Новый подход к проектированию УКВ антенн

Валерий Иванович Цыганков, RA3LE
Thanks to Goran Stenberg, SM2IEV.

У VHF радиолюбителей популярны антенны K1FO,VE7BQH, DL6WU, K2RIW, M2, Сushcraft. RA3LE, с помощью программыYA-354, проанализировал все существующие УКВ антенны и пришел к следующему выводу: антенны перечисленных авторов, опубликованные в различных журналах и Internet рассчитаны с активным элементом в виде линейного полуволнового вибратора. Полное входное сопротивление (Zа) этих антенн составляет 6 – 52 ом.

Использовать такие антенны можно, если они имеют Za= 50 или 25, 33.3, 37.5 ом. С помощью трансформаторов 50 и 75 ом можно повысить Za до 100, 75 и 150 ом соответственно. Однако хороших антенн с такими Za мало, а при запитке системы возникают серьезные проблемы. Za более низкоомных антенн аналогичным способом повышать нельзя, трансформатор будет работать с большим
(3-5) КСВ и серьезные потери неизбежны.

В дальнейшем различные соавторы, для получения стандартного Zа = 200 ом, производили замену линейного активного вибратора (АВ) на петлевой или T-match с размерами, равными размеру линейного вибратора антенны, без дополнительного перерасчета антенны. Как изменятся параметры антенны, если для увеличения Zа применить петлевой вибратор и можно ли это делать, не изменяя конструктивные размеры других элементов? Ответ один – этого делать не следует.

Сначала не много теории. Любой реальный вибратор всегда короче идеального
(бесконечно тонкого). Коэффициент укорочения (К. ук.) петлевого вибратора ~ в 1.5 раза больше, чем линейного. Расчетные длины полуволновых вибраторов D = 8 мм в свободном пространстве, полученные с помощью YA-354, следующие:

ИДЕАЛЬНЫЙ - 144 мгц – 1040 мм, Z = ~ 72.9 ом. К. ук. = 1.0.
ЛИНЕЙНЫЙ - 144 мгц – 979.00 мм, Z = 71.39 ом. К. ук. = 0.941.
ПЕТЛЕВОЙ - 144 мгц – 938.40 мм, Z = 285.64 ом (Н = 50 мм). К. ук. = 0.902,
то есть длина петлевого вибратора составляет 0.958 длины линейного.
ИДЕАЛЬНЫЙ - 432 мгц – 347.00 мм, Z = ~ 72.9 ом. К. ук. = 1.0.
ЛИНЕЙНЫЙ - 432 мгц – 318.50 мм, Z = 73.11 ом. К. ук. = 0.917.
ПЕТЛЕВОЙ - 432 мгц – 292.42 мм, Z = 292.36 ом (Н = 15 мм). К. ук. = 0.841,
то есть длина петлевого вибратора составляет 0.918 длины линейного.

Данные расчетов полностью совпадают с данными экспериментов.

Некоторые радиолюбители считают, если заменить линейный вибратор на петле-вой, то Zа увеличится ~ в 4 раза, останется чисто активным, а антенна полностью сохранит все заявленные параметры. Однако это не так. В антеннах АВ работает не на своей резонансной частоте, а на более высокой, где его собственное Z больше и имеет ярко выраженный индуктивный характер. По этому после замены Zа увеличится в 6-8 раз и может стать не приемлемым для типового согласования.

Значит требуется настройка атенны? Но все элементы антенны связаны очень критичными фазово-амплитудными соотношениями и если изменить на 1мм размер любого элемента или расстояние между ними, ее параметры значительно изменятся. Не имея квалификации и необходимых приборов за это лучше не браться. Прежде всего это касается размеров активного вибратора, рефлектора и первых 5-8 директоров. Особенно следует отметить
опасность “самовольного” изменения диаметра элементов. В след за изменением диаметра элементов на 0.2 мм требуется индивидуальная корректировка длины разных директоров и А.В от 2 до 4 мм для настройки на рабочую частоту.

Что будет с антенной, если расчетный линейный вибратор заменить на петлевой рассмотрим на примере DJ9OPTO2 (лучшей антенны при длине 8.3 м.) и закона Ома.

