Дачная или экспедиционная антенная фазированная решетка для дальних связей на КВ.
В предыдущей публикации /1/ мы показывали, что в условиях, когда нет возможности поднять антенну на значительную высоту, преимущество при проведении дальних связей имеют антенны с вертикальной поляризацией, имеющие малый угол излучения: вертикальный изогнутый диполь (рис.1), вертикальный Moxon (рис.2).
Мы намеренно не упоминаем здесь вертикалы с системой противовесов или радиалов, поскольку эти антенны весьма неудобны для размещения на дачных участках или в экспедиционных условиях.
Вертикальный Moxon (рис.2), хотя и является неплохой направленной антенной с малым углом излучения, все же имеет недостаточное усиление по сравнению с многоэлементными "волновыми каналами" или "квадратами". Поэтому у нас естественно возникло желание попробовать фазированную решетку из двух вертикальных Moxon'ов, подобную использовавшейся американскими радиолюбителями в экспедиции на Ямайку (они назвали ее "2х2") /2/.
Простота ее конструкции и малое место, необходимое для ее размещения, делают задачу легко выполнимой. Эксперимент проводили на диапазоне 17 м (центральная частота 18,120 МГц), поскольку один вертикальный Moxon для этого диапазона у нас уже был изготовлен. Его расчетные характеристики (рис.3): усиление 4,42 dBi, задний лепесток подавлен более чем на 20 дБ, максимум излучения под углом 17 градусов, почти чистая вертикальная поляризация излучения. И это при высоте нижнего края антенны всего 2 м над реальной землей.
Для каждой из антенн потребуется диэлектрическая мачта высотой 8 - 10 м (или подходящей высоты дерево) и две (лучше три) диэлектрические распорки длиной 2,2 м (можно использовать деревянные рейки). Элементы - из любого медного провода, диаметром 1-3 мм, голого или в изоляции.
При эксперименте в качестве мачты использовался набор стеклопластиковых труб от RQuad, общей высотой 10 м, в качестве распорок - пластиковые водопроводные трубы диаметром 20 мм. Элементы - из провода «полёвка». Оттяжки - из 3 мм полипропиленового шнура. Получилась конструкция, изображенная на рис.4.
Рис.3. Расчетные характеристики вертикальной антенны Moxon.
Провод пропущен через отверстия возле концов распорок и закреплен на них с помощью изоленты или пластиковых хомутиков. Чтобы распорки не прогибались под весом антенны, их концы растянуты леской. Для сохранения прямолинейности активного элемента, нарушаемого из-за веса кабеля, можно использовать третью распорку на уровне середины элементов, пропустив через отверстие в ней провод директора и закрепив на ней точки подключения активного элемента к кабелю. Кабель идет вдоль распорки до мачты и далее вниз по мачте. На кабель одеты ферритовые трубки через 2 м, исключающие влияние его оплетки на характеристики антенны и одновременно симметрирующие токи питания. Антенна легко поднимается на заранее установленную мачту с роликом на вершине с помощью капронового шнура.
Характеристики горизонтального стэка из двух таких антенн, рассчитанные с помощью программы MMANA, приведены на рис.5. Наилучшие характеристики по усилению и подавлению заднего лепестка получились при расстоянии между антеннами 0,7 длины волны, т.е. 11,6 м. Этой антенне можно дать название "2×MOXON".
Рис.5. Диаграмма направленности фазированной решетки из двух вертикальных антенн Moxon.
Схема суммирования классическая: поскольку каждая из антенн имеет входное сопротивление 50 Ом, используются кабели питания с сопротивлением 75 Ом длиной ¾ длины волны с учетом коэффициента укорочения кабеля. К концам кабелей сопротивление антенн трансформируется в 100 Ом. Поэтому их можно соединить параллельно с помощью тройника, далее кабель питания 50 Ом любой длины. Длина трансформирующих кабелей выбрана ¾ длины волны, поскольку при длине ¼ длины волны их длин не хватает, чтобы перекрыть расстояние между антеннами.
На изготовление второго экземпляра этой антенны нам потребовалось часа два. Мачты установили с разносом 11,6 м (ширины дачного участка хватило).
Настройку каждой из антенн производили отдельно, подключая их через кабель длиной полволны (с учетом укорочения), и подрезая концы нижних отогнутых частей элементов. Для исключения ошибок в настройке необходимо обратить особое внимание на подавление синфазных токов в кабелях питания с помощью дросселей, одетых на кабель. Нам пришлось использовать до 10 шт. ферритовых фильтров с защелкой, распределенных по длине кабеля 75 Ом, прежде чем результаты стабилизировались. Эти дроссели должны быть и на трансформирующих кабелях, соединенных тройником. На кабель 50 Ом, соединяющий тройник с трансивером, дроссели одевать необязательно. При отсутствии ферритов можно дроссели заменить несколькими витками кабеля, собранными в бухту диаметром 15-20 см., расположив их вблизи точек питания антенн и около тройника. Для улучшения работы антенн практически всю свободную длину трансформирующих кабелей можно собрать в бухты дросселей.
После соединения двух вертикальных Moxon'ов в решетку резонансная частота уходит вверх примерно на 500 кГц, а КСВ на центральной частоте становится равным 1,4.
Корректировать резонанс системы, подстраивая Moxon-ы, нельзя, т.к. при этом разваливается диаграмма направленности. Наиболее простые способы согласования системы - либо включение катушек с индуктивностью 0,2 мкГн последовательно со входами обеих антенн, либо одного конденсатора 400-550 пФ (подобрать величину по минимуму КСВ на центральной частоте) последовательно со входом тройника со стороны фидера 50 Ом. При этом полоса по уровню КСВ < 1,2 получается около 200 кГц (рис.6).
Рис.6. КСВ со входа после подстройки с помощью индуктивностей 0,2 мкГн.
Расчетные параметры при высоте нижнего края антенн 2 м над реальной землей:
Усиление 8,58 dBi (6,43 dBd),
Угол элевации 17 градусов,
Подавление задних лепестков >25 dB,
КСВ в рабочем диапазоне < 1,2.
Наличие боковых лепестков с подавлением 10 дБ относительно главного не является, как нам кажется, недостатком, т.к. позволяет слышать станции и за пределами узкого главного лепестка, не поворачивая антенны.
Нам неизвестны иные конструкции антенн, обладающие столь высокими параметрами при такой конструктивной простоте.
Разумеется, эта фазированная решетка стационарна и должна устанавливаться в направлении наиболее интересующих DX (на запад, например). Повернуть затем ее диаграмму на восток будет нетрудно: для этого нужно опустить антенны, развернуть их на 180 градусов и снова поднять на мачты. У нас эта операция после некоторой тренировки занимала не более пяти минут.
Фото экспериментальной антенны приведено на рис.7.
Рис.7. Вид фазированной решетки из двух вертикальных Moxon'ов.
Владислав Щербаков, (RU3ARJ)
Сергей Филиппов, (RW3ACQ)
Юрий Золотов, (UA3HR)
Литература:
1. Владислав Щербаков RU3ARJ, Сергей Филиппов RW3ACQ. Симметричные вертикальные антенны - оптимальное решение для DX связей в полевых и дачных условиях. Материалы Форума Фестиваля «Домодедово 2007». Скачать материалы статьи - презентация Power Point.
2. K5K Kingman Reef DXpedition.
www.force12inc.com/k5kinfo.htm