Многодиапазонная антенна «Delta loop. Многодиапазонная антенна delta loop Дельта на 80 метров согласование
На Интернет форумах для формирования излучения с вертикальной поляризацией в основном обсуждается запитка «дельты» в «нижний» (от земли) угол
или на расстоянии L/4 от «нижней» точки В, т.е. вблизи земли.
На рисунках 1 и 2 в точках Б и Г пучность тока, в точках А и В - пучность напряжения.
Такое решение антенны я сразу отверг: антенна и так установлена низко, а при такой запитке основное излучение происходит вблизи земли. К тому же, запитывать антенну так, как показано на рис.2, следует разве что с 9-этажки - ведь желательность размещения кабеля перпендикулярно полотну антенны никто не отменял, причем хорошо бы, чтобы и радиостанция находилась на 9-м этаже.
Известно, что наибольшая интенсивность электромагнитного излучения находится вблизи пучности тока: «мощность излучения отрезка провода антенны пропорциональна квадрату тока в этом отрезке», т.е. мощность излучения в каждом отрезке провода антенны - разная, максимальная - в пучности тока.
Для антенны, показанной на рис.1, пучность тока в точке Б находится в самом низу, а для антенны на рис.2 - чуть выше нижней части антенны, что не так уж и плохо. Тем не менее, для низковисящей «дельты» и этот вариант не подходит.
Опираясь на эти рассуждения, решил изготовить антенну с запиткой в верхней части на расстоянии L/4 от верхней точки В (рис.3).
Фактически, это «перевернутая» антенна, показанная на рис 2.
На рис.3 хорошо видно, что пучности тока (точки Б и Г) располагаются на большей высоте, а значит, максимум излучения происходит довольно далеко от
земли, что очень важно при небольшой высоте подвеса антенны. К тому же, при такой конфигурации облегчается почти перпендикулярный подвод кабеля к полотну антенны.
При 10-метровой высоте подвеса верхнего полотна получилась неплохая двухдиапазонная (40 и 20 м) антенна, установленная под наклоном, т.к. сделать ее полностью вертикальной при такой высоте подвеса невозможно. Нижняя точка антенны находится буквально в метре от земли, однако это практически не сказывается на эффективности излучения.
Здесь нужно отметить, что местоположения пучностей тока и напряжения, указанные на рис 1-3, справедливы для антенны диапазона 40 м. В диапазоне 20 м в антенне укладываются» 2 волны, пучностей тока и напряжения будет по 4, поэтому поляризация получаете комплексная - вертикально-горизонтальная.
Полотно антенны изготовлено из медного провода диаметром 2 мм в эмалевой изоляции. Дельта представляет собой равносторонний треугольник со сторонами 14,34 м, периметр - 43,02 м. Расстояния между точками А, Б, В и Г (рис. 3) равны и составляют по 10,75 м. Расстояние от узла запитки Б до верхнего угла - 3,58 м. С такими размерами резонансные частоты антенны - 7040 и 14100 кГц, пучности тока Б и Г оказываются напротив.
При соблюдении этих пропорций, в некоторых направлениях антенна может иметь определенное усиление. При необходимости удобно укорачивать нижний угол, уменьшив отрезок 3,58 м. например, до 3,50 м. Небольшая неточность расположения точек Б и Г по горизонтали не приводит к заметному ухудшению работы антенны.
От балуна в точке запитки пришлось отказаться, т.к. она подвергается ветровым нагрузкам. Поэтому в точке запитки вместо тяжелого балуна на кабеле установлены 5 ферритовых «защелок» RF-130S. По этой же причине пришлось отказаться и от какого-либо согласования в узле запитки. Экран кабеля подключен к верхней части антенны, центральный провод - к нижней.
Наиболее актуальные характеристики антенны (полное входное сопротивлении и КСВ) снимались анализатором АА-ЗЗОМ с помощью полуволнового повторителя, изготовленного из коаксиального 50-омного кабеля длиной 14 м. В диапазоне 7 МГц активное входное сопротивление составило 120 Ом, в диапазоне 14 МГц - 140 Ом. Из-за недостаточной высоты подвеса имеется реактивная составляющая входного сопротивления, поэтому в диапазоне 7 МГц КСВ=3,0; в диапазоне 14 МГц - 4,0.
