Аннотация: Универсальная многодиапазонная антенна для полевых выездов.
Грачёв Александр Васильевич
Антенна UA6AGW v.80-10.91
Основная идея, заложенная в конструкцию этой антенны, вызревала постепенно. Для работы на выезде, в полевых, (и не только) условиях нужна была эффективная антенна, работающая на всех основных диапазонах, которую можно перевозить в багажнике автомобиля, установить на ограниченной площади силами одного человека и хорошо работающая с малой высоты. Таковы были исходные требования к конструкции.
Первый вариант решения поставленной задачи, который приходит в голову - антенна "длинный провод". Её конечно можно подвесить (при определенной сноровке и оснастке) в одиночку, но площадь для размещения её, нужна побольше, нужны точки подвеса повыше, нужно заземление или противовес и т.д. А об эффективности говорить не приходится, это уж как получится...
На ограниченной площади можно поставить антенну типа GP, но где разместить противовесы, особенно для НЧ диапазонов...
Не подходят и классические дипольные антенны, по условиям размещения на ограниченной площади и высоте установки.
Наиболее подходящими, по исходным условиям эффективности, условиям размещения на ограниченной площади и небольшой рабочей высоте являются рамочно-лучевые антенны. Вот только рамочную часть, разработанных до этого антенн, на диапазон 40 метров (и тем более 80 метров), поместить в багажник типового автомобиля, не получится. Нужно кардинально пересмотреть конструкцию. Вот тут и появилась идея сделать рамку съемной и гибкой, что бы её можно было свернуть. И все остальные элементы сделать съемными (складными). В ходе осмысления конструкции будущей антенны, стало понятно, что если рамки выполнить из стандартного (желательно доступного) гибкого коаксиального кабеля, рабочего диапазона антенны по уровню КСВ=2,0 не хватит на большинстве диапазонов, из-за недостаточной излучающей поверхности наружной оплетки. Есть два варианта решения этой проблемы. Первый вариант состоит в увеличении излучающей поверхности наружной оплетки с помощью прокладывания параллельно поверхности рамки ещё одного (либо нескольких) многожильного проводника. Этот способ применен в антеннах UA6AGW четвертого направления развития этого проекта. Этот вариант достаточно легко осуществить. Он отлично подходит для однодиапазонных антенн. Но во многодиапазонной антенне, при смене диапазона, обязательно потребуется подстройка. Поэтому я выбрал другой вариант решения этой проблемы. Суть его состоит в организации возможности подстройки (желательно дистанционной) антенны с помощью переменного конденсатора. В этом случае понятие рабочего диапазона антенны становится весьма условным критерием. Имеющийся опыт в изготовлении самодельных переменных конденсаторов (стандартные вакуумные конденсаторы не рассматривались ввиду их дороговизны) и появление в продаже высокоточных (цифровых) рулевых машинок придали уверенность в решении поставленной задачи. Выбор наиболее надежных и простых вариантов выполнения остальных узлов, оказался не таким простым, как это представлялось в начале. Рассматриваемая в этой статье конструкция антенны является третьим вариантом. Два первых варианта оказались ненадежными...
Схема.
Электрическая схема антенны является базовой для антенн UA6AGW. Поскольку диаметр (периметр) рамки, емкости конденсаторов, длина лучей, периметр петли связи в этой конструкции величины переменные, то на принципиальной схеме они не указаны.
Конструкция.
Общее устройство.
Максимальная длинна любого элемента антенны не более 120см. Центральным узлом антенны является самодельный переменный конденсатор С-1 с дистанционным управлением, емкостью 9-27 пФ. Он используется на всех диапазонах, остальные элементы сменные. Для задания рабочего диапазона применены стандартные вакуумные конденсаторы постоянной емкости. Они стоят совсем недорого и не пользуются спросом у радиолюбителей. Нужно по одному конденсатору напряжением на 10кВ, емкостью 200пФ, 100 пФ, 50пФ, 25пФ, 12,5пФ.
Помещаются сменные рамки и лучи в небольшой сумке. Содержимое сумки, комплекты рамок и лучей на все диапазоны, на фото ниже.
Для установки лучевой части применяются обычные пластиковые (не карбоновые!!! ) удилища длинной 6 м. Узел крепления лучей выполнен из винипласта. Винипласт обладает хорошей прочностью и легко обрабатывается. Кабельные стяжки на узле крепления лучей позволяют закрепить оба удилища горизонтально либо одно из них слегка поднять. Закреплен узел на центральной стойке с помощью саморезов.
