Kb антенны квадрат. настройка и конструктивные варианты

KB антенны квадрат. Настройка и конструктивные варианты

В данной статье рассматриваются практические вопросы настройки и конструктивного исполнения антенны «квадрат».

На самом первом этапе настройки необходимо симметрировать и согласовать фидер и вибратор «квадрата».

Для двухэлементных антенн с расстоянием между элементами 0.2L при питании 75-омным коаксиальным кабелем наиболее популярным является применение высокочастотного трансформатора на ферритовом кольце. Схемы и конструкции таких трансформаторов неоднократно публиковались в литературе. Следует лишь напомнить, что трансформаторы должны иметь достаточный зазор между витками провода (2-3 мм), изолированного от сердечника, и быть защищены от влаги.

Для трех- и четырехэлементных антенн с входным сопротивлением менее 50 Ом (то есть, когда сопротивление фидера превышает входное сопротивление) наиболее эффективно симметрирование и согласование с применением настраивающейся линии — гамма-согласующего устройства. Примерные исходные данные таких устройств приведены в табл. 1. Диаметр провода линии может быть взят таким же, как и для рамки излучателя (1,5-2,5 мм), расстояние между проводами рамки и линии — в пределах 5-10 см.

Емкость
конденсатора, пф

Для каждого диапазона желательно иметь отдельный питающий кабель со своим согласующим устройством, так как различные комбинации, затрудняя настройку, не позволяют получить хорошего согласования на всех диапазонах.

Для настройки антенн радиолюбителю необходимо иметь следующие приборы: измеритель КСВ, генератор, полуволновой диполь, коротковолновый приемник с линейным индикато- ром силы принимаемого сигнала, аттенюатор с общим затуханием до 50 дБ и переключением ступенями через 3 дБ.

Настройку антенны надо начинать с определения рабочей частоты системы в целом. Для этого в разрыв питающего фидера включают измеритель и измеряют КСВ по диапазону через каждые 50 кГц. По данным измерения строят график и по минимальному значению определяют частоту настройки. Изменением длины вибратора перемещают минимум КСВ на заданную частоту. Для антенн, имеющих гамма-согласующие устройства, можно изменять частоту в пределах ±30 кГц изменением длины согласуюшей линии и емкости конденсатора. Настройку на заданную частоту можно выполнять на небольшой высоте (1-2 м) от земли (крыши), взяв поправку по частоте (минус 75 кГц для 14 МГц и пропорционально-для других диапазонов). После этого, подняв антенну на рабочую высоту, необходимо еще раз проверить КСВ по каждому диапазону. При правильной настройке КСВ должен быть около единицы на заданной средней частоте каждого диапазона. На краях диапазона он будет повышаться, причем тем больше, чем больше элементов имеет антенна: двухэлементного «квадрата» в диапазоне 14 МГц- до 1,2-1,3, трехэлементного-до 1,5-1,6, четырехэлементного — до 1,8-2. Это объясняется тем, что по мере увеличения числа элементов система становится более узкополосной. Поэтому же, кстати, оптимальные характеристики, полученные на рабочей частоте, будут ухудшаться при расстройке по диапазону. Последнее обстоятельство более существенно, чем увеличение КСВ, которое приводит лишь к росту потерь мощности в фидере, имеющих небольшие величины.

После настройки антенны на заданную частоту можно приступить ко второму этапу — настройке пассивных элементов, то есть к получению диаграммы направленности. Следует отметить, что от этой работы зависит качество антенной системы. Поэтому радиолюбитель не должен останавливаться на первых удовлетворительных результатах и довести настройку до получения наивысших характеристик.

Этот этап начинают с настройки рефлектора по максимальному подавлению излучения назад. Для этого на расстоянии не менее 2L на высоте, равной высоте центра антенны, устанавливают горизонтальный полуволновый вибратор (при горизонтальной поляризации «квадрата»), к которому подключают генератор, настроенный на рабочую частоту. К вибратору «квадрата» подключают приемник. Направив «квадрат» рефлектором на генератор, перемещают перемычку короткозамкнутого шлейфа рефлектора, добиваясь наименьшего значения сигнала в приемнике.

При настройке двухэлементных антенн после этого проверяют изменение КСВ по диапазону. Аналогичным образом настраивают антенну на других диапазонах, после чего проверяют настройку рефлектора и изменение КСВ, начиная с первого диапазона. Такую серию последовательных подстроек надо выполнять, пока изменения параметров при каждой подстройке превышают точность измерений.

В заключение снимают диаграмму направленности и определяют отношение излучений вперед/назад на рабочих частотах каждого диапазона. Окончательно диаграмму лучше всего снять по сигналам радиостанций, находящихся в двух зонах: ближней (до 10-15 км) и дальней (800- 2000км).

Таким же путем настраивают трех-и четырехэлементные антенны. Директор (директоры) настраивают по максимальному сигналу на индикаторе выхода приемника, развернув «квадрат» на генератор. Следует иметь в виду, что настройка директора (директоров) не так резко выражена, как настройка рефлектора, поэтому требует большего времени и внимания.

Для сокращения времени полезно использовать устройство для дистанционного перемещения перемычек короткозамкнутых шлейфов, предложенное В. Бегуновым (UW3HY). см. «Радио», 1975. № 7, с. 11.

Следует предостеречь малоопытных коротковолновиков, занимающихся настройкой направленных антенн впервые, от определения характеристик по оценкам сигнала другими радиолюбителями. Дело в том, что при такой оценке трудно учесть влияние ряда объективных и субъективных факторов, которые в конечном итоге могут привести к ошибочным выводам. Если же принято решение провести эксперимент, надо убедиться, что: прохождение радиоволи не отличается какими-либо аномальными явлениями и в обоих пунктах одно и то же время суток (исключая сумерки); поляризация антенн одинакова; корреспондент имеет возможность измерять сигнал на линейном участке своего приемника и индикатора выхода, а методика измерений не отличается от общепринятой; получены повторяемые результаты.