Работает YA-354 - надежная программа для проектирования YAGI - антенн:
Za= Ra+/-Jx полное (комплексное) входное сопротивление антенны.
Ra – активная составляющая Za – сопротивление излучения антенны.
+Jx - это дополнительная индуктивность между Ra и фидером.
- Jx - это дополнительная емкость между Ra и фидером.

В любом случае Jx – препятствует передаче энергии из фидера в антенну (закон Ома для полной цепи), уменьшая коэффициент излучения (Кизлуч.).

Варианты: (F= 144.1 мгц).

1. Zа = 44.49 + J0.08 ом – линейный, L = 981мм (расчетный). К.излуч.= 1. КСВ = 1.12.
Установим на антенну петлевой АВ с размерами – 981 х 50 мм D= 8 мм:
2. Zа = 218.68 + J117 ом – петлевой, L = 981 мм х 50 мм. К. излуч. = 0.652. КСВ = 1.09.
Укоротим АВ на 17мм:
3. Zа = 200.56 + J68.2 ом – петлевой, L = 964 мм х 50 мм. К. излуч. = 0.746. КСВ = 1.

С укороченным АВ фидер все равно будет подключен к Ra через 0.08 мкг, а это кусок 2мм провода длиной 11.8 см. А если будет –J68.2 - то через 16пф. Дальнейшее уменьшение длины АВ для сведения +Jx к нулю, сделает АВ соизмеримым по размерам с одним из директоров. Вибратор вступит с ним в прямой резонанс. Теперь Za будет определяться законами этой связи, а не всей конструкцией. Параметры такой антенны не предсказуемы, а согласование с фидером не возможно. Этот фактор, совместно с другими, не позволяет применять петлевой вибратор в антеннах на 1296 мгц. Проще говоря, АВ должен быть длиннее первого директора хотя бы на 2 мм (144мгц).

При таких условиях на 1296 мгц у любой антенны Ra= 400-600 и +Jx= 350-550!
В первом варианте антенну можно запитать РК-50 с симметрирующим мостом,
во втором и в третьем вариантах антенна запитывается через U-петлю и фидер РК-50.

DJ9OPTO2 имеет расчетное значение G = 14.22 dbd на F = 144.1 мгц с линейным АВ. Реализовать его можно только, когда на рабочей частоте Zа чисто активное.
В третьем варианте потери реального усиления антенны в размере 0.254 или 1db гарантированы. Плюс потери после замены АВ= 0.02db - итого реальное усиление составит 13.2dbd. Аналогичные потери будет иметь любая антенна при установке на ней петлевого АВ, вместо расчетного линейного. На 432 и 1296 мгц - много больше.

Во втором варианте потери - 0.354 или 1.5 db. Еще не много дополнительных потерь, а они всегда найдутся (увидим далее), и четверка с петлевыми будет работать как двойка с расчетными линейными активными вибраторами. Большая цена, в том числе и материальная, за не точность копирования чужой или изготовления своей конструкции, за излишнюю доверчивость или нехватку знаний.

Информация к размышлению:

В журналах DUBUS 4-91 и 4-95 приведены данные о рабочих параметрах системы
8 х 7.5м BV 70см, в экспедициях T70A и CN2EME : G, Ta, G/T, SN, Echo при
Bp= 2.4 кгц /1.5kw, Noise Cassiopeia, VSWR=1.25:1. Система фазировалась открытыми линиями. Сравнив данные, полученные в эксплуатации, с данными других систем видим:

1.Все параметры системы не лучше, чем у старой 16 х 4м F9FT с фазировкой кабелем (DUBUS 1-78).

2.Все параметры хуже, чем у старой (уже) модели 8 х 6.9м RA3LE.(в эксплуатации).

Одной из причин является большая величина +Jx у антенн при установке на них петлевого вибратора вместо расчетного линейного и как результат – снижение реального усиления антенны. Есть претензии и к самой антенне. А КСВ = 1.25!? Все приборы точечного измерения (рефлектометры) не могут определить наличие реактивности у антенны.

Как взаимосвязаны основные параметры антенны и что они характеризуют?
Круговая диаграмма направленности характеризует уровень излучения (приема)
в плоскостях Е – горизонтальная и Н - вертикальная (для YA-354), от 0 до 360 градусов. Это сумма всех фазовых и амплитудных соотношений в антенне в зависимости от направления.

