Автор: Александр Барский (VE3KF) На этой странице, я хотел бы описать антенну с активным
питанием и переключаемой диаграммой направленности. Описания таких антенн уже
встречались в литературе, но в основном питание было на
основе гибридного
каплера, или питание по методу Коллинза. Я хочу предложить питание по
методу Леволлена, W7EL. На мой взгляд этот метод
несколько проще для повторения и дешевле.
По этой методике можно расчитывать антенны 4 SQ array и
для других диапазонов.
Использовать для этого питание по методу Кристмана(на основе
кабелей как линий задержки фазы и амплитуды) задача очень сложная и к тому же не
гарантирующая успех.
Итак, я приведу последовательный расчет системы активного
питания, с тем, чтобы у кого возникнет желание вникнуть в расчеты, была
возможность это сделать. Далеко не всегда, готовый результат вызывает доверие,
т.к. отсутствие расчета вызывает много вопросов и потому недоверие.
Начало было с программой ММАНА,
но кроме нее, потребуются еще либо NEC-2 for MMANA либо
EZNEC-3PRO, АРАК, Calc3D. Была создана система из 4
вертикалов для диапазона 7 Мс, высотой по 10,5 м, диаметр труб 50 мм., высота
основания от земли 1,5 м. Каждый вертикал имеет свой радиал, по 10,5 м,
диаметром 2 мм.
Радиал имеет начальную высоту 1,5 м и конечную 0,5 м. Расстояние между
вертикалами было выбрано 10,63 м или 0,25 волны. Как и положено, для учета
сопротивления потерь в земле,
вручную введено в каждый вертикал сопротивление по 10 Ом. Сама программа не знает
величину потерь на нагрев земли, поэтому и необходимо ввести сопротивление
потерь. Поскольку система имеет 4 горизонтальных радиала, расположенных
относительно низко над землей, мне пришлось перепроверять данные моделирования
на EZNEC-3.
Хочу напомнить, что мы можем соединять линии
вместе, если соблюдаются условие:фазы и напряжения соединяемых линий равны в точке
соединения линий. Принцип тот же, что и при параллельном соединении обмоток
трансформатора.
Рис. 1 и 2.
После моделирования получилась такая картинка. При оптимальных нужных фазах и
токах питания вертикалов, были получены следующие импедансы для всех
элементов антенны.
1 и 4 элемент(с радиалами влево и вправо) Z =
55.1 -j5.56
Ом. Это потому, что оба они запитаны одинаковой фазой 0 град. и амплитудой тока
1 А.
2 элемент(радиал идет вперед)
Z = 53.09 + j73.95
Ом. Этот элемент запитан фазой минус 90 град и ток 1 А.
3 элемент(радиал идет назад)
Z = 4.65 - j 11.8 Ом. Запитка фазой +90 град и ток 1 А.
Далее, каждому вертикалу подключим
по отрезоку кабеля 50 Ом и длиной
1/4 волны. При расстояниях между элементами 0,25 волны, длины отрезков
будут недостаточны, если применить обычный кабель с Ку=0,66. Поэтому лучше
применить кабель с Ку=0,79, например кабель
RG-8X. Если
нет такой возможности, то каждый отрезок(ки) кабеля 0,25 волны можно удлинить с
помощью полуволнового отрезка того же кабеля т.е. можно использовать 1/4,
3/4 волны и т.д. Это не повлияет на работу антенны.
Теперь каждый вертикал имеет 1/4 волновой кабельный трасформатор из кабеля 50
Ом. Вычислим импедансы на дальних от антенны концах этих кабелей. Для этого
потребуется программа АРАК ТМ. Получаем
1 и 4 эл. импедансы по Z
1,4
= 45
+
j 2.61 Ом это элементы с одинаковыми фазами.
Напряжение 50 В, фаза +90
2 эл.
Z(2) = 16.8 - j 22.5 Ом,
напряжение 50 В и фаза с учетом задержки 1/4 линии -180 гр.
3 эл.
Z = 93.9 + j 163 Ом,
-----------------------------------------------------------------+180 гр.
Поскольку линия от элемента 2 имеет фазу -180 град, то чтобы
уравнять ее с фазой линии 3, добавим в линию 2 отрезок 1/2 волны.
