Экспериментальная антенна на 144 МГц

Описываемая ниже экспериментальная антенна (ЭА) обострила еще одну проблему электромагнитной совместимости средств связи — проблему подавления зеркального канала радиоприемных устройств. При экс периментах с ЭА и передатчиком с выходной мощностью 2 Вт в условиях города возникли нарекания от профессионально-коммерчес кой организации на помехи от излучения по бочных частот.

Последующая проверка сканирующим приемником в указанном диапазоне частот (145 МГц) вблизи передатчика результата не дала. Предшествующая работа в течение двух лет на том же месте и с той же аппаратурой нареканий не вызывала, а разница была лишь одна — другая антенна: до инцидента — "двойной квадрат", затем — описываемая ЭА. Излученная энергия двухваттного передатчика оказалась настолько сконцентрированной в направлении главного лепестка диаграммы направленности антенны, что сравнялась по уровню с сигналом в основном (не зеркаль- . ном) канале "коммерческого" приемника, где прием сигнала передатчика двухметрового ди-апазона стал возможен точно так, как если бы передача велась на частоте на 2Fпч выше.

Прошу радиолюбителей обратить самое серьезное внимание на эту проблему: хотя она, действительно, и "не ваша", устранять ее придется вам. так как коммерсантам (и иже с ними) до этого дела нет: они "заплатили деньги" и раскошелиться на дополнительный фильтр верхних частот или полосовой фильтр вы их не сможете заставить.

Проведя некоторые измерения, автор (от греха подальше) решил перенести эксперименты с ЭА в полевые условия — на дачу. Поскольку антенна весит немного и очень легко свертывается и развертывается, проблем с транспортировкой не возникает. Несколько слов о том, почему именно "квадрат" выбран в качестве переносной антенны. Во-первых, он вдвое короче, например, дипольной антенны (в плане длины элементов). Во-вторых (и это — главное), "квадрат" может эксплуатироваться при очень небольших высотах подвески и малочувствителен к окружающим предметам (влияние руки, поднесенной к антенне сбоку, сказывается только на расстоянии, меньшем 150...200 мм). В-третьих, такая антенна до известной степени подавляет местные шумовые и импульсные помехи. В четвертых (в авторском варианте), имеет замкнутый по постоянному току активный элемент.

Базой для постройки ЭА явился питаемый 75-омным кабелем "двойной квадрат" [ 1 ] с расстоянием между вибраторами 0,2 (см. рис. 1), элементы которого (1 — активный вибратор, 3 — рефлектор) были просто-подвешены на оконной форточке 2 внутри комнаты.

Подобную "форточку"-траверсу можно закрепить с помощью шарниров на стене дома или углу балкона. Поворот такой антенны в зависимости от расположения рефлектора возможен в пределах 120...150°. Для крепления в выбранном направлении можно применить крючки и петли. Такая конструкция, конечно, с учетом конкретных местных условий, может быть удобна как для проведения связей, так и для приема телевидения.

С чего начиналась описываемая ЭА? В помещении (комната на втором этаже деревянного дома) был изготовлен "стенд" для экспериментальной работы с УКВ антеннами: под потолком натянуты два отрезка толстой рыболовной лесы на расстоянии 250...300 мм один от другого. К ним с помощью колечек из той же лесы или обмоточного провода подвешивались элементы (рис. 2): сначала два, затем — три и так далее до 13 (столько вместила комната). Длины элементов активного вибратора (АВ) и рефлектора (Р) рассчитывались по формулам из [ 1 ], после чего проверялись с помощью прибора измерителя частотных характеристик (ИЧХ) XI -48. Директоры (Д1 -Д11) выполнены с уменьшением у каждого последующего (в расчете на одну сторону) на 5 мм. Материал для изготовления элементов — алюминиевый провод в поливинилхлоридной изоляции от трехфазного кабеля АПВ (еще лучше — омедненный алюминиевый провод

Рис. 3

в такой же изоляции, который можно паять). Изоляция с провода не снималась(элементы с изоляцией белого, черного и красного цветов удобно чередовать — легче не путать их при настроечных операциях: через два элемента разница в размерах становится более заметной). Длины сторон рамок и расстояния между ними указаны на рис. 2 (в скобках приведены значения их периметров).

