Антенна Яги, не требующая настройки

UA9OS!
Писанов Виктор Николаевич

Оказывется, можно создать волновой канале требующий настройки. Большинство описаний антенн «волновой канал» (Яги) предусматривают согласующее устройство Гамма или Омега, поскольку предполагается, что антенна имеет волновое сопротивление МЕНЬШЕ волнового сопротивления питающей линии, в качестве которой обычно используется коаксиальный кабель 50 или 75 Ом.

В процессе моделирования антенн при помощи программы Quick Yagi (http://www.raibeam.com/wa7rai.html) я выяснил, что можно спроектировать антенну с волновым сопротивлением 50 Ом, что точно соответствует сопротивлению кабеля, и тогда отпадает необходимость в согласующем устройстве. (Возможно другим это моё «открытие» известно давно, hi, hi). Что это даёт? Во-первых, настройка гаммы или омеги – дело хлопотное. Во-вторых, гамма или омега являются частотно-зависимыми элементами и поэтому могут «затушевать» настройку (подгонку) элементов антенны и даже сузить её рабочий диапазон. Так зачем же эту гамму применяют? Она нужна тогда, когда волновое сопротивление антенны меньше 50 Ом. Зачем же делать меньше? Да это получается само собой в процессе настройки антенны, который традиционно заключался в подгонке длины рефлектора с целью достичь максимального подавления заднего лепестка диаграммы направленности и в подгонке длины директора (директоров) с целью получить максимальное усиление. После нескольких проб (иногда десятковожно было получить удачное сочетание этих параметров, и тогда эта антенна получала признание, публиковалась и даже получала название, например, квадраты UA4IF, Яги K2PV и т.д. При этом не учитывались местные условия. Например, при наличии уклона местности 2-3 градуса можно получить в этом направлении прибавку усиления больше, чем от добавления одного или даже двух директоров. Вернёмся к свойствам антенны. При приближении размера директора к размеру излучателя усиление антенны растёт,
её сопротивление уменьшается, а рабочая полоса частот сужается (Fig. 1)
. Если учесть, что согласующее устройство тоже имеет рабочую полосу, которая может не совпасть с полосой рабочих частот антенны, то картина окажется хуже, чем мы видим на рисунке для вариантов R1=25 Ом и R2 = 12.5 Ом. Если настраивать КСВ приходится не на рабочей частоте антенны, а потом поднимать антенну, то резонансная частота обязательно сдвинется килогерц на 100. Для антенны R3 = 50 Ом это не так опасно, поскольку на частотах +/- 100 КГц от резонансной её КСВ всё ещё небольшой, а для антенн с более узким рабочим диапазоном этот сдвиг резонанса может оказаться
неприемлемым. На Fig.2
Fig.2 показана зависимость от частоты коэффициента усиления (средняя линия), отношения «зад-перед» (пунктирная линия) и
КСВ (нижняя сплошная линия) для антенны с волновым сопротивлением 50 ом, а на Fig.3
Fig,3 – те же параметры для антенны R=12,5 Ом. Первая антенна обладает значительно большей равномерностью параметров по диапазону. Правда, со второй антенной можно удивить коллег большим подавлением заднего лепестка на частоте 14,090 МГц.

Показаное на Fig.1 усиление даётся для антенны в открытом пространстве. В реальных условиях за счет влияния земли у антенны формируется
лепестковая диаграмма направленности (Fig. 4)
Fig.4 , форма котой кроме прочего зависит от высоты подвеса антенны над землёй. Мы будем подразумевать высоту подвеса равной одной длине волны.

Отметим, что значение коэффициента усиления в реальных условиях значительно больше, чем в свободном пространстве (в нашем случае 14,1dBi
для ант R3=12,5), в то время как разница в усилении у трёх наших антенн в основном сохраняется (Fig.5, Fig.6)


Fig.5



Fig.6
. Если прирост от 6.9 до 8.5 dBi кажется большим, то в реальных условиях разница между
12.5 dBi (ант R3=50) и 14.1 dBi (R1=12,5) уже не кажется такой уж значительной. Существенным является то, что угол подъёма главного лепестка для всех трёх антенн остаётся тем же, 14 градусов. При этом антенна №3 с R=50 Ом лучше согласована на краях диапазона, и поэтому лучше «принимает» мощность от передатчика.