Для того что бы надежно закрепить излучающие рамки, из пластикового мебельного уголка и кабельной клипсы изготовлены такие приспособления.
Несущая основа антенны представляет собой деревянную раскладную конструкцию, состоящую из двух частей верхней и нижней.
В собранном виде она выглядит так.
С помощью шнура (чёрный) продетого в распорки, они (распорки), надежно фиксируются. В верхней, стандартной электротехнической коробке, находится переменный конденсатор и узлы подключения съемных рамок и лучей.
В нижней коробке находятся конденсаторы задающие рабочий диапазон. На фото ниже видна общая компоновка.
Антенна на 40 метров, в собранном виде, выглядит так.
Рамка. Подробное описание.
Рамки в этой антенне выполнены из "толстого, советского" кабеля РК-75, точная марка которого, мне не известна. Волновое сопротивление примененного в рамках кабеля, не имеет никакого значения. Важно только что бы центральная жила и внешняя оплетка (желательно двухслойная) были медными. Что бы уменьшить общее количество деталей антенны и соответственно снизить затраты материала, излучающих рамок изготовлено всего 3 шт. Каждая из них применяется на нескольких диапазонах. Впрочем, ни что не мешает изготовить рамки для каждого диапазона отдельно.
Самая большая рамка работает на двух (трех) диапазонах, имеет периметр 480 см. Средняя рамка работает на пяти (четырех) диапазонах, и имеет периметр 246 см. Малая рамка работает на четырех (трех) диапазонах, имеет периметр 120 см. Кабель, из которого изготовлена рамка на концах разделывается и крепится к Т-образным стеклотекстолитовым пластинкам. Наружная оплетка и внутренняя жила припаяны к контактным пятачкам. Такой способ подключения оказался наиболее надежным и простым.
Для облегчения сборки антенны, хорошо бы, обозначить середину рамки.
Петля связи. Подробное описание.
Изготавливаются петли связи из такого же кабеля что и фидер. Волновое сопротивление кабеля петли связи, должно соответствовать входному сопротивлению трансивера. В моем случае это 50 Ом. В этой антенне, фидер работает в режиме согласованной нагрузки, длина кабеля может быть любой. Поскольку рамок применяется всего три, то и петель связи применено три. Причем петля связи постоянно закреплена на рамке и при смене диапазона заменяется, вместе с ней. Способ изготовления петель связи применен тоже хорошо отработанный.
Такая конструкция петли связи обеспечивает высокую симметричность всей антенны, что очень важно для снижения синфазных помех. При монтаже, точку симметрии петли связи и середину рамки нужно совместить. Петля связи крепится к излучающей рамке кабельными стяжками.
Размеры петель связи и точек их крепления к рамкам, сведены в таблицу.
На фото ниже пример сборки малой излучающей рамки.
Лучи. Подробное описание.
Лучи для этой антенны выполнены из так называемого "акустического" двухжильного провода сечением 0,75 квадратных миллиметров. Каждый луч выполнен из одной жилы провода. Такой провод отличается стойкой к ультрафиолету, механически прочной оболочкой, не вытягивается и что важно, практически не запутывается. На концах лучей припаяны контактные пятачки. Крепятся лучи одним концом к крючкам на монтажной коробке, а вторым к тонкому концу хлыстика удилища, с помощью простого узелка. Слегка изогнутый хлыстик поддерживает лучи в натянутом состоянии.
Всего мной изготовлено пять комплектов лучей. Комплект длиной по 880 см. для диапазона 80 метров; комплект длиной по 460 см. для диапазона 40 метров; комплект длиной по 330 см. для диапазона 30-20 метров; комплект длиной по 230 см. для диапазона 20-15 метров и комплект длиной по 120 см. для диапазона 12-10 метров. Длина лучей выбрана такой, что бы обеспечить круговую либо почти круговую диаграмму направленности. С помощью длинны (и положения) лучей можно формировать различную диаграмму, от круговой до направленной. Но об этом я расскажу позже...
Переменный конденсатор.
Конденсатор я применил самодельный ёмкостью 9-27 пФ. Тип конденсатора "бабочка". Собран он с помощью шпилек М-5 на двух винипластовых пластинах.
Пластины конденсатора вырезаны из толстого, "советского" оцинкованного железа. Расстояние 12 мм. между статорными пластинами, задается с помощью гаек М-5. Всего статорных пластин десять, пять с одной стороны, пять с другой. На верхней винипластовой пластине установлена цифровая рулевая машинка типоразмера "стандарт", марки MG995R. Прямо в выходной вал машинки ввернута шпилька М-3, на которой собраны роторные пластины (4 шт.). Такая конструкция сводит к минимуму, практически исключает, механический люфт. Впрочем, можно применить любой другой конденсатор. Нужно только обеспечить достаточную электрическую прочность. Если применить, к примеру, "прореженный" стандартный двухсекционный конденсатор то антенна легко сможет выдерживать 100 Ватт мощности, кроме того диапазон перестройки антенны расширится, правда плотность настройки возрастет.
