Проволочная двухэлементная трёхдиапазонная антенна
21.02.2018Антенны
Работая в эфире из полевых условий (экспедиция, соревнования, отдых и др.), радиолюбители обычно используют простые антенны GP, IV, LW и т. д. Но не исключено, что многие, задавались целью применить что-то более эффективное, например, направленную антенну. При этом она должна быть лёгкая в перевозке и несложная в установке.

Свой поиск подходящего варианта автор начал с повторения антенны «SPIDER BEAM» («ПАУК») от DF4SA [1]. Отличная проверенная конструкция, которая достаточно подробно описана для самостоятельного изготовления и которую, в принципе, можно купить. Однако сборка и подъём этого «паука» в поле заняли около 3 часа 40 минут. К тому же приобретённые для изготовления несущей конструкции антенны четыре китайских удилища длиной 6 м и обрезанные до требуемых пяти явно не подходили для неё. Они изгибались как «змеи» в разных местах, и их следовало бы заменить более прочными, более толстыми удилищами или стеклопластиковыми трубами. Но это как-то не вписывалось тогда в мои планы, хотелось чего-нибудь «направленного» попроще и полегче.

Дальнейшие поиски продолжались с помощью компьютерной программы «MMANA». Самая простая и малогабаритная направленная трёхдиапазонная проволочная антенна конструкции VK2ABQ [2], очень давно описанная, не обладала в «моделировщике» выразительной диаграммой направленности и соответственно усилением, хотя и была вполне работоспособной. Также простая и приличная по всем параметрам антенна «MOXON» [3] тоже вполне удовлетворяла, но для «нижнего» диапазона 14 МГц требовались несущие элементы длиной более четырёх метров. К тому же большинство попавшихся мне описаний «MOXON»-ов были либо однодиапазонными, либо совмещёнными с другими, не подходящими для меня диапазонами. А мне нужна была антенна, работающая на 14, 21 и 28 МГц.

И наконец, после нескольких часов работы с программой была смоделирована проволочная двухэлементная трёхдиапазонная антенна — нечто среднее между «VK2ABQ» и «MOXON». Автор назвал её 2E3B (два элемента три диапазона).

Забегая вперёд — многократные испытания антенны в полевых условиях подтвердили её полную работоспособность. В сравнении с GP она давала выигрыш 1-3 балла по S-метру на разных дистанциях, хорошо «вырезала» шумы от близко расположенного города, а станции из W или JA отвечали на 10 Вт практически с первого раза.

Чертёж антенны приведён на рис. 1. Её конструкция — классическая для антенн этого типа. Она состоит из четырёх стеклопластиковых распорок («паука»), поддерживающих в пространстве на требуемых расстояниях элементы трёх проволочных антенн «волновой канал», а также крестовины — узла крепления распорок к мачте. Активные элементы антенны — это три отдельных диполя, соединённых в одной общей точке питания.

Указанные на чертеже размеры вибраторов и рефлекторов справедливы при изготовлении их из проводов расплетённого полевого телефонного кабеля П-274М, каждый провод которого содержит четыре медные и три стальные проволоки, заключённые в полиэтиленовую изоляцию. Можно изготовить элементы антенны и из медного неизолированного провода диаметром 1,2-1,5 мм, увеличив их длину на 3,5 %. Однако лучше подходит «полёвка», которая легче медного провода и к тому же меньше вытягивается, что немаловажно для сохранения настройки антенны.

Вариантов выполнения крестовины множество, один из них можно подсмотреть в описании антенны «SPIDER BEAM». Мой первый вариант кресто-вины был сделан из двух дюралевых равнополочных уголков 30×30 мм с толщиной стенки 3 мм и длиной 60 см. В центре каждого устанавливалась U-образная скоба с резьбой на концах, с помощью которой уголок крепился к мачте. Уголки располагались на мачте один над другим и прочно держали распорки на протяжении нескольких выездов в поле. Но у узла был и один недостаток. Каждый раз при сборке антенны требовалось устанавливать по шаблону угол «крестовины» (72°), который при затягивании U-скоб постоянно пытался «улизнуть». Впоследствии этот узел был доработан, и уголки были надёжно закреплены винтами М6 на общей четырёхмиллиметровой дюралюминиевой пластине размерами 70×130 мм. Вид узла представлен на фотографии рис. 2
   или   

Каждая распорка (удилище) крепится к крестовине с помощью двух червячных хомутов. В местах установки хомутов распорка предварительно обмотана резиновой лентой, вырезанной, например, из негодной велокамеры. А резиновая лента, в свою очередь, закреплена посредством нескольких витков ПХВ-изоленты.