В такой ситуации было принято решение снизить КСВ, применив согласующий отрезок 75-омного кабеля. Комбинируя подключение коротких отрезков такого кабеля длиной 10 см, 20 см, 30 см, 50 см, 1 м, 2 м, 3 м, 3.5 м снабженных дешевыми телевизионными разъемами, после полуволнового повторителя выяснилось, что в диапазоне 7 МГц требуется отрезок кабеля длиной 6,9 м, в диапазоне 14 МГц - 3,5 м, что позволило получить в диапазоне 7 МГц КСВ=1,2; в диапазоне 14 МГц - 1,5.
В итоге, было решено непосредственно к антенне подключить отрезок 75-омного кабеля длиной 3,5 м, а уже к нему - 50-омный кабель длиной 8,6 м (всего 14,1 м). К сожалению, из-за неточного выбора длины полуволнового повторителя (она была определена расчетным путем) в диапазоне 7 МГц КСВ составил 2,0; в диапазоне 14 МГц - 2,3. Это не так уж и плохо-при КСВ до 3,0 вся мощность уходит в антенну. Тем более, что повышенный КСВ имеется лишь в кабеле длиной 14 м.
Кабели имеют диаметр 10 мм и многожильный центральный проводник. К месту соединения кабелей примотан пластиковый угольник длиной около 15 см, обрезанный по диаметру кабелей, что обеспечивает надежность соединения при ветровых нагрузках.
Внизу ничто не препятствует установке токового балуна, снабженного разъемами, который окончательно отсечет возможные синфазные токи.
Фактически, СУ на 7 МГц может работать в диапазонах от 1,8 до 15 МГц. В СУ на 14 МГц применена катушка из медной трубки диаметром 6 мм (1+2+4+4 витка, всего 11 витков), и оно может использоваться в диапазонах 7-29 МГц.
Если вместо последних 4 витков намотать 8 (всего витков будет 15), то, в принципе, СУ будет работать начиная с 3,5 МГц, а возможно, и с 1,8 МГц (следует проверить практически). Ввиду простоты изготовления, мною было изготовлено 3 таких СУ. В результате, после согласующих устройств полоса частот без реактивной составляющей составила 400 кГц на 40-метровом диапазоне и 380 кГц в диапазоне 20 м.
Такое согласование было сделано с целью максимально возможного снижения потерь в 50-метровом коаксиальном кабеле, который подключен ко второму антенному коммутатору. В двух местах на этом кабеле установлены по 20 ферритовых «защелок». КСВ в длинном кабеле, подключенном к выходу согласующего устройства, - около единицы. Согласующие устройства на сосредоточенных элементах вполне можно заменить дополнительными отрезками 75-омного кабеля, длины которых придется подобрать.
Антенну можно упростить, если она будет работать на одном диапазоне. В таком варианте длина 75-омного отрезка кабеля, подключаемого к полотну антенны, составляет 3,5 м в диапазоне 14 МГц и около 7 м - в диапазоне 7 МГц. Согласующее устройство можно установить в помещении радиостанции или вовсе обойтись без него.
Есть еще один вариант: запитать антенну только 75-омным кабелем (например, РК75-4-11). Именно так она использовалась в полевых условиях с полуволновым повторителем (около 28 м) и переключателем на 9 диапазонов. В сентябре 2013 г. мы с Сергеем, RW9UTK, работали в полевых условиях из сравнительно редкого RDA-района КЕ-21. Антенна работала на двух диапазонах и была установлена на 12-метровой высоте на двух стеклопластиковых трубах. Работала антенна отлично - в иные моменты мы узнали, что такое pile-up.
Там, в поле, анализатором АА-ЗЗОМ были измерены некоторые характеристики антенны, которые вследствие более высокого подвеса оказались заметно лучше, чем у антенны, установленной на 10-метровой высоте. В диапазоне 40м реактивной составляющей не было совсем, Rвх=141 Ом, КСВ=1,91, полоса по уровню КСВ=2,0 - 80 кГц, по уровню КСВ=3,0 - 300 кГц, активное сопротивление сохраняется в полосе 800 (!) кГц. В диапазоне 20 м реактивная составляющая также отсутствовала, Rвх=194 Ом, КСВ=2,56, полоса по уровню КСВ=3 - 620 (!) кГц, активное сопротивление сохраняется в полосе 630 (!) кГц.
