43 аналогична принципу работы ДВЗЗ, но на диапазонах 15 м добавлен еще один пассивный элемент.

Фирме “Wilson Electronics” удалось оптимально разместить три элемента для диапазона 10 м, максимально ослабив взаимное влияние двух антенн.

 Размеры антенны ДВ43 показаны на рис. 53.

Четырехэлементный волновой канал на диапазон 15м оптимально расположен на одной траверсе с 5-элементным волновым каналом на диапазон 20 метров.

Характеристики антенны такие же, как и обычного 5 и 4-элементного волнового каналов.

Размеры антенны ДВ54 показаны на рис. 54, а на рис. 55 показан график значений КСВ для диапазонов 20 и 15 м.

Сразу оговорюсь, что речь будет только о рамках, подвешенных вертикально. Из всех Loop антенн, Delta Loop считается самой наихудшей по усилению, т.к. занимает наименьшую площадь в пространстве, при заданном периметре. Лидирует в этой группе антенн, круглая петля, затем идет восьмиугольник, шестиугольник, квадрат и в конце списка идет Delta Loop. Эта не столь значительно, но все же есть. Поэтому ее называют,квадрат бедного радиолюбителя,,. Она очень удобна тем, что требует только одной точки подвеса. Максимум усиления Loop получается при отношении

Где F - рабочая частота

В пределе, когда высота треугольника стремится к нулю, Loop становится полуволновой передающей линией (полуволновый повторитель), закороченной на конце и следовательно, имеющей нулевой импеданс, а значит и нулевое излучение.

Также, как и квадрат, дельта может питаться как горизонтальной, так и вертикальной поляризацией. Рассмотрим для начала вертикальную поляризацию, Рис.2 . 

Точка питания-точки В и С, причем, растояние CD =0.25 лямбды, а центральная жила кабеля, подключена к точке C. В том случае мы получаем два наклонных четвертьволновых вертикала CD и ED соединенных своими вершинами в точке D. Нижняя сторона BAGF питают второй вертикал в нужной фазе. Первый вертикал имеет свой собственный встроенный радиал BAH, второй имеет свой-FGH. Распределение тока в нижней стороне таково, что они взаимно уничтожаются, т.к.протекают встречно. Излучения сторон AD и GD скдадываются, т.к. стороны питаются в фазе. Таким образом дельта становится адекватной двум вертикалам, запитываемых в фазе и разнесенных на 0.25-0.3 лямбды. Такая система имет увеличенный коэф. Усиления, по сравнению с одиночным вертикалом, к тому же, не нуждается в системе противовесов, как одиночный вертикал. Почему же вершины, соединенные вместе не оказывают влияния на работу этих двух вертикалов? Причина в том, что ток минимален в этой точке D, а мы знаем, что на излучение влияет ТОЛЬКО ток в антенне. По этой причине, мы можем разомкнуть антенну в точках D и H. На работе дельты это не должно никак отразиться. Но в этом случае, она становится однодиапазонной.

На работу всех вертикальных антенн в радиусе нескольких лямбд будет играть очень большое значение качество земли. От него зависит коэф.отражения от земли, а следовательно и интенсивность излучения на низких углах. Дельты с вертикальной поляризацией, очень некритичны к высоте подвеса, как и все вертикалы. На 3.5 Мгц, например, достаточно высоты нижней стороны от земли 3 м., а верхней точки 21м. Если мы запитаем дельту в точках A или G, то этом случае, горизонтальные токи в нижней стороне не будут полностью компенсироваться, а поэтому в диаграмме появится значительная часть горизонтальной поляризации с углами , близкими к зениту, т.е. совершенно бесполезными при работе на дальние дистанции.

Сразу же я позволю себе сделать очень важное заключение о влиянии качества земли на работу вертикалов и горизонталов. В СЛУЧАЕ ПЛОХОГО КАЧЕСТВА ЗЕМЛИ ВЕРТИКАЛЫ ТЕРЯЮТ ТОЛЬКО ИНТЕНСИВНОСТЬ ЛЕПЕСТКА, СОХРАНЯЯ УГОЛ НЕИЗМЕННЫМ. ДЛЯ ГОРИЗОНТАЛОВ, ЭТО ЖЕ, ПРИВОДИТ К УВЕЛИЧЕНИЮ УГЛА, ВПЛОТЬ ДО ЗЕНИТА. Это фундаментальное заключение.

