АНТЕННЫ ДЛЯ ДАЛЬНИХ СВЯЗЕЙ
Для установки дальних связей широко
применяются направленные антенны, излучающие основную часть подводимой к ним
энергии в заданном направлении. Направленные антенные системы позволяют
создавать излучение под низкими углами к горизонту. Это имеет особое значение
для осуществления дальних связей. В диапазоне коротких волн поглощение в
ионосфере невелико, поэтому интенсивность отраженных от нее пространственных лучей
оказывается весьма высокой. Благодаря этому вся дальняя связь на коротких
волнах осуществляется с помощью пространственных лучей. Малое поглощение пространственного луча в
ионосфере и явление многократных отражений позволяют осуществлять связь короткими
волнами на расстоянии многих тысяч километров, при сравнительно малой мощности
передатчика. Основная задача, при проектировании и построении антенн для
дальних связей, это формирование узкого луча в диаграмме направленности
прижатого к горизонту и обеспечения малых потерь в самой антенной системе, то
есть хорошему КПД. Для достижения хороших результатов нужен комплексный подход
ко всем элементам системы.
Первое: мачта, собранная из труб,
должна иметь хороший электрический контакт по всей длине в местах соединения
труб. Если трубы алюминиевые, соединения дублировать медным проводником. Все
крепежные узлы не должны иметь гальванопар. Оттяжки
мачты разбить изоляторами не реже 0,15 l, чтобы избежать отсоса энергии и нежелательные отражения.
Кабель управления антенной и фидер питания должны быть проложены внутри трубы
мачты по всей длине или проложены вдоль мачты с наружной стороны трубы. Кабель
должен быть хорошо прижат к мачте, чтобы не допустить колебаний кабеля во время
сильных порывов ветра. Применение симметрирующих
устройств обязательно. Любая антенна имеет какой-то процент кроссполяризации,
поэтому любое даже идеальное симметрирующее
устройство не предотвращает затекание тока по внешней оплетке кабеля и по
мачте, изолировав элементы антенны от бума, можно уменьшить затекание тока на
бум и ослабить появление ассиметрии при повороте
антенны. Ассиметрия проявляется при повороте антенны
из-за неоднородности земли и краевого
эффекта здания, на котором расположена антенна. Многие опытные радиолюбители
замечали изменение импеданса антенны при повороте антенны вдоль или поперек
здания. Это проявление краевого эффекта здания из-за ограниченной отражающей
площади под антенной. Чтобы удобнее было оперировать числовыми значениями,
возьмем привязку к диапазону 20 метров. В примерах будем рассматривать идеальные
и реально выполнимые условия, к которым нужно стремиться при проектировании и
изготовлении антенн.
Как правило, антенны
устанавливаются на высоких зданиях, и
если горизонт свободен, т.е. впереди нет предметов закрывающих горизонт,
оптимальная высота подвеса антенны от 0,5 l до 0,7 l. Если бы антенна стояла не на здании, а на
земле, то при изменении подвеса антенны
от 0,5 l
до 1 l
позволило бы уменьшить угол излучения с
27 до 17°
и усиление, например, трехэлементной антенны увеличилось бы на 0,9 dB. Но при этом в диаграмме
направленности антенны появился бы второй лепесток под углом 40-45° на 3dB слабее основного. Такая
высота подвеса антенны применима в сельской местности. Лепесток, прижатый к
земле, позволит работать (как бы половинной мощностью) с дальними
корреспондентами, а вторым лепестком с большим углом к горизонту можно работать
с ближними станциями (см. диаграмму рис. 3). При
подъеме антенны от 1 l и выше возрастает
количество лепестков под углами близкими к вертикали. Диаграмма примет многолепестковый характер и не принесет ожидаемых
результатов, при этом увеличивается глубина замираний
как на ближних так и на дальних трассах. У многолучевой антенны провалы в
диаграмме направленности между лучами могут достигать 20-30 dB, а
так как после отражения от ионосферы лучи обладают некоторой разностью хода,
складываясь в точке приема, могут усиливать, либо ослаблять друг друга, это и
приводит к большим замираниям сигнала (см. диаграммы
рис. 4, 5). Антенна, установленная на высоком здании на высоте
0,5 l
от крыши также не имеет однолепестковую
диаграмму направленности.
