Конструкции на микроконтроллерах для радиолюбителей и не только

\главная\р.л. конструкции\антенны\...

Использование прямоугольников Moxon в антенных системах на WARC-диапазоны.
Часть 2: Некоторые проекты для диапазонов 30-17-12 метров

L. B. Cebik, W4RNL

В прошлом месяце мы рассматривали прямоугольники Moxon, выполненные для 17-метрового диапазона, на примере очень компактной двухдиапазонной комбинации (17-12 метров) Moxon/Yagi. В разработке применялась связь с помощью разомкнутых шлейфов между физически (непосредственно) питаемым активным элементом диапазона 17 метров и “ведомым” (питаемым через поле, если хотите: через индуктивную и ёмкостную связь) активным вибратором диапазона 12 метров. Часть антенны Yagi, использовавшаяся в системе, представляла собой стандартную комбинацию “активный вибратор - директор” с расстоянием между ними в 0,07 длины волны. В результате получилась двухдиапазонная антенная система длиной примерно 10 футов и шириной примерно 20 футов, которая обеспечивала усиление (для свободного пространства) в 6 дБ по отношению к изотропному (всенаправленному) излучателю, при соотношении излучений “вперёд-назад” более чем 20 дБ, питаемая напрямую коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 50 Ом (с обычно подключаемым, в таких случаях, дросселем или симметрирующим “балуном” 1 : 1 для уменьшения токов, текущих по оплётке кабеля).

Компактность - вот цель для изготовления двухдиапазонной антенны на основе прямоугольника Moxon. Ширина антенны Moxon составляет лишь 70% от ширины полноразмерной антенны Yagi, имеющей в своём составе активный вибратор и рефлектор, причём, для получения эффекта укорочения, Moxon не использует никаких нагрузок (ёмкостных по краям, например). Вместо этого применён изгиб элементов навстречу друг другу. При соблюдении нужных пропорций и расстояний между концами вибраторов, можно получить вторичную антенную систему (вибратор-рефлектор) с усилением, примерно таким же, как у полноразмерной антенны Yagi и значительно улучшенным по отношению к Yagi соотношением излучений “вперёд - назад”. Частично за это ответственны амплитуда тока и фазировка тыльного элемента по отношению к впереди стоящему, они близки по значению к случаю, когда каждый отдельный активный элемент настраивается с пассивным, на максимум подавления “взад”, - индивидуально.

На рисунке Fig. A приведён эскиз базовой конструкции прямоугольника Moxon, в качестве напоминания. (Чтобы был под рукой в этой части статьи (см. также Часть 1 статьи), где предполагается поговорить о введении в антенную систему диапазона 30 метров).

Yagi на диапазон 30 метров с ненагруженными элементами будет иметь размеры 48…49 футов от стороны до стороны. Прямоугольник Moxon на 30-метровый диапазон требует для размещения от стороны до стороны только 35 футов и 13 футов в длину (вперёд-назад). Эти размеры близки к размерам обычного “бима” на диапазон 20 метров. Структура антенны Moxon на диапазон 30 метров может быть немного более громоздка, чем Yagi на диапазон 20 метров из-за параллельных элементов, поддерживающих “хвостики” (B и D на рисунке Fig A). Тем не менее, всё равно, с элементами длиной 35 футов управляться легче, чем с 48-футовыми, когда место для размещения антенны ограничено.

Комбинация на диапазоны 30-17 метров

Когда мы опробовали конструкцию на 17 и 12 метров в деле, то сделали два практических вывода. Во-первых, двойная (двухдиапазонная) антенная система Moxon слишком чувствительна к малейшим конструктивным изменениям, чтобы ей заинтересоваться в практическом плане для домашней постройки. Во-вторых, размещение полноразмерной (в конфигурации “активный вибратор – рефлектор”) антенны Yagi на диапазон 12 метров внутри антенны Moxon на диапазон 17 метров не подходит из-за большой длины её элементов, особенно, рефлектора.

Таким образом, мы отказываемся от двухдиапазонной конструкции антенны Moxon на диапазоны 30 и 17 метров, а вот комбинация с полноразмерной Yagi на диапазон 17 метров - вполне приемлема. Так: длина самого протяжённого элемента Yagi (в комбинации “вибратор - рефлектор”) составляет всего 27 дюймов, что вполне вписывается внутрь прямоугольника Moxon на диапазон 30 метров, имеющий длину 35 футов. На рисунке Fig. 1 показан эскиз предлагаемой схемы антенной системы.

В последующей таблице приведены габариты элементов прямоугольника Moxon с размерностями с рисунка Fig. A. Расстояние между элементами Yagi даны от вибратора Moxon. Все размеры даны в футах. Элементы прямоугольника Moxon выполнены из алюминиевых труб диаметром 1,25 дюйма, элементы Yagi – из таких же труб диаметром 1 дюйм (25,4 мм).

Band              Dimension         Length (feet)
30-meter Moxon    (all elements use 1.25" diameter aluminum tubing)
Moxon             A                 34.91'
                  B                  4.89'
                  C                  1.12'
                  D                  6.56'
                  E                 12.57'
17-meter Yagi     (all elements use 1.0" diameter aluminum tubing)
Driver            Length            25.80'
                  Space              1.30'
Reflector         Length            27.00'
                  Space              8.00'

Band – диапазон. Dimension – размер. Length – длина. Driver – активный вибратор. Space – расстояние между…

Расстояние между элементами Yagi равно 6,7 фута или около 1/8 длины волны. Расстояние между элементами в антенне Moxon составляет примерно 0.13 длины волны. Размеры антенны Moxon не изменялись – остаются оптимизированными по максимуму соотношения излучений “вперёд-назад” и входному импедансу в 50 Ом при раздельном использовании антенн (т.е., для однодиапазонного варианта антенны Moxon). Конечно же, изменения в размерах (диаметр) элементов или при применении ступенчатых элементов (телескопических) потребует перенастройки антенны с целью достижения приемлемых результатов. Также как и в прошлом месяце (видимо, в Части 1 статьи), я размещу описание модели антенны в конце этих записок, для тех, кто захочет поэкспериментировать с другими конструктивными материалами.

Ну, и, конечно, коль скоро, основная модель есть, то все настройки будут касаться только вибратора вторичной антенны: на диапазон 17 метров. Его точная длина и расстояние от вибратора Moxon будут определять входной импеданс антенны на 17- метровом диапазоне в физической точке питания антенны (т.е. на прямоугольнике Moxon диапазона 30 метров).

Комбинация антенн Moxon-Yagi очень хорошо себя ведёт. Последующая таблица, показывающая усиление антенны для свободного пространства, красноречиво говорит об этом:

Frequency         Gain        Front-to-Back           Feedpoint Z       50-Ohm
  MHz              dBi         Ratio  dB              R+/-jX Ohms       VSWR
 
10.100            6.21          22.9                  47.6 - j 3.6      1.09
10.125            6.13          27.0                  50.7 - j 1.4      1.03
10.150            6.05          33.4                  53.7 + j 0.6      1.07
 
18.068            6.37          10.8                  52.4 - j22.5      1.55
18.118            6.26          10.9                  49.9 - j 5.4      1.11
18.168            6.16          10.9                  47.5 + j10.9      1.26

Frequency – частота. Gain – усиление. Feedpoint Z – импеданс в точках питания. Front-to-Back Ratio – соотношение излучений вперёд-назад. 50-VSWR - КСВ по отношению к импедансу 50 Ом.

1 фут = 12 дюймам = 30,48 см

Как было замечено ранее (в Части 1 статьи), добавление близко расположенного пассивного “бима” немного расстраивает Moxon, сдвигая пик отношения излучений “вперёд - назад” вверх по частоте, хотя, на усиление и входной импеданс антенны это почти не влияет. На рисунке Fig. 2 приведена азимутальная диаграмма направленности (в горизонтальной плоскости) для свободного пространства, антенны Moxon, работающей в середине диапазона 30 метров. Одним из побочных положительных эффектов прямоугольника Moxon является то, что он имеет тенденцию к сохранению большого отношения излучений “вперёд-назад” при низкой высоте подвеса до 3/8 длины волны, что на диапазоне 30 метров составит порядка 36 футов. Конечно, старое правило: чем выше – тем лучше, остаётся в силе. Но, несмотря на это, даже установка на довольно небольшой высоте, даёт на диапазоне 30 метров вполне обнадёживающие результаты.

Outer Ring – внешнее кольцо (6,13 dbi – 6,13 дБ по отношению к изотропному излучателю) – граница масштабной сетки диаграммы направленности, выполненной для свободного пространства в горизонтальной плоскости для антенной системы Moxon/Yagi на частоте 10,125 МГц.

На 17-метровом диапазоне следует ожидать меньшее соотношение излучений “вперёд-назад”, связанное с работой системы вибратор-рефлектор Yagi. На рисунке Fig. 3показана диаграмма направленности системы антенн в свободном пространстве на середине диапазона 17 метров (на частоте 18,118 МГц).

Хотя высокочастотная антенна Yagi находится за (закрыта) и внутри прямоугольника Moxon, особого эффекта выноса элементов вперёд не замечено, так: усиление Yagi и соотношение излучений вперёд назад практически равны таковым, получаемым у отдельной антенны Yagi на диапазон 17 метров, состоящей из вибратора и рефлектора. Тем не менее, при расстоянии в 1/8 длины волны, импеданс в точке питания отдельной антенны Yagi был бы ближе к 35 Ом. Согласование с 50-омным фидером достигается за счёт связи с помощью разомкнутых шлейфов, импеданс в точке питания, кстати, может быть любым желаемым и зависит от длины вибратора и/или расстояния между активным вибратором (Yagi) и физически питаемым элементом (Moxon). Как уже упоминалось (в Части 1 статьи), импеданс изменяется быстрее на ведомом (вторичном) элементе, чем на физически питаемом. В случае Yagi на диапазон 17 метров, за такое быстрое изменение импеданса ответственна реактивность, которая сильно изменяется, тогда как активное сопротивление остаётся достаточно стабильным.

Хотя Yagi диапазона 17 метров ничего не выигрывает от расположения внутри прямоугольника Moxon, но ничего и не проигрывает. Более того, она не занимает дополнительного места на поддерживающей мачте. Двухдиапазонная антенная система имеет те же внешние размеры, что и сама антенна Moxon на диапазон 30 метров. За исключением дополнительного веса и ветровой нагрузки, вносимых элементами антенны на 17 метров, было бы логично добавить к антенне Moxon на диапазон 30 метров и более высокочастотный диапазон.

Комбинация антенн на диапазоны 30-17-12 метров

Предположим, что мы хотим увеличить траверсу антенной системы Moxon-Yagi c 12,6 до примерно 16 футов. Добавив дополнительные 3,4 дюйма к длине траверсы, мы вводим третий диапазон, практически, более ничего не меняя в том, что уже было сделано. Впереди вибратора Moxon помещается Yagi, имеющая в своём составе вибратор и директор с расстоянием между ними 0,07 длины волны, в результате получается трёхдиапазонная антенная система повышенной компактности, рассчитанная на WARC-диапазоны. На рисунке Fig. 4 показана общая раскладка проекта.

Для низкочастотных диапазонов также используются диаметры труб 1,25 дюйма (30 метров) и 1 дюйм (17 метров). Для диапазона 12 метров диаметр элементов 0,5 дюйма, все элементы - алюминиевые. При указанных материалах можно пользоваться данными, приведёнными в нижеследующей таблице. Для элементов диапазона 17 метров расстояние между элементами показывает расстояние за вибратором Moxon (от него - взад). Для диапазона 12 метров расстояния указаны вперёд от вибратора Moxon.

Band              Dimension         Length (feet)
30-meter Moxon    (all elements use 1.25" diameter aluminum tubing)
Moxon             A                 34.91'
                  B                  4.89'
                  C                  1.12'
                  D                  6.56'
                  E                 12.57'
17-meter Yagi     (all elements use 1.0" diameter aluminum tubing)
Driver            Length            25.80'
                  Space              1.30'
Reflector         Length            27.00'
                  Space              8.00'
12-meter Yagi     (all elements use 0.5" diameter aluminum tubing)
Driver            Length            19.46'
                  Space              0.70'
Director          Length            18.70'
                  Space              3.43'

Для антенны Moxon и Yagi на диапазон 17 метров ничего не изменилось. Размеры Yagi на диапазон 12 метров лишь немного разнятся с размерами такой же антенны из комбинации Moxon/Yagi, рассмотренной в Части 1 статьи. Тем более, что в антенне Moxon там использовались элементы меньшего диаметра, чем в таковой на диапазон 30 метров, рассматриваемой здесь. Наибольшие различия наблюдаются в расстоянии Moxon – ведомый активный вибратор диапазона 12 метров, чуть побольше, чем в варианте на диапазоны 12-17 метров.

Если уж есть различия в размерах, значит, следует ожидать и изменения в параметрах антенны. В нижеследующей таблице приведены эти данные.

Frequency         Gain        Front-to-Back           Feedpoint Z       50-Ohm
  MHz              dBi         Ratio  dB              R+/-jX Ohms       VSWR
 
10.100            6.23          22.5                  48.5 - j 4.9      1.11
10.125            6.15          26.3                  51.7 - j 2.8      1.07
10.150            6.07          32.1                  54.9 + j 0.9      1.10
 
18.068            6.40          11.3                  53.3 - j16.3      1.38
18.118            6.31          11.4                  51.3 - j 1.2      1.04
18.168            6.21          11.4                  49.4 + j13.6      1.31
 
24.89             6.57          25.3                  59.4 - j 9.9      1.28
24.94             6.67          22.1                  48.7 + j 3.4      1.08
24.99             6.76          19.2                  38.9 + j18.5      1.62

На диапазоне 30 метров характеристики антенны меняются незначительно, как правило, только в цифрах последних десятичных разрядов. На 17 метрах, значения параметров численно больше, но всё же не так, чтобы об этом можно было говорить особо. Численное увеличение частично происходит из-за выдвижения вперёд, который создаёт директорный эффект элементам антенны диапазона 12 метров при работе на диапазоне 17 метров.

На диапазоне 12 метров, двухэлементная система вибратор-директор работает нормально вместе с другими, хотя импеданс в точках питания отдельной антенны составляет всего 20 Ом. Стоит поставить эту систему в поле вибратора Moxon на диапазон 30 метров, и проблема согласования решается. В Части 1 статьи мы видели, что усиление антенной системы на 12-метровом диапазоне было выше. В самом деле, вибратор диапазона 30 метров расположен дальше от элементов антенны на 12 метров и обеспечивает небольшую изоляцию их от внутренних элементов диапазона 17 метров. Поэтому действие эффекта выдвижения вперёд – минимально.

Тем не менее, для направленной антенны с длиной траверсы 16 футов трёхдиапазонная система Moxon-Yagi обеспечивает отличный потенциал (одним словом, неплохо работает). На рисунке Fig. 5 приведена диаграмма направленности в горизонтальной плоскости для свободного пространства на частоте 10,125 МГц диапазона 30 метров.

На рисунке Fig. 6, мы видим практически ту же диаграмму направленности, что и на рисунке Fig. 3 для середины диапазона 17 метров. Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости для свободного пространства и частоты 24,94 МГц диапазона 12 метров (рисунок Fig. 7) аналогичен соответствующему для этого диапазона в Части 1 статьи. Те же задние лепестки определяют соотношение излучений вперёд-назад.

Точное расстояние между элементами и длины ведомых вибраторов потребуют настроек по полю, чтобы, в конце концов, получить хорошее согласование импеданса 50 Ом на каждом диапазоне. Обычно, такие настройки всецело зависят от конструктивных материалов, и, пожалуй, нельзя прописать рецепты для изготовления антенной системы, не требующей настройки, хотя, как знать, возможно, Вы выберете какие-то определённые материалы, для которых, при точном изготовлении, возможно, и можно будет указать точные размеры. Практически же, лучше действовать следующим образом: спроектировать отдельную антенну Moxon на диапазон 30 метров, изготовить её и отстроить, как следует. Затем, добавить элементы на диапазон 17 метров и выполнить настройку активного вибратора до “самоудовлетворения”. Проверка импеданса (вновь) на диапазоне 30 метров не должна обнаруживать сколько-нибудь большого его изменения. Наконец, добавьте элементы на диапазон 12 метров и настройте вибратор этого диапазона до получения хорошего согласования (50 Ом) на этом диапазоне. Поскольку расстояние между элементами немного более критично для системы вибратор-директор, чем для системы вибратор-рефлектор Yagi, перепроверьте расстояние между элементами на диапазоне 12 метров перед окончанием процедуры настройки. Ещё раз напоминаю, что импеданс на диапазонах 30 и 17 метров не должен существенно меняться при добавлении элементов на диапазон 12 метров.

Я успешно настраиваю антенны Moxon и простые Yagi вблизи от поверхности Земли, направляя полотна антенн строго вертикально, при расстоянии от рефлектора до земли 4…12 футов. Настройки сохраняются на высотах нормального подвеса антенны 20…35 футов. Этот способ неприемлем для всех направленных антенн, но стоит попробовать понастраивать Ваши антенны, которые нет возможности настраивать на их рабочей высоте.

Для тех, кто желает и дальше работать над проектом моделей двух антенн, вот – описания моделей, которые позволят упростить координатные вводные для большинства программ NEC, предназначенных для моделирования.

30-17 m Moxon-Yagi                           Frequency = 10.125/18.118  MHz.
 
Wire Loss: Aluminum -- Resistivity = 4E-08 ohm-m, Rel. Perm. = 1
 
              --------------- WIRES ---------------
 
Wire Conn. --- End 1 (x,y,z : ft)  Conn. --- End 2 (x,y,z : ft)   Dia(in) Segs
 
1          -17.457, -4.888,  0.000  W2E1 -17.457,  0.000,  0.000 1.25E+00   7
2     W1E2 -17.457,  0.000,  0.000  W3E1  17.457,  0.000,  0.000 1.25E+00  45
3     W2E2  17.457,  0.000,  0.000        17.457, -4.888,  0.000 1.25E+00   7
4          -17.457, -6.005,  0.000  W5E1 -17.457,-12.569,  0.000 1.25E+00   9
5     W4E2 -17.457,-12.569,  0.000  W6E1  17.457,-12.569,  0.000 1.25E+00  45
6     W5E2  17.457,-12.569,  0.000        17.457, -6.005,  0.000 1.25E+00   9
7          -12.900, -1.300,  0.000        12.900, -1.300,  0.000 1.00E+00  33
8          -13.500, -8.000,  0.000        13.500, -8.000,  0.000 1.00E+00  33
 
              -------------- SOURCES --------------
 
Source    Wire      Wire #/Pct From End 1    Ampl.(V, A)  Phase(Deg.)  Type
          Seg.     Actual      (Specified)
 
1          23     2 / 50.00   (  2 / 50.00)      1.000       0.000       V
 
Ground type is Free Space
 
 
30-17-12 m Moxon-Yagi                        Frequency = 10.125/18.118/24.94  MHz.
 
Wire Loss: Aluminum -- Resistivity = 4E-08 ohm-m, Rel. Perm. = 1
 
              --------------- WIRES ---------------
 
Wire Conn. --- End 1 (x,y,z : ft)  Conn. --- End 2 (x,y,z : ft)   Dia(in) Segs
 
1          -17.457, -4.888,  0.000  W2E1 -17.457,  0.000,  0.000 1.25E+00   7
2     W1E2 -17.457,  0.000,  0.000  W3E1  17.457,  0.000,  0.000 1.25E+00  45
3     W2E2  17.457,  0.000,  0.000        17.457, -4.888,  0.000 1.25E+00   7
4          -17.457, -6.005,  0.000  W5E1 -17.457,-12.569,  0.000 1.25E+00   9
5     W4E2 -17.457,-12.569,  0.000  W6E1  17.457,-12.569,  0.000 1.25E+00  45
6     W5E2  17.457,-12.569,  0.000        17.457, -6.005,  0.000 1.25E+00   9
7          -12.900, -1.300,  0.000        12.900, -1.300,  0.000 1.00E+00  33
8          -13.500, -8.000,  0.000        13.500, -8.000,  0.000 1.00E+00  33
9           -9.730,  0.700,  0.000         9.730,  0.700,  0.000 5.00E-01  25
10          -9.350,  3.430,  0.000         9.350,  3.430,  0.000 5.00E-01  25
 
              -------------- SOURCES --------------
 
Source    Wire      Wire #/Pct From End 1    Ampl.(V, A)  Phase(Deg.)  Type
          Seg.     Actual      (Specified)
 
1          23     2 / 50.00   (  2 / 50.00)      1.000       0.000       V

GroundtypeisFreeSpace

Комбинации антенн на диапазоны 30-17 метров или на 30-17-12 метров открывают поле для деятельности по созданию малогабаритных направленных антенных систем на WARC-диапазоны. Эти конструкции предназначены для развития Вашего “аппетита” в собственной деятельности по созданию новых и усовершенствованию имеющихся антенн. Посудите сами, Вам придётся поработать, чтобы, при сокращении размеров антенн, увеличить их усиление, причём, на всех диапазонах. Прошу поделиться со мной своим опытом настройки.

Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru



Глас народа
11.10.2005 22:42 Очередной раз возвращаюсь к это статье, выполню (скорее всего без...  --  rw0lal/3
18.06.2005 18:02 Станислав, UT5USQ - а у пролетариев это что обозначает?...  --  Yuri VE3DZ
10.02.2005 14:22 Хорошая работа. Вполне професионально. Спасибо....  --  Ur3LMX, ВИТАЛИЙ...
16.12.2004 06:55 Виктор, огромнейшее спасибо за перевод!...  --  Vit/rx0at
09.12.2004 13:55 Нормальная антенна. Компактная, лёгкая конструкция. Читайте "спай...  --  Александр, RZ6F...
08.07.2004 11:53 Станислав UT5USQ , Вы напоминаете мне одного из моих начальников...  --  Николай , UR0GT...
04.07.2004 19:11 Может быть ягу сначало настроить надо было?:-)...  --  Павел RA1OZ...
05.06.2004 22:01 Для RZ1OM : Сергей, это Вы зря.... видел ягу - вполне подходит пр...  --  Димтрий RV4CD...
04.06.2004 17:18 to Stan ut5usq Ага... веревки куда лучше, чем YAGI... :) Бред....  --  RZ1OM Сергей...
07.05.2004 16:34 Еще раз : труба (диполь Надененко) - она и в Африке труба. Было б...  --  Stan ut5usq...

Возврат