Теперь рассмотрим вариант питания антенны с горизонтальной поляризацией. Запитаем ее , для наглядности, в точке D. В этом случае мы видим, что мы имеем Inverted V , с центром в точке D и параллельно ему на концах, подключен короткий диполь BAGF. В этом варианте наша дельта будет работать, как любая горизонтально поляризованная антенна, и ее работа будет очень сильно зависеть от качества земли и от высоты подвеса. Если мы подвесим горизонтальную антенну для 3.5 Мгц на высоту 21 м., то мы получим почти исключительно зенитное излучение, совершенно бесполезное для дальних связей. При плохой земле, горизонт. поляриз. дельты лучше, чем вертик. поляр. на углах более 35 град. Более низкие углы- прерогатива верт. поляр. дельт. Максимальное усиление вертикально поляр. дельт, и горизонтально поляр. отличается только на 2 db, в пользу последних, но последние имеют это усиление на углах близких к зениту т.е. 90 град., в то время , как у верт. поляр. дельт это усиление на углах 25 град. Верт. поляр. дельты хорошо ослабляют сигналы, приходящие с зенита, т.е. местных станций, которые слышны и без того, очень хорошо. При хорошей земле, вертик. поляр дельты будут иметь до 10 db больше усиления, чем гориз. поляр. дельта, да плюс к то же и режекция сигналов с высоких углов. Резонансная длина дельты от 1.05 до 1.06 длины волны. Или, если по формуле

L(m)=299.8/F(MHz)

Из своего личного опыта эксплуатации этих антенн, могу сказать, что если вы настроили в резонанс антенну для гориз. поляр. , то при переходе на вертикальную , т.е. при замене точки питания, сопротивление питания довольно сильно изменяется, что приходится учитывать , при согласовании. У меня есть возможность протягивать полотно антенны через изоляторы (антенна не зафиксирована в изоляторах), и таким образом, я могу за 2-3 минуты изменять поляризацию антенны. Я проводил замеры при помощи VA1 анализатора, и получил следующие показания.

Высота нижней стороны над крышей 1.7 м. Высота крыши над землей 55 м. Дельта наклонена под углом 30 град, провод в ПВХ изоляции.

Частота 7Мгц, мощность 100 Вт (IC-756)

В первом случае -верт. поляр, во втором-гориз. Поскольку импедансы весьма различны, пришлось изготовить отдельные элементы согласования.

У меня два бокса с элементами согласования, для верт. и гориз. вариантов. Проводил измерения зимой, т.к. более стабильное прохождение.

С горизонтальной поляр. дельта начинала работать на Восточную Европу только начиная с 22-22.30 по Торонтскому времени. При переходе на верт. поляр. тоже самое она делала с 19.30-20 ч. Это можно обьяснить только одним - у вертик. варианта ниже угол излучения. Проверялось это многократно, поэтому ошибка маловероятна. В сравнении с вертикалом R8 Cushcraft , дельта давала выигрыш до 1.5-2 баллов, в момент , когда прохождение только начиналось, а в ночное время на 7 Мгц, эти обе антенны работали одинаково хорошо. Только за период с октября прошлого, я сработал на дельте, с вертик. поляр. , на диап.7 Мгц., 157 стран и 40 зон. .

Поскольку дельта - симметричная антенна, то питать ее лучше симметричной линией. Я для этого применил ферритовые бочонки, с внутренним диаметром, чуть больше диаметра кабеля. Их надо нанизать на кабель по длинне примерно 30 см, и в точке, отстоящей от точки питания антенны на 1-1.5 м.

Все вышесказанное говорит о том, что надо применять антенны с вертик. поляризацией, ввиду их явных преимуществ перед горизонтальными антеннами, особенно, когда очень трудно обеспечить необходимую высоту подвеса.