www.cqham.ru

\главная\р.л. конструкции\антенны\...

Yagi “реверсируемого” излучения

L. B. Cebik, W4RNL

Большинство коротковолновиков в США самой судьбой разбросано так, что для обеспечения оптимальных условий связи потребуется направлять антенны в пределах сектора 180 градусов или близкого к нему. В штате Теннеси, например, - Европа находится на северо-востоке, а Австралия и Новая Зеландия - на юго-западе. Если Вы заинтересованы работать с этими регионами, как и я, например, то Вам не нужны мачты, поворотные устройства и прочие прибамбасы, необходимые для обслуживания направленной антенны с высоким коэффициентом усиления. Можно просто изготовить двунаправленную антенную систему, такую, например, как Lazy-H. Но, если Вы хотите ещё и защититься от действия QRM, приходящих с разных направлений (кроме, естественно, главного), то лучше, было бы, применить систему проволочных Yagi.

Проволочная реверсивная (двунаправленная) антенная система Yagi известна давно. Существует много способов создания подобных антенн, включая переключатели в составе элементов, нагрузочные шлейфы в системах директоров и рефлектора и, даже, нагрузки рефлектора и директоров с использованием элементов с сосредоточенными параметрами. Все эти способы отличаются использованием минимального количества проводов, которые электрически или электро-механически могут изменять свои электрические длины в составе антенных систем. Мы можем, таким образом, либо изменять направление излучения, либо, путём переключений, оптимизировать максимально возможные параметры антенны в данном диапазоне частот.

В этой статье рассмотрены альтернативные пути к описанному выше, увеличивающие сложность антенной системы, но не более, чем добавление нескольких проводников.

Проволочные Yagi, потенциально, отличаются хорошими характеристиками направленного излучения, в союзе с достаточно узкой полосой пропускания. Платой за лёгкость конструкции антенной системы, выполненной из проводов AWG #12 или AWG #14, является её узкая полоса пропускания, обусловленная применением проводников малого диаметра. Также, более толстые элементы обеспечивают антенне большее усиление, в силу наличия большей поверхности проводников. Большая поверхность проводников элементов антенны обеспечивает меньшие потери за счёт скин-эффекта и лучшую взаимную связь между элементами антенной системы в большем диапазоне частот. Работа паразитных (пассивных) элементов целиком и полностью зависит от взаимной связи элементов. Просто “неприлично” считать проволочные антенны диапазонов 40…20 метров, хотя бы, “полудиапазонными” (их полоса пропускания оказывается менее того и намного). На диапазонах 160 и 80 метров полоса пропускания проволочных антенн ещё уже.

В большинстве случаев, бывает легче разместить в пространстве, относимом к антенной системе, один или два дополнительных проводника, чем городить сложные переключающие системы, механизмы, которые (не только сами влияют на поле, создаваемое антенной, но и) требуют защиты от климатических воздействий. От этой прелюдии отпочковался совершенно другой тип направленной антенны с реверсивным (изменяемым на обратное) излучением, основанным на факте, что проводники, размещённые позади рефлектора Yagi, мало влияют на работу проводников, расположенных перед рефлектором. Вместо переключения внутри проводников антенной системы, не лучше ли разместить две антенны Yagi тыльными сторонами друг к другу (back-to-back), применив один общий рефлектор.

На рисункеFig. 1 показаны конфигурации двух обычных и одной более редко применяемой “реверсивной” Yagi. Слева – трёхпроводниковая, двухэлементная Yagi, состоящая из рефлектора и двух активных вибраторов – по одному на каждое направление. Пространственные характеристики антенной системы можно улучшить, применяя 5-проводниковую, 3-элементную “реверсивную” Yagi, такую как показано на рисунке вверху справа. При определённых условиях, которые будут рассмотрены ниже, количество проводников (элементов) может быть сокращено до 4, при сохранении функции 3-элементной “реверсивной” Yagi. На нижнем правом рисунке показан расклад элементов такой (с четырьмя проводниками) антенны в пространстве; все три антенны даны примерно в том же масштабе.

