Описание методов запитки антенн
Предлагаю вашему вниманию простой, хорошо сбалансированный способ возбуждения одним кабелем двух и четырёх настроенных полноразмерных элемента УКВ-антенн диапазона 144…146 МГц.
Хотя рефлектор электрически не подключен, но за счёт конструкции самой антенны возбуждается, скорее всего, в противофазе. Данный способ работает как на КВ–диапазонах, так и на других. Антенны получаются компактные и с хорошими характеристиками благодаря отсутствию лишних конструктивных элементов в изделии. Отпала необходимость в кропотливой настройке антенны. Уменьшились побочные излучения, возрос к.п.д.. Способ позволяет возбудить и 4 элемента –«синхронно» если они выполнены в зеркальном исполнении относительно первых двух. Если возбуждаются четыре элемента, общее усиление увеличивается в двое.
Испытания антенн
УКВ-антенна «СФЕРА»
Летом 2019 года изготовил и, в августе-сентябре, когда ходил по грибы, протестировал «в полях» УКВ–антенны типа «СФЕРА» и «СФЕРА+» с вертикальной поляризацией. Работал с «портативки» мощностью 0,5…5 Вт. Первый вариант антенны «СФЕРА» имеет отношение «вперёд-назад» 40 и более дБ (после дополнительной подстройки, на расстоянии 25-30 км). Выраженных боковых лепестков в диаграмме направленности не наблюдается – диаграмма с поворотом антенны плавно переходит «на нет». У двухэлементной антенны «СФЕРА» с вертикальной поляризацией есть некоторое смещение главного лепестка в сторону подключения кабеля. Когда знаешь про это, то несимметрия ДН уже не имеет значения и на работу не влияет. Уже на дистанциях 100 км и более лепестки не определяются: главный лепесток проходит 9+20дб, ширина лепестка по средней мощности – 80 градусов. При переводе данной антенны в горизонт она работает с рук ещё с большей силой.
УКВ-антенна «СФЕРА+»
Антенна содержит 4 элемента, что дает в двое больше усиление. Соотношение «вперёд–назад» составило в пределах 60 дБ на близком расстоянии. На дальних дистанциях это соотношение определить не удалось. Ширина главного лепестка ДН по средней мощности – 60 градусов. Излучение антенн – «правильное» с точки зрения проведения дальних радиосвязей, «в горизонт». Боковых лепестков, «хвостов и ушей», не выявлено. При повороте антенны сигнал спадает плавно «на нет». Усиления хватает принимать загоризонтные станции на 145,500 МГц на расстояниях до 400 км. При наличии мало-мальского прохождения связи удавались с поля и с пригорка на расстояния в 150…350 км мощностью 0,5…5 Вт. На другом конце при этом были, в большинстве случаев, штыревые антенны. Также есть связи с мобильными радиостанциями. Причём часто работа велась через «головы» радиолюбителей, находящихся ближе к загоризонтным корреспондентам – многие из них не слышали даже присутствия станции. Причем часто более удаленные станции «давили» тех кто поближе. Впечатление от антенны, что работа ведется на взрослую многоэлементную антенну из города. Приём в полевых условиях явно был лучше, так как открытое место и больше направлений. Изготовленные антенны получились очень мобильные, вес каждой – несколько (сотен – прим. ред.) грамм.
УКВ-антенна «КРИСТАЛЛ»
Рабочий диапазон антенны: 144,000…146,000 МГц. Антенна изготовлена и настроена по тому же принципу что и предыдущие варианты антенн. По форме антенна представляет собой «кристалл», складывается для удобной транспортировки в походных условиях. «Запитка» антенны – горизонтальная. В полевых условиях антенна не проверялась, не успел. Ранее, в 2010-м году, идея такой антенны проверена на КВ-диапазоне 20 метров: равносторонний «кристалл» питался через настроенную линию. Антенна была изготовлена многодиапазонной и носила название «Бодрила». Описание этой антенны будет позднее.