Чтобы исключить хотя бы часть субъективных причин, лучше всего параллельно проверять характеристики антенны в режиме приема.

Подобная методика все же может быть использована для настройки простейшей антенны — двухэлементного «квадрата». При такой настройке набирают статистические данные по измерению отношения излучений вперед/назад в режиме приема различных станций, работающих вблизи рабочей частоты, при различных длинах короткозамкнутого шлейфа рефлектора и определяют его оптимальную длину. На радиостанции UA3CT этот метод был проверен и дал хорошие результаты. Однако для получения достоверных результатов пришлось выполнить большое «количество измерений при расстоянии до корреспондентов от 800 до 2000 км. Каждая точка наносилась на график после усреднения. Измерения выполнялись через каждые 10 см длины шлейфа рефлектора, а вблизи от максимального значения отношения излучений вперед/назад — через 3-5 см.

Для антенн, имеющих более двух элементов, этот метод непригоден, так как уловить изменения сигнала по случайным станциям при настройке директора невозможно.

Приведем несколько практических схем антенн с короткими комментариями, предоставив решение конструктивных вопросов самим радиолюбителям а зависимости от их возможностей.

Поскольку двухэлементный «квадрат» широко распространен и по нему имеется много публикаций (как в СССР, так и за рубежом), мы считаем нецелесообразным приводить уже известные варианты антенны. Ограничимся рассмотрением двухэлементной антенны на 14 МГц с активным питанием рефлектора, которая была впервые создана авторами, испытана в 1968 году на радиостанции UA3CT и вызвала интерес у многих радиолюбителей. Принцип работы этой антенны состоит в том, что ток питания рефлектора сдвинут по фазе относительно тока питания вибратора на угол, при котором получается нан. большее излучение энергии в сторону главного направления и наименьшее — в противоположном направлении.

Антенна схематически изображена на рисунке. Расстояние между элементами равно 0,2L. Рефлектор и вибратор соединены отрезком коаксиального кабеля, длина которого и про-тивофазное включение в рамки обеспечивают требуемый сдвиг фаз. (О расчете фазосдвигающей линии для антенны с активным питанием рефлектора рассказано в статье «Антенна с активным рефлектором» в журнале «Радио». 1968, № 9. с. 17.) К коаксиальному кабелю в строго рассчитанной точке подключен питающий фидер.

Для согласования с входными сопротивлениями рамок использованы гамма-согласующие устройства, установленные в их нижних углах. Эти устройства имеют несколько необычный вид. С обоих сторон к рамкам подключены по два короткозамкнутых шлейфа шириной 12-15 см. К середине перемычки одного из шлейфов рефлектора присоединен провод, который, проходя через изоляционные распорки параллельно проводам шлейфа, через конденсатор С1 соединяет перемычку с центральной жилой коаксиальной линии. Точно таким образом, но противофазно, подключен вибратор.

На рабочую частоту антенну настраивают подбором длины шлейфов вибратора, минимального КСВ добиваются с помощью двух гамма-согласующих устройств, а максимального подавления излучения назад — подбором длины шлейфов рефлектора и длины коаксиальной линии. Надо отметить, что настройка такой антенны требует больших навыков, терпения и времени.

После настройки антенны были получены следующие характеристики: усиление-12 дБ, отношение излучений вперед/назад-30 дБ, отношений излучений вперед/вбок -больше 30 дБ, подавление задних лепестков — на 20 дБ ниже основного, КСВ на рабочей частоте (14150 кГц) — 1,02.

Среди трехэлементных квадратов наиболее удачна конструкция, созданная советским радиолюбителем А. Ф. Камалягиным (UA4IF). Антенна рассчитана для работы на диапазонах 14 и 21 МГц. Конструктивные данные антенны приведены в табл. 2. Ее входное сопротивление- около 50 Ом на каждом диапазоне, поэтому в качестве фидера можно применить 50-омный кабель, подключив его к рамке непосредственно или (лучше) через симметрирующий трансформатор. Можно применять и 75-омный кабель, но с гамма-согласующим устройством. Фидер для каждого диапазона отдельный.

КВ антенны «квадрат» (принципы работы)

Инж.К. СЕПП (UA3CT), канд. техн. наук А. Снесарев
(P 6/76)

Одной из причин, определивших заметный рост активности советских коротковолновиков и их успехи в международных соревнованиях, является широкое распространение направленных антенн. Наиболее популярными в нашей стране стали «квадраты» с двумя, тремя и более элементами формирования диаграммы направленности. Об этих антеннах и пойдет речь в статье. Основная цель, которую преследуют авторы,-дать рекомендации коротковолновику в выборе и настройке антенн, обобщив опыт советских и зарубежных коротковолновиков.

Сравнение «квадратов» и «волновых каналов»

Широкое распространение «квадратов» привело к необходимости сравнить их характеристики с параметрами другой популярной у радиолюбителей антенны — «волнового канала».

В таблице приведены результаты измерений характеристик некоторых антенн «квадрат» и «волновой канал», заимствованные из журнала «QST», 1968, № 5. Из нее следует. что параметры обоих антенн примерно одинаковы, если сравнивать «волновые каналы», имеющие на один элемент больше, чем «квадраты». При одинаковом же числе элементов «квадрат» будет иметь усиление примерно на 2 дБ больше. По нашим данным эту цифру можно увеличить, по крайней мере, до 2,5 дБ, если выбрать оптимальными расстояния между элементами.

Усиление относительно
изотропного излучателя, дБ

Ширина диаграммы направленности
по уровню половинной мощности, град.

Чтобы понять физическую причину такой существенной разницы, рассмотрим направления токов (на рис. 1) в рамке — элементе «квадрата» и в полуволновом диполе — элементе «волнового канала».