Теперь воспользуемся программой YO (Yagi optimiser), чтобы посмотреть свойства антенн при дальних связях. Будем считать, что дальние связи проводятся при угле излучения 5 градусов к горизонту, как и принято по умолчанию в программе, хотя это значение можно и изменять. Вспомним также, что все наши три антенны имеют максимальное излучение под углом 14 град. Усиление антенн 1, 2 и 3 на угле излучения 5 град соответственно равны 4.38 dBd, 4.96 dBd и 5.79 dBd. Если разница в усилении между антеннами 1 и 3 в свободном пространстве сотавляет 1.66 dBi, а при высоте подвеса равной l она составляет 1.61 dBi, то на угле 5 град она уменьшается до 1.41 dBd. Можно предположить, что просто расчёты не очень уж точные, но тенденция всёже прослеживается: при работе с дальними корреспондентами прирост усиления за счёт изменения длины элементов меньше, чем обычно указывается в характеристиках антенны, т.е. усиление в свободном пространстве.

Подытоживая вышеизложенное можно сказать, что усиление антенны не является единственным или главным критерием её качества, при этом подразумеваются варианты антенн с одинаковым числом элементов и одинаковой длиной траверсы.

Иногда вжными свойствами считаются широкополосность и минимизация помех телевиденью.

Для антенны с разрезным вибратором можно предложить согласующее устройство для некоторых фиксированных значений волнового
сопротивления, а именно, для 37.5 Ом и 25Ом. Устройство представляет собой два последлвательно соединённых отрезка кабеля (Fig.7)
длиной l /12 (электрическая длина, а не физические размеры). Ближний к антенне орезок кабеля имеет волновое сопротивление линии питания (у нас 50 Ом), а следующий отрезок – сорпотивление антенны, т.е. 37.5 или 25 Ом. Такие сопротивления можно получить соединяя два куска кабеля параллельно: 75/2=37.5 или 50/2=25. Устройство компактное, не требует настройки и легко защищается от атмосферных воздействий.

Существует два варианта Яги: с элементами изолированными от траверсы и с неизолированными элементами. В последнем случае программа Quick Yagi может внести поправку на длину элементов. Правда, разрезной вибратор обязательно изолируется, иначе он становится «неразрезным».
Суммируя сказаное выше можно рекомендовать следующую процедуру проектирования и постройки антенны. 1. Задаемся конечной целью: какую антенну нам надо.
- а. широкополосная антенна, охватывающая как SSB, так и телеграфный участки диапазона. При этом у нас нет желания (или возможности) опускать антенну для подстройки. Тогда лучше всего подойдёт антенна с волновым сопротивлением 50 Ом и небольшим усилением.
- б. есть возможность опускать антенну для подгонки в случае отклонения от заданных параметров. Тогда задаёмся сопротивлением 35 Ом со средним коэффициентом усиления.
- в. нам нужна узкополосная антенна для телеграфного участка с максимальным усилением. Задаёмся сопротивлением 25 Ом с достижением высокого коэффициента усиления.
2. Сколько элементов должна иметь антенна? Если длина траверсы (бума) меньше 0,4 длины волны, то нет смысла делать больше 3 элементов. Если задаёмся сопротивлением 50 Ом, то расстояние "Рефлектор-вибратор" лучше взять не менее 0,15 дл. волны, а при R=25-35Ом лучше взять поменьше.
3. Запускаем программу в режиме автоматического или ручного проектирования с заданным количеством директоров (можно с количеством "0" для двух элементов).
4. Запускаем режим оптимизации по усилению. Получим резултат с сопротивлением 27-35 Ом.
5. Включаем оптимизацию ширины полосы с параметром "широкая". Сопротивление слегка повысится.
6. Приступаем к ручному редактированию размеров антенны для достижения ТОЧНОГО значения желаемого сопротивления. Варьируем размерами рефлектора и дирекора (директоров), а также и расстояниями, периодически проверяя полученную диаграмму направленности и кривую КСВ. Можно спроектировать несколько антенн с одинаковым сопротивлением и после сравнения остальных характеристик выбрать лучшую.
7. После изготовления и установки измеряем сопротивление. Если оно соответствует проектному, то больше ничего проверять не надо, все остальные параметры также получатся. Если сопротивление отличается от расчётного, надо смоделировать на компьютере, на сколько требуется изменить длину директора (и какого директора, если он не один). Обычно это незначительная величина. Никаких настроек подавления и усиления делать не надо, это может только ухудшить параметры антенны.

