Рис. 11.2.1.
В разделе 5.3 рассмотрено, как включением LC-контуров сделать диполь или рамку с несколькими резонансными частотами.
На первый взгляд, создание многодиапазонной направленной антенны из мультирезонансных элементов выглядит несложной задачей: сделаем вибратор, резонирующий в серединах нужных диапазонов, и пассивные элементы, резонирующие на несколько % ниже (если это рефлектор), или выше (если директор) средних частот диапазонов. И разместим эти элементы на траверсе.
Но, как это обычно и бывает, на практике возникают трудности. К общим проблемам таких антенн (см. окончание предыдущего параграфа) в данном случае прибавляется еще одна. Ведь мультирезонансный элемент с LC-контурами (как параллельными – трапами, так и последовательными) на нижних диапазонах укорочен (раздел 5.3). Причем, наихудшим из всех возможных способов укорочения – индуктивностью.
Укорочение, кроме общего сужения полосы и падения усиления, приводит и к изменению оптимального расстояния между элементами, а для 2-х элементной антенны даже типа пассивного элемента (см. гл. 8).
Поэтому антенны с мультирезонансными элементами всегда компромиссны. Проектирование таких антенн требует одновременного сведения противоречивых требований и сильно напоминает поговорку: «Нос вытащил – хвост увяз». Приходится чем-то жертвовать: или усилением, или согласованием, или F/B.
Другой недостаток антенны с мультирезонансными элементами – необходимость учитывать паразитные резонансы других диапазонов. Но ведь здесь же нет элементов других диапазонов. Элементов нет, а резонансы других диапазонов есть. Посмотрите на рис. 11.1.1. Показанная там картина «рассыпания» ДН на 28 МГц никак не изменится в лучшую сторону, если вместо двух отдельных директоров 28 и 24 МГц, мы установим двухчастотный директор 24\28 МГц. С точки зрения поля вибратора 28 МГц все равно, что справа от него (по рис. 11.1.1) действует как паразитный рефлектор этого диапазона: отдельный директор 24 МГц или двухчастотный 24\28 МГц.
Наиболее распространенны мультирезонансными траповые антенны. Как описано в пп. 5.3.1 – 5.3.4 элементы с параллельными LC фильтрами-пробками (трапами) могут резонировать в нескольких диапазонах. Трапы действуют как резонансный переключатель, отключающий избыточную (с точки зрения полуволнового резонанса) на данном диапазоне часть длины элемента.
Отмечу, что трапы одного диапазона во всех элементах (R, W, D) должны настраиваться на одинаковую частоту: среднюю данного диапазона. Не следует настраивать трапы рефлектора и директора, ориентируясь на их резонансные частоты. Рефлектор резонирует на несколько % ниже средней частоты диапазона, а директор – на несколько % выше. Но физически в антенне нет токов, соответствующих этим частотам. По всем элементам протекают только токи с частотой данного диапазона. Их и надо отсекать трапами. А разные резонансные частоты R и D означают лишь время задержки (т.е. фазу) токов с частотой рассматриваемого диапазона.
Классическая трехдиапазонная (14\21\28 МГц) траповая антенна Уда-Яги приведена в файле …3e lTriband Yagi.gaa и на рис. 11.2.1 (ДН и параметры на этом рисунке соответствуют диапазону 21 МГц). Подобные антенны выпускаются под разными названиями, например A3S.
Основные параметры антенны рис. 11.2.1 в свободном пространстве показаны
в табл. 11.2.1.
Табл. 11.2.1.
| Диапазон |
КСВ50 на резонансе |
Ga, dBi |
Макс. F/B, дБ |
Полоса по уровню: | ||
| F/B > 12 дБ, кГц | КСВ < 1,5, кГц | КСВ < 2, кГц | ||||
| 14 МГц | 1,3 | 6 | 17 | 400 | 120 | 250 |
| 21 МГц | 1,1 | 6 | 22 | 250 | 150 | 270 |
| 28 МГц | 1,1 | 7,6 | 20 | 1500 | 400 | 1000 |
Из этой таблицы хорошо виден компромиссный характер антенны.
Диапазон 28 МГц. Работают только внутренние части элементов. Все остальное отрезано трапами. Длина траверсы 0,4l. Это предельное значение для F/B = 20 дБ. Дальнейшее удлинение траверсы ощутимо снижает F/B на 28 МГц. Большая длина траверсы позволяет легко получить широкие полосы как по F/B, так и по КСВ. Их даже не очень портят подключенные через узкополосные трапы внешние части элементов. В этом диапазоне антенна оптимальна (ну, разве что F/B не блещет из-за длинноватой траверсы).