После этого линии 2 и 3 будут иметь одинаковую фазу +180 и
одинаковые напряжения по 50 В.
Теперь линии от элементов 2 и 3
мы можем соединить вместе т.е. параллельно т.к. они
имеют одинаковое напряжение и фазы.
Результирующий импеданс линий 2 и 3 можно вычислить с помощью
программы Calc3D.
Эта программа для работы с комплексными числами, которыми отображены импедансы.
Результирующий импеданс расчитывается по формуле двух параллельных резисторов. В результате получаем
Z(2,3) = 20.89 - j 20.87 Ом.
Далее вычисляем последовательную реактивность
для соединенных вместе линий 1 и 4:
Xs = j Zcab x Z cab/(2 x R2) = j 50 x 50/(2 x
45) = j27.77 Ом.
Получили реактивное сопротивление катушки, которое для
частоты 7,05 Мс будет 630 нГн или 0,63 мкГн.
Теперь вычисляем элемент, который будет шунтировать
линии 1 и 4 на землю т.е параллельный элемент:
Xp = j Z cab x Zcab /2(X2 - R2) = j 50 x 50/2 x (+2,61
- 45) = 2500/124.3 = -j29.48 Ом
Получили отрицательную реактивность т.е. емкость, значение
которой для 7,05 Мс будет 766 пФ
Линии от элементов 1 и 4 соединим тоже вместе т.к. они имеют
одинаковые фазы и напряжения. В результате получим суммарный импеданс линий 1 и
4:
Z(1,4) = 22.5 + j1.3 Ом
Поскольку линии от элементов 1 и 4 шунтируются емкостью -j29,48
или C2 766 пФ, то в результате
взаимодействия Z (1,4) и -j29,48
получаем результирующий импеданс:
Z(1,4)' = 15 - j 10.6 Ом
Теперь, учитывая, что последовательно к линиям от элементов
1и 4 включена еще катушка +j27,77
Ом или L2 0,63 мкГн, то с учетом этой катушки
результирующий импеданс в точке 2 становится равным:
Z(1,4)" = 15 +j 10.6 Ом
Входной импеданс антенны в целом это параллельное соединение
Z(2,3) = 20.89 -j 20.87 и
Z(1,4)" = 15 +j 10.6 т.е. два импеданса,
включенных параллельно. Результирующий импеданс в точке 1:
Z total = 14.4 + j 1.6 Ом
Мы видим, что такой импеданс не очень хорошо согласуется с
кабелем 50 Ом, поэтому его нужно согласовать.
Для этого используем ММАНА, Сервис, сервис и установки,
СУ на LC. Выбираем частоту 7,05 Мс, отмечаем
,,конденсатор параллельно,, и вводим в окно R полученное
значение 14,4, а в окно j вводим 1,6. Получаем схему СУ
для расчетного входного импеданса антенны в целом. Это катушка L1
0,48 мкГн и емкость C1
710 пФ.
На этом все расчеты закончены. В итоге вышесказанного, получается следующая
схема активного питания антены 4 SQ array для диапазона 7
Мс.
Рис.3
Все оплетки кабелей соединяются вместе, кроме тех, что на
концах линий 1, 2 , 3 и 4. Эти оплетки соединяются со своими радиалами.
Все компоненты схемы на рис.2, кроме кабелей 1, 2, 2',
3, 4 и входной кабель, могут быть помещены в метал. коробку и
помещены в центре антенны на невысокой, 30-50 см деревянной стойке, к которой
будут подходить кабеля 1, 2', 3 и 4.
Катушки L1 и L2
могут быть либо обычными, либо намотанными на ферритовых кольцах. В последнем
случае кольцо должно быть подходящего для Тх мощности диаметра. Тип кольца может
быть Т200-2, кол-во витков примерно 5- 6. Намотать лучше изолированным проводом,
диаметр жилы до 2 мм. Такой сердечник выдержит до 2 квт.
Конденсаторы С1 и С2 обычные, какие
ставятся на ,,холодный,, конец ВКС в РА. Лучше использовать керамику.