Не представляет трудности разъяснить, что такая антенна действительно работает. На рисунке Fig. 2 показаны относительные амплитуды токов в каждом элементе 5-проводниковой антенной системы, когда включен активный вибратор для излучения вправо. Нормально – рефлектор активен (излучение 3-элементной системы идёт направо), по неактивному вибратору и, иже с ним, директору проходят незначительные (наведённые) токи, что показывает, что эти элементы инертны (в идеале, не участвуют в формировании диаграммы направленности, хотя идеального ничего нет…). Если мы переключим, теперь, в активное состояние левый вибратор, то излучение пойдёт налево, а бывшие в деле до того, правый вибратор и директор станут, практически нерабочими, инертными, не оказывающими влияния на диаграмму направленности антенной системы.

Вся прелесть этой системы заключается в том, что для постройки “реверсивной” Yagi не потребуется ломать голову над дополнительными расчётами. Если уже имеется проверенный расчёт 2…3-элементной Yagi и её конструкция, то необходимо лишь добавить такие же вибратор и пассивные элементы к ней с другой стороны рефлектора, чтобы получить “реверсируемую” антенную систему. Нам не нужно ничего изменять в расчёте, сделанном для одной антенны, чтобы получить излучение/приём в двух направлениях. (Помните только, что эти направления не действуют одновременно, а появляются последовательно, по мере переключения активных вибраторов).

Двухэлементная трёхпроводниковая антенная система Yagi

Среди самых простых антенных систем, из которых можно делать “реверсивные”, является версия Yagi, состоящая из активного вибратора и рефлектора. Антенна со средним усилением, - Yagi, будучи даже двухэлементной, всё равно, превосходит по этому параметру проволочный диполь, как и по соотношению излучений вперёд-назад, что удовлетворяет многим эксплуатационным нуждам.

На рисункеFig. 3 показаны две диаграммы направленности “реверсивной” двухэлементной Yagi, состоящей из трёх проводников. Хотя эти диаграммы характерны для любого КВ диапазона, мы будем рассматривать примеры, рассчитанные на 7,15 МГц. На расчётной частоте для свободного пространства усиление антенны немного превышает 6,2 дБ (по отношению к изотропному излучателю (dBi)), а соотношение излучений вперёд-назад составляет около 10 дБ.

Используемые мной размеры, для получения этих значений параметров, выражены в частях длины волны. Такой подход позволит любому изменять расчётную частоту ближе к тому или другому краю диапазона 40 метров. Также, значения, без значительных подстроек, можно пересчитать выше в диапазон 30 или 20 метров, или ниже- в диапазон 80 метров. Во всех случаях будет использоваться медный провод AWG #12, такой же, как и в начальной разработке (на диапазон 40 метров). Единственным исключением из общего правила будет, пожалуй, изменяющееся усиление антенн: на диапазонах ниже 40-метрового оно упадёт, а выше - возрастёт, по причине изменения диаметра проводников, как части длины волны.

Dimensions of a 3-Wire, 2-Element Yagi Reversible Array
 
Element          Length (wl)     "Boom" Length (wl)    Inter-Element
                                                       Spacing (wl)
Driver 1         0.476           0                     --------
Reflector        0.502           0.146                 0.146
Driver 2         0.476           0.292                 0.146

Общая длина “траверсы” (в данном случае, траверса - виртуальна) менее 0,3 длины волны, что значительно меньше ширины антенны (0,5 длины волны). Отсюда, во многих случаях, если уж “входит” ширина двухэлементной антенны, то размещение антенны по длине не вызывает проблем.

Характеристики антенны, конечно же, изменяются по диапазону 40 метров, на рисунке Fig. 4 представлены характеристические кривые изменения усиления и соотношения излучений вперёд-назад. Вернувшись к рисунку Fig. 3, можно заметить, что взаимно противоположные излучения (180 градусов) и худший случай соотношений излучений вперёд-назад для этой антенной системы идентичны (видимо, по диапазону).