Диапазон 21 МГц. Работают внутренние части элементов, плюс, подключенные через расстроенные на этом диапазоне трапы 28,3 МГц средние части (до трапов 21,2 МГц). Электрическая длина траверсы уменьшается до 0,3l. Не представляет труда получить хорошее F/B и Ra близкое к 50 Ом.
Но вот с полосами в этом диапазоне беда. Во-первых, работающие части элементов укорочены трапами 28,3 МГц, работающими в этом диапазоне как катушки индуктивности. Коэффициент укорочения получается весьма ощутимым: 0,8. При КУ = 0,8 полоса трехэлементной Уда-Яги уменьшается более, чем в 1,5 раза, по сравнению с полноразмерной (рис. 8.1.2). Окончательно добивают полосу в этом диапазоне внешние части элементов, подключенные через трапы 21,3 МГц. Трапы ведь узкополосные. И при расстройке уже в десятки килогерц ведут себя не как изоляторы, а как реактивность. К сожалению, в данной антенне на 21 МГц это приводит к заметному сужению полосы: она не превышает 300 кГц даже по самым мягким критериям.
Диапазон 14 МГц. Работает вся длина элементов. За счет катушек трапов КУ = 0,7. Это довольно много, но т.к. к дальним концам больше ничего не подключено, то относительная полоса получается даже шире, чем на 21 МГц (абсолютная немного уже).
Электрическая длина траверсы всего мала, 0,2l. Кроме негативного влияния на полосу, это мешает получить Ra, близкое к 50 Ом. Приходится расстраивать элементы, уводя элементы от максимума F/B. Опустив такой расстройкой F/B до 17 дБ, удается получить Ra = 37 Ом, что дает КСВ50 = 1,3. Улучшить КСВ в этом диапазоне можно только за счет ухудшения F/B и наоборот.
Для улучшения антенны в диапазоне 14 МГц можно отодвинуть директор подальше от вибратора, так, чтобы общая длина траверсы достигла бы 0,3 …0,35l. При этом возрастает Ra до 50 Ом, F/B уходит за 20 дБ, а полоса расширяется.
Но при этом ведь на 28 МГц длина траверсы окажется целых 0,6 …0,7l. Это чересчур много для трех элементов. Поэтому число элементов на 28 и 21 МГц приходится увеличивать до четырех. Для этого между общим вибратором и крайним правым директором (который работает на всех трех диапазонах) вставляют двухчастотный директор (тоже с трапами) 21/28 МГц. Поучается 3 элемента на 14 МГц и по 4 – на 21 и 28 МГц, т.е. принцип использования каждого элемента на каждом диапазоне тут нарушается. Один из директоров на 14 МГц не используется.
Такая антенна имеет хорошие характеристики на 14 и 28 МГц, однако на 21 МГц полоса по-прежнему остается узкой.
С помощью трапов можно сделать двухдиапазонным и «двойной квадрат». На
верхнем диапазоне это обычный QQ, разве что расстояние между рамками
выбирается больше обычного, около 0,2l. Для
того, чтобы получить резонанс на втором, более низкочастотном диапазоне
к обеим рамкам добавляются емкостные нагрузки. А чтобы они не влияли на
верхний диапазон, их отсекают трапами.
Пример такого двухдиапазонного (14 и 21 МГц) «двойного квадрата»
приведен в файле … QQ21-14short.gaa и на рис.
11.2.2 (ДН и параметры на этом рисунке соответствуют диапазону 14 МГц).
Основой антенны является обычный QQ на 21 МГц, в который при помощи трапов (расположенных обычным образом, в пучностях напряжения) добавляются емкостные нагрузки на 14 МГц.