Из рис. 1 следует, что в формировании диаграммы «квадрата» принимают участие только токи, протекающие в горизонтальных частях рамки, поскольку поля от токов, протекающие в вертикальных частях взаимно компенсируются. Поэтому рамка эквивалентна системе из двух синфазно возбуждаемых укороченных вибраторов, разнесенных по высоте на расстояние L/4. Известно, что диаграмма направленности в вертикальной плоскости такой системы по сравнению с диаграммой одиночного диполя имеет меньший угол и, следовательно, ее усиление оказывается выше. Количественно выигрыш в усилении в зависимости от параметров и высоты подъема обоих элементов может составлять от 2,2 до 3,1 дБ. Этот выигрыш можно определить по формуле, справедливой с достаточной точностью для KB диапазонов:

Читайте также  Спиннер - стробоскоп своими руками

A=40000/ФгФв где А — коэффициент усиления, Фг и Фв-ширина диаграмм направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно.

Подставив в формулу средние значения Фг=180° и Фв=135°для диполя, Фг=170° и Фв=80° для рамки, получим, что усиление диполя равно 1,64 раза или 2,15 дБ (по мощности), усиление рамки — 2,94 раза или 4,68 дБ. Таким образом, средний выигрыш в усилении составляет 2,53 дБ. Эта цифра реальна и подтверждается на практике.

Подобный же выигрыш достигается и при расположении рамки углом вниз, используемом во многих конструкциях. Этот вариант отличается от разобранного выше лишь тем, что в нем диаграмму направленности формируют горизонтальные составляющие токов, протекающих во всех четырех сторонах рамки, а поля от вертикальных составляющих компенсируются.

Можно отметить и еще одну особенность «квадрата». Так как рамка длиной L образует симметричный замкнутый контур, влияние земли и окружающих предметов, ухудшающее характеристики антенн, оказывается меньшим.

Выбор оптимальной конструкции Под оптимальными мы понимаем такие конструктивные данные антенны, при которых обеспечивается максимальное отношение излучений вперед/назад при достаточно высоком усилении. Ввести это определение представляется необходимым из-за существования двух методов настройки направленных антенн — на максимальное усиление и на максимальное отношение излучений вперед/назад. Эти максимумы не совпадают, причем, как показывает практика, проигрыш в отношении излучений вперед/назад при настройке по первой методике оказывается большим, чем проигрыш в усилении во втором случае.

В процессе проектирования антенны радиолюбитель должен определить количество элементов, расстояние между ними, их размеры. Для решения первой задачи обратимся к рис. 2.

На нем показана зависимость усиления антенны А и отношение излучений вперед/назад В от числа элементов n. Графики построены по результатам измерений (совпадающим с расчетными данными) на антеннах «квадрат» с оптимальными характеристиками для диапазона 14 МГц. Как нетрудно заметить, прирост обоих параметров по мере увеличения числа элементов замедляется, причем это становится особенно ощутимым при n>3. Учитывая трудности, связанные с изготовлением и с настройкой многоэлементных антенн, авторы считают, что в большинстве случаев целесообразно ограничить число элементов тремя. По мнению же некоторых зарубежных радиолюбителей конструктивно более удобна четырехэлементная антенна ввиду симметричного (относительно вертикальной оси, проходящей через центр массы) расположения элементов. Окончательное решение вопроса мы предоставляем читателям.

Для выбора оптимальных расстояний между элементами рассмотрим зависимость усиления А от расстояния S, выраженного в долях длины волны L (рис. 3). На графике черным цветом показана зависимость усиления от расстояния выбратор — рефлектор двухэлементного «квадрата». В заштрихованной области, соответствующей максимуму усиления (S=0,175-0,225L), оно практически не изменяется, поэтому в данном случае выбор расстояния в указанных пределах некритичен.

Для антенн с числом элементов более двух задача усложняется из-за введения дополнительных независимых переменных величин (для трехэлементной антенны — двух, для четырехэлементной — трех и т. д.). Поэтому целесообразно задаться одним из расстояний (например, между вибратором и рефлектором) и выбрать оптимальными другие расстояния. Так, если принять для трехэлементной антенны расстояние вибратор — рефлектор равным 0,2L, можно определить оптимальное расстояние вибратор — директор, пользуясь кривой, показанной на рис. 3. Очевидно, наибольшее усиление этот «квадрат» будет иметь при расстоянии вибратор — директор, равном 0,175L, и в этом случае при изменении расстояний от 0,14 до 0,21L уси-ление практически остается постоянным, хотя, как и следовало ожидать, из-за уменьшения широко полосности антенны зависимость усиления от S становится круче.

Для иллюстрации сказанного можно привести несколько преобразованный для «квадратов» на 14 МГц график из того же журнала «QST». На основе исследования большого количества антенн была определена зависимость усиления от длины L траверсы для крепления элементов (рис. 4). Заштрихованные области на графике — практически возможные пределы изменения длины траверсы для антенны с данным числом элементов. Из графика следует, что антенны с укороченной траверсой уступают в усилении (двух- и трехэлементные — примерно на 2 дБ) антеннам, имеющим расстояния между элементами около 0,2 L.

Длина рамки вибратора lв может быть подсчитана по формуле:

где Ky -коэффициент удлинения, зависящий от числа элементов и отношения длины рамки к диаметру провода; Lр-длина волны, на которую рассчитывается антенна.

Для определения длины вибратора двухэлементного «квадрата» коэффициент удлинения принимают равным 1,01, при трех и более элементах он равен 1,015-1,02.

Длину рефлектора двухэлементного «квадрата» выбирают на 5-6% больше длины вибратора. Для трехэлементного «квадрата» длина рефлектора должна быть на 3-4% больше, директора — на 2,5-3% меньше длины вибратора; для четырехэлементного «квадрата» длина рефлектора должна быть на 2,5-3% больше, длины директоров — на 2% меньше.

Практически рефлектор и директор изготовляют немного короче, чем определено расчетом, чтобы с помощью короткозамкнутых шлейфов можно было их настроить.