Согласование производилось с помощью самодельного СУ, к которому подключался 75-омный кабель. Применение согласующего устройства позволило получить на обоих диапазонах КСВ=1,0 в 50-омном кабеле, соединяющем СУ с трансивером.
Широкая полоса рабочих частот без реактивностей - это замечательное свойство замкнутых антенн. Нет необходимости перестраивать СУ в пределах любительского диапазона-достаточно настроить его в одной точке. При этом СУ может находиться достаточно далеко от трансивера.
В поле в качестве полотна антенны мы применили полевой сдвоенный провод П-274. Этот провод в полиэтиленовой изоляции имеет определенный коэффициент укорочения, поэтому периметр антенны получился несколько меньшим, несмотря на большую высоту подвеса, чем дома, и составил 42,70 м.
Здесь также был равносторонний треугольник со стороной 14,23 м. Расстояния между точками А, Б, В и Г также равны и составляют по 10,67 м. Расстояние от узла запитки и до верхнего угла - 3,56 м.
Некоторые проблемы возникли с балуном, который входит в состав универсальной линии: для передвижения полотна антенны были использованы пластиковые круги от игрушки пирамида, и балун несколько сместился вниз от запроектированной точки (3,56 м от верха). Несмотря на это, антенна работала просто великолепно, т.к. на 12-метровых трубах она была установлена почти вертикально.
Планируется переместить балун в начало линии, снабдив его разъемами,. чтобы сохранить защиту от синфазных токов. Кроме того, на кабель, лежащий на траве, можно надеть ферритовые «защелки» или пропустить несколько раз через ферритовое кольцо - кабель диаметром 7 мм вполне это позволяет.
Также планируется испытать антенну в полевых условиях, но уже на высоте 16 м Опять будут применены стекпопластиковые мачты. Антенна будет установлена вертикально. О результатах испытания непременно сообщу.
Квадрат, питаемый снизу (картинка 1), по сути представляет собой два изогнутых диполя, расположенных один над другим. Такой квадрат имеет усиление около 1.25 dBd, то есть, относительно диполя. Аналогично одному диполю, квадрат имеет горизонтальную поляризацию. Антенна является направленной и излучает перпендикулярно плоскости, в которой расположен квадрат. Входной сопротивление квадрата составляет около 117 Ом, и потому требует согласования с 50-и омным кабелем. Если запитать квадрат сбоку (картинка 2), он будет представлять собой два вертикальных диполя, и, соответственно, иметь вертикальную поляризацию.
Дельта, питаемая снизу (картинка 3), представляет собой не более, чем искривленный вариант первой антенны. Поэтому антенна также имеет горизонтальную поляризацию. Дельту проще построить, чем квадрат, поскольку ей нужна всего одна мачта. Но и усиление такой антенны чуть меньше, около 1.17 dBd. Дельта обладает входным сопротивлением около 106 Ом. Антенну можно запитать не только снизу, но и сверху (картинка 4), ее свойства от этого не сильно меняются. Перевернутая дельта (картинка 5) также обладает примерно теми же свойствами.
Как получить дельту с вертикальной поляризацией? Для этого нужно взять место запитки, при котором антенна имеет горизонтальную поляризацию, отсчитать в сторону λ/4, и запитать антенну в этом месте (картинка 6). Также допускается питать антенну и в ближайший угол, ее свойства от этого не сильно поменяются.
На иллюстрации приведены квадраты со стороной λ/4 и правильные треугольники со стороной λ/3. Однако антенну допускается вытягивать. Так на практике нередко используют прямоугольники с соотношением длин сторон от 2:1 до 3:1. Как правило, рамочные антенны располагают вертикально, но также допускается расположение под углом к земле, немного отличным от прямого. Помимо прочего, это позволяет уменьшить высоту мачты.