И усиление и соотношение излучений вперёд-назад спадают быстрее на частотах ниже расчётной, чем выше её. Отсюда, любая такая 2-элементная антенна проволочная Yagi (“реверсируемая” или нет), из-за своей узкополосности, требует предварительного выбора – в каком участке диапазона предполагается работать. Пересчёт антенны на частоту 7,05 МГц позволит перекрыть телеграфный участок с наилучшими характеристиками, а расчёт для частот 7,2…7,25 МГц позволит получить те же результаты на SSB участке диапазона (в США 40-метровый диапазон шире – UA9LAQ). Конечное пиковое значение усиления для свободного пространства, по отношению к изотропному излучателю (dBi), составит 6,26 дБ, а минимальное значение – 5,99 дБ. Распределение излучаемой мощности в пространстве (по диапазону) удовлетворительно, а вот соотношение излучений вперёд-назад ниже расчётной частоты оставляет желать лучшего. Пиковое значение этого соотношения приближается к 10 дБ, но спадает до, практически, 3 дБ в 150 кГц ниже расчётной частоты. Выше расчётной частоты, соотношение излучений вперёд-назад изменяется мало.

Одним из достоинств 2-элементной Yagi является то, что активное сопротивление и реактивность в точке питания изменяются таким образом, что кривая КСВ, в основном, следует за кривыми изменения усиления и соотношения излучений вперёд-назад. Как видно из рисунка Fig. 5 , КСВ, при импедансе 50 Ом, приемлем, примерно, на протяжение 2/3 любительского диапазона, и предпочтительный участок работы располагается на и выше расчётной частоты. Отсюда, пересчёт антенны в нижний или верхний край диапазона, выражается в простой подгонке размеров элементов антенны.

Я давал уже диаграммы направленности для антенн в свободном пространстве и числовые значения их параметров, для того, чтобы можно было наглядно сравнить все антенные системы, которые мы будем здесь рассматривать. Каждая из данных антенных систем будет изменять свои пространственные характеристики, в зависимости от высоты подвеса, наибольшие изменения будут происходить при изменении высоты подвеса до ½ длины волны от поверхности Земли. Отсюда, если Вам не по душе одна или все антенные системы, которые мы здесь рассматриваем, всё равно, перед изготовлением своей собственной конструкции антенны, сначала смоделируйте её на проектной высоте подвеса.

3-элементная, 5-проводниковая антенная система Yagi

Если мы увеличим количество элементов Yagi до трёх, то получим дополнительное усиление и увеличение соотношения излучений вперёд-назад. Также, мы получим и большую изоляцию неактивных элементов (элементов обратного излучения). В расчётной антенне Yagi, состоящей из активного вибратора и рефлектора, два элемента так взаимодействуют друг с другом, что оба управляют как усилением, соотношением излучений вперёд-назад, так и импедансом в точке питания антенны. Если мы добавим к системе директор, то он будет влиять, практически, только на усиление и соотношение излучений вперёд-назад, оставив функцию управления импедансом в точке питания на совести взаимоотношений активного вибратора с рефлектором. Поскольку определяющие форму диаграммы направленности элементы теперь находятся на большем расстоянии друг от друга, изоляция двух половин нашей “реверсивной” антенной системы возрастает.

На рисункеFig. 6 приведено сравнение диаграмм направленности в плоскости Е в свободном пространстве для 3-элементной проволочной Yagi, которая представляет собой половину “реверсивной” антенной системы с 5-проводниковой антенной системой в целом. Как видно из диаграмм направленности, они, практически, полностью идентичны. Усреднённые значения усиления и соотношений излучений вперёд-назад различаются не более чем на 0,1 дБ по каждому параметру.