Все сказанное ранее относилось к однодиапазонным «квадратам». На практике же часто приходится прибегать к созданию многодиапазонной системы. Надо отметить, правда, что любое совмещение в вертикальной плоскости элементов, настроенных на разные частоты, особенно кратные двум (то есть 14 и 28, 7 и 14’МГц и т. п.), приводит к ухудшению основных характеристик антенны. Приведем два примера. Двухэлементный «квадрат» на 14, 21 и 28 МГц с рамками в разных плоскостях (так называемая конструкция «еж») имеет усиление до 9 дБ и отношение излучений вперед/назад — до 24 дБ; те же характеристики аналогичного «квадрата», выполненного на траверсе, не превышают 8 и 22 дБ соответственно. Трехэлементный «квадрат» на два диапазона (14 и 21 МГц) с разнесенными рефлекторами обеспечивает усиление до 13 дБ и отношение излучений вперед/назад — до 30 дБ; у трехэлементного трехдиапазонного «квадрата» (добавлен диапазон 28 МГц и рамки расположены одна внутри другой) эти характеристики ухудшаются соответственно до 11,5 и 27 дБ.

Для уменьшения влияния элементов, расположенных в одной плоскости и работающих на кратных частотах, можно, соответствующим образом подключив фидер, применить их поляризационную развязку (горизонтальную поляризацию для одного и вертикальную — для другого диапазонов).

Определенная расчетным путем развязка элементов диапазонов 14-28 МГц в трехэлементном «квадрате» достигает 20 дБ.

Для получения наилучших характеристик многодиапазонной системы желательно сохранить оптимальные расстояния между элементами для каждого диапазона. Однако здесь из-за конструктивных трудностей радиолюбители часто вынуждены идти на компромисс. Одним из примеров такого компромисса для трехэлементного «квадрата» на 14, 21 и 28МГц может быть достижение близких к оптимальным характеристик на первых двух диапазонах и худших — на третьем. На наш взгляд, такое решение вполне оправдано ввиду особенностей прохождения и различной загруженности этих диапазонов. В зависимости от конкретных требований к антенне радиолюбитель может выбрать другой вариант.

Ci-Bi.com Форум любительской радиосвязи

27.245МГц / 144.975МГц / 435.245МГц

  • Список форумовАнтенныДругое
  • Изменить размер шрифта
  • Для печати
  • FAQ
  • Регистрация
  • Вход

KB антенны «квадрат» (принципы работы)

KB антенны «квадрат» (принципы работы)

Barracuda » 30 дек 2010, 20:20

Одной из причин, определивших заметный рост активности советских коротковолновиков и их успехи в международных соревнованиях, является широкое распространение направленных антенн. Наиболее популярными в нашей стране стали «квадраты» с двумя, тремя и более элементами формирования диаграммы направленности. Об этих антеннах и пойдет речь в статье. Основная цель, которую преследуют авторы,-дать рекомендации коротковолновику в выборе и настройке антенн, обобщив опыт советских и зарубежных коротковолновиков.

Сравнение «квадратов» и «волновых каналов»

Широкое распространение «квадратов» привело к необходимости сравнить их характеристики с параметрами другой популярной у радиолюбителей антенны — «волнового канала».

В таблице приведены результаты измерений характеристик некоторых антенн «квадрат» и «волновой канал», заимствованные из журнала «QST», 1968, № 5. Из нее следует. что параметры обоих антенн примерно одинаковы, если сравнивать «волновые каналы», имеющие на один элемент больше, чем «квадраты». При одинаковом же числе элементов «квадрат» будет иметь усиление примерно на 2 дБ больше. По нашим данным эту цифру можно увеличить, по крайней мере, до 2,5 дБ, если выбрать оптимальными расстояния между элементами.

Чтобы понять физическую причину такой существенной разницы, рассмотрим направления токов (на рис. 1) в рамке — элементе «квадрата» и в полуволновом диполе — элементе «волнового канала».

Из рис. 1 следует, что в формировании диаграммы «квадрата» принимают участие только токи, протекающие в горизонтальных частях рамки, поскольку поля от токов, протекающие в вертикальных частях взаимно компенсируются. Поэтому рамка эквивалентна системе из двух синфазно возбуждаемых укороченных вибраторов, разнесенных по высоте на расстояние L/4. Известно, что диаграмма направленности в вертикальной плоскости такой системы по сравнению с диаграммой одиночного диполя имеет меньший угол и, следовательно, ее усиление оказывается выше. Количественно выигрыш в усилении в зависимости от параметров и высоты подъема обоих элементов может составлять от 2,2 до 3,1 дБ. Этот выигрыш можно определить по формуле, справедливой с достаточной точностью для KB диапазонов:

A=40000/ФгФв где А — коэффициент усиления, Фг и Фв-ширина диаграмм направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно.

Подставив в формулу средние значения Фг=180° и Фв=135°для диполя, Фг=170° и Фв=80° для рамки, получим, что усиление диполя равно 1,64 раза или 2,15 дБ (по мощности), усиление рамки — 2,94 раза или 4,68 дБ. Таким образом, средний выигрыш в усилении составляет 2,53 дБ. Эта цифра реальна и подтверждается на практике.

Подобный же выигрыш достигается и при расположении рамки углом вниз, используемом во многих конструкциях. Этот вариант отличается от разобранного выше лишь тем, что в нем диаграмму направленности формируют горизонтальные составляющие токов, протекающих во всех четырех сторонах рамки, а поля от вертикальных составляющих компенсируются.

Можно отметить и еще одну особенность «квадрата». Так как рамка длиной L образует симметричный замкнутый контур, влияние земли и окружающих предметов, ухудшающее характеристики антенн, оказывается меньшим.

Выбор оптимальной конструкции Под оптимальными мы понимаем такие конструктивные данные антенны, при которых обеспечивается максимальное отношение излучений вперед/назад при достаточно высоком усилении. Ввести это определение представляется необходимым из-за существования двух методов настройки направленных антенн — на максимальное усиление и на максимальное отношение излучений вперед/назад. Эти максимумы не совпадают, причем, как показывает практика, проигрыш в отношении излучений вперед/назад при настройке по первой методике оказывается большим, чем проигрыш в усилении во втором случае.

