Антенны КВ Несколько лет назад автор заинтересовался особым типом антенн — ромбической антенной. Хотелось узнать, действительно ли это так хорошо, как вы слышите во всех рассказах о них, и можем ли мы использовать их в нашей работе. Как уже понятно из названия, антенна имеет ромбовидную форму в горизонтальной плоскости, образованную четырьмя проводами.
Это интересная антенна, потому что она обладает некоторыми очень хорошими характеристиками:
- Очень широкополосная
- Простая в изготовлении
- Дешёвая
- Высокий коэффициент усиления
- Низкий уровень шума
Есть некоторые недостатки, такие как размер антенны и то, что она имеет фиксированное направление (например, не может поворачиваться). Поэтому использовать её в качестве единственной многодиапазонной антенны для всех диапазонов не получится!
Как это работает
Ромбическая антенна состоит из 4 проводов длиной L, образующих ромбовидную форму в горизонтальной плоскости (см. рис. 1). Она симметрична по всей длинной стороне антенны. Хорошая симметрия имеет жизненно важное значение для работы этой антенны. Ширина главного лепестка антенны определяется углами q и a, которые часто называют углом наклона и углом при вершине. Как правило, чем шире ромб (больше a и меньше q), тем шире луч, и наоборот. Из грубых значений q и a связаны, поскольку сумма половины угла наклона и углов при вершине всегда равна 90 градусам: q/2 + a/2 = 90
Рис. 1. Ромбический вид сверху
В принципе, это так называемая бегущая волна или нерезонансная антенна, а не стоячая волна или резонансная антенна, как у диполя. Балансир преобразует несбалансированный радиочастотный сигнал в сбалансированный сигнал, который подключается к фидеру антенны. Когда сигнал попадает в ромбовидную форму, линия передачи фактически расширяется. При перемещении по расширяющимся проводам энергия постепенно излучается.
По сути, ромбик — это просто коническая линия подачи, очень похожая на рупорную антенну или излучатель Вивальди, которые обычно используются в качестве широкополосных антенн в microwave applications. Это также объясняет, почему антенна работает только тогда, когда длина волны L достаточно велика, как правило, по крайней мере на нескольких длинах волн, потому что чем длиннее длина волны L, тем больше излучаемой энергии складывается в одном направлении.
Рис. 2. Принцип действия антенн бегущей волны
Хорошо, но почему он снова сворачивается? Это потому, что, когда волна достигает самой широкой точки и провод просто останавливается там, энергия отражается обратно к передатчику и создаёт помехи для прямой волны, нарушая диаграмму направленности антенны. Поэтому, чтобы избежать этой проблемы, следует подключить оба провода к земле с помощью согласованного шунтирующего резистора. Когда вы делаете это на обоих концах в самой широкой точке антенны, вы создаёте так называемый V—образный луч, ещё один тип антенны бегущей волны.
Эта антенна широко используется в мире радиолюбительства. Одна из проблем заключается в том, что очень сложно обеспечить хорошее заземление (для радиочастотной связи), что приводит к существенной потере эффективности антенны. Ромбическая антенна просто складывается обратно, а затем использует один резистор, который подключается между двумя концами проводов антенны. При такой конфигурации вообще нет необходимости в заземлении, поскольку напряжение на резисторе имеет одинаковую амплитуду и сдвиг по фазе на 180 градусов.
Таким образом, середина резистора становится виртуальным заземлением для радиочастотного сигнала и, следовательно, может даже использоваться для подключения к заземлению постоянного тока, чтобы избежать возникновения статического электричества в антенне.
Значение сопротивления в два раза больше, чем у резистора для V—образного пучка, и составляет около 800 Ом. Поскольку антенна полностью симметрична, это также значение сопротивления, представленное в точке подачи. В случае, если вы хотите передавать данные с помощью устройства rhombic, оконечный резистор должен выдерживать половину подаваемой вами радиочастотной мощности и быть настоящим резистором (неиндуктивным). Таким образом, любой резистор с намоткой провода большой мощности просто не подходит!
Итак, в принципе, при создании ромбической антенны важны следующие аспекты:
- Длина L должна быть достаточной (достаточно 2-4 l на самой низкой частоте).
- Значения q и a определяют форму главного лепестка. Симметрия всей антенной системы, включая балун, питающие линии и резистор.