Параметры антенны рис. 11.2.2 в свободном пространстве показаны в табл. 11.2.2. В диапазоне 21 МГц они соответствуют обычному «двойному квадрату» с удлиненной траверсой. А на 14 МГц полоса антенны очень узкая и усиление мало. Укорочение дало себя знать
Табл. 11.2.2.
| Диапазон |
КСВ50 после согласующего отрезка |
Ra, Ом |
Ga, dBi |
Макс. F/B, дБ |
Полоса по уровню: | ||
| F/B > 12 дБ, кГц | КСВ < 1,5, кГц | КСВ < 2, кГц | |||||
| 14 МГц | 1,1 | 85 | 3,9 | 20 | 100 | 70 | 160 |
| 21 МГц | 1,4 | 150 | 6,9 | 20 | 800 | 230 | 1000 |
Согласование антенны рис. 11.2.2 сделано отрезком кабеля 75 Ом с электрической длиной l/4 на 21,2 МГц, дающем входное сопротивление 112 Ом. Но Ra = 150 Ом, поэтому КСВ на резонансе не очень хорош – 1,4. На 14 МГц тот же кабель имеет электрическую длину 0,167l и преобразует 50 Ом в 85 + j31 Ом. Следовательно, он согласует Za = 85 – j31 Ом (т.е. комплексно-сопряженный импеданс). Активная часть входного импеданса в этом диапазоне близка к 85 Ом, а требуемые реактивные – j31 Ом легко получить небольшим укорочением емкостных нагрузок. Поэтому КСВ на 14 МГц получается низким.
У любых элементов с трапами есть общий недостаток: отключенные трапами части не используются на верхних диапазонах. А зря, избыточную длину можно конвертировать в усиление. Но для этого надо, чтобы на всех диапазонах работала бы вся длина элемента. Добиться этого можно только включением СУ в точки максимального тока каждого из элементов.
В п. 5.1.5.1 описано, что параллельный LC-контур в точке питания работает не как трап, а как двухдиапазонное СУ. При этом один диполь имеет два резонанса. На верхнем диапазоне диполь подключен к источнику через емкостное –jX контура, на нижнем – через индуктивное +jX контура. Поэтому физически на верхнем диапазоне диполь удлинен, а на нижнем укорочен.
Ясно, что из трех таких диполей можно создать трехэлементную двухдиапазонную антенну Уда-Яги.
Такая антенна на диапазоны 14 и 21 МГц показана в файле …3el_14-21LC.gaa и на рис. 11.2.3. Физические размеры всех элементов антенны рис. 11.2.3 одинаковы. Необходимые резонансные частоты элементов устанавливаются настройкой контуров (отдельно L и С), в них включенных: R настраивается на 13,94 и 20,8 МГц; W – 14,15 и 21,2 МГц; D – 14,69 и 21,74 МГц.
ДН и распределение токов на рис. 11.2.3 соответствует
диапазону 21 МГц. Видно, что в отличие от траповых
антенн работает вся длина элемента. Без дела не
простаивает ни один кусочек. Прибавка усиления на 21 МГц
от этого, хотя и невелика (и дополнительно «съедается»
потерями в LC-контурах), но имеется. Электрическая длина
траверсы на этом диапазоне оптимальна для трехэлементной
антенны – 0,35l.
В диапазоне 14 МГц элементы укорочены с КУ = 0,8. Это, конечно, уменьшает Ga, полосу и Ra. Вносит свой вклад и укорочение электрической длины траверсы до 0,35l. Ra самой антенны на 14 МГц получается около 28 Ом и повысить его не удается.
Согласование в обоих диапазонах делается отрезком линии 37,5 Ом (два
кабеля 75 Ом в параллель) электрической длиной 5,4 м. В диапазоне 14 МГц это
составляет 0,26l и повышает 28 Ом до 50 Ом. На 21
МГц электрическая длина согласующего отрезка возрастает до 0,37l.
Такой отрезок согласует на 50 Ом импеданс 36 – j10 Ом. На эти значения и
должна оптимизироваться антенна в диапазоне 21 МГц.
Табл. 11.2.3.
| Диапазон |
КСВ50 на резонансе |
Ga, dBi |
Макс. F/B, дБ |
Полоса по уровню: | ||
| F/B > 12 дБ, кГц | КСВ < 1,5, кГц | КСВ < 2, кГц | ||||
| 14 МГц | 1,1 | 6,5 | 22 | 400 | 230 | 350 |
| 21 МГц | 1,1 | 8 | 22 | 700 | 180 | 310 |
Основные параметры антенны рис. 11.2.3 в свободном пространстве показаны в табл. 11.2.3. Сравним их с аналогичными значениями антенны рис. 11.1.1, которая имеет близкие (но чуть меньшие) размеры и равное число элементов:
В общем, антенна рис. 11.2.3 имеет очень хорошие параметры для двухдиапазонной системы. А чем это удовольствие оплачивается? Весьма сложно процедурой проектирования и настройки.
Данные LC-контуров зависят от электрической длины элемента. А, следовательно, от его длины, радиуса и способа таперирования, высоты над землей. Поэтому путь «сделать все 1 к 1, как в описании» скорее всего не сработает.