В процессе проектирования антенны радиолюбитель должен определить количество элементов, расстояние между ними, их размеры. Для решения первой задачи обратимся к рис. 2.

На нем показана зависимость усиления антенны А и отношение излучений вперед/назад В от числа элементов n. Графики построены по результатам измерений (совпадающим с расчетными данными) на антеннах «квадрат» с оптимальными характеристиками для диапазона 14 МГц. Как нетрудно заметить, прирост обоих параметров по мере увеличения числа элементов замедляется, причем это становится особенно ощутимым при n>3. Учитывая трудности, связанные с изготовлением и с настройкой многоэлементных антенн, авторы считают, что в большинстве случаев целесообразно ограничить число элементов тремя. По мнению же некоторых зарубежных радиолюбителей конструктивно более удобна четырехэлементная антенна ввиду симметричного (относительно вертикальной оси, проходящей через центр массы) расположения элементов. Окончательное решение вопроса мы предоставляем читателям.

Читайте также  Автомат световой день

Для выбора оптимальных расстояний между элементами рассмотрим зависимость усиления А от расстояния S, выраженного в долях длины волны L (рис. 3). На графике черным цветом показана зависимость усиления от расстояния выбратор — рефлектор двухэлементного «квадрата». В заштрихованной области, соответствующей максимуму усиления (S=0,175-0,225L), оно практически не изменяется, поэтому в данном случае выбор расстояния в указанных пределах некритичен.

Для антенн с числом элементов более двух задача усложняется из-за введения дополнительных независимых переменных величин (для трехэлементной антенны — двух, для четырехэлементной — трех и т. д.). Поэтому целесообразно задаться одним из расстояний (например, между вибратором и рефлектором) и выбрать оптимальными другие расстояния. Так, если принять для трехэлементной антенны расстояние вибратор — рефлектор равным 0,2L, можно определить оптимальное расстояние вибратор — директор, пользуясь кривой, показанной на рис. 3. Очевидно, наибольшее усиление этот «квадрат» будет иметь при расстоянии вибратор — директор, равном 0,175L, и в этом случае при изменении расстояний от 0,14 до 0,21L уси-ление практически остается постоянным, хотя, как и следовало ожидать, из-за уменьшения широко полосности антенны зависимость усиления от S становится круче.

ля иллюстрации сказанного можно привести несколько преобразованный для «квадратов» на 14 МГц график из того же журнала «QST». На основе исследования большого количества антенн была определена зависимость усиления от длины L траверсы для крепления элементов (рис. 4). Заштрихованные области на графике — практически возможные пределы изменения длины траверсы для антенны с данным числом элементов. Из графика следует, что антенны с укороченной траверсой уступают в усилении (двух- и трехэлементные — примерно на 2 дБ) антеннам, имеющим расстояния между элементами около 0,2 L.

Длина рамки вибратора lв может быть подсчитана по формуле:

где Ky -коэффициент удлинения, зависящий от числа элементов и отношения длины рамки к диаметру провода; Lр-длина волны, на которую рассчитывается антенна.

Для определения длины вибратора двухэлементного «квадрата» коэффициент удлинения принимают равным 1,01, при трех и более элементах он равен 1,015-1,02.

Длину рефлектора двухэлементного «квадрата» выбирают на 5-6% больше длины вибратора. Для трехэлементного «квадрата» длина рефлектора должна быть на 3-4% больше, директора — на 2,5-3% меньше длины вибратора; для четырехэлементного «квадрата» длина рефлектора должна быть на 2,5-3% больше, длины директоров — на 2% меньше.

Практически рефлектор и директор изготовляют немного короче, чем определено расчетом, чтобы с помощью короткозамкнутых шлейфов можно было их настроить.

Все сказанное ранее относилось к однодиапазонным «квадратам». На практике же часто приходится прибегать к созданию многодиапазонной системы. Надо отметить, правда, что любое совмещение в вертикальной плоскости элементов, настроенных на разные частоты, особенно кратные двум (то есть 14 и 28, 7 и 14’МГц и т. п.), приводит к ухудшению основных характеристик антенны. Приведем два примера. Двухэлементный «квадрат» на 14, 21 и 28 МГц с рамками в разных плоскостях (так называемая конструкция «еж») имеет усиление до 9 дБ и отношение излучений вперед/назад — до 24 дБ; те же характеристики аналогичного «квадрата», выполненного на траверсе, не превышают 8 и 22 дБ соответственно. Трехэлементный «квадрат» на два диапазона (14 и 21 МГц) с разнесенными рефлекторами обеспечивает усиление до 13 дБ и отношение излучений вперед/назад — до 30 дБ; у трехэлементного трехдиапазонного «квадрата» (добавлен диапазон 28 МГц и рамки расположены одна внутри другой) эти характеристики ухудшаются соответственно до 11,5 и 27 дБ.

Для уменьшения влияния элементов, расположенных в одной плоскости и работающих на кратных частотах, можно, соответствующим образом подключив фидер, применить их поляризационную развязку (горизонтальную поляризацию для одного и вертикальную — для другого диапазонов).

Определенная расчетным путем развязка элементов диапазонов 14-28 МГц в трехэлементном «квадрате» достигает 20 дБ.

Для получения наилучших характеристик многодиапазонной системы желательно сохранить оптимальные расстояния между элементами для каждого диапазона. Однако здесь из-за конструктивных трудностей радиолюбители часто вынуждены идти на компромисс. Одним из примеров такого компромисса для трехэлементного «квадрата» на 14, 21 и 28МГц может быть достижение близких к оптимальным характеристик на первых двух диапазонах и худших — на третьем. На наш взгляд, такое решение вполне оправдано ввиду особенностей прохождения и различной загруженности этих диапазонов. В зависимости от конкретных требований к антенне радиолюбитель может выбрать другой вариант.

Антенна квадрат на 80метров.

Антенна квадрат, лучший вариант на 80 м.

Антенна квадрат. Одним из видов антенн является антенна в форме квадрата. В некоторых странах она пользуется популярностью.