Горизонтально поляризованные дельты и квадраты должны быть расположены высоко (высота порядка λ/2) относительно земли, чтобы иметь небольшой угол излучения. Иначе антенна излучает в зенит, и с ее помощью возможны радиосвязи только на близкие расстояния. Рамочной антенне с вертикальной поляризацией достаточно быть поднятой от земли на пару метров (0.05 длины волны), при этом она пригодна для проведения дальних радиосвязей.
До сих пор речь шла о рамочных антенных, рассчитанных на один диапазон. Многодиапазонные рамочные антенны строят либо вкладывая одну рамку в другую и объединяя их места запитки (аналогично fan dipole), либо используя в месте запитки антенный тюнер. Последний способ проще и допускает использование укороченной антенны. Минусы подхода — нужен тюнер, а также не очень понятно, какой будет поляризация на «второстепенных» диапазонах.
Не всегда представляется возможным расположить вертикально рамочную антенну для низкочастотных диапазонов из-за больших геометрических размеров, малоэтажной застройки и других факторов. Поэтому до сих пор не ослабевает интерес к DELTA LOOP антеннам, расположенным горизонтально по отношению к поверхности земли. Высота подвеса подобной антенны колеблется от 6 до 40 м от земной поверхности.
Входное сопротивление, настроенной в резонанс антенны, а зависимости от указанной высоты подвеса, изменяется в широких пределах от 35 до 135 Ом. Антенна, расположенная на высоте 9... 17 м имеет входное сопротивление 50 - 75 Ом и может быть запитана соответствующим коаксиальным кабелем без дополнительных согласующих устройств.
Диаграмма излучения горизонтальной DELTA LOOP приближается к тороиду с наличием в нижней части боковых лепестков с малой энергетикой и углом излучения 35 - 40 градусов. С увеличением частоты тороид диаграммы обрастает боковыми лепестками с пологим углом излучения, что способствует проведению дальних QSO.
Входное сопротивление DELTA LOOP антенны, расчитанной для диапазона 80 м, при высоте подвеса 6...40 м изменяется от 117 - 300 Ом на диапазоне 40 м до 75) - 1200 Ом на диапазоне 10 м.
Периметр антенны рассчитывается по формуле:
L (м) = 304,8/F (МГц)
Для эффективной работы антенны на всех любительских диапазонах в качестве фидера используется согласованная линия.
Ее длина может быть определена по формуле:
L (м) = 150/n*Кукор*F (МГц), где:
- n = 1, 2, 3 - число полуволн;
- Кукор. = 1,52
Расчет учитывает коэффициент укорочения кабеля и, при отсутствии вблизи антенны деревьев и крупных строений, дает довольно точные размеры. В таблице 1 приводится длина коаксиального кабеля (фидера) для 9-ти любительских диапазонов.
Таблица 1.
Длина кабеля L (м) и кратная l /2
Частота F (МГц)
Антенна имеет фидер длиной 27,25 м. Симметрирование производится с помощью ВЧ- трансформатора на ферритовом кольце, содержащим несколько витков коаксиального кабеля. Отдельным коммутатором подключаются отрезки коаксиального кабеля (см. таблицу 1), которые дополняют фидер антенны до величины, кратной l /2. Линия питания становится согласованной для каждого радиолюбительского диапазона, рис.1.
При согласовании антенны необходимо использовать универсальное согласующее устройство , или любое другое. Для измерения входного сопротивления антенны используется простой измеритель тока, рис.2.
Рис.2.
Градуировка производится непосредственно от передатчика на эквиваленте нагрузке, рис.3.
Рис.3.
Входное сопротивление антенны, с точностью 3...5 Ом, можно определить по номограмме, которая не приводится из-за громоздкости. При желании ее можно построить самостоятельно.
- Iэкв = Uвых/Rэкв
- Rвx = Uвых/Iэкв
Всем хороших радиосвязей и 73!