Желающим моделировать Яги на компьютере я бы советовал применять именно программу WA7RAI (ссылка дана выше), а не ММАНА, которая более универсальна, но в случае с Яги она слабее специализированной программы QUICK YAGI.

            Антенна с разрезным вибратором может использоваться на частотах, отличных от её резонансной частоты. Простейшим способом является просто подстройка П-контура передатчика. При этом конечно не следует ожидать максимальной отдачи, да и помехи телевиденью вполне возможны. Однако для некоторых сочетаний F(ant)+F(tx) можно получить неплохие результаты. Напрмер, антенна для 18.1 МГц работала без помех ТВ на частоте 24,9 МГц и похуже на 21 МГц. Но этот способ неприемлем для современных трансиверов, несмотря на наличие тьюнера – не
стоит рисковать! Можно добиться на выходе передатчика КСВ не более 1,5 путём подключения к кабелю короткозамкнутого шлейфа (Fig. 8)
длина которого вместе с кабелем должна быть кратна l /2 за вычетом половины длины разрезного вибратора

L=l /2*n – L1

Здесь l - длина волны, на которую хотим перестроить антенну;

L1 – половина длины вибратора перестраиваемой антенны.

Расстояние до точки подключения можно рассчитать по номограммам, представленным у Ротхаммеля для короткозамкнутых шлейфов.

Можно применить выносной тьюнер с большим диапазоном перестройки импеданса.

Если мы перестроим антенну для 28 МГц (её излучающий элемент) на частоту 24,9 МГц, то её рефлектор теперь будет работать как директор, и максимум излучения будет в обратном направлении тому, которое было на 28 МГц.

На Fig.9
Fig.9 даны диаграммы направленности антенны R=50 Ом на трёх частотах: 14,000, 14,150 и 14,250 МГц, а на Fig.10
Fig.10
то же для антенны R=12,5 Ом.

Назад

Работа с программой QUICK YAGI (Qy4)

 

Запускается в DOS или FAR (Виндоузовский эмулятор DOS) файлом  qy4.exe

 

Открывается первая страница меню:

 

Auto mode menu  - автоматическое проектирование

Manual entry  ¿  - ручной ввод

With tapered els  - с элементами переменного диаметра

 

Команда со стрелкой – по умолчанию. При нажатии начальной буквы команды ( A, M или W) выполняется эта команда

Внизу:

Ctrl+Q: Quit = выход из программы (Y-Да,  No-Нет)

Esc:To Main = переход в главное меню

F1: files = вызов файлов антенн из памяти

F2: Options = варианты

 

При нажатии клавишу А входим в подменю меню автопроектирования

Auto- Options настройки режима авто

 

Spacing (Directors) - расстояния (директоры)

Length (Directors) - длина (директоры)

Default len & space - длина и расстояния по умолчанию

Auto design of Yagi - атопроектирование Яги

 

При нажатии в этом подменю на А входим в режим автопроектирования

 

Optimized  Spacing -  оптимизированные расстояния

Max FB & Bandwidth – максимальные соотношение «вперёд/назад» и полоса пропускания

(W/Default Spacings)          (с расстояниями принятыми по умолчанию)

 

Tab:  Tapered diameters  N  ступенчатый диаметр - нажатием клавиши Tab (табуляция) переключаем NoYes

Spacebar: View changes N  просмотр изменений - нажатием клавиши  «пробел» переключаем

NoYes

 

Например, оставляем оба параметра No и нажимаем клавишу “Enter

 

Появляется строка: OPERATING FREQUENCY (рабочая частота)

Вводим 14.2 и “Enter

Will all elements be the same diameter ? <Y?N> Будут ли все элементы одного диаметра?