Входное сопротивление антенны — около 45 Ом. Для питания автор применил отрезок коаксиального кабеля РК-50 диаметром 4 мм и длиной примерно 1 м (рис. 3). В месте подключения к вибратору 1 установлено кольцо 2 диаметром 20 мм из феррита 20ВЧ, на котором сделан один виток кабелем 3. Можно применить и гамма-согласование (рис. 4), которое позволит согласовать антенну более точно и, на выбор, как с 50-, так и с 75-омным кабелем. Можно также для согласования подвигать первый директор относительно активного вибратора, а затем подтянуть остальные директоры.

Следует отметить, что антенны с большим числом элементов должны иметь жесткую конструкцию — расстояния между элементами в процессе эксплуатации не должны изменяться. Как показали эксперименты в полевых условиях, двух отрезков лесы недостаточно: малейшее дуновение ветерка — и антенна начинала "играть" — элементы раскачивались подобно белью на веревке. Наилучший вариант — жесткая траверса, но для походных условий это нежелательно, поэтому предлагаю конструкцию, схематично показанную на рис. 5: добавить еще два отрезка 1 рыболовной лесы или струны для теннисных ракеток, т. е. довести их число до четырех. Отрезки следует растянуть по углам внутри рамок 2 и закрепить последние (после окончательной настройки), например, с помощью той же лесы (3), на требуемом расстоянии одна от другой в соответствии с рис. 2. Длину отрезков лесы необходимо выбрать с таким расчетом, чтобы с каждого края антенны осталось по 3...4 м для привязывания к опорам, например, к деревьям.

Для увеличения надежности можно по краям конструкции поместить рамки 2 (рис. 6), изготовленные из деревянных реек, прикрепить к ним по углам концы отрезков лесы 5, а уж за рамки растягивать антенну с помощью, например, капроновых бечевок 3 (здесь 1 — опоры, 4 — элементы антенны). Если на одной или на обеих рамках сделать желоб из деревянных брусков 4 (рис. 7), то вибраторы антенны 3 и растяжки 2 можно будет укладывать в них как в футляр в свернутом состоянии и в таком виде хранить антенну и транспортировать на любое расстояние. Для крепления рамки-крышки 1 к рамке 4 можно использовать крючки или колечки изо-ленты. Питающий кабель при этом может быть уложен вместе с антенной по периметру рамок или отключен (при наличии разъемного соединителя).

Элементы антенны следует изготавливать из хорошо отрихтованного провода. Проще всего это сделать путем его вытягивания, закрепив один из концов в тисках и зажав другой в плоскогубцах. Отрезая заготовки, необходимо предусмотреть припуск на соединение (скрутку или сварку) концов провода, для чего их следует освободить от изоляции. Небольшой "хвостик" из скрученных проводов на работу антенны не влияет, важно лишь, чтобы были соблюдены расчетные периметры рамок. Места соединений элементов лучше расположить с одной стороны, например, снизу. В плоскости рамок не должно быть пе рекосов. Устанавливать их относительно одна другой следует строго параллельно и "концен трически" (при взгляде со стороны рефлекто ра). Ориентировать антенну для уточнения на правления на корреспондента можно так, как показано на рис. 8, т. е. удерживая ее за

деревянную рамку 5 (или оттяжку 6) за рефлектором — в этом случае влияние на нее со стороны оператора минимальное. Растяжку 2, закрепленную на деревянной рамке 3 со стороны директоров 4 желательно привязать к опорам 1. Найдя правильное направление на корреспондента, рамку лучше перевязать за углы — антенна будет меньше крутиться при ветре. Эксперимент с ЭА (при вертикальной поляризации) проводился в непосредственной близости от земли, в осушенной болотистой местности, в низине. Верхние части элементов антенны находились на высоте 1,8 м. ЭА была растянута между стенкой сарая и небольшой доской, врытой в землю в качестве опоры и усиленной со стороны антенны косынкой. Расстояние до корреспондентов достигало 22...24 км. В "створе" ЭА находилась дорога, проходящая по насыпи и делящая "створ" пополам, до дороги примерно 200 м, а за ней — лес 350...500 м (ситуация, схематически изображенная на рис. 9).