Если
антенна ориентирована вдоль здания, диаграмма
близка к однолепестковой, но при повороте в
зависимости от длины волны и ширины здания в
диаграмме направленности антенны могут появиться дополнительные
лепестки. При высоте здания даже в 10 метров для диапазона 14 МГц, при учете,
что антенна поднята над зданием ещё на 0,5 l при открытом горизонте,
поднимать антенну выше нет никакого смысла. Изменение угла луча по отношению к
горизонту незначительно, а вот количество лепестков возрастает. И это относится
к антеннам с любым количеством элементов.
Лучшее
решение, для работы с дальними корреспондентами, это применение стека (см. диаграмму 7). Хорошо настроенный стек, например 2
антенны по три элемента, даже с укороченными антеннами типа
"Робинзон" всегда выигрывает на дальней трассе по отношению к
7-элементному волновому каналу. При этом первая нижняя антенна находится под
растяжками мачты на высоте 10 метров, а вторая на верху мачты при высоте мачты
20 метров и расстоянии между антеннами 0,5 l, т.е. 10 метров. Не сильно
ухудшая параметры стека, можно уменьшить высоту мачты до 16,7 метра. При этом
расстояние между антеннами уменьшается до 0,44 l и от нижней антенны до
основания мачты 0,35 l.
На рис. 8 мы видим, что при увеличении высоты
мачты до 30 метров в диаграмме направленности антенны появляется второй
лепесток. Усиление растет на 1 dB, диаграмма прижимается к
земле, но при этом чисто конструктивно для размещения нижней антенны придется
на много разносить оттяжки верхнего яруса мачты, для чего потребуется большая
площадь под антенной.
Основная проблема в
поворотном механизме нижней антенны. Две антенны над оттяжками мачты -
конструкция ненадежная к ветровым нагрузкам. Один из вариантов вращать верхнюю
антенну, а вторую в режиме стека использовать на одно направление. Можно
сделать антенны с переключаемыми диаграммами направленности. Третий вариант
вращать всю мачту, поставить подшипник в узел крепления верхних оттяжек. На
рисунках приведены диаграммы направленности трехэлементной проволочной антенны,
по которым можно посмотреть зависимость диаграммы направленности антенны от высоты
подвеса, появление дополнительных лепестков в диаграмме и изменение импеданса
Компьютерное моделирование
позволят облегчить работу по настройке антенн. Существует золотое правило,
любые резонансные цепи требуют тщательной настройки, какими бы программы их не
считали. Так как антенна это резонансное устройство, после сборки необходима
коррекция всех элементов, шлейфов и т.д. Тщательная настройка антенны дает свои
результаты, но это отнимает большое количество времени. При этом нужно
несколько раз поднимать и отпускать антенну, так как настройка на рабочей
высоте практически невозможна. В этом случае можно воспользоваться программой МMANA. Например, мы рассчитали антенну для диапазона 20
метров с высотой подвеса 10 метров, получив приемлемые значения импеданса и
диаграммы направленности (см. диаграмму рис. 2). В программе меняем высоту подвеса
антенны с 10 метров до 3-4 метров, с таким расчетом, чтобы, опустив антенну на
эту высоту, можно было подстроить элементы, пользуясь временными лесами или стремянкой.
Производим расчет для этой высоты (см. диаграмму рис.
6). Далее записываем вновь полученные числовые значения КСВ и реактивности.
Имея прибор, для измерения импеданса, настраиваем элементы антенны согласно полученных данных. Настройку необходимо производить
через полуволновой повторитель. Подняв антенну на высоту 10 метров, мы получим
значения близкие к первоначальному расчету с небольшой погрешностью,
обусловленной невозможностью точного учета реальной земли. Этим мы сужаем
диапазон настройки антенны и уменьшаем количество циклов коррекции.
В многоэлементных
проволочных антеннах в каждый пассивный элемент
желательно включать корректирующие шлейфы. Шлейфами удобно подстраивать
антенну, не внося ассиметрию
в элементы антенны. При малом расстоянии между элементами антенны и большой
связи между ними, провисание и раскачивание проводников приводят и изменению
параметров антенны. Наибольшие
изменения происходят в степени подавления
заднего лепестка в диаграмме направленности антенны. Для коррекции шлейфов
предусмотреть такое крепление антенны, которое бы позволяло опрокидывать
антенну в одну или в другую стороны (директором вниз или рефлектором вниз)
вдоль мачты, чтобы находясь на мачте можно было свободно работать со шлейфами.
Расчет и размеры антенны приведены в
интернете на сайте EW8AU narod.RU.
Рис 1
Рис 2
Рис 3
Рис 4
Рис 5
Рис 6
Рис 7 Стек
Рис 8 Стек