G (dbd)– коэффициент усиления по отношению к диполю в направлении главного лепестка излучения. G зависит не только от его ширины, но и от уровня связей между элементами. То есть, при более широком главном лепестке одной антенны можно иметь большее усиление, чем при узком у другой. (Разные концепции проектирования антенн). Более эффективны антенны с сильной связью первых директоров с активным вибратором.

F/B (db) – отношение уровня излучения в направлении главного лепестка к уровню
излучения в диаметрально противоположном направлении. F/B не несет полной
информации о подавлении излучения в задней сфере антенны. Например, это могут быть широкий лепесток с уровнем – 25db, имеющий узкий разрез до уровня - 50 db (WU37) или вариант, когда вся задняя полусфера имеет уровень –34db (23LE). При определенной длине антенны сформировать чистую диаграмму можно только со сложным рефлектором. Лучше работают рефлекторы из 2х или 4х элементов. Одиночные рефлекторы являются (в основном) резонансными, а их размеры очень критичны.

Tа (К) – шумовая температура в градусах Кельвина – тем ниже, чем лучше (чище)
круговая диаграмма антенны и качественнее применяемые материалы (Al,Cu,Ag),
а выбранный диаметр элементов и технология обеспечат их наивысшую добротность.Очень сильно влияют на этот параметр размер и положение последнего директора При приеме он первый и от его качества зависит многое. Применение Cu или Ag?

G/Tа (db) – уровень качества антенны. Важный параметр, особенно для приема слабых сигналов в земных условиях (Т Земли ~ 1000K). В городских условиях предпочтение следует отдать антенне, у которой G/T на 0.5db выше, даже если G на 0.1 dbd ниже, чем у другой. Потерю в 0.1db легко скомпенсировать передатчиком, а условия приема улучшатся. Особенно это актуально для ЕМЕ.

Па (мгц) – полоса пропускания антенны, определяется шириной участка, в котором Zа не сильно отличается от Rфидера, а возрастающая реактивность (Jx) не достигает величины, при которой Кизлуч. хуже 0.8. К этому параметру у радиолюбителей разные требования. Параметры широкополосных антенн не так сильно зависят от климатических условий эксплуатации, как параметры узкополосных антенн. При узкой полосе можно достичь большего усиления, но легко промахнуться в размерах и ухудшится часть других параметров.

Za (ом) = Ra+/-Jx – полное входное сопротивление антенны. Оно должно равняться сопротивлению фидера и быть активным на главной рабочей частоте. Антенна должна рассчитываться с тем типом активного вибратора, который позволяет получить необходимое входное сопротивление. Далее идет симметрирующее устройство, и если необходимо, то с делителем. Все это вносит 0.05 – 0.1db дополнительных потерь.

Учитывая, что большинство радиолюбителей предпочитает использовать в качестве активного элемента антенн петлевой вибратор, автор разработал 50 антенн для диапазонов 144, 432, и 1296 мгц длиной от3 до11 м, с диаметром элементов 2.25, 4, 5, 6 мм и типовыми входными сопротивлениями 33.3, 37.5, 50, 75,150, 200 и 300 ом. Антенны LE, в основном имеют G большее, чем у других антенн такой же длины
и более высокое качество G/T. Расчет антенны соответствует ее работе в свободном пространстве.

Все антенны объединены в общий каталог.

Выбор антенны:

Существуют три концепции проектирования YAGI антенн: с малым, средним и
большим количеством элементов при одинаковой длине антенны.

Первая - характерна большими расстояниями между последними директорами и в результате антенны имеют повышенное усиление (возрастание Q), но очень узкую полосу и не высокое подавление в задней полусфере. Za с петлевым АВ - до150 ом.

Третья - позволяет получать отличные характеристики при определенных длинах,
но только при очень (до25 ом) низких входных сопротивлениях. Небольшие расстояния между рефлектором, активным вибратором и первыми директорами лишают маневра при регулировке .Za. Антенны имеют низкое КСВ в широкой полосе. Использование в них петлевого вибратора не возможно.

Второй вариант, с уклонами к первому или третьему - самый распространенный и позволяет создавать антенны с высокими параметрами и различным Za и типом АВ.

