Четырехэлементный "Волновой канал" на 10-, 15- и 20-метровый диапазоны

Созданный автором статьи в 1969 г. трехэлементный трехдиапазонный "волновой канал" [1] успешно проработал более 15 лет без ремонта и дополнительных регулировок, сохранил первоначальные диаграмму направленности и КСВ. Но за время эксплуатации были выявлены пути дальнейшего улучшения параметров антенны, в том числе улучшение ее согласования с фидером и увеличение коэффициента направленного действия (КНД). Связаны они с добавлением второго директора, применением оптимального устройства симметрирования и согласования фидера с входным сопротивлением антенны, выполненного с использованием трансформатора на длинных линиях (ТДЛ). Кроме того, была разработана и проверена простая, но в то же время более эффективная методика настройки.

Не нужно бояться и избегать работы по тщательной настройке антенны, хотя этот процесс трудоемкий и может занять несколько дней. Следует помнить, что если антенна на радиостанции неэффективна, то никакой даже самый хороший и новейший трансивер не обеспечит надежной связи с дальним корреспондентом или редким DX, поэтому усилия, направленные на получение предельных параметров для данного типа антенны, являются, безусловно, оправданными.

При проектировании новой антенны расстояния между рефлектором и активным элементом Sp-a и активным элементом и первым директором Sа-д1 мною были взяты такими, чтобы получить максимальное усиление на диапазоне 15 м (на частоте 21,15 МГц). Согласно расчетам при Sp-a=0.2L, Sа-д1 = 0,15L и Sд1-д2 = 0,15L усиление антенны на этом диапазоне получается не менее 7,5 дБ [2]. На диапазоне 10 м (28,35 МГц) эти расстояния соответственно составят 0.27L, 0,21L, 0,21L, а коэффициент усиления будет не менее 7 дБ. На диапазоне 20 м (14,15 МГц) эти величины соответственно равны 0,135L, 0,105L и 0,105L и 7 дБ [2].

Расчетное входное сопротивление антенны на всех диапазонах находится в пределах 20...25 Ом.

Электрическая схема новой антенны приведена на рис. 1, а ее внешний вид — на рис. 2.

Принцип действия трехдиапазонной антенны

Работа трехдиапазонной антенны основана на эффекте "электрического отсекания" внешней части вибраторов путем включения непосредственно в вибраторы фильтров-пробок, называемых еще "трапами", настроенных на средние частоты высокочастотных диапазонов.

Каждый трап состоит из катушки индуктивности и конденсатора, обкладки которого образованы трубками вибраторов антенны. Трубка с меньшим диаметром вставлена внутрь катушки, а последняя помещается внутри трубки трапа (рис. 2, узел В).

Антенна симметрична относительно продольной оси — элементы правой и левой половин вибраторов идентичны, поэтому на рисунке имеют одинаковые обозначения. В дальнейшем, например, под регулировкой конденсатора С1 (см. рис. 1) следует понимать изменение емкости в обеих половинах элемента одновременно. Контуры L1C1, L2C2, L3C3, L4C4 должны настраиваться на частоты, соответствующие резонансам рефлектора, активного вибратора и директоров диапазона 10 м, и представлять собой на резонансных частотах сопротивления в несколько десятков килоом. Поэтому, например, контур L1C1, настроенный соответственно на резонансную частоту рефлектора, "отсекает" на ней внешние части этого элемента, и они не оказывают заметного влияния на настройку антенны, в данном случае на диапазоне 10 м

В тоже время на диапазонах 21 и 14 МГц эти контуры не являются резонансными, а играют роль электрических удлиняющих элементов Контуры L5C5, L6C6, L7C7, L8C8, в свою очередь, "отсекают" часть длины элементов до значений, необходимых, чтобы получить нужную диаграмму направленности антенны на диапазоне 15 м. Как и в предыдущем случае, длина концов антенны не влияет на настройку "волнового канала" на диапазонах 10 и 15 м.

Полноразмерные элементы, включающие в себя среднюю часть вибраторов, а также трапы и концы элементов, формируют электрические длины вибраторов для работы антенны на диапазоне 20 м. Указанные электрические характеристики не могут быть достигнуты, если не провести симметрирования антенного устройства и согласования волнового сопротивления фидера с входным сопротивлением антенны. Симметрирование позволяет устранить перекосы диаграммы направленности, исключить излучение кабеля и прием мешающих сигналов на оплетку кабеля, ослабляет помехи с вертикальной поляризацией при приеме и улучшает диаграмму, что выражается в увеличении отношения "front to side" и "front to back". Необходимость согласования сопротивлений очевидна.