При тщательном изготовлении и жесткой конструкции ЭА"пятно", очерчиваемое главным лепестком диаграммы направленности (по уровню 0,7) — 25...30°. При нечеткой установке элементов "пятно" размывается, а усиление падает. Если нет возможности обеспечить механическую стабильность многоэлементной антенны (на четырех отрезках лесы ЭА достаточно жестка) и достаточную точность ее изготовления, лучше ограничиться четырьмя-пятью элементами, а для их изготовления взять провод большего диаметра. В этом случае антенну придется поднимать выше во избежание отражения от земли вблизи антенны из-за расширения главного лепестка диаграммы направленности. Однако крепить элементы все равно придется достаточно жестко.

При работе в лесу (особенно при вертикальной поляризации) следует выбирать разреженные или открытые в сторону корреспондента места (еще лучше — возвышенные), подвешивая антенну между деревьями или опорами с таким расчетом, чтобы избежать присутствия деревьев в "створе" антенны вблизи от нее. Итак, описываемая ЭА может складываться и раскладываться подобно мехам гармоники. Это удобно при свертывании, переноске и последующем быстром развертывании, но годится лишь для сравнительно медленного поворачивания. Впрочем, если все подготовить заранее (крючки для крепления, например), то антенну можно повернуть вдвоем за десяток секунд, что позволяет использовать ее в соревнованиях "Полевой день" на выезде. 13-элементная ЭА рассчитывалась для

Рис.7

работы на частоте 145,5 МГц. При небольшой корректировке и даже без нее антенну можно использовать во всем двухметровом любительском диапазоне. Усиление ЭА — не менее 15...16 dBd. Ширина основного лепестка диаграммы направленности как в вертикальной, так и горизонтальной плоскости — не более 30° (по уровню 0,7). Входное сопротивление — около 45 Ом, КСВ на частоте 145,5 МГц при использовании коаксиального кабеля РК-50 и согласующего устройства, показанного на рис. 3, — 1,8.

Использованные автором методы оценки качества антенны — любительские, приблизительные. При экспериментах применялась зарубежная аппаратура: IC-706, FT-11, FT-270. На расстоянии 24...25 км при низко подвешенной ЭА и мощности 0,3 Вт корреспонденты давали максимальные оценки 3—4 балла по шкалам имеющихся S-метров. Для сравнения: в их аппаратуре "открывается" и "держит" шумоподавитель и разборчивость сигнала равна 100 % при уровнях сигнала, когда S-метр вообще ничего не показывает. А ведь известно, при слуховом контроле 1 балл — прием невозможен, так что уровень сигнала в городе оказался значительным даже при такой малой мощности. При увеличении же ее до 4 Вт максимальные оценки были 59, 59+10 и даже 59+20 дБ! Правда, последние "децибелы" порой "подмаргивали". Эксперимент проводился в ЧМ режиме. Для приема в городе использовались вертикальный диполь, четырехэлементная коллинеарная антенна и вертикальный пятиэлементный "волновой канал" расположенные на крышах домов, причем в дальнем (от ЭА) конце города и "волновой канал" стоял "чуть боком".

Замечено влияние влажной земной поверхности и растительности на прохождение сигнала у земли. Стоило пройти дождю и выглянуть солнцу, как сила сигналов падала на 2 балла. Оценено соотношение уровней сигналов между штатной для F-11 "резинкой" и ЭА: только "изменение спектра шумов — прием невозможен" — к 59 с децибелами, что явно говорит в пользу ЭА.

