7-9. Трехдиапазонная антенна «двойной квадрат»

Многодиапазонная антенна «двойной квадрат» получает распространение как антенна «бедного радиолюбителя», особенно пригодная для установления дальних связей. Огромный практический опыт, собранный к настоящему времени в результате применения этой антенны, показывает, что она по своим рабочим характеристикам не только равноценна трехэлементной антенне «волновой канал», но даже превосходит ее. Измеренный коэффициент усиления антенны при расстоянии рефлектора от вибратора, равном 0,10 λ — 0,15 λ, равняется в среднем 8 дб и увеличивается до 10 дб, когда расстояние до рефлектора увеличивается до 0,20 λ. Таким образом, «двойной квадрат» по своему коэффициенту усиления может быть приравнен к четырехэлементной антенне «волновой канал». Кроме того, с точки зрения электрических параметров «двойной квадрат» имеет то преимущество по сравнению с эквивалентной антенной «волновой канал», что его входное сопротивление имеет значение в 2—3 раза большее, чем у антенны «волновой канал», и обладает большей полосой пропускания. Настройка «двойного квадрата» значительно проще по сравнению с настройкой антенны «волновой канал», так как не требуется проведения настройки непосредственно на элементах антенны, а все они могут быть выполнены с помощью настроечных устройств, расположенных у основания антенны.

Рамообразная конструкция «двойного квадрата» позволяет располагать антенны для высокочастотных диапазонов непосредственно внутри антенн, предназначенных для более низкочастотных диапазонов. Сторона квадрата для диапазона 20 м равняется 5 м, и поэтому общие размеры трехдиапазонной антенны довольно большие. Для облегчения конструкции и уменьшения ветрового сопротивления ее обычно изготовляют из бамбуковых трубок (для чего используются секции рыболовных удочек) или, что еще лучше, из удилищ, изготовленных из синтетических материалов.

Рис. 7-28. Трехдиапазонная антенна «двойной квадрат».

Описываемая трехдиапазонная антенна «двойной квадрат» может быть сконструирована и в двухдиапазонном варианте для диапазонов 15 и 10 м.

Наиболее сложной частью работы является создание легкой, прочной и, несмотря на это, достаточно простой несущей конструкции антенн «двойной квадрат». Американским радиолюбителем W4NNQ была предложена конструкция основания антенны, которая как с механической, так и с электрической точки зрения представляет собой до сих пор, пожалуй, самое практичное решение поставленной задачи. На рис. 7-28 схематически изображена трехдиапазонная антенна «двойной квадрат». Как видно из рисунка, основа антенны представляет собой крестовину в виде «ежа», сваренную из восьми стальных угольников 40 × 40 × 5 мм. Длина каждого из восьми лучей 50 см. Опорная стальная труба имеет длину 40—60 см, и ее внутренний диаметр равняется внешнему диаметру несущей мачты.

Полные данные относительно углов, под которыми следует приваривать угольники к опорной трубе, обычно не задаются, так как эти углы зависят от расстояния, на котором располагаются рефлекторы. Обычно между верхним четвертым и нижним четвертым угольниками оставляют некоторое расстояние для того, чтобы увеличить механическую прочность конструкции.

Конструкция остова антенны, предложенная W4NNQ, изображена на рис. 7-29, а (вид сбоку). Угольники на концах, прилегающих к опорной трубе, обрабатываются таким образом, чтобы обеспечивалось надежное сварное соединение. В этом случае угол, под которым привариваются угольники, равняется 55°. Пары угольников располагаются относительно опорной трубы, чтобы углы между ними на виде сверху составляли 110° и 70° (рис. 7-29, б). Изготовление остова антенны требует точного механического исполнения и является труднейшей и одновременно наиболее важной частью в изготовлении трехдиапазонной антенны «двойной квадрат».

Рис. 7-29. Конструкция основы трехдиапазонной антенны «двойной квадрат».