В России, такая антенна в один элемент не очень распространена. То ли из-за нехватки информации, в журналах наших радио и радиолюбительских источниках, то ли по другим причинам.

Давайте рассмотрим его применение на радиолюбительские диапазоны, на 80-ку к примеру.

Для 80 метрового диапазона возьмем провод полевой длиной 84 метра. Разместим все четыре угла на высоте 16 метров от земли. На резонансной частоте будет примерно 120 ом активного волнового сопротивления.

Полоса пропускания по уровню КСВ=2, примерно составит 230 килогерц. Диаграмма круговая в азимутальной плоскости, по углу места в зенит.

Усиление примерно будет 8,3 dbi. Для согласования с 50-омным кабелем потребуется четвертьволновый трансформатор из коаксиала 75 ом. Точка подключения в середине из одной стороны. При подключении в одном из углов, характеристики почти не меняются.

Если этот квадрат опустить до высоты 9 метров от земли. Активное сопротивление на резонансной частоте составит около 50 ом, и можно будет напрямую запитать 50-омным кабелем. При этом немного вырастет усиление, и будет около 9 dbi. Полоса пропускания заметно сузится, и будет всего 90 кгц. Что не есть хорошо.

Использовать такую конструкцию антенны на радиостанции имеет смысл при проведении только местных радио связей – до 800 километров. Причем подключение полотна в углу возможно будет предпочтительнее.

Давайте теперь полотно антенны разместим не параллельно , а вертикально относительно земли. Периметр увеличим до 85 метров, чтобы резонансная частота была в середине диапазона 3 650 килогерц.

Нижняя сторона квадрата на высоте примерно 2 метра от земли. Поляризация горизонтальная – точка подключения в середине нижней стороны.

Что будет в таком варианте – полоса пропускания 140 килогерц. Мало, а весь 80-метровый диапазон перекрывает очень мало, всего несколько антенн по полосе пропускания.

Квадрат. Усиление антенны

Усиление меньше 7 dbi. Диаграмма круговая, да и все антенны из одного элемента на малой высоте подвеса имеют круговую диаграмму, как ни крути, и не наклоняй.

Зато угол излучения максимальный стал 65 градусов. При таком угле связи можно проводить как в ближней зоне.

Так и до 3-5 тысяч километров с одинаковым успехом. Здесь можно даже картинку показать.

Антенна квадрат, на 80 метров

Мы рассматривали горизонтальную поляризацию, давайте попробуем вертикальную. Для этого точку питания перенесем в одну из середин вертикальной стороны.

О! Чудо. Полоса пропускания составила 330 килогерц. Можно посмотреть в Mmana.

Что очень хорошо, при периметре 83,4 метра. Угол излучения максимальный 16 градусов.

При таком угле все DXы на 80ке наши будут. То есть можно будет хорошо и просто проводить связи от 5 тысяч километров до антипода (16 т.км). Супер!

Антенна квадрат, на 80 метров вертикальной поляризации

Сопротивление в этом случае будет 200 ом, и мы можем применить трансформатор ¼ по сопротивлению, и все будет хорошо.

Рассматривая, пробуя, анализируя, любой радиолюбитель сможет выбрать, подобрать себе антенну квадрат. Она хорошая. Антенна двойной квадрат конечно лучше, уже направленная, её или крутить надо или сделать переключаемую антенну.

Расчет антенны квадрат можно производить в Mmana, Там все показано будет.

Антенна квадрат

Антенна квадрат очень эффективная на всех частотах. На низких она огромная по размерам. Но этого стоит. Для телевидения и ФМ вещания очень хорошая. Кто этого не слышал, обратите внимание.

Ci-Bi.ru Форум о связи

Текущее время: Пт июл 30, 2021 2:14

Антенна «квадрат» для СИ-БИ диапазона.

По конструкции:
Отсюда взял идею.
Далее — взял отрезок тонкостенной дюралевой трубы — стакан , длиной 20 см. Зафигачил в нем крест-накрест 8 дырок, в эти дырки вставил плотненько 4 трубки, крест-накрест, которые чуть согнул на 15-20 градусов, как по ссылке. Вставил с трубки запененные удочки, обычной стройпеной (ушло 2 баллончика)(сразу говорю — сохнет долго! Трое суток!)
И натянул на края через обычные автохомуты стальной 1-мм. нержавеющий тросик, длинну которого посчитал прямо здесь. Коэфф. разноса — по умолчанию, 0.12.
И все!
А вот потом началось самое сложное. Настройка! Тут пришлось помучиться! Квадраты настраиваются либо по макс. усилению вперед, либо по макс. подавлению назад.
У меня — второе. Если интересно -расскажу.

Спасибо. Идею понял. Как сделать ежика тоже понятно, однако я наверное буду делать из стали, дюраль как-то доверия не внушает да и под рукой ее нету.
Про настройку тоже интересно, причем про оба варианта. Делать буду на 1 диапазон. Поворотки у меня нет как таковой (пока что), вот и интересно какой угол на местности покрывает главный лепесток такого квадрата?

PS: Вопрос к модераторам. Может тему про квадраты отдельно оформить дабы тут не флудить?

Спасибо, получил похожие результаты вчера, промоделировав 2 квадрата в ММАНА. Это по усилению от 9dB до 5dB (на память).
По минимуму КСВ, размеры рамок излучателя и рефлектора подогнал. Пытался оптимизировать по подавлению заднего лепестка, но как-то не получается.

Нашел твою темку на qrz.kz про квадраты, там где с видео. Монструозно!
И еще такой вопрос, какую поворотку лучше использовать? Поглядел на видео, идентифицировать не смог ни по блоку управлению не по конструкции. Похожа на 250 Ясу, но не она.

Поглядел на предмет CDE HAM, отличные поворотки, только вот, в Россию их не отправляют продавцы. Но я, похоже, нашел себе подходящий вариант, посмотрим.