Для упрощения конструкции в этой антенне отсутствуют промежуточные реле в цепи управления рулевой машинкой. Для снижения наводок на электронику, корпус машинки несколько раз обернут алюминиевой фольгой. Управляется конденсатор с помощью самодельного пульта изготовленного на базе сервотестера HJ.
Электрическая схема пульта управления очень проста. Питается он, в моем случае, от пяти батареек по 1,5 вольта. Кабель управления подключается с помощью разъема. В исходном положении провода управления отключены от сервотестера. Вначале устанавливается ручкой управления необходимая ширина импульса управления. Затем кнопкой (на фото она зеленая) провода управления подключается к сервотестеру, и рулевая машинка поворачивается на заданный угол. В роли кабеля управления хорошо бы применить трехжильный экранированный провод.
Монтаж.
В общем виде, монтаж элементов антенны уже понятен из приведенных фотографий. Остается добавить лишь некоторые детали.
В диапазоне 80 метров лучи длиной почти девять метров, монтируются за счет изгиба удилищ, так что концы лучей приближаются к излучающей рамке. Они привязаны к толстой леске (длиной приблизительно 1,5м.) на вершине несущей основы. Леска работает в этом случае изолятором. Этот же способ можно использовать на любых других диапазонах для уменьшения габаритов антенны. А если один луч оставить прямым, а второй согнуть описанным выше способом, то антенна становится направленной.
Монтаж малой излучающей рамки несколько отличается от монтажа других рамок.
Форма петли связи в некоторой степени позволяет изменять КСВ. На фото изображена петля связи рамки на диапазоны 80 и 40 метров.
Расстояние, указанное на фото, для большой рамки составляет 47 см. Для средней рамки 19 см. Для малой рамки 21 см. Фиксируется это расстояние, очень просто, с помощью самореза.
Настройка.
Настройка антенны производится дистанционно в ходе эксплуатации. Угол поворота выходного вала рулевой машинки задается длительностью импульса управления и контролируется с помощью обратной связи Индикатор пульта управления отображает ширину импульса, таким образом, установив нужное значение ширины импульса, мы задаем емкость конденсатора. Точность установки емкости конденсатора С1 достаточно высока. Проведенные эксперименты показали, что в десяти случаях из десяти попыток, конденсатор становится в нужное положение с точностью до одной пФ, вне зависимости от первоначального положения.
Результаты.
Теперь можно перейти к изложению результатов испытания антенны. Некоторые подробности реализации дополнительных возможностей будут описаны ниже. Хотя антенна задумывалась как рамочно-лучевая, применение конденсаторов с большим пробивным напряжением позволяет её использовать и в режиме магнитной рамки. Но об этом позже...
Режим - рамочно-лучевая.
В таблице ниже, приведены результаты использования сменных элементов для разных диапазонов и полученные технические параметры.
Здесь нужно дать некоторые пояснения. В двух верхних строчках, в последнем столбце, даны частоты, в пределах которых можно используя переменный конденсатор, перестраивать антенну по минимуму КСВ. Антенна по уровню КСВ=2,0 в диапазоне 80 метров без перестройки имеет полосу около 60 кГц. Т.е. к примеру, антенна, настроенная на частоту 3650 по уровню КСВ=2,0 может работать от 3620 до 3680 и настраивать её, в этом интервале, нет надобности. Перестройка антенны в интервале 100 кГц, с помощью пульта, длится менее двух секунд. Т.е. перестраивая антенну, в интервале 100 кГц, мы будем иметь КСВ=1,12. Если имеется желание работать выше или ниже приведенного интервала, это легко осуществить изменив ёмкость конденсатора С2, к примеру, установив вместо конденсатора 25 пФ, конденсатор 12,5 пФ или конденсатор 50пФ.
С повышением частоты интервал перестройки по минимуму КСВ расширяется, например, в диапазоне 40 метров он равен 200 кГц. Антенна, настроенная на частоту 7100 по уровню КСВ=2,0 без перестройки может работать от 7040 до 7160. В диапазоне 20 метров эти значения будут выше ещё в два раза и т.д.