Изготовление УКВ-антенн типа «СФЕРА», СФЕРА+», «КРИСТАЛЛ» и «КРИСТАЛЛ+»
Антенна «СФЕРА»
Рабочий диапазон антенн: 144,000…146,000 МГц. Антенны можно изготавливать и без каркаса если у Вас есть лёгкие упругие биметаллические прутки. При этом надо учитывать, что если изменится толщина или добавится дополнительная изоляция, то придётся подгонять размеры. Мои антенны сделаны на каркасе. Для изготовления антенны использовался провод «полёвка», диаметр в месте с изоляцией – 2 мм, внутри 6 шт. медных жилок. Каркас изготовлен из стеклопластика. Для жёстких рабочих макетов УКВ-антенн типа «СФЕРА» и «СФЕРА+» в качестве материала каркаса использована стекло-пластиковая строительная арматура диаметром 4 мм.
Этап 1 – Каркас
Взять и отрезать по два куска стеклопластиковой арматуры диаметром 4мм с длинами 2,0 м и 3 см, строго одинаковые (так и не понял куда идут куски по 3 см – ред.). Отмечаем маркером середины кусков: 1,0 м и 1,5 см. Каждый двухметровый кусок сворачиваем в кольцо с нахлёстом 5 см. (Получается два кольца диаметром примерно 61 см – прим. ред.). В двух местах концы скручиваем тонким медным проводом. Получается крепкое соединение. Получившиеся два кольца вкладываем друг в друга так, чтобы плоскости колец были развернуты под 90 градусов. Совмещаем места: нахлёсты к нахлёстам, метка к метке, и стягиваем места пересечений диэлектрическими стяжками. Получается «шарик» с двумя полюсами.
Этап 2 – Укладка провода
С полюса, где нахлёсты, начинаем крепить провод с внутренней стороны кольца. В начале каждого проводника должен быть припуск длиной примерно 2 см для дальнейшего подключения.. Провод укладывается вдоль полукольца до противоположного перекрестия и переходит на другое кольцо, по которому возвращается в перекрестие, где нахлёсты. В месте пересечения проводов (перекрестие с метками) между ними должен быть зазор 5…7 мм. Провод крепим тонкой медной проволочкой с шагом 3…4 см. Скрутки провода делаем во внутрь чтобы не цеплялось. Аккуратно обкусываем проволоку. Использовать для крепления изоленту нельзя – дополнительная изоляция «уведёт» резонанс. Аналогично прокладываем по полукольцам второй проводник. (Получатся два элемента, по форме напоминающие дольки апельсина – прим. ред.)
Этап 3 – Присоединение кабеля и симметрирование.
Три из четырех проводников присоединяем к оплётке кабеля, а оставшийся четвертый – к центральной жиле 75 Ом кабеля. Этот элемент не трогаем так как это – вибратор.
Для излучения антенной в вертикальной поляризации кабель пропускается от центра запитки к середине «шарика» и от середины выводится вниз наружу. Следует учитывать, что в процессе настройки надо будет подобрать длину кабеля по Ку. Если антенна рассчитывается для работы в походных условиях или с балкона, то можно применять кабель РK-75-4.3-31 производства г. Чебоксары. Медную оплётку этого кабеля в месте пайки к антенне надо усилить: намотать 2–3 слоя изоленты, на которую навить 3-4 витка зачищенного от изоляции медного провода, того же, что использовался для антенны. К проводу намотать и запаять «жиденькую» оплётку кабеля. Место пайки заизолировать.
Для симметрирования кабеля необходимо изготовить и надеть на кабель 1/4лямбда –«чулок» из медной оплетки. Его можно сделать из оплётки кабеля РK-75-9 (12). Для начала на кабеле РK-75-4.3-31 от места пайки к антенне отмеряется 345 мм. Место отмечается маркером. На отмеченном месте вырезаем наружную изоляцию кабеля по длине 20 мм, не торопясь и не повредив оплётку. Заготавливаем оплётку от толстого кабеля длиной около 400 мм. Края этой оплётки ровно подрезаем, и одеваем на питающий кабель. Край «чулка» располагается как можно ближе к концу питающего кабеля, но не замыкается с его оплёткой. По краям, где кончается «чулок», на кабель подмотать изоленту чтобы оплетка не проколола нежную изоляцию основного кабеля. Конца питающего кабеля «чулок» туго прикручиваем изолентой чтобы он не сползал. Далее «чулок» растягиваем равномерно по кабелю и в месте вырезки изоляции его притягиваем тонкой проволочкой по всей ширине выреза (20 мм). Пайка в этом месте недопустима. На «чулок» одевается и осаживается термоусадочная трубка. Вместо термоусадочной трубки для изоляции можно применить изоленту.