На рисункеFig. 7 приведены сравнительные кривые усиления и соотношения излучений вперёд-назад (для антенны) по всему 40-метровому диапазону. Кривая усиления у отдельной Yagi немного более плоская, но разница несущественная, больше выражена в цифрах, чем на деле. Комбинирования двух Yagi в “реверсивную” систему сдвигает пик соотношения излучений вперёд-назад примерно на 50 кГц, хотя “реверсивная” система обеспечивает более медленный спад на частотах выше расчётной.

В свободном пространстве усиление антенной системы по отношению к изотропному излучателю (dBi) составляет 7,5…7,6 дБ, при соотношении излучений вперёд-назад, превышающем 24 дБ. Оба эти значения намного превосходят таковые у 2-элементной 3-проводниковой “реверсивной” Yagi, рассмотренной ранее.

В следующей таблице приведены размеры антенной системы, размеры даны в частях длины волны (используется как единица изменения):

Dimensions of a 5-Wire, 3-Element Yagi Reversible Array
 
Element          Length (wl)     "Boom" Length (wl)    Inter-Element
                                                       Spacing (wl)
Director 1       0.464           0                     --------
Driver 1         0.486           0.174                 0.174
Reflector        0.502           0.325                 0.151
Driver 2         0.486           0.476                 0.151
Director 2       0.464           0.650                 0.174

Возможно, самым значительным в списке размеров является факт увеличения вдвое длины “траверсы” “реверсивной” 3-элементной Yagi по сравнению с 2-элементной, но боковые габариты антенны остаются неизменными. Виртуальная траверса сейчас стала значительно длиннее самого протяжённого элемента. В действительности, антенна будет более громоздкой, поскольку не учтены ещё растяжки и удлинения элементов, необходимые для крепления, поддержки и натяжения проволочных элементов.

5-проводниковая “реверсивная” антенная система рассчитана под импеданс в точке питания, примерно, равный 30 Ом. На расчётной частоте система резонирует (расчётная частота является для антенной системы резонансной). Как видно из рисунка Fig. 8, мы получаем КСВ ниже 2 : 1 (50 Ом) от, примерно, 7,05 до 7,21 МГц на протяжении более половины 40-метрового диапазона. Поскольку активное сопротивление очень мало меняется, положение минимального КСВ можно расположить в любом месте диапазона, просто подбором длин двух вибраторов. Изменение реактивности по диапазону, практически, линейно, что не затруднит подстройку.

Обычно, КСВ по отношению к импедансу 50 Ом не опускается ниже 1,5 : 1. Если же применить более чувствительную систему для измерения КСВ (и с большей разрешающей способностью), то конечная кривая изменения КСВ будет не столь безупречной. Так что, рекомендуется применение антенного тюнера. В диапазоне 40 метров и ниже потери в коаксиальном кабеле незначительны, так что можно с успехом применить совсем простой (одноконтурный) по схеме тюнер. Единственное, чего следует опасаться, так это то, что в процессе настройки мы можем выпустить из виду факт ухудшения соотношения излучений вперёд-назад, при уходе с резонансной частоты, особенно, в сторону низкочастотного края диапазона. Как и 2-элементная, 3-элементная “реверсивная” Yagi является на диапазоне 40 метров “полудиапазонной” (при наших-то рамках диапазона в 100 кГц, полосы пропускания антенны хватит на весь диапазон – UA9LAQ). Если мы забудем про этот факт (ухудшения соотношения излучений вперёд-назад), увлёкшись настройкой с помощью тюнера, пусть QRM напомнят нам об этом.

3-элементная, 4-проводниковая антенная система Yagi

Bill Desjardins, W1ZY привлёк моё внимание к его модификации 5-проводниковой “реверсивной” Yagi, которой он пользуется. Я не встречал других ссылок на эту модификацию, но, наверняка, они существуют. Вместо 5 проводников в двустороннем 3-элементном “биме” используем всего 4.