Антенна "волновой канал" на такой небольшой высоте была бы безнадежно расстроена. Большие линейные размеры элементов такой антенны требуют большей тщательности в эксплуатации и большей высоты подвеса, что не всегда возможно. Хотя при ходьбе, наверное,переносить"Yagi" в свернутом состоянии удобнее, например[2].

Экспериментировать с УКВ антеннами, как говорилось выше, можно на "стенде" из двух натянутых отрезков лесы. Элементы ди-польных антенн, например, просто кладут сверху и перемещают друг относительно друга при настройке. От случайного смещения их можно закрепить какими-либо зажимами, например, пластмассовыми бельевыми прищепками с пропилами. В качестве образцового можно использовать сигнал "маячка" [З], установленного в "створе" антенны в центре основного лепестка диаграммы направленности на расстоянии не менее 10 длин траверсы (расстояние от рефлектора до последнего директора). Кабель от активного вибратора подключают к входу приемника, настройку ведут по максимуму сигнала "маячка". Таким же образом можно "отработать" направленную антенну для приема сигналов телевидения за зоной уверенного приема. Кабель от антенны в этом случае подключают к телевизору, а настройку ведут, добиваясь

максимальной контрастности и минимума шумов (муара) на экране, а лучше, контролируя напряжение АРУ. Последовательность настройки такая. Сначала натягивают лесы-траверсы в направлении на телецентр, подвешивают активный вибратор и подключают его к телевизору. Затем позади вибратора устанавливают рефлектор и перемещают его по траверсам до получения максимально возможного уровня сигнала (возможно, это будет всего лишь увеличение шумов в канале звукового сопровождения). Закрепив рефлектор в найденном положении, устанавливают первый директор и таким же образом добиваются дальнейшего увеличения сигнала, затем второй и т. д. до последнего директора.

Далее уточняют направление на телецентр, поворачивая траверсы со стороны рефлектора, после чего еще раз корректируют положение всех элементов антенны по максимуму принимаемого сигнала. Подобным образом автором была выполнена десятиэлементная антенна на шестой телевизионный канал для приема передач в горах Карачаево-Черкессии (принимался отраженный от горы сигнал). За неимением подходящего материала активный вибратор пришлось вырубить из листа дюралюминия (вибратор Пистолькор-са).

Несколько слов о подключении кабеля питания к активному вибратору. В месте разрыва в его средней части устанавливают диэлектрическую вставку, на которой закреплен коаксиальный кабель или коаксиальное гнездо разъемного соединителя. Для быстрого изготовления антенны возможен и вариант, примененный автором: концы провода активного вибратора отгибают под прямым углом, расплющивают для лучшей фиксации кабеля, после чего накладывают один на другой (изоляцией на изоляцию) и скрепляют бандажом из прочных — капроновых, лавсановых или обычных "суровых", пропитанных битумом — ниток, (проволоку использовать нежелательно, так как бандаж из нее дает паразитные ре-зонансы в электромагнитном поле антенны). Рамка при этом несколько деформируется, но это не страшно, важно лишь, чтобы рабочий периметр вибратора был равен расчетному. К концам вибратора бандажом из одножильного луженого провода крепят оплетку и центральную жилу коаксиального кабеля, предварительно пропущенного через ферри-товое (ВЧ20) кольцо внешним диаметром 16...20 мм (рис. 3). На другом конце кабеля

монтируют вилку коаксиального разъема для подсоединения к антенному гнезду радиостанции.