С. Ксенофонтов
Литература:
1. С. Бунин - Справочник коротковолновика
При очередной реорганизации антенного хозяйства решил использовать «дельту» 80-метрового диапазона для работы в эфире на нескольких диапазонах. Однако проверка показала, что это далеко не лучшее решение. Так, например, в 40-метровом диапазоне резонанс антенны был на частоте около 7200 кГц, а в 20-метровом - около 14500 кГц. Пришлось несколько поменять планы и рассмотреть возможность использования данной антенны хотя бы в двух диапазонах. Суть идеи не нова: следует применить в антенне удлиняющие катушки, установив их так, чтобы они оказались вблизи пучности тока для одного диапазона и вблизи пучности напряжения для другого.
Расчетная точка установки катушек - на расстоянии около 21 м от точки питания антенны. Однако я использовал имеющиеся в моем распоряжении катушки по 3,5 мкГн от фильтров-пробок прежней антенны, поэтому точки установки катушек пришлось немного сместить. Диаметр катушек - 5 см, число витков - 9, длина намотки - 5 см, диаметр провода - 2,0 мм.
Последовательность настройки двухдиапазонной антенны заключается в следующем. Сначала изменением длины вибратора антенна настраивается на необходимую резонансную частоту в 80-метровом диапазоне. При проведении этой операции следует стремиться к тому, чтобы отрезки полотна до катушек имели одинаковую длину. Затем настраиваем антенну в 40-метровом диапазоне изменением индуктивности катушек. Если после этого произойдет смещение резонансной частоты в диапазоне 80 м, то указанные операции придется повторить.
В авторском варианте настройка проводилась всего лишь раз. Резонансная частота в диапазоне 80 м - 3565 кГц (любители SSB могут, конечно же, настроить антенну «повыше», в SSB-участок). На частоте 3500 кГц КСВ составил 1,3; в середине диапазона -1,0; на частоте 3700 кГц - 1,5. Резонансная частота в 40-метровом диапазоне - 7040 кГц, в полосе частот 7000 - 7100 кГц КСВ=1,0.
Таким же образом можно настроить антенну в диапазонах 80 и 20 м, или 80 и 10 м, или 40 и 20 м, или 40 и 10 м, или 20 и 10 м.
Волновое сопротивление применяемого кабеля - 75 Ом. Антенна настраивалась с помощью КСВ-метра, однако проверка антенноскопом, показала практическое совпадение точек резонанса.
Применение симметрирования я посчитал необязательным, ввиду того что ненаправленная антенна излучает во все стороны, и по этой причине дополнительное симметрирование практически ничего не дает (при условии хорошего КСВ).
Высота подвеса антенны составляет 20 м в точке питания, а остальные 2 угла находятся на высоте примерно 7 м.
Необходимо заметить, что в авторском варианте внутри «треугольника» расположена «beam»-антенна, и указанные выше характеристики «треугольника» получаются в том случае, когда у «beam»-антенны отсоединяется один провод. В противном случае полоса пропускания «треугольника» уменьшается, и приходится использовать согласующее устройство.
Моя «beam» антенна - это модернизированный вариант G4ZU. Диаграмма направленности переключается в четырех направлениях, однако для этого используются лишь 2 реле. Применяется активное питание с помощью коаксиального кабеля и воздушной линии.
При желании все же можно использовать «дельту» на нескольких диапазонах. Но как? Ведь даже подключение антенны через настроенную линию передачи не решает всех проблем. Так, например, выяснилось, что настроенная линия передачи для 80-метрового диапазона не может быть использована в диапазоне 40 м и, тем более, на «двадцатке». Вот пример реального измерения резонансов конкретного отрезка кабеля по диапазонам: 1815, 3654, 7297 и 14756 кГц. Как видим, резонансы в любительских диапазонах совершенно однозначно «уходят вверх». Происходит это, очевидно, по той же причине, что и уход резонансов по диапазонам при использовании одного полотна антенны на нескольких диапазонах.
Четко представлять задачу - уже полдела. Выйти из создавшегося положения можно, например, таким образом: между согласующим устройством и настроенной линией передачи следует установить экранированную коробку (рис. ниже)
с переключателем для подключения дополнительных отрезков кабеля (рис. ниже)
Экранированную коробку соединяем с оплеткой кабеля только в одном месте - либо на входе, либо на выходе устройства. На высокочастотных диапазонах можно при необходимости исключить полуволновый повторитель низкочастотного диапазона и подключать подобранные отрезки кабеля для достижения резонанса.