На каждом угольнике крепится бамбуковая трубка длиной 4 м,толщина которой должна быть равна 3 см. Рекомендуется обработать поверхность трубки наждачной бумагой и затем покрыть лаком, чтобы предохранить ее от воздействия погоды. Для предотвращения растрескивания трубки в каждой ее секции следует просверлить отверстие диаметром 3 мм. Для этой же цели каждый отсек бамбуковой трубки можно обвязать несколькими витками мягкой медной проволоки, а затем спаять все витки вместе. Крепление трубки к стальным угольникам производится или с помощью вязальной проволоки, или полосами жести. Для того чтобы вязальная проволока не съезжала, на угольниках следует сделать насечки. Кроме того, рекомендуется концы бамбуковых трубок обернуть в несколько слоев изоляционной лентой, чтобы в них не врезалась вязальная проволока. Поскольку бамбуковые трубки достаточно хорошие изоляторы и их длина достаточно велика, то антенные проводники без всяких опасений можно непосредственно крепить на них.

Вибратор и рефлектор для диапазона 20 м, которые образуют внешнюю рамку антенны, следует особенно тщательно закрепить на концах трубок, для чего их проводники несколько раз обматываются и дополнительно закрепляются крепежным проводом. Такая конструкция будет механически прочной. Для рамок, предназначенных для диапазона 15 и 10 м, крепление может быть более простым и можно ограничиться несколькими витками мягкого вязального провода. В местах креплений можно использовать небольшие изоляторы (см. рис. 7-28).

Элементы антенны

В качестве материала для изготовления антенны может использоваться медный провод или многожильный канатик с любым диаметром. Однако наиболее целесообразно применение медного провода диаметром 1,5—2 мм. Для вибратора и рефлектора в диапазоне 20 м необходимо приблизительно по 25 м провода. Середина отрезка провода закрепляется, и затем направо и налево от этой точки откладывается по 2,60 м. Полученная таким образом сторона элемента длиной 5,20 м представляет собой верхнюю сторону квадрата. Затем провод крепится на бамбуковых трубках, расстояние между которыми в вертикальном направлении равняется также по 5,20 м, и наконец нижняя горизонтальная сторона присоединяется к точкам питания антенны. В этих точках провод имеет разрыв, в который включается изолятор.

Остатки провода для начала могут свободно висеть. Затем таким же образом монтируются элементы антенны для диапазона 15 м и наконец элементы антенны для диапазона 10 м. Длина стороны элемента антенны равняется 3,50 м для диапазона 15 м и 2,55 м для диапазона 10 м. Разумеется, положение этих проводов следует выбирать таким образом, чтобы расстояние между смежными бамбуковыми трубками равнялось требуемой длине стороны элемента антенны. Эти положения можно точно рассчитать в зависимости от угла наклона угольников, но обычно они определяются эмпирически.

Длина сторон рефлектора точно равняется длинам сторон вибратора, и действие рефлектора определяется отрезком двухпроводной линии, присоединяемой к его нижней стороне.

Эти короткозамкнутые шлейфы представляют собой удлинители и снижают резонансную частоту элементов. Длина шлейфов, подключаемых к рефлекторам, равняется: для рефлектора диапазона 20 м — 2,00 м; 15 м — 1,50 м; 10 м — 1,00 м.

Окончательная длина шлейфа определяется в процессе настройки.

Расстояние от рефлектора до вибратора влияет на входное сопротивление антенной системы и на ее коэффициент усиления. Последний при расстоянии, равном 0,2 λ, составляет 10 дб и уменьшается до 7 дб при уменьшении расстояния между вибратором и рефлектором до 0,1 λ. Понятно, что расстояние между рефлектором и вибратором следует выбирать таким, чтобы входное сопротивление антенны равнялось волновому сопротивлению кабеля, используемого для питания антенны. В табл. 7-2 приведены приблизительные значения входного сопротивления в зависимости от расстояния между рефлектором и вибратором и указаны соответствующие размеры для диапазонов 20, 15 и 10 м.

Таблица 7-2. Сопротивление в точках питания в зависимости от расстояния между вибратором и рефлектором
Входное сопротивление Расстояние до рефлектора Расстояние для различных диапазонов
20 м 15 м 10 м
52 0,11 2,34 1,56 1,17
60 0,13 2,76 1,85 1,38
70 0,17 3,62 2,41 1,80
72 0,18 3,83 2,56 1,91
73 0,19 4,04 2,70 2,00
75 0,20 4,25 2,84 2,12

Расстояние между рефлектором и вибратором точно определяется перед тем, как приступить к изготовлению основания антенны, так как от этого будет зависеть, под какими углами следует приваривать угольники к опорной трубе.