Антенна «СФЕРА» может работать и без симметрирования. Просто диаграмма будет немного «косить на один бочок». Если Ку подобран без «чулка», то после установки «чулка» его придётся ещё раз подобрать.
Антенны «СФЕРА», «СФЕРА+», «КРИСТАЛЛ» и «КРИСТАЛЛ+» можно запитать и кабелем 50 Ом, если в разрыв между кабелем и антенной припаять конденсатор небольшой ёмкости, а также подобрать Ку. Но общие к.п.д. антенны будет по меньше...
Этап 4 – Шлейфы
Половинки второго элемента, рефлектора, разрезаем строго по середине, так как в этом случае достигается наилучшая балансировка (Получается, что рефлектор состоит из двух элементов, каждый из которых режется пополам – прим. ред.). На место разреза припаиваются отрезки провода по 13 см. Место пайки защищается термоусадочной трубкой, которая предварительно одевается и потом осаживается. Антенна практически готова.
Этап 5 – Крепление антенны
Ручку с креплением к мачте делаем произвольно. Главное, чтобы участок от антенны до металлической мачты был диэлектрическим на длине не менее 50 см. Я сделал крепление антенны из 4 шт. стеклопластиковых отрезков арматуры диаметром 4мм. Концы отрезков заделаны в ручку из полипропиленовой трубы. Ручка сделана для работы «в полях» с руки. Для удобства можно прихватить переходную трубку-мачту.
В радиосвязи на вызывной частоте 145,500 МГц (ЧМ, NFM – прим. ред.) используется вертикальная поляризация. Для излучения с такой поляризацией полюса должны быть расположены слева-справа. (т.е. горизонтально – прим. ред.) Если нужна горизонтальная поляризация, то антенну ориентируем полюсами «вверх-вниз».
Этап 6 – Настройка
Для настойки антенны с кабелем по Ку надо будет иметь датчик напряжённости поля. Я делал так: постоянный запаянный разъём к станции не трогаем, а подгонку ведём изменяя длину кабеля у антенны. Для удобства используем телевизионные разъемы без пайки (F-Type – прим. ред.). Подключаем антенну к трансиверу, ставим самую маленькую мощность. Для предварительной настройки подойдёт комната. Ставим датчик на подоконник. Антенна датчика представляет собой вертикальный штырёк. Если показания датчика зашкаливают, то штырёк укорачиваем. Проверяем резонанс на 145,5 МГц. Если нет резонанса на 145,500 МГц, то кабель укорачиваем на 10 см и снова проверяем резонанс. Это делается до тех пор, пока не начнут возрастать показания датчика в низкочастотной части диапазона (144,0 МГц). Как только это достигнуто, кабель уже укорачиваем по 2 см. При правильной настройке антенны будет максимум излучения на 145,5 +/-0,1 МГц. И ВСЁ! Если применена «полёвка» нужного диаметра и размеры не ушли, то шлейфы настраивать не надо.