Чтобы упростить и ускорить сборку антенны, очень важно разметить на распорках (например, краской разных цветов) точки крепления её активных элементов. Способы крепления здесь могут быть разные — хомуты, липкая лента, пластиковые стяжки, защёлки и т. д. Главное, чтобы выбранный способ обеспечивал невозможность перемещения проволочного элемента по распорке. У меня в этих местах дополнительно просверлены отверстия диаметром 2,5 мм, через которые при сборке антенны пропускаются отрезки миллиметрового эмалированного медного провода. Концы этого провода загибаются вверх и перекручиваются друг с другом, образуя небольшие хомутики для крепления элементов антенны в местах перегиба.

На рис. 3 представлены чертежи вибратора, рефлектора и линии питания. Размеры вибраторов и рефлекторов, а также положение меток, где проволочные элементы сгибаются и крепятся к распоркам, указаны в табл. 1 и табл. 2 соответственно. Как уже отмечалось, совместно с метками на распорках это упрощает и ускоряет сборку антенны, обеспечивая конструкции симметричность. Следует учесть, что в табл. 1 указана только половина длины диполя. Вторая половина аналогична.

Рис. 3. Чертежи вибратора, рефлектора и линии питания

Таблица 1

МГц А, м В, м С, м
14 4,55 2.99 1,56
21 3,26 2,21 1,05
28 2.5 1.64 0,86
Таблица 2

МГц А, м В, D, м С, м
14 10.24 2,12 6
21 6,84 1,2 4.44
28 5,11 0,905 3.3
На концах элементов образованы петли, закреплённые с помощью проволочных бандажей. В петли при сборке пропускается леска, которая стягивает концы элементов друг с другом. Бандажи и метки на проводах элементов выполнены плотной намоткой четырёх витков медной проволоки диаметром 1 мм.

На вибраторах с одной стороны вместо петель припаяны кольцевые клеммные наконечники под винты М4. С помощью наконечников вибраторы одноимённых диапазонов крепятся к изоляторам, образуя полноценные диполи (вибраторы диапазона 28 МГц крепятся к плате «балуна»).

Линии питания также выполнены проводом П-274М и удерживаются параллельно друг к другу в непосредственной близости отрезками термоусаживаемой трубки. При этом ухудшения КСВ по диапазонам не отмечается. Главное, не допускать перекручивания линий, иначе работа антенны нарушится. К концам проводов линий также припаяны кольцевые клеммы под винты М4, а на плате изоляторов установлены винты М4 с гайками для крепления половинок вибраторов и линий питания.

Длина провода для вибраторов берётся на 10-15 см больше, образуя отводы для настройки антенны. Укорачивая их длину, можно точнее найти минимум КСВ в нужном участке диапазона. Антенна оказалась не слишком узкополосной, как предполагалось. Поэтому эффект от регулировки их длины выражен незначительно. Но так как кусать проводник легче, чем наращивать, решено было их оставить. В итоге от первоначальной длины 10-15 см на моей антенне остались отрезки длиной 4-5 см. Если настройкой антенны заниматься нет желания или возможности, рекомендую сразу укоротить их по длине до 5 см. Думаю, что КСВ в этом случае не превысит значения 2 ни на одном из диапазонов.

Пайка кольцевых наконечников к проводу П-274М обычно не вызывает проблем, если провод не старый (не потемневший). Пайку следует производить быстро, с достаточным количеством флюса, так как изоляция быстро плавится. Не лишними будут здесь и разноцветные термоусаживаемые трубки. Это поможет при сборке антенны не перепутать элементы одноимённых диапазонов и линий питания (их длины несколько отличаются) и сэкономит время.