Вот результаты моделирования. Довольно узкополосные квадратики, однако. По КСВ 2, всего 450 кГц. Интересно, на соседние частоты тюнер вытянет?
Параметры рамок получаются такие для частоты 27.150.
Вибратор, периметр: 11.222 м., сторона квадрата соответственно 2.8055 м.
Рефлектор, периметр: 11.6449 м., сторона квадрата соответственно 2.9112 м.
Расстояние между квадратами 1.32 м.
Запитка в боковую сторону.

Антон, тебе микрофон! Что там с технологией настройки?

Я не теоретик. Я все более хендмейдить люблю.
Совет — запитай рамку через гамму. У меня ж- запитано — все работает(прищепки видал?) .
Приемлемый КСВ от 28.800 до 27.000.

Чтобы настроить квады:
Ищешь постоянно работающую станцийку на сиби (я использовал нашу репку), становишься к ней спиной, смотришь на s-метр, засекаешь уровень.
Бежишь на крышу и стягиваешь (немного!) края палок. Идешь вниз, смотришь на уровни. Если они уменьшились — верной дорогой идем!
Вот в таком разрезе добиваешься максимального ослабления станции. Все.

Читайте также  Цветные провода для проводки

У тебя есть антенный АНАЛизатор? Без него ты точно настроить по месту врят-ли сможешь.

Да, с запиткой. Я тебе совершенно со всей ответственностью заявляю, что сделав горизонт. поляризацию у квадов — ты проиграешь в местных связях. Сбоку тебя с 1 киловаттом задавит 4-ваттная станцийка (для местного наблюдателя). Мы с тобой общались на горизонт. поляризацию.
А сделав верт. поляризацию — ты проиграешь в дальних связях + шумов будет на порядок больше. Но зато местные будут слышать — все!

Технология ясна. Спасибо огромное.
Я в общем-то тоже больше практик. Правда, сейчас не до практики такая метель за окном, как-будто и не март месяц. Да и работа в науке приучила все проверять с разных сторон. Хоть ММАНА освоил.

С поляризацией сложнее. Мы друг друга слышим хорошо, поскольку, мой цеппелин, по большому счету, тоже имеет горизонтальную поляризацию, провод длиной 40 метров натянутый из форточки на соседнюю сосну, идет практически параллельно земле, с небольшим провисом. Может дело в этом? Хотя местных я конечно хуже, чем на штырь, но тоже слышу.
Может в угол запитать, и развернуть на 45 градусов вокруг оси? Как на твоей фотке справа. Надо промоделировать дома.

Анализатор конечно есть, куда же без него в такие дебри. Так что, с настройкой думаю будет проще.
У меня глюк, или те квадраты, что слева у тебя под странным углом?

Kb антенны квадрат. настройка и конструктивные варианты

О многодиапазонных двойных квадратах уже столько писано, что возвращение к этой теме выглядит странным. Тем не менее, иногда полезно всмотреться в давно известное и подумать как его можно сделать лучше.

Данная статья не описание готовой антенны. Это пока (на декабрь 2020 г) только проект. Так еще никто (включая меня) не делал. Сезон неподходящий. Но, полагаю, в теплое время года попробовать стоит.

К теме. Недостатки традиционных многодиапазонных двойных квадратов, вынудившие взяться за новое проектирование:

Очень много проволоки из-за отдельных рамок на каждый диапазон. Что кроме денег (медный провод нынче дорог) тянет за собой еще и вес. А, следовательно, еще и повышенную нагрузку на несущую конструкцию, вынуждая делать ее более прочной и дорогой.

Трудности настройки. И до рефлекторов и до вибраторов приходится акробатически тянуться вбок от конца мачты. Что не прибавляет ни безопасности, ни удобства.

Нерациональное расходование объема антенны. Например, т.к. на 28 MHz работают только рамки этого диапазона, то на этом диапазоне используемся лишь 1/8 объема антенны. Все остальное не только не используется, но даже мешает, ухудшая F/B и полосу.

Ниже описана сделать антенна, лишенная этих недостатков (конечно, там есть другие, но в каких-то ситуация они могут оказаться более терпимыми).

Антенна

Попробуем использовать одну рамку на всех диапазонах (так, чтобы вся антенна состояла бы только из двух амок: рефлектор и вибратор).

Обычная волновая рамка представляет собой синфазную решетку из двух полуволновых диполей даже при единственной точке питания в центре одного из этих диполей. Но если мы заметно изменим длину волны (т.е. попробуем использовать рамку на другом диапазоне, где ее периметр уже не равен λ) то она перестает быть синфазной решеткой, т.к. половинки нерезонансной рамки уже не будут возбуждаться одинаково. Это приведет к искажению зенитной ДН и потере выигрыша в усилении от синфазности токов в половинках рамки.

Чтобы избежать этого и грамотно использовать одну рамку от 14 до 28 MHz мы должны питать ее в двух точках сразу. Т.е. в середины верхней и нижней сторон многодиапазонной рамки должны идти свои линии питания одинаковой длины. Соединив эти линии параллельно, мы получим точку, куда можно включать реактивности для перестройки рамки по частоте. При этом токи в верхней и нижней части рамки останутся синфазными, зенитная ДН не только не пострадает, а напротив, будет сужаться с ростом частоты и прижиматься к земле.

Поставив две такие рамки рядом и настроив одну из них рефлектором, мы получим многодиапазонный двойной квадрат.

Выше изложена общая идея. Для инженерной реализации надо было найти периметр рамок, расстояние между ними, тип и длину питающих линий так, во всех диапазонах получились бы приличные ДН и удобные для переключения импедансы.

Получившиеся в результате этих поисков (ну и оптимизации, конечно) размеры показаны на следующем рисунке:

По размерам антенна очень близка к обычному двойному квадрату на 14 MHz с расстоянием между рамками 0,11λ. Видимое отличие только в том, что от середин каждой из полурамок в геометрический центр антенны приведены двухпроводные линии длиной по

3,7м, которые соединены попарно для каждой из рамок.

Но это отличие позволяет получить хорошую, направленную ДН во всех диапазонах от 14 до 28 MHz и удобный для согласования и переключения импеданс в диапазона 14, 21 и 28 MHz.