Выбор антенны на несколько лет определит и успехи радиолюбителя и удовле-творение от работы в эфире. Правильно выбрать антенну можно зная все ее характеристики, а не только один коэффициент усиления и длину. Лучше, если имеется возможность проанализировать ее круговую диаграмму или знать значение G/T, характеризующее чистоту этой диаграммы .Антенны с чистой диаграммой и высоким значением G/T можно располагать ближе друг к другу, чем антенны с плохой диаграм-мой и низким G/T. Некоторые авторы опубликовали антенны, у которых G на 0.2-0.3 db выше, чем у лучших, рабочих антенн при той же длине. Осторожно! Все они имеют загубленные остальные характеристики: низкое Za, полосу <200 кгц, F/B <20 db, КСВ на Fрабочая + 0.5 мгц > 3-5, высокую Ta и плохое качество-G/T. Это скорее рекламные публикации, чем рабочие антенны. Не экономьте на 30 см БУМа. С учетом российских метеоусловий КСВ антенны должен быть не хуже 1.2 на частоте Fрабочая +/- 0.5 мгц. Удобны для построения систем антенны с Za= 150ом. Соединение их по парно обеспечит минимум потерь при построении системы. 150+150= 75 ом.

Иногда приходится выбирать антенну исходя из наличия материалов для ее
повторения. Любое, самое незначительное изменение расчетных размеров антенны не допустимо. В каталоге есть много различных вариантов исполнения антенн.

Для работы всеми видами, кроме ЕМЕ, достаточно иметь по одной антенне, максимальной длины, с высоким значением G/T, на каждый диапазон, на одной мачте. Для такой работы +/- 1db в усилении антенны ни чего не решают. Если есть тропо, то можно работать и на одну стрелу. Если его нет – не помогут и 16 стрел. Предпочтение, если не для кросс-варианта, лучше отдать антеннам со сложным рефлектором. Они более устойчивы в работе и имеют более высокое качество G/T. Хорошая диаграмма поможет отстраиваться от помех. Простые системы согласования и фазировки повысят эффективность их работы. Если QRN обстановка благоприятная, то можно выбрать антенну с линейным АВ. и Za=50-75ом (особенно для FM) с хорошими данными.

Антенны на 432 мгц и 1296 мгц могут много потерять, если их крепить с боку
мачты. Нужно изготовить и прикрепить к мачте П-образную конструкцию (1м-2м-1м, хорошо бы из деревянного бруска) и на ее консолях подвесить эти антенны с помощью Т-образных кронштейнов.

ЕМЕ-144мгц - дело вкуса и возможностей. Считаю, что система 4 х 9м хороших антенн более чем достаточна для успешной самостоятельной работы в эфире.
Фазировать антенны лучше кабелем, что повысит метеоустойчивость.

ЕМЕ-432мгц – здесь дело сложнее. Необходимо иметь или 4 х 9м, или 8 х 5/7м.
Речь идет об антеннах с реально высокими параметрами. С такой системой работать будет одно удовольствие. Меньше, чем 4 х 7м делать не стоит. Четверки эффективно фазируются кабелем. Для восьмерки лучше подходят воздушные линии и комбинация.

Для QRO нужны антенны с большими диаметрами директоров и АВ:~100w/1.5mm D

для АВ и~100w/1мм D – для директоров (материал - Al). Для 144 ~ в1.5раза больше.

Изготовление антенны.

При изготовлении антенны к ней следует относиться, как к ювелирному изделию. Ошибка в одном размере на 1мм - и антенна потеряет 1-3% главных параметров. Плохо, если таких ошибок будет несколько. Все потери накапливаются, результат растет в прогрессии. Изменение диаметра элементов просто не допустимо.
Погрешность разметки и изготовления должна быть < 0.1мм. Сначала необходимо проверить разметочный инструмент – рулетки, линейки. БУМ следует размечать только по нарастающей длине от рефлектора. Растяжки и подпорки БУМа, если не возможно сделать диэлектрическими, делайте из металла с плохой проводимостью (нихром, ПТВ и т.д.). Будет меньше паразитное переизлучение.