Необходимо заметить, что настраивать линию передачи следует вместе с переключателем дополнительных отрезков, потому что внутренняя распайка проводов имеет свою реактивность.
При работе в эфире я использую простое, но оригинальное согласующее устройство (рис. ниже).
Фактически это дополнительный перестраиваемый П-контур. Для выбора требуемой индуктивности катушки используются тумблеры типа МТС-1, рассчитанные на максимальный ток 6 А, которые надежно выдерживают мощность 250 Вт, подаваемую на согласующее устройство. Способ включения понятен из рисунка. Оригинальность конструкции состоит в том, что, комбинируя включение тумблеров, можно получить любое количество витков и, соответственно, любую требуемую индуктивность. Так, включив тумблер SA1 (в исходном положении ис
пользуются нормально замкнутые контакты), получаем 1 виток, тумблер SA2 - 2 витка, тумблеры SA1 и SA2 - 3 витка, тумблер SA3 - 4 витка, тумблеры SA3 и SA1 - 5 витков и т.д. Таким образом, легко получаем 31 позицию переключений, что трудно достижимо с многопозиционным переключателем (во всяком случае, лично я не держал в руках переключателя больше чем на 11 положений). Налицо и другое преимущество «тумблерного вариометра»: каждый из тумблеров замыкает не всю катушку, а только часть ее витков. По-видимому, благодаря этому маленькие изящные тумблеры выдержат и большую мощность. И еще: «повитковое» переключение позволяет получать КСВ = 1,0 на всех диапазонах.
Катушка индуктивности намотана проводом 01,5 мм с шагом 1,5 мм (первоначально наматывалась в два провода) на каркасе 06 см и содержит 31 виток.
Данное согласующее устройство настраивается вплоть до 20-метрового диапазона (в катушке используется 1 виток), однако при работе на других, более высокочастотных, диапазонах целесообразно повысить добротность катушки, образованной первыми витками. Например, выполнить первые 3 - 5 витков из трубки сечением 5-6 мм. При затруднениях с поиском трубки можно пойти другим путем - намотать эти 3 - 5 витков несколькими сложенными вместе проводами. Так, например, длина окружности 6-миллиметровой трубки (высокочастотный ток, как известно, течет в тонком поверхностном слое проводника) составляет 18,84 мм, а общая сложенная длина окружности 4-х сложенных вместе 1,5-миллиметровых проводов - также 18,84 мм! Получается прекрасный аналог плоской шины, которую еще надо поискать.
Конденсаторы переменной емкости - «обыкновенные», 2×495 пФ (от ламповых радиоприемников), потому что предполагается использовать СУ при преобразовании сопротивлений не более чем в 4 раза. Согласующее устройство настраивается только один раз. На первоначальном этапе настройки, если нет уверенности в надежной работе выходного каскада при возможном высоком КСВ, следует подавать на согласующее устройство небольшую мощность. Позже можно будет настраиваться при полной мощности. У меня получились следующие данные катушки: в диапазоне 20 м - используется 1 виток, в диапазоне 40 м - 3 витка, в диапазоне 80 м - 6 витков, в диапазоне 160 м - 10 витков, т.е. используются первые 4 тумблера. Сначала роторы конденсаторов переменной емкости устанавливают в среднее положение, а затем подстраиваются до достижения КСВ=1,0. Эти данные справедливы для нагрузки 75 Ом, и они будут отличаться для нагрузки, имеющей другое сопротивление.
В дальнейшем при работе в эфире используется составленная таблица положений по диапазонам (при необходимости - в нескольких точках конкретного диапазона). После этого «манипуляции» с согласующим устройством превращаются в приятное занятие.
Обращаю внимание радиолюбителей, которые раньше не использовали согласующее устрой- ctbq, на то, что перед его настройкой необходимо установить ручки настройки используемого усилителя мощности в положение, соответствующее нагрузке с КСВ равным 1,0.
Я использую это согласующее устройство всегда - даже тогда, когда входное сопротивление антенны составляет 75 Ом. Данное согласующее устройство фактически является ФНЧ и дополнительно ослабляет внеполосные излучения передатчика.