Изоляторы размерами 20×40 мм и плата «балуна» размерами 50×90 мм выполнены из стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Их эскизы представлены на рис. 4. Для снятия статических зарядов на плате «балуна» параллельно зажимам питания установлен резистор МЛТ-2 100 кОм. «Балун» и кабель питания крепятся к плате пластиковыми стяжками. Намотка «балуна» выполнена классически — 5+5 витков кабелем RG-58 C/U на противоположных сторонах ферритового кольцевого магнито-провода FT-140-61 фирмы Amidon. Можно, наверное, применить и отечественный магнитопровод проницаемостью 200…600 соответствующего типоразмера.

Рис. 4. Эскизы изоляторов и плата «балуна»

У одной из обмоток в качестве вывода оставлен отрезок кабеля длиной около 1,2 м, к которому припаян разъём SO-239. Он механически крепится вверху мачты так, чтобы «сползание» было невозможным. Разъём служит для подсоединения к более толстому кабелю (к примеру, RG-213), идущему вниз к трансиверу. Применение тонкого кабеля от «балуна» к мачте вызвано стремлением уменьшить массу и соответственно провисание вибраторов в центре. С другой стороны, потери в тонком кабеле достигают 1 дБ на частоте 28 МГц уже при длине около 10 м, и применять его в качестве полной длины фидера к трансиверу чревато потерями. Можно, конечно, использовать дополнительную распорку длиной около 1,2 м от мачты к плате «балуна». Тогда более толстый кабель может быть подведён непосредственно к «балуну», где целесообразно, в этом случае,установить ВЧ-разъём.

Сборку антенны лучше всего производить на короткой вертикальной мачте (1,5-2 м), надёжно закреплённой в основании. Очень удобно, если это будет первое «колено» выдвижной мачты. Установив распорки, закрепляют рефлектор и вибратор диапазона 28 МГц, затем диапазона 21 МГц и последним — 14 МГц. Подсоединив концы вибраторов к изоляторам (вибратор 28 МГц — к «балуну»), производят подключение питающих линий. После этого слегка подтягивают (лучше всего одновременно, с обеих сторон) и связывают концы однодиапазонных элементов леской. В этой операции главное не переусердствовать — не изогнуть удилища и не оставить элементы антенны свисающими. Кстати, как показала практика, при разборке антенны эти же куски лески лучше отвязывать только с одной стороны, что упростит последующую сборку (или изготовить эти соединения на основе мини-карабинов). Чтобы концы удилищ не провисали, их можно подтянуть с помощью лески или шнура к выступающей вверх на 0,5… 1 м трубе мачты.

На сборку и установку антенны требуется менее двух часов. Для распорок подходят четыре удилища длиной 5-6 м из стеклопластика (или стеклопластиковые трубы), обрезанные до длины 3,7 м. Масса антенны с полотнами, выполненными из полевого провода П-274М (без мачты и кабеля питания), чуть больше 3 кг, поэтому её легко можно поднять в одиночку на лёгкой выдвижной мачте. Для вращения антенны, при необходимости, можно применить недорогое поворотное устройство для ТВ-антенн. Как показала практика, антенна довольно хорошо работает, чётко проявляя свою направленность, уже на высоте около восьми метров, поэтому её параметры в табл. 3, взятые из программы «MMANA», приведены для этой высоты установки над «средней» по проводимости землёй. Понятно, что чем выше, тем лучше, но для полевых условий вряд ли подходит большая и тяжёлая мачта.

Таблица 3

Частота, МГц КСВ (50 Ом) Усиление Ga (dBi) Вперёд/назад (dB) Вперёд/вбок (dB) Полоса частот при КСВ=2, кГц
14,1          1,31          9,05                         17                      16                          600
21,1            1,01                  11                         20                             18                          800
28,3          1.6                 10,55                14,5                          15                          1000         

Литература:
Трёхдиапазонная направленная антенна»Спайдер» (DF4SA»SPIDER BEAM»). — URL: http://www.cqham.ru/spider.htm (01.10.17).
Малогабаритные коротковолновые антенны. — URL: http://ra3tox.qrz.ru/s9/ an_ra475.html (01.10.17).
Прямоугольник Moxon. Обозрение. — URL: http://www.cqham.ru/cebik_n.htm (01.10.17).
Автор: Николай Мясников (UA3DJG), г. Раменское Московской обл.