Поляризацию антенны легко сменить, развернув на 90° только активный вибратор (остальные элементы трогать не нужно). Некоторое неудобство в данной конструкции доставляет отсутствие компенсации веса кабеля при вертикальной поляризации. При небольшой его длине проблем не возникает — оператор сам держит кабель, при большой же. длине приходится поддерживать его дополнительной рогаткой, воткнутой в землю вблизи активного вибратора. Кабель желательно расположить перпендикулярно его стороне (при вертикальной поляризации он должен располагаться строго горизонтально). Автор надеется, что простота конструкции и изготовления описанной ЭА подвигнут радиолюбителей на собственные эксперименты с антенной техникой, ведь известно, что лучший усилитель РЧ — хорошая антенна. Такая антенна позволит чувствовать себя значительно увереннее в походе, на даче, одним словом, везде, где нужно обеспечить надежную связь малой мощностью на большие (по "меркам" УКВ и QRP) расстояния. Ведь малая мощность — малые габариты самой аппаратуры и, главное, источников ее питания. Вспомните результаты испытаний, приведенные выше: только изменение спектра шумов на штатную антенну радиостанции при выходной мощности 4 Вт и 3—4 балла по "загруб-ленному" S-метру при 0,3 Вт — разница существенная!

Антенна названа экспериментальной — радиолюбитель сам решит, как лучше ее изготовить из имеющихся материалов. В походном варианте (без деревянных рамок или футляра и кабеля) она весит меньше килограмма, удобна в переноске — одной рукой можно нести и антенну и сумку (внутри рамок-вибраторов), а концы лес-траверс нетрудно собрать в пучок и временно закрепить колечками ПХВ изоленты или КЛТ. Антенна допускает находиться рядом с ней (сбоку) на расстоянии до 150...200 мм, что, в свою очередь, позволяет использовать кабель небольшой длины. Не менее важно и то, что она нормально работает при малых высотах подвеса (хотя большая высота, если позволяют обстоятельства, нисколько не помешает). На практике верхний край вибраторов должен находиться на высоте не менее 1 м (лучше — 1,5...2м) от земли. Расстояния между вибраторами выбраны с учетом их легкого запоминания, что упрощает изготовление антенны по мере надобности (экспромтом), а также в случае необходимости корректировки положения вибраторов при их случайном смещении.

Следует учесть, что при использовании для изготовления рамок неровного (неотрих-тованного) провода возникает ошибка, выражающаяся в удлиннении периметра элементов. Применение более толстого провода ведет к увеличению собственной емкости рамок, что требует соответствующего уменьшения их периметра. Ориентировочно полосу пропускания F (в мегагерцах), которая растет с увеличением диаметра проводника рамки (в том числе и в виде ленты), можно вычислить, пользуясь формулой, приведеной в [I]. Например, для активного вибратора F - Рmax - Fmin - 304635/Рmin - 304635/Рmax, где Fmax и Fmin — верхняя и нижняя граничные частоты полосы пропускания, соответствующие минимальному и максимальному периметрам рамки (рис. 10).

Ленточный вибратор можно смоделировать из нескольких проводов, электрически соединив их друг с другом (рис. 10, б), чем давно и успешно пользуются при изготовлении зигзагообразных телевизионных антенн. Порой, изготавливая антенну по описанию, лучше несколько увеличить диаметр проводов элементов, и, таким образом, "остаться" в полосе пропускания, несколько потеряв в усилении антенны.

Пользуясь случаем, хочу выразить благодарность оказавшим автору (вольно или невольно) помощь в эксперименте: RA9LO, RA9LZ, RA9LE, UA9LFJ, RA9LT, UA9LAJ.UA9LP, UA9LDG, RA9LY. UA9LAC, UA9LR, RA9LAP, UA9LBG, а также радиолюбителям Свердловской области, устано вившим ретранслятор (канал IARU R1 145025 кГц — ТХ/145625 кГц — RX) и побудившим меня к этой затее. После долгих бдений во время экспериментов с ЭА мне все же удалось обнаружить нечеткие сигналы с S2 QSB ретранслятора. Но на передачу, естественно, двух ватт не хватило (QRB 300 км), чтобы открыть ретранслятор. Пришлось изготовить звуковой генератор синусоидальных колебаний на электромеханическом фильтре ЗЧ с частотой 1343 Гц и полосой пропускания 9 Гц (ШЫ2.067.064 по ТУ радиостанции "Кама-С"), чтобы при "открыва-нии" репитера свердловскими станциями на фоне голоса мог "пролезть" слабый телеграфный сигнал.