- Это кажется простым, но на самом деле это не так! Во-первых, вам нужен очень хороший стабилизатор, который бы корректно работал во всём диапазоне частот ромбической антенны. Затем вам нужно настроить эту огромную антенну с предельной точностью. Для автора это оказалось самым сложным! И, наконец, вам нужна мощная неиндуктивная нагрузка, электрически симметричная относительно центрального заземлителя
Конструкция ромбической антенны
Что касается размера ромбика, было выбрано по 80 м на каждую сторону, таким образом, в общей сложности получится 320 м (1000 футов). Поскольку проволока не имеет опор вдоль каждой стороны, обычную медную проволоку использовать нельзя, так как она слишком сильно растягивается.
Было перепробовано 3 разных типа проволоки: оцинкованную стальную, военную телефонную проволоку (сталь с тремя медными проводами внутри «полёвка») и проволоку из люминофорной бронзы (продаётся в специализированных магазинах). Преимущество последней в том, что она такая же прочная, как стальная проволока, но без высокого сопротивления. Теоретически проволока из люминофорной бронзы должна давать наилучшие результаты, но на практике автор не заметил какой-либо существенной разницы. Это может быть связано с тем, что вся антенна по определению обладает высоким сопротивлением, поэтому по проводам не будут протекать большие токи.
Какой бы тип провода вы ни выбрали, сделайте его как можно более тонким и лёгким, в противном случае усилие, необходимое для растягивания всей антенны, когда она находится в воздухе, может оказаться слишком большим для несущих конструкций!
Для определения углов q и a была использована модель антенны MMANA (от JE3HHT). Высота была установлена равной 18 м (54 футам) над уровнем земли. Используя MMANA, антенна была смоделирована на диапазоны 40 и 20 м. На графиках ниже показана базовая модель и некоторые результаты моделирования.
Рис. 3. Базовая модель 320 м ромбической формы
Рис. 4. Диапазон 20 метров, ромбовидный длиной 320 метров
Рис. 5. Диапазон 40 м, ромбовидный длиной 320 м
Для сетевой нагрузки взято 3 неиндуктивных силовых резистора по 220 Ом, установленных последовательно. Резисторы имеют фланцевый монтаж мощностью 100 Вт и крепятся болтами к алюминиевому радиатору. Для дальнейшего повышения энергопотребления резисторы и радиатор были помещены в банку с маслом.
Согласование антенны с 50—омным TRX было выполнено в два этапа: сначала был проведён баланс в соотношении 1:4, чтобы преобразовать несбалансированный сигнал на 50 Ом в сбалансированный сигнал на 200 Ом. Далее идёт открытая коническая линия подачи проволоки длиной 20 м, начинающаяся с расстояния 10 мм и сужающаяся к концу до 300 мм. Конусность выполнена логарифмической, но есть подозрение, что линейная конусность подойдёт не хуже. Просто хотелось, чтобы он был идеальным.
Главное, чтобы он составлял не менее ¼ лямбда-сигнала на вашей самой низкой частоте. Коническая линия была изготовлена из изолированного медного литца, а в качестве прокладок использовались электрические трубки из ПВХ. На фото ниже показана соответствующая линия.
Настройка и тестирование
Установка такой большой антенны — это практически самостоятельный проект. Длина ромбической антенны составляет 135 м (400 футов), а ширина — 60 м (180 футов). Четыре опорные мачты должны быть установлены очень точно, чтобы обеспечить правильную симметричную ромбовидную форму антенны.
В авторском варианте использовалась 50-метровая измерительная лента и рассчитывалось расстояние от центра антенны. Начиная с передней и задней мачт, расстояние от центра опорных мачт было отмечено стержнем. Затем оптически выровняли его по центру. Далее, для боковых мачт примените тот же принцип, но вы должны убедиться, что эта линия находится точно под углом 90 градусов к первой.
Все мачты были оснащены изолятором и небольшим натяжителем. Таким образом, вы можете контролировать каждую отдельную точку крепления антенны для точной настройки. Когда антенна установлена, вы сразу увидите, симметрична ли она, только в этом случае все изоляторы и шкивы направлены прямо к центру антенны.
Нагрузки, которые будут испытывать мачты, будут довольно велики, если вы расположите антенну горизонтально. На самом деле, так и не удалось полностью выровнять её, с четырёх сторон всё ещё оставались небольшие зазоры. Антенне приходится втягивать опорные мачты внутрь, поэтому дополнительные крепления в противоположном направлении (от центра антенны) очень помогают. Ветровая нагрузка на все эти провода огромна!