Лучшая траверса (БУМ) – диэлектрическая (пластик, дерево). Металлический БУМ
технологичнее и прочнее, но вносит дополнительные потери, искажает диаграмму и уменьшает общее усиление антенны, особенно мачта и рама.
БУМ не должен иметь прогиб более 0.2 Е или Н, иначе поплывут фазы переизлучений последних элементов. В любом варианте питания антенны фидер, после подключения к АВ и закрепления под (над) ним, должен сначала идти вниз (в верх), а уж потом к БУМу (как у F9FT), особенно если есть U-петля. Это уменьшит влияние устройства питания антенны на первые директора. При использовании диэлектрического БУМа фидер, закрепленный под ним, сдвинет резонансную F антенны вверх и сильно ее расстроит. Кабель должен идти подальше от элементов. Торцевое крепление антенн обеспечивает наилучшие условия их работы. При обычном креплении хорошо, если стойка, к которой крепится антенна или ее конец, будут диэлектрическими (дерево = UFB). Лучший БУМ для 1296 мгц удочка “Каскад-6”(Беларусь) или рем.комплект для нее (дешевле).

Выбор способа крепления элементов - важная стадия начала изготовления антенны. Лучший – сквозь диэлектрическую траверсу или монтаж элементов на диэлектрических стойках на высоте 0.5 диаметра металлической траверсы над (под) ней. Все остальные способы крепления вносят дополнительные потери, а расчет удлинения элементов при креплении сквозь БУМ не достаточно точен. Для стоек подходит любой материал:
дерево, текстолит, винипласт, полистирол …, лишь бы не кололся на морозе и не
ломался от ворон.

При модном сейчас способе крепления элементов с изолируюшей втулкой через БУМ удлинение элементов рассчитывается по формуле G3SEK:
Kмм ={12.5975 х B – 114.5 х BхB}х 25.4. B = Dмм / длину волны в мм. D-диаметр БУМа. Удлинение АВ зависит от расстояния между его трубками и БУМом и от D. Предостережение: 1.формула радиолюбительская. 2. при таком способе крепления все равно часть элемента экранирована БУМом. На 1296 мгц потери будут большими.

Лучший материал для элементов медь или чистый электротехнический алюминий
из силовых кабелей. Все остальные сплавы: АМГ, АМЦ, Д16, В-95 имеют существенные потери. Если на 144 мгц Д16Т еще можно использовать, то для 1296 он не годится. Лучший материал для 1296 мгц – ПЭВ 2-3 мм. Допустимо применение алюминия.

Система питания антенны состоит из симметрирующего и согласующего устройств и фидера. Если антенн несколько, еще и центральный делитель мощности. Минимальные потери имеет симметрирующее устройство - классический 1/4 волновой мостик с волновым сопротивлением Rм = Rа антенны. Мостик – это две параллельные трубки с d ~ 8 -12 мм, в верху подключенные к А.В., в низу закороченные перемычкой.Фидер проходит внутри первой трубки, его оплетка(и) соединяется с верхним концом этой трубки и А.В. Через дополнительное отверстие в самом верху первой трубки центральный проводник фидера подключается к верхней части второй трубки и А.В. Расстояние между центрами трубок (D) определяется из формулы: Rм = 276lg 2D/d мм. Потери ~ 0.05db 432 мгц.

U-петля симметрирует и делит Za на 4. Петлевой вибратор (Z ~ 280 ом) можно представить в виде двух последовательно соединенных 140 омных антенн (есть такие) “тромбонов”. Но если их запитать от одного фидера с фазируюшим устройством, то результирующее Za будет 70ом. С точки зрения теории оба конца оплетки U-петли должны быть соединены с общей точкой двух тромбонов, то есть с центром верхней части петлевого вибратора. На практике из-за технических неудобств этого не делают.

Собственные потери U-петли ~ 0.1db на 432мгц. Изготавливать ее следует из хорошего кабеля, так как по ней проходит половина подводимой мощности и работает она с КСВ= 2 (при Rп=Rф). Длина кабеля U-петли (по оплетке) ~0.98 полдлины волны с учетом Е наполнителя. Она очень критична. Точный коэффициент укорочения указан в ТУ на кабель. Он может отличаться у разных кабелей даже при одинаковом наполнителе. Особенно при разных диаметрах кабеля. Сумма длин выводов = зазору АВ. Обычно 15мм на 144 мгц и10 мм на 432 мгц, 1296мгц..