Но не тут-то было. Нужно время и отличное прохождение, которое бывает "только раз в году", например, как в ноябре 1996 г., когда со свердловчанами работали ЧМ напрямую, без ретрансляторов. Пока же, применяя ЧМ телеграфию и нажимая на голосовые связки, я смог докричаться только до наших "фирм". Они по достоинству оценили качество моей ЭА и позвонили на контрольный пункт Госсвяэьнадзора, так как уровень моего сигнала (в направлении на Екатеринбург, а при экспериментах — ив других направлениях) скомпенсировал подавление частот двухметрового любительского диапазона входной цепью их приемника (подавление зеркального канала). Эксперимент пришлось прекратить.

Несколько слов о других экспериментах с рамочными антеннами. Испытания двухэлементного "двойного квадрата" показали, что для связи внутри города он подходит в качестве "ненаправленной" антенны с вертикальной поляризацией при мощности передатчика 1...5 Вт. Будучи установленным повыше над крышей, он "достает до самой земли" в любом направлении как при приеме, так и при передаче (эксперименты автора с UA9LFJ). Приобретение антенной ненаправленных свойств объясняется переизлучениями, отражениями, например, от зданий, проводов, металлических столбов и других конструкций.

При использовании такой антенны на краю города вступает в силу ее диаграмма направленности, имеющая довольно широкий (примерно 60° по уровню 0,7) основной лепесток и усиление около 8 dBd (при расположении рефлектора на расстоянии 0,2 от вибратора и входном сопротивлении 75 Ом). Благодаря этому поворачивать антенну не нужно, достаточно направить ее на город.

При удалении от города последний занимает все меньший и меньший угол на горизонте, а уровень сигналов падает пропорционально квадрату расстояния, что соответствует более узкому основному лепестку диаграммы направленности (большему коэффициенту усиления) у антенн с повышенным числом элементов.

Испытывалась и семиэлементная ЭА, расположенная внутри деревянного сарая. Ширина ее главного лепестка оказалась равной примерно 40°, а усиление — около 12 dBd.

Как выяснилось, влияние на настройку активного элемента (в плане резонансной частоты и входного сопротивления) со стороны четвертого и последующих директоров можно не учитывать и число их выбирать по потребности. При этом не следует забывать, что при большом числе директоров хотя и можно сконцентрировать энергию до малого "пятна", но недолго и "промазать" в направлении на корреспондента как по азимуту, так и по углу места. В то же время многоэлементные антенны способны работать на меньшей высоте. Отмечено увеличение сигнала на один балл при поднятии ЭА от первоначальной высоты всего на 300 мм. При смене поляризации на горизонтальную (у корреспондента — вертикальная) сила сигнала падает на четыре балла. Более точного согласования фидера с антенной можно достичь перемещением ферритового кольца по кабелю.

Некоторое опускание средних элементов ЭА и подъем последних директоров (из-за провисания траверс из лесы), а также подвеска верхних сторон элементов на одном уровне (аконцентрично) создает дополнительные условия к небольшому поднятию основного лепестка диаграммы направленности. Это также способствует возможности низкой подвески над поверхностью земли без риска отражения и рассеяния сконцентрированной РЧ энергии вблизи антенны. Вместе с тем условия распространения этой энергии над самой поверхностью земли остаются в пределах раскрыва главного лепестка,

Литература
1. Ротхаммель К, Антенны. М.: Энергия, 1979. С. 267, 268.
2. Ротхаммель К. Антенны. М.: Энергия, 1979. С. 232,233.
3. Беседин В. УКВ Маячок. — KB журнал, 1998,N 2,с.46,47.
4. Беседин В. Адаптация радиостанций промышленного применения к любительским условиям. — Радиолюбитель. KB и УКВ., 1996, N 6, с. 26.