После того как вся антенна изготовлена, ее дополнительно стабилизируют растяжками, изготовленными из синтетических канатиков.

Питание антенны

Так как входное сопротивление антенны в зависимости от расстояния между рефлектором и директором колеблется между 45 и 75 ом, то антенна может питаться по коаксиальному кабелю любой длины. Практический опыт показал, что в диапазоне коротких волн симметрирование коаксиального кабеля не требуется. Поэтому к точкам питания антенны можно непосредственно подключать коаксиальный кабель, имеющий соответствующее волновое сопротивление; коэффициент стоячей волны при этом не будет слишком большим.

Обычный способ питания трехдиапазонной антенны «двойной квадрат» заключается в том, что для антенны каждого диапазона используется отдельный кабель. Преимущества, получаемые в этом случае, ясны, но такой способ питания требует много коаксиального кабеля, особенно при большой длине линий передачи. Если каждая антенная система рассчитана таким образом, что она имеет одинаковые условия оптимального согласования с линией передачи, то питание в этом случае может осуществляться с помощью одного единственного коаксиального кабеля (рис. 7-30). Этот кабель целесообразно подводить к точкам питания антенны, рассчитанной для работы в диапазоне 15 м, а точки питания антенн для диапазонов 20 и 10 м соединять с точками питания антенны 15 м при помощи отрезков двухпроводных линий. Следует отметить, что в этом случае к общим длинам элементов антенн прибавляется длина линии связи и, следовательно, резонансная частота вибраторов с нормальными размерами в этом случае понижается. Поэтому необходимо уменьшить размеры вибраторов так, чтобы во всех трех диапазонах резонансная частота, измеренная по гетеродинному измерителю резонанса, имела требуемое значение. Это укорочение электрической длины вибраторов может быть выполнено с помощью конденсаторов.

Рис. 7-30. Расположение и питание элементов трехдиапазонной антенны «двойной квадрат».

Настройка антенны

В первую очередь настраивают питаемый элемент антенны на требуемую частоту, для чего используют гетеродинный измеритель резонанса. Коаксиальный кабель при этом не подключается. Необходимые корректировки длины вибраторов выполняются чисто механически, удлиняя или укорачивая размеры сторон, или же с помощью конденсаторов и удлинительных катушек. Затем, также с помощью гетеродинного измерителя частоты, устанавливают резонансную частоту рефлекторов с помощью короткозамкнутого шлейфа таким образом, чтобы она была на 5% меньше соответствующей резонансной частоты излучателей. Например, если резонансная частота вибратора антенны 20 м равняется 14 Мгц, то резонансная частота рефлектора этой антенны должна равняться 13,4 Мгц. После такой первичной настройки производится настройка антенны в ее рабочем положении, для чего к ней подключается кабель питания и к нему подключается рефлектометр.

Антенна возбуждается от передатчика, и поэтому, меняя его частоту, наблюдают показания рефлектометра. Та частота, на которой коэффициент стоячей волны имеет наименьшее значение, является резонансной частотой антенны, Если резонансная частота находится не в той части диапазона, в которой она должна находиться, то осуществляется дополнительная регулировка. Затем приступают к точной настройке рефлекторов на наибольшее обратное ослабление. Для этого используется простейший измеритель напряженности поля (вспомогательная антенна — германиевый диод — измерительный прибор), удаленный от антенны на расстояние около 50 м и находящийся на высоте, соответствующей высоте рабочего положения антенны. Трехдиапазонную антенну «двойной квадрат» затем разворачивают так, чтобы плоскость рефлектора была направлена на измеритель напряженности поля. При работающем передатчике замыкающий мостик на регулировочном шлейфе рефлектора двигают до тех пор, пока измерительный прибор поля не даст ярко выраженного минимума. Настройка рефлектора очень критична, и минимум выражен очень резко. Так как настройка рефлектора в некоторой степени влияет на резонанс вибратора, то следует контролировать его значение по рефлектометру.