Одна из боковых мачт, поддерживающих ромб
После первых тестов понравилась работа антенны. КСВН был ниже 1,5:1 в диапазоне от 3 до 30 МГц. При использовании оконечного устройства антенна обладала чрезвычайно низким уровнем шума и имела постоянный низкий уровень КСВН на каждой частоте: настоящая нерезонансная антенна! Если не использовать оконечное устройство и закоротить обе ветви вместе, уровень шума немного повысится. Это связано с тем, что антенна теперь принимает сигнал с двух сторон, поэтому теоретически уровень шума должен увеличиться на 3 дБ. При удалении оконечного устройства антенна становится резонансной, поэтому КСВН не будет низким во всем диапазоне частот.
Обнаружено, что всякий раз, когда одна из сторон ромбика кратна ¼ лямбда (нечётная или чётная!), антенна резонирует и показывает хороший КСВН. Но за пределами этих частот КСВН увеличивается. Если у вас короткий коаксиальный кабель или вы используете сбалансированный тюнер, это на самом деле не является проблемой.
Но интересно, что происходит с диаграммой направленности на частотах, на которых антенна не является резонансной. Пока устанавливали антенну для тестирования, автор смог хорошо работать с ней на диапазонах от 80 до 10 метров. Наилучшие результаты были на 20 и 15 метров, когда антенна была настроена в сторону США, сигналы были действительно громкими. Моделирование антенны на диапазоне 10 м показало, что ширина луча становится очень узкой, поэтому «освещалась« лишь небольшая часть территории США.
Хотелось провести сравнение с хорошо известной антенной, например, с небольшой трёхдиапазонной Yagi или что-то в этом роде. Но, к сожалению, этого так и не произошло, поэтому невозможно точно сказать, насколько хорош ромб.
На диапазонах 40 и 80 метров ширина луча становится намного больше, и из-за ограниченной высоты большая часть энергии уходит на работу в режиме реального времени. Но что действительно помогает, так это низкий уровень шума благодаря хорошей направленности антенны. Это позволяет слышать очень слабые сигналы.
Ещё одна вещь, с которой столкнулись во время тестирования, — это огромное накопление статического электричества, если антенна не заземлена. Незадолго до сильного летнего ливня уровень шума постепенно поднялся до 9+10 дБ, и отключили антенну, чтобы сохранить свой трансивер. Во время шторма штекер антенны буквально искрил, что, несомненно, повредит вашу установку, если вы оставите его включенным!
Использование в контесте
После того, как пару раз установливались антенныы в полевых условиях, пришло время использовать их в соревновании. К настоящему времени было два ромба длиной 320 м, но только один конец. Поэтому решили установить одну антенну на США, используя оконечность, а другую — на Японию, плотно соединив концы. Это позволило бы нам работать в Южной Америке с обратной стороны антенны. Высота ромба USA составляла 18 м (54 фута), а ромба JA/SA — 12 м (36 футов).
Антенны должны были использоваться для радиосвязи на диапазоне 40 м вместе с вертикальной и дипольной антеннами. Можно было бы переключаться между четырьмя антеннами. В течение ночи ромбы отлично поработали. Многие сигналы даже не были слышны на вертикал, в то время как на ромбической они были прекрасно различимы. Даже когда станции DX находились не в направлении луча, с ними часто можно было работать лучше на ромбах, чем на вертикальных, поскольку уровень шума был намного ниже. Поскольку это было участие в контесте, не было времени сравнить ромбы с 20-метровыми, 15-метровыми и 10-метровыми Beam’s, что действительно хотелось попробовать. Может быть, в другой раз…
Выводы
В целом, ромбическая антенна очень удобна в работе. Это антенна с очень низким уровнем шума и высокой направленностью, в том числе на низких частотах. Аналогичную антенну yagi или четырехлучевую антенну с четырехлучевым излучением (по крайней мере, от 3 до 10 элементов от 80 до 10 м!) было бы намного дороже купить или намного сложнее изготовить.
Думается, что двумя единственными серьёзными недостатками ромбической антенны являются её размер и фиксированное направление луча. Используя реле и дополнительный открытый фидер, вы можете использовать его в двух направлениях, но всё равно это не очень практично при использовании для соревнований.
Ещё одна вещь, которая не помогает в контесте, — это полоса пропускания, присущая ромбам, которая делает вашу станцию восприимчивой к помехам, создаваемым передатчиками, работающими в других диапазонах. Если у вас достаточно квадратных миль земли для размещения 4 или более ромбов и вы работаете в одном диапазоне, тогда можно пойти на это! Для авторской контест группы (PA6Z) ромбические антенны использовались дважды в качестве антенн с 40-метровым лучом. Несмотря на отличные результаты, решено больше не использовать их из-за огромного количества квадратных метров на контестовом поле и объёма работ, необходимых для их установки, по сравнению с улучшением производительности станции.
PA5R