Антенна «СФЕРА+»
Этап 1 – Каркас
Каркас половинки антенны «СФЕРА+» изготавливается также, как в первом варианте. Но провод прокладываем в зеркальном отображении первому варианту (вторая сфера должна быть зеркальным отображением первой – прим. ред.). Для надёжности крепления из полиэтиленовой канистры вырезаем прокладку в виде квадрата 5х5 см, углы закругляем ножницами, крест на крест проводим разметку. Ближе к краям по обе стороны черты разметки напротив друг друга, на расстоянии в 1 см по центрам, сверлим отверстия под диэлектрические стяжки. Всего 8 шт. отверстий под 4 стяжки. Складываем «СФЕРЫ» полюсами с «нахлёстами» вместе через прокладку и скрепляем стяжками. Делаем это так, чтобы было ровно, без перекосов. Дополнительно отрезаем 4 шт. куска стеклопластиковой арматуры диаметром 4мм и длиной 15 см. Для жёсткости конструкции скрепляем «сферы» между собой этими кусками: 2 отрезка крепятся между вибраторами, и 2 – между рефлекторами «сфер». При креплении 15 см–распорок следим чтобы элементы обоих «сфер» лежали в одинаковых плоскостях, и чтобы «смотрели» строго в одну сторону, без малейших прогибов и сжатий в ту или иную сторону. От этого зависит формирование рабочего лепестка (диаграммы направленности – прим. ред.). Если всё «ок», то «хвостов» не каких не будет.
Этап 2 – Ручка
На 2 перемычки насаживаем приготовленную, заранее просверленную по размеру перемычек (2 шт. отверстия по 4 мм), полипропиленовую, армированную стеклопластиком, трубку. Труба, армированная алюминием, непригодна. Трубка будет ручкой для переноски и к ней неё будет стыковаться переход к мачте. Металл мачты должен находится не ближе 50 см от антенны.
Этап 3 – Настройка
В антенне «СФЕРА+» необходимо регулировать шлейфы. При правильной настройке шлейфов должно ровно в два раза повыситься ВЧ-излучение по отношению к первому варианту. Симметрирование кабеля делать не требуется. Если элементы выполнены одинаково, то диаграмма (направленности – прим. ред.) будет на все 100%. Если металлическая мачта будет ближе, чем 50 см, то может выделиться задний лепесток. Поэтому переход на металл необходимо делать подальше.
Антенна «КРИСТАЛЛ»
УКВ-антенна «КРИСТАЛЛ» с рабочим диапазоном 144,000…146,000 МГц содержит два элемента, а антенна «КРИСТАЛЛ+» – четыре элемента. Она проще в изготовлении, но работает хорошо только при горизонтальной поляризации. При вертикальной поляризации антенна проигрывает «СФЕРЕ» в 2-раза. Для КВ–диапазонов и 144,300 МГц основной вид поляризации – горизонтальная, антенна вполне применима. У антенны «КРИСТАЛЛ» в горизонтальной плоскости диаграмма (направленности – прим. ред.) имеет ярко выраженный главный лепесток. Есть небольшой задний и два «уха» -боковые лепестки. Между лепестками в диаграмме наблюдаются провалы до нуля. Если главный лепесток сложить с побочными лепестками, и сумму за 100% излучения, то на главный лепесток приходится до 70% излучения, что для двух элементов при горизонтальной поляризации очень неплохо. Чтобы равномерно распределить токи для настройки рефлектора, в нем используется два шлейфа. Шлейфы установлены непосредственно около основания антенны – точки запитки кабелем 75 Ом. Можно обойтись и одним шлейфом, но тогда будут задний и один боковой лепестки, что нежелательно.
Этап 1 – Изготовление
Принцип создания антенны «КРИСТАЛЛ» такой же, как у предыдущих, но изготовление проще. Заложенный рабочий диапазон 144,000…146,000 МГц.
Антенна в своем составе имеет диэлектрическую мачту и диэлектрические распорки элементов. Для УКВ распорки можно сделать складывающимися – так удобнее в пеших походах. Это работу не влияет. На УКВ следует учитывать требование: чем меньше в конструкции металла, тем лучше. У меня несущая мачта изготовлена из конусообразной пластиковой удочки, верхнее звено и распорки – из стеклопластиковой строительной арматуры диаметром 4 мм. Шарнирный механизм складывания – металлический, самодельный. Его можно взять от зонтика и доработать, уменьшив количество металлических частей. Элементы антенны выполнены из той же медной «полёвки», что и предыдущие варианты антенн. Длина вибратора 2,06 м., рефлектора – 2.29 м.. Куски провода используются цельные, нигде не режем. Провод вибратора распределяем ровно, таким образом, чтобы получились две одинаковые по размеру грани, как сверху, так и снизу от распорок. Рефлектор имеет размеры, идентичные вибратору, но с учетом того, что должны остаться для отрезка провода на шлейфы около точки запитки. (получается форма антенны типа «октаэдр» – прим. ред). Эти шлейфы поджимаются к диэлектрической мачте с помощью рыболовной лески. Боковые грани «кристалла» должны располагаться под 90 градусов в точке изгиба, как и между собой.