Взглянув на рисунок Fig. 1 и некоторые характеристики, присущие 3-элементной Yagi, Вы поймёте смысл разработки Bill'а. Итак, нам необходимы в каждом направлении: рефлектор, активный вибратор и директор. Yagi, состоящие из трёх или более элементов, становятся нечувствительными к длине (в разумных пределах) активного вибратора по отношению к таким параметрам антенны как усиление и соотношение излучений вперёд-назад. Поскольку мы бы с радостью применили тюнер и в 5-проводниковой конструкции антенны, почему бы, не предусмотреть его применение сразу (и убрать один проводник из состава антенной системы). Почему бы не взять длины рефлектора и активного вибратора равными, если мы можем компенсировать возрастание индуктивной реактивности, которую вносит увеличение длины вибратора, с помощью тюнера? Поскольку для смены направления излучения мы должны переключать активные вибраторы, почему бы нам, не заставить внутренние проводники антенной системы выполнять двойную функцию: в качестве рефлекторов и вибраторов? Как бы там ни было, мы урезаем длину “траверсы” антенны, убираем “лишний” проводник, число которых в антенной системе теперь составит 4.

Dimensions of a 4-Wire, 3-Element Yagi Reversible Array
 
Element          Length (wl)     "Boom" Length (wl)    Inter-Element
                                                       Spacing (wl)
Director 1        0.464          0                     --------
Driver/Reflector  0.502          0.174                 0.174
Reflector/Driver  0.502          0.325                 0.151
Director 2        0.464          0.499                 0.174

Приведённые размеры немного оптимизированы (отличаются от первоначальных, взятых у Bill'а). Остальные размеры, кроме длины активного вибратора, такие же, как у 5-проводниковой Yagi. В чём антенны различаются, так это в длине “траверсы”, которая “съёжилась” с 0,65 до 0,5 длины волны, так что антенна занимает теперь площадь, по форме представляющую собой квадрат.

Возникает вопрос: а будет ли 4-проводниковая антенная система работать так же хорошо как 5-проводниковая? На рисунке Fig. 9 всё наглядно представлено. Нет сколько-либо значительной разницы между системами ни в усилении, ни в соотношении излучений вперёд-назад. Усиление на расчётной частоте составляет 7,7 дБ (по отношению к изотропному излучателю (dBi)), при соотношении излучений вперёд-назад в 23 дБ. На рисунке Fig. 10 показаны усиление в свободном пространстве и соотношение излучений вперёд-назад системы на протяжение всего диапазона 40 метров. Кривые практически повторяют прежние, представленные на рисунке Fig 7, в сравнении между отдельной проволочной 3-элементной Yagi и 5-проволочной “реверсивной” её моделью.

Поскольку активный вибратор 4-проводниковой версии антенной системы изначально длиннее, чем обычно, то значение КСВ мало что даст или не даст (для понимания) ничего (необходимо обязательное применение тюнера). Но, вот, кривые изменения активного сопротивления и реактивности в точке питания, показанные на рисунке Fig. 11, могут быть весьма полезны для понимания сути работы антенны. Как и в случае с 5-проводниковой системой, реактивность возрастает с ростом частоты почти по линейному закону. Эта реактивность – чисто индуктивного характера и становится равной нулю далеко за пределами диапазона ниже по частоте. Активное сопротивление меняется медленнее и снижается выше расчётной частоты. Так, 35 Ом на частоте 7,15 МГц, превращаются в 25 Ом на верхней границе диапазона.

Приведённые значения - значения на зажимах активного вибратора. Значения, полученные на зажимах антенного тюнера, изменяются как с изменением характеристического импеданса, так и длины используемой фидерной линии. Поскольку импеданс на расчётной частоте достаточно низок (35 + j 50 Ом), некоторые предпочтут низкоомный коаксиальный кабель, приняв вынужденные потери на согласование и дополнительные, связанные с неидеальным значением КСВ. Другие- предпочтут использование параллельной линии передачи, чтобы уменьшить потери до минимально возможного уровня. Но, учтите, что при использовании линии с импедансом в 400…600 Ом, флуктуации импеданса будут намного более значительными, увеличивая риск того, что значения импеданса могут выйти за пределы его возможностей (эффективной) регулировки. Конечно, одним из способов, вернуть импеданс в диапазон регулировки тюнера, является изменение длины линии от антенны до тюнера. Если Вы предварительно рассчитываете предпочтительный импеданс линии, то всегда применяйте в расчётах коэффициент укорочения.