Диаграммы направленности

На следующих шести рисунках приведены ДН по диапазонам. Поскольку это еще проект, то ДН даны в свободном пространстве и для провода без потерь, для корректного сравнения с другими антеннами.

В правом нижнем углу каждого рисунка синим цветом указано, что включено в рефлектор (R) и вибратор (W).

Что мы видим? Переключая иили перестраивая реактивности, подключенные к шлейфам рефлектора(R) и вибратора (W):

Можно получить направленную ДН с пристойным F/B на любой частоте от 14 до 29 MHz.

На 14 MHZ усиление 7 dBi соответствует обычному QQ с расстоянием между рамками 0,11λ, т.е. тому, чем наша антенна и является.

На 21 MHZ усиление 8,2 dBi соответствует тройному квадрату с длиной траверсы 0,22λ, что на этом диапазоне составит 3,3 м. Но у нас рамок две и расстояние всего 2,3 м. Откуда такое усиление? От большей апертуры рамок и большего расстояния по вертикали (последнее видно по зенитной ДН, которая больше прижата к оси Х, чем на 14 MHz).

На 28 MHZ усиление 9,2 dBi соответствует тройному квадрату с весьма длинной траверсой 0,3λ (на этом диапазоне это 3 м). Причины роста усиления и сужения зенитной ДН те же самые, что и на 21 MHz.

В диапазонах 14, 21 и 28 MHz хорошее согласование достигается последовательной реактивностью, включенной в вибратор. Диапазоны 18, 24 и 27 MHz потребуют более сложного СУ, что усложнит коммутацию.

Полосы пропускания антенны по уровням КСВ 12 dB больше отведенных диапазонов везде, кроме 14 MHz. На 14 MHz полоса составляет около 200 kHz (следствие узкополосной трансформации импеданса конденсаторов двухпроводными линиями), что потребует либо переключения конденсаторов вибратора и рефлектора между CW и SSB участками, либо их механической подстройке (если применяются КПЕ).

Реальные цифры усиления будут на 0,2 . 0,3 dB ниже за счет потерь в проводах рамок (как и у всех рамочных антенн) и в конденсаторах и катушках шлейфов (а это свойство данной антенны).

Возможные способы переключения и питания

Для этого в шлейф рефлектора включается такая схема:

В показанном на схеме положении (все реле выключены) через К1 подключена катушка диапазона 21 MHz. При срабатывании K1 подключается основной постоянный конденсатор C1 диапазонов 14 и 28 MHZ. Маленькие подстроечные конденсаторы С2 – С4 (из кусочков коаксиала, видимо удобно будет), переключаемые K2 и K3, обеспечивают подстройку подавления назад в диапазоне 28 MHz и в поддиаазонах 14,05 MHZ (CW) и 14,18 MHz (SSB).

В вибратор (т.к. он симметричный) придется включить две таких схемы (в каждой катушки вдвое меньше, конденсаторы вдвое больше) и затем через симметрирующий балун к коаксиалу.

При мощности 250 W расчетные токи через контакты реле К1 достигают 4 А (через К2 и K3 в два. четыре раза меньше). Те же 4 А пойдут через катушку и почти столько же через С1. Это относится и к рефлектору и к вибратору.

А вот требования по напряжению отличаются. В рефлекторе все контакты реле и конденсаторы должны выдерживать до 1 кВ, а вибраторе вдвое меньше 500 В (потому что в вибраторе две таких схемы и по сигналу они включены последовательно).

Таким образом, при мощности 250 W во всех местах справятся недорогие реле RT314012. А при киловатте RT314012 подойдут только в вибратор, а в рефлектор придется включать высоковольтные вакуумные реле (4 шт и изменив схему, т.к. у вакуумных контакты только на замыкание).

Может показаться, что 9 реле многовато для трех диапазонов. Но учтем, что для обычного трехдиапазонного QQ:

Все равно потребовалось бы реле для подключения диапазонных рамок к кабелю. Как минимум три (а лучше 6). Объединение рамок разных диапазонов на один общий кабель — проблема весьма сложная и ухудшающая параметры ВЧ антенн.

Усиление было бы меньше. Чтобы его дотянуть до уровня нашей антенны пришлось увеличивать длину антенны до 3,3 м и ставить дополнительные (третьи элементы) на 21 и 28 MHz.

Расходы на увеличение размеров антенны и на несколько десятков метров хорошего медного провода (на рамки 21 и 28 MHz) будут примерно такими же, как на несколько дополнительных реле и схему управления (сигналы переключения диапазонов можно подать по питающему коаксиалу). В общем, мне кажется, что описываемая антенна имеет право на существование. Вариант на диапазоны 14, 18, 21, 24, 27 и 28 MHz

Антенна останется той же самой, а вот система коммутации существенно усложнится.

В рефлекторе придется добавить еще 3 реле (или два, если без 27 MHz) и соответствующие реактивности для новых диапазонов.

В вибраторе придется добавлять по 4 реле на каждый новый диапазон, т.к. согласующие устройства там будут уже Г-образными (из-за Ra отличающегося от 50 Ом) и их нельзя коммутировать в симметричной линии только одной парой реле. Питание можно сильно упростить, если прямо на антенне применить автотюнер.

Схему коммутации не привожу, т.к. она зависит от типа контактов применяемых реле (замыкание и переключение) и нужных диапазонов. Предполагается, что замахиваясь на конструкцию такой сложности вы в силах самостоятельно разработать схему коммутации под свои условия (если это не так, пожалуй, стоит воздержаться от изготовления этой антенны).

Расходы на коммутацию будут большими. Но зато мы получаем полноценную 5-ти (или 6-ти) диапазонную антенну без всяких компромиссов. Нет паразитного взаимного влияния разных диапазонов (т.к. рамок только две и они всегда работают целиком). На каждом диапазоне антенна ведет себя как хорошая однодиапазонная. Думается, в ряде случаев эти преимущества перевесят сложности коммутации.