Если использовать обычные катушки, что дешевле, то расчитать
их можно с помощью ММАНА, Сервис, Сервис и установки, Индуктивность. Не стоит их
ставить слишком близко к корпусу коробки. Лучше, если это расстояние будет равно
1-2 диаметрам катушки.
Точность расчетных параметров катушек и емкостей должна быть
не меньше 5%. Поэтому, катушки установленные по месту в коробке, следует
проверить и откорректировать индуктивность по месту
с помощью LC метра. Катушки L1
и L2 следует располагать взаимно
перпендикулярно и подальше для минимизации взаимного влияния.
И теперь о самом главном - переключатель направлений,
изображен на рис.4
Рис.4
На рис.4 квадратом изображена коробка, в которой размещены
L1, L2, C1 ,C2. Обозначения Т2, Т1 и Т3
означают, что это точки
соединения кабелей, изображенные на рис. 3. Кабель 2',
длиной 1/2 волны в коробке соединяется с точкой 1, затем выводится наружу,
заходит обратно в коробку и подключается к точке 3 на схеме рис.4. Этот отрезок
может быть смотан в бухту. Также этот отрезок кабеля может быть выполнен и
на ферритовом кольце(трансформатор-инвертор), которое можно разместить в самой
коробке. Выходы реле подключаются к
кабелям 0,25 волны от элементов 1, 2, 3 и 4. И реле и С1, С2, L1, L2
могут быть помещены в одну коробку. Соединения между реле желательно делать
минимальной длины и
отрезками кабелей 50 Ом, все оплетки вместе соединяются на корпус.
Переключатель содержит 3 реле. Реле должны быть мощными и
иметь по две пары контактов. На рис.4 дана таблица истинности, согласно которой
следует переключать реле. Левее схематично дана антенна для того, чтобы
было понятно, куда будет переключаться ДН антенны.
Каждый отрезок кабелей 1, 2, 3, 4 в точках питания вертикалов
должен иметь ферритовые кольца поверх оплетки. Кабель задержки 2'
тоже должен иметь на концах ферритовые кольца.
Хочу отметить, что расчетные импедансы элементов антенны были
получены с конечной точностью, которая может отличаться в реальных условиях,
поэтому, рекомендуется подстройка ДН по месту. Можно рекомендовать установить подстроечные конденсаторы
параллельно С1 и С2,
небольшой 10% емкости, что позволит в некоторых пределах подстроить систему
питания с помощью С1, и согласование
с ним кабеля питания.
Для подстройки катушки L2 можно временно применить либо
вариометр либо заменить катушку L2 на такую же, но
индуктивностью в 2 раза большую т.е. 1,26 мкГн(j55.54 Ом)
и последовательно с ней, между точкой подключения С2 и L2
включить переменный конденсатор С3, с минимальной емкостью -j50 Ом.
или 415 пФ и максимальной емкостью 1600 пФ. Это может быть двухсекционный
переменник с максимальной емкостью 500 пФ и минимальной 15 пФ. Подключаем
параллельно ему постоянную емкость 450 пФ и получаем нужный нам переменник.
Тогда при максимальной емкости С3 индуктивность L2 будет
j55,54 -j23 = j32,5
Ом. или 0,72 мкГн. При минимальной емкости С3 индуктивность
будет L2 = j55.54 -j49 = j6.54
Ом или 0,147 мкГн. В этих пределах будет меняться индуктивность
L2. При желании можно расширить пределы изменения
индуктивности, путем изменения емкости С3. Затем, относим генератор на
расстояние 3-4 волны от антенны со стороны рефлектора и изменяя индуктивность
L2 и емкость С2 подстраиваем ДН по максимальному
подавлению сигнала генератора. Затем, получив нужное подавление, включаем
антенну на передачу и регулируя С1 и L1 добиваемся
минимального КСВ на рабочей частоте. Еще раз проверяем ДН по подавлению. После
этого коробку следует герметично закрыть. Конденсатор С2 и С3 и параллельный ему
постоянный конденсатор должны быть расчитаны на рабочую мощность. Если Вы решите
заменить их постоянными, то следует выбирать керамические, либо слюдяные
конденсаторы.
Литература: ON4UN Low band DXing | 