Во всех приведенных в таблице, вариантах использования сменных элементов, диаграмма направленности в горизонтальной плоскости близка к круговой и не имеет провалов. Вертикальный угол излучения имеет близкие к оптимальным значения, даже на НЧ диапазонах, при высоте установки (до верхушки) антенны 6-8 метров.
Конструкция этой антенны позволяет, в зависимости от поставленной задачи, формировать диаграмму направленности. Для формирования практически круговой диаграммы, длинна луча, должна быть приблизительно равна периметру рамки. Если длину луча сделать больше периметра рамки в 1,5 раза, то диаграмма в горизонтальной плоскости будет виде эллипса, вытянутого вдоль лучей, вперед (назад)-вбок до 0,5-1 балла. А если один из таких лучей приподнять градусов на 30. (Как это сделать видно на фото ниже.)
Вертикальный угол излучения со стороны горизонтального луча станет заметно меньше. И дистанция "скачка" переотражения, с этой стороны заметно возрастет. Кроме того, в этой антенне реализованы результаты множества опытов. Целью этих опытов была проверка возможности, изменения диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, при изменении положения места формирования одной составляющей относительно второй. Если проще, то, что будет с диаграммой, если зону формирования электрического поля сдвинуть в сторону от зоны формирования магнитного поля. Этот эффект применен в антеннах UA6AGW, второго направления развития этого проекта. Сдвинуть зону формирования электрического поля достаточно просто. Для этого нужно один из лучей согнуть описанным выше способом. В этом случае на трассе протяженностью 1000-2000 км. подавление со стороны свернутого луча получится более 1 балла.
Ну и самый главный плюс этой антенны в сравнении с классическими диполями, "вертикалами" и т.д., кроме более высокого КПД, это несравнимо более высокая стойкость к шумам. В условиях сильно зашумленного эфира соотношение сигнал-шум лучше более чем на 30дБ.
Режим - Магнитная рамка.
Этот режим работы, описанной в этой статье антенны, не является основным. Это так сказать "приятный бонус". Возникает этот бонус в результате применения конденсаторов с высоким пробивным напряжением. С конденсаторами, описанными в этой статье, антенна легко выдерживает мощность 100 Ватт. В таблице ниже, приведены результаты использования сменных рамок и конденсаторов для разных диапазонов и полученные технические параметры.
Из таблицы следует, что КСВ имеет вполне сносные значения до диапазона 12 метров. А на этом диапазоне и выше, КСВ становится более двух. Это легко исправить. Дело в том, что в узле малой рамки я применил имевшуюся тогда "под руками" петлю связи. Она несколько великовата для такой рамки. Для работы антенны в режиме "рамочно-лучевая", это не имеет серьезного значения. Оптимальные размеры её периметра приблизительно 40 см. Проведенные многочисленные опыты показали, что оптимальное для рамочно-лучевых и ML антенн, соотношение периметра излучающей рамки и периметра петли связи, равно один к трем. Можно это соотношение сформулировать иначе - "периметр петли связи равен диаметру излучающей рамки".
Антенна в этом режиме имеет диаграмму направленности вполне предсказуемую. С глубокими провалами в случае прихода сигнала с боковой поверхности и выраженную направленность вдоль рамки. По меткому выражению одного радиолюбителя - "куда катится колесо".
Общая эффективность антенны в этом режиме заметно ниже, чем в режиме "рамочно-лучевая". По моим наблюдениям и на прием и на передачу до 20дБ.
Итоги.
Эта антенна прошла полный цикл испытаний в близких к "боевым" условиях, в течении полутора лет, в условиях разных сезонов. В активе работа из глухой деревеньки в Руднянском районе Смоленской области. Там я впервые оказался в роли DX-а. В этом районе, кроме меня, не было на тот момент радиолюбителей. А может, никогда не было....
Антенна была привязана к березовой жерди длиной метров 5-6, и в таком положении очень "бодро" работала в диапазоне 40 метров.
Вот собственно и всё что я хотел рассказать об этой антенне. В целом антенна получилась простой и весьма эффективной. Конструкция антенны оказалась вполне надежной.
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/1.png)
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/2.png)
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/3.png)
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/4.png)
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/5.png)
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/6.png)
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/7.png)
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/33.png)
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/8.png)
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/88.png)
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/9.png)
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/10.png)
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/11.png)
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/35.png)
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/13.png)
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/66.png)
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/tab1.png)
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/16.png)
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/17.png)
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/18.png)
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/19.png)
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/20.png)
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/21.png)
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/36.png)
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/23.png)
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/tab2.png)
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/24.png)
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/tab3.png)
![[]](/img/u/ua6agw_g_a/antennaua6agwv80-1091/25.png)