Более подробно о методах симметрирования и согласования изложено в [3]. Таким образом, троекратное использование одних и тех же элементов позволяет получить удобную компактную по размерам трехдиапазонную антенну с одним согласующим устройством и одним питающим фидером. Она имеет компромиссные, но достаточно высокие эксплуатационные характеристики.

Конструкция антенны

Конструкция антенны в основном схожа с конструкцией подобных "волновых каналов".

Отличие состоит в применении трапов и цанговых соединений для удобства регулировки, Геометрические размеры антенны указаны на рис. 3. Чертежи отдельных деталей приведены на рис. 4.

При выборе размеров трубок элементов следует предусмотреть резерв по длине не менее 200 мм, который может быть использован при настройке.

Траверса выполнена из дюралюминиевой трубки Д-16Т с внешним диаметром 38 мм и толщиной стенки 2 мм длиной 7400 мм. Средние части элементов изготовлены из трубки Д-16Т диаметром 25 мм, внешние — из трубки диаметром 20 мм. Толщина стенок у обеих — 2 мм. Внешний диаметр элемента трапа — 42, внутренний — 40, длина — 375 мм.

Примененные типоразмеры трубок не являются строго обязательными, автор использовал то, чем сам располагал. Очевидно, что изменение диаметров вибраторов повлечет за собой и изменение размеров других деталей, но описываемая методика позволяет произвести настройку антенны при отличающихся диаметрах резонаторов.

Желательно, чтобы изоляторы, на которых крепится разрезной по центру активный вибратор, были фарфоровыми или, что менее практично, из фторопласта, полистирола, органического стекла.

Особое внимание следует обратить на изготовление трапа (рис. 2, узел В), так как от применяемых материалов и аккуратности сборки во многом зависят качество работы и долговечность антенны. Рекомендации по применению материалов даны в [I].

Каркасы катушек необходимо изготавливать из высокочастотных изоляционных материалов: фторопласта, эскапона, полистирола, органического стекла и т. п. Нельзя использовать гетинакс, эбонит, капролон и другие материалы, не обеспечивающие должной добротности резонансных контуров при работе на частотах около 30 МГц.

При сборке трапов необходимо обращать внимание на надежность припайки проводов катушек к лепесткам, плотность соединения лепестков с трубками. Зазор между головкой винта крепления внутреннего вывода катушки трапа и внутренней поверхностью трубки трапа, а также между наружным винтом крепления трапа и трубкой элемента должен быть не менее 3 мм, так как при работе на передачу в указанных местах присутствуют высокие напряжения и может произойти электрический пробой (рис. 2, узел В).

Для защиты от климатических воздействий на концы трапов желательно надеть мягкие защитные колпачки из высокочастотного материала. В трубках трапов необходимо сделать отверстия диаметром 1 мм для удаления конденсата.

Крепежные соединения рекомендуется производить винтами диаметром не менее 6 мм и обязательно с применением гроверных шайб. Так как антенна подвержена большим ветровым нагрузкам, то винты меньшего диаметра, как правило, быстро разбалтываются.

Для удобства сборки и настройки антенны применены телескопические цанговые зажимы, но возможны и другие способы крепления. После сборки и регулировки антенны цанги зажимают накидной гайкой, жестко фиксируя выбранное положение. Цанговые зажимы используются также для крепления и создания электрического контакта катушек фильтров с трубками элементов. Целесообразно заранее проверить возможность свободного перемещения трубок в цангах вибраторов и трапов для регулировки длин элементов, а также надежность фиксации этих механических узлов накидными гайками.

Активный вибратор укрепляют на изоляторах, которые устанавливают на прямоугольной балке, изготовленной из алюминиевой полосы, согнутой и сваренной в углах.

Во избежание большого прогиба траверсы под весом элементов в месте ее крепления к поворотному устройству необходимо предусмотреть установку стойки из дюралюминиевой трубки диаметром 8...10 и высотой 800...900 мм с наконечником, в котором есть отверстие с закругленными краями. Через это отверстие нужно пропустить четыре жилки рыболовной лески диаметром 1 мм, концы которых прикрепляют к концам траверсы. Желательно аналогичным способом двумя жилками такой же лески растянуть все резонансные элементы.

Литература

1. Захаров В. Трехдиапазонная трехэлементная антенна "волновой канал".— Радио, 1970, № 4.

2. 3. Беньковский, Э. Липиньский. Любительские антенны коротких и ультракоротких волн.— М.: Радио и связь, 1983.

3. Захаров В. Согласующие устройства на ферритовых магнитопроводах.— Радио, 1987, № 6.