“Y” Enter

# of directors – число директоров

1 “Enter”

EL DIAM, mm – диаметр элементов в мм

30 “Enter”

 

появляется проект антенны с длинами элементов, расстояниями, а также параметрами в правом окне:

FORWARD GAIN

F TO B RATIO

INPUT IMPEDANCE

25.8 +j   11.2 Ohm   ( 25.8 активное сопр +  11,2 реактивная составляющая)

ARRAY LENGTH (длина антенны в метрах)

 

В нижнем правом окне:

Select Optimize (выбрать параметр оптимизации)

 

Best gain/patternнаилучшее соотношение усиления/подавления

Spacing onlyтолько расстояния

Lengths onlyтолько длины

 

Например, выбираем «В» и появляется:

 

Select Target F/B (выбрать желаемое подавление)

A 35

B 30

C 25

Например, выбираем 25 и нажимаем С:

Появляется

 Choose Bandwidth

 

Wide - широкая

Average - обычная

No changes  - без изменений

 

Нажимаем W  и получаем окончательный проект антенны со значением реактивной составляющей 0.

Теперь можно записать эти данные через клавишу F1 (file):

 

Get saved filesвызвать файл из сохранённых

Save this fileсохранить этот файл

Print this file – распечатать этот файл

Delete a file – удалить файл

 

Нажимаем S:

Enter a FILE name (8 letters max) 20M3ELE (мы задаём имя 20м3эле)

Enter

В нижнем окне появляется имя файла и возможность отменить путём нажатия Esc

Enterсохранён.

 

Теперь мы можем отредактировать данные вручную, например, чтобы подогнать сопротивление под 50 или 25 Ом. Можем изменять длины директора и рефлектора, а также меняя расстояния. При этом можно каждый раз смотреть не только числовые значения усиления и подавления, но и кривые КСВ, усиления и подавления в зависимости от частоты. Можно сохранять различные варианты и потом выбрать из них желаемый, или же просто понаблюдать влияние различных параметров на свойства антенны.

Набираем в окошечке рефлектора 10.8 “Enter”, в окошке директора 9.4 “Enter” Получаем:

Input Impedance 51 +j 0.5 Ohm

Чтобы убрать реактивную составляющую 0,5 Ом делаем оптимизацию, для чего нажимаем F4  и появляется подменю:

 

Bandwidthширина полосы

Driven elementактивный элемент

Gain /FB/Patternусиление/подавление/ диаграмма

 

Нажимаем “D” и программа меняет длину активного так, что j=0, а сопротивление 50,9 Ом чисто активное ( на данной частоте)

Нажимаем F3 и смотрим диаграмму в гор плоскости (на данной частоте)

Нажимаем Esc и возвращаемся в меню.

Нажимаем F6 и получаем таблицу параметров в зависимости от частоты

Внизу видим строку команд:

P:  print (печать)   G: graph (графики)  B: BW plot (ДН от частоты)  Esc: exit

Нажимаем G и получаем совмещённый график КСВ, усиления и подавления в зависимости от частоты.

Разберём ещё опцию F2.

Подменю:

 

Change to Ft/In – изменить метры на футы/дюймы

Fed element options – параметры активного элемента

Scaler – масштабирование (по диапазонам)

Element compensation – компенсация элементов (если не изолированы от траверсы)

 

Нажимаем F:

Simple dipole – простой диполь

Folded dipole – петлевой вибратор

Exit no change – выход без изменений

 

Можно выйти из программы и запустить файл QYUTILS.EXE. Там расчёт гамма-согласователя, хотя я не пробовал его, так как предпочитаю разрезной вибратор, который исключает реактивные элементы типа конденсаторов и снижает помехи ТВ.

 

 

 

Ну, вобщем пробуйте разные режимы. Программа написана очень грамотно и устойчива к нестандартным ситуациям. После небольшой практики поймёте, что она в 10 раз легче, чем ММАНА и даёт в 10 раз точнее результат.