Стакан изготавливается из двух концентрических Cu (Al) полированных в рабочей
зоне трубок, закороченных кольцом внизу. Фидер проходит внутри трубки меньшего диаметра. Оплетку (и) на конце фидера соединяют с верхним концом внутренней трубки стакана, а далее с половинкой АВ. Центральный проводник фидера идет на вторую половинку АВ. Суммарная длина выводов фидера должна строго равняться зазору между половинками АВ. Оплетка фидера не должна иметь контакт с нижней частью стакана.

Верх стакана герметизируется кольцом из 3 – 4мм качественного диэлектрика (F4). R стакана = Ra. R = 138lg х D2/D1 ом. Для 75ом: D2 = 28(35)мм, а D1 = 8(10) мм. Длина стакана, как и мостика ~ 0.96 х 1/4 длины волны. Снаружи стакан можно покрасить. При необходимости трансформировать Ra, отрезок фидера внутри стакана или мостика должен иметь другое R. На пример: Ra = 33.3ом,
Rт = 50ом, далее идет основной фидер с R = 75ом. У симметрирующего устройства с трансформацией потери могут быть больше, чем у U-петли. Питающая система не должна влиять на директора антенны (все кабели от АВ. и сразу вниз).

Хорошие, со вспененной изоляцией кабели, вытесняют воздушные открытые симметричные линии с диапазона 144 мгц. На 432 мгц, если вынести на штанге предусилитель и основной фидер в плоскость активных вибраторов 4-ки антенн, то длина соединительных кабелей составит 1 – 1.4м. При этом потери, даже со средним по качеству 9мм РК75-7х37 составят 0.1 – 0.14db. Во первых, это сравнимо с потерями в открытых линиях при сведении их к центру мачты, во вторых резко снизится метеозависимость АФУ.– 75 ом. Если антенны требуют U-петли, то потери увеличатся. Потери ~0.05db имеют антенное реле и центральный делитель мощности, распределяющий подведенную энергию Tx по всем антеннам. Линии могут дать выигрыш ~ 0.1-0.2db, но до первой непогоды.

Данные о потерях приведены для диапазона 432 мгц. На 144 мгц они немного меньше. Можно попытаться сложить все возможные потери и сделать все необходимое чтобы их избежать.

Узнать есть ли у антенны реактивность и устранить ее, если она не очень большая, можно следующим образом:

1. подключаем антенну к рефлектометру через кабель длиной в 2 – 4 волны (в кабеле). Производим замер уровня напряжения (min или max).
2. подключаем дополнительно еще полволны (в кабеле) перед рефлектометром (при этом знак Jx в точке замера изменится на противополож-ный). Производим второй замер, не трогая рефлектометр.
3. перемещая АВ на +/- Nмм выравниваем эти уровни,
не трогая рефлектометр.
4. Производим 2 и 3 действие несколько раз.
5. Проще это делать с линией Р3-35 от “Р- тлф АЛТАЙ”.

КСВ антенны при этом изменится незначительно. Отличие напряжений обусловлено разными кривыми нарастания Za от уровня Ra и выше. При +Jx Za продолжает расти линейно, при –Jx – по экспоненте. В своих крайних точках кривые сойдутся. Обнаружить большую реактивность таким “прибором” станет тяжело, а устранить одним перемещением АВ не возможно. Придется менять антенну (ы).

Лучше всего выбрать ту антенну, которую Вы сможете точно воспроизвести в металле и пластике, исходя из своих возможностей и которая не требует настройки.

При изготовлении антенны элементы следует отполировать, а после монтажа на БУМ, обезжирить и покрасить тонким слоем светлой эмали. Есть еще разведенный БФ, лаки на эпоксидной основе, специальные краски и т.д. Силиконом герметизируются все элементы питания и коммутации. Деревянные элементы конструкций должны проходить полный технологический цикл: сухая доска, заготовка бруска и обработка рубанком, окончательная сушка в пакете (1месяц), олифирование, покраска. Бруски хорошо соединять в конструкцию с помощью стальных пластин с прокладками из резины (авто) и болтов.

Правильно спроектированная антенна (система) после качественного изготовления не требует настройки и надежно работает много лет.

Основные характеристики антенн LE вы можете посмотреть в каталоге

RA3LE.