Нет, если вы используете трубы диаметром 25 мм и поднимите антенну выше полуволны, то повторение по данным рис. 11.2.3 даст хорошие результаты.
Если же трубы будут иными, то придется на модели подгонять не только их размеры, но и значения L и C каждого из контуров. В самом деле, если вы меняете радиус элемента, меняется его погонная индуктивность (да и вообще – размах характеристики jX(f) см. рис. 3.3.3 – 3.3.6) и для настройки его на заданные частоты потребуются уже другие значения L и С каждого из контуров.
Причем, в отличие от трапов, при такой настройке не стоит обращать внимания на резонансную частоту контуров. На рис. 11.2.3 она приведена только для справки. При иных радиусах элементов резонансные частоты контуров вполне могут меняться. Кстати, поэтому требования по электрической прочности к данным LC-контурам намного ниже, чем у трапов. Впрочем, сильно радоваться этому не следует – требования по добротности остаются высокими. Ведь сопротивления потерь катушки и конденсатора включены последовательно с источником и бесполезно отбирают мощность последнего на нагрев, снижая общее усиление антенны. Но вернемся к настройке.
Ориентироваться при ней (как на модели, так и на практике) надо требуемые резонансные частоты элементов, приведенные выше, перед рис. 11.2.3. А после того как они достигнуты, точно подогнать F/B и Ra в каждом диапазоне.
Проблема состоит в том, что каждый из элементов LC-контура одновременно влияет на оба диапазона. Хотя изменение L влияет в большем на низший диапазон, а С – на высший, но настройка каждого элемента требует нескольких кругов (п. 5.1.5.1).
Можно применить описанный прием и для «двойного квадрата». Но на нижнем диапазоне результаты получаются неважные. Не любят QQ укорочения индуктивностью (п. 8.1.3). Но для полноты картины рассмотрим такую антенну. Она приведена в файле …14-21LC 2 el quad.gaa и на рис. 11.2.4. Параметры и распределение токов на этом рисунке соответствуют диапазону 14 МГц.
Основные параметры антенны рис. 11.2.4 в свободном пространстве показаны
в табл. 11.2.4.
Табл. 11.2.4.
| Диапазон |
Ra, Oм |
Ga, dBi |
Макс. F/B, дБ |
Полоса по уровню: | ||
| F/B > 12 дБ, кГц | КСВ < 1,5, кГц | КСВ < 2, кГц | ||||
| 14 МГц | 100 | 4,8 | 20 | 120 | 90 | 180 |
| 21 МГц | 260 | 7,3 | 20 | 600 | 800 | 1300 |
Бросаются в глаза плохие параметры в диапазоне 14 МГц. Усиления всего 4,8 dBi для направленной антенны мало. Можно немного (до 5,2 ... 5,5 dBi) поднять усиление, повышая добротность катушек до 300 … 400 (в модели …14-21LC 2 el quad.gaa установлена добротность 200). Но такие катушки имеют ощутимый вес, а рамки у нас проволочные. Механически неудобно получится. И даже при очень хороших катушках мы никуда не денемся от очень узкой полосы. Фактически антенна ведет себя как направленная лишь в полосе 120 кГц. И столь печальный результат получается при относительно небольшом укорочении, КУ = 0,8.
В диапазоне 21 МГц антенна рис. 11.2.4 имеет параметры хорошего «двойного квадрата». Однако большое (0,2l) расстояние между рамками и их физическое удлинение приводят к избыточно высокому Ra = 260 Ом. Согласовать его конечно можно. Но не одновременно со 100 омами входного сопротивления на 14 МГц. Поэтому требуется еще и переключение согласующего устройства по диапазонам.
В п. 5.1.5.1 описано, что включение в пучность тока двух LC-контуров дает три резонансные частоты такого элемента (см. модель …\ANT\HF multibands\Ant+tuner\14-21-28 LCdipole.maa). По идее, из таких элементов можно сделать трехдиапазонную направленную антенну. Имеются даже описания в любительской литературе. Но, к сожалению, трудоемкость настройки такой антенны превосходит все мыслимые пределы. В каждом из элементов имеются по 4 регулировки (две катушки, два конденсатора), причем каждая из этих регулировок влияет на все диапазоны сразу. Поэтому практическая настройка такой антенны на рабочей высоте представляется делом почти безнадежным. Во всяком случае, мне на практике такие антенны ни разу не встречались.