Этап 2 - Настройка
Настройка антенны осуществляется по максимуму напряжённости поля. При настройке подбирается длина 75 Ом кабеля по Ку. Для симметрирования (кабеля – прим. ред.) можно использовать тот же метод, что и для антенн типа «СФЕРА», или другой доступный. Можно даже обойтись без симметрирования. Так же данную антенну типа «КРИСТАЛЛ» можно использовать для создания четырехэлементной антенны «КРИСТАЛЛ+», подключив в зеркальном отображении ещё два одиночных «кристалла» и подстроив шлейфы по максимуму напряжённости поля. Как и в случае антенны «СФЕРА+», симметрирование, диаграмма и технические характеристики сильно изменяются в лучшую сторону. Хотя уже первый вариант на КВ – это просто «БОМБА». Я проверял идею первого варианта по другому месту дислокации – в Татарстане, на двадцатке, в 2010-м году. Но тогдашняя антенна КВ–«КРИСТАЛЛ» была с металлической мачтой. Она имела хорошие заземление. Вверху, в стороне от изолятора, на высоту 50 см надо приварить кусок провода – громоотвод (молниеприемник – прим. ред.). Запитывалась антенна в пробном варианте по настроенной линии. Настраивалась антенна аналогично предыдущим: с повышением соотношения «вперёд–назад», и с увеличением усиления на 21 МГц, 27 МГц, 28 МГц и на 29 МГц. На диапазонах 40 и 80 метров работала легко, но с понижением усиления, как 0\5 и 1\4 широкополосные малошумящие излучатели кругового действия. Антенна очень порадовала меня!!! И удивила многих, когда узнавали, что на выходе (передатчика – прим. ред.) – ГУ-19 и на пике не более-60 Вт, без усилителя.
Шлейфы антенны "КРИСТАЛЛ" в УКВ зафиксировать в положении раскрытых крылышек- бабочки. В КВ -диапазонах использовать каркас- для сохранения формы- шлейфов .. Например-4мм. стекло-пластиковая арматура-шлейфы -закрепить на ней. И так -же зафиксировать их в неподвижном положении....Так меньше- ёмкостная связь между ними. И лучше -Диаграмма направленности.... Подавление заднего лепестка-40дб .а с применением симметрирующего -чулка-1 /4 лямбда-более-40 дб... + Увеличивается усиление главного лепестка в -Д.Н..... Замеры проводились- на двойке ......В описании антенны- -СФЕРА- каркас -2.03 метра. Два -одинаковых куска стекло- пластиковой арматуры -размечается -маркером на 2 равные части.....Шлейфики настраиваются так---боковые провода -шлейфиков прижимаются вместе.Не нарушая изоляции-перетягиваются медным колечком из провода . Передвижением -этой перемычки -регулируем по максимум- усиления .... При повторении данных антенн- придерживайтесь- РАЗМЕРАМ----300-делить на частоту-получивший размер в метрах или см.+10% длины-одного элемента на шлейфы- 5%+5% с заземлённым центром на оплётку кабеля-75 ом.
А если «КРИСТАЛЛ+» ??? Этот вариант не тестировал на КВ... Пока всё.
Антенна «КРИСТАЛЛ+»
73!
Владимир Васин 2019 г.
От редактора
Текст статьи мною был отредактивнован по просьбе администрации портала qrz.ru с целью приведения статьи к общеустановленным правилам русского языка и нормам применения технических терминов. За зря потраченные материалы, непроведенные связи и сгоревшие выходные каскады вашей аппаратуры я никакой ответственности не несу. По всем вопросам реализации этих антенн просьба обращаться к автору статьи.
А.В. Прокудин (R9AAA), г. Челябинск, 2019 г.