Переключение направлений

Переключение направлений в любой антенной системе осуществляется двумя способами. Первый из них – переключение активного вибратора. Другой - заключается в обеспечении низкого или нулевого импеданса в точке питания для неактивного элемента. Второй способ менее актуален в случае 3- и 5-проводниковых антенн, но незаменим в случае 4-проводниковых антенн. Поскольку неактивный вибратор должен работать в качестве рефлектора, параллельно его зажимам необходимо подключить эффективную проводимость (замкнуть точки питания).

На рисункеFig. 12 показан один из способов осуществления двойной задачи. Простой переключатель (два положения - два направления) переключает пару проводников, идущих от антенны к передатчику или антенному тюнеру. Если длина линии от переключателя до антенны составляет нечётное число четвертей длины рабочей волны, с учётом коэффициента укорочения, тогда отключенный конец линии будет представлять собой короткое замыкание (или близкое к тому значение сопротивления) на конце линии, подключенной к антенне.

Коль скоро речь зашла о длине линии, то таковая может быть и значительной, спускающейся в радиолюбительский “шэк”, где установлен переключатель. Такая система переключения исключает погодные влияния на переключатель. Следует разнести на максимально большое расстояние линии от переключателей до соответствующих вибраторов, если эти линии имеют открытую конструкцию. Смысл разноса – избежать взаимодействия между линиями, дополнительно к обычным правилам исключения паразитного взаимодействия между частями антенны, линиями и окружающими предметами на всём пути от передатчика к антенне.

Какой бы Вы ни выбрали тип антенны, на какой бы тип ни положили глаз, в зависимости от внешних условий, всё-же, старайтесь расположить антенну как можно выше. Как и все антенны горизонтальной поляризации, “реверсивные” антенны работают хорошо при высоте подвеса больше ½ рабочей длины волны.

Из рассмотренных трёх антенных систем, безусловно, самой привлекательной является 4-проводниковая система разработка W1ZY, благодаря “упаковке” 3-элементной антенны, излучающей в двух направлениях, в размеры, которые всего на 0,2 длины волны превосходят длину “траверсы”, необходимой для 2-элементной антенны. Тем не менее, 3-проводниковая 2-элементная антенная система добавит оптимизма тем, кто до этого имел лишь дело с полуволновым диполем. Концепция постройки “реверсивной” направленной антенны исключает необходимость дистанционного её переключения, - что исключает применение отдельной коробки для защиты переключателя от погодных воздействий и делает конструкцию антенны привлекательной для среднего конструктора.

Описанные антенные системы являются также частью большой коллекции двунаправленных и “реверсируемых” их типов. Lazy-H и улучшенные Lazy-H обеспечивают хорошее усиление при относительно узком переднем лепестке диаграммы направленности. Они занимают в плане площадь одного проводника, так как размещены по вертикали. Для антенны, которая занимает меньше места в плане, чем 2-элементная “реверсивная” Yagi, хорош “реверсируемый” прямоугольник Moxon, описанный досконально и “там и тут”. В принципе, возможно, изготовить “реверсивную” антенную систему и на диапазон 160 метров, главное словить резонансную частоту антенны и чтобы она была одинаковой как в прямом, так и “реверсированном” направлениях. Как понятно из описания, что приведённые примеры являются всего лишь примерами построения подобных антенн, на практике возможно построение куда более сложных антенных систем.

Итак, если Вас устроит работа на половинах диапазонов 40 и 20 метров (или на всём диапазоне 30 метров), то описанные антенные системы помогут Вам повысить эффективность своей DX-работы, по крайней мере, в двух направлениях.

Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru
г. Тюмень